抽水蓄能电站三维运维仿真培训系统应用研究

孙廷昌，肖楚伟，李亦凡，张卫君，李雪强，刘 欣，罗 茜，孔吉宏，邱 洋

（1.南方电网调峰调频发电有限公司，广东 广州510630；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

0 引言

三维可视化技术作为一种高效的展示与交互技术，应用领域由原来的航天、军事、国土地质等行业，越来越多的应用到“智慧城市”、“智慧工业”等各行各业智慧化管理运维中[1]。据AutoDesk 公司统计，三维可视化可提高企业竞争力66%，减少50%～70%的信息需求，缩短5%～10%的建设周期[2]。因此研究应用三维可视化技术手段，建立抽水蓄能运行维护培训系统，将大大提升运维人员的技术水平及安全意识。

国内常用的三维培训平台，多以固定动画脚本写成的三维动画培训课件为主，灵活性和扩展性不足，系统建设完成后很难再补充或更新培训内容。中国南方电网调峰调频有限公司与中国水利水电科学研究院自动化所合作，将三维虚拟仿真技术与水电厂监控技术结合，构建出了一套基于仿真数据驱动的抽水蓄能三维仿真培训系统平台。本文将介绍该平台的技术特点，并以南方电网调峰调峰公司三维仿真培训系统项目为例，讨论涉及到的设计思路以及实现方式。

1 抽水蓄能水电站运维仿真系统需求分析

随着南网双调公司自动化智能化技术的应用和人员结构不断的优化调整，南网所属蓄能电厂现场管理和运维队伍均十分高效精简。而抽水蓄能水电站工况和流程较常规水电站复杂，运维和检修工作十分重要，对人员培训和岗评工作提出了更高的要求。仿真培训系统要逐步替代传统培训考试模式，利用三维可视化技术直观高效的特点，逐步实现运维和检修的协同的培训考试平台。

针对南网培训中心对运维培训和考评的要求与特点，我们建立的三维仿真系统应具备如下特点：

（1）仿真培训系统应围绕“教-学-练-考-评”这一完整的培训考核评价体系。

（2）三维场景和动态应直观生动的再现抽水蓄能电厂现场设备，为运维培训提供操作场景和平台。

（3）系统应明确对学员操作培训和考评的评估标准，系统具备自动测评的能力。

（4）系统应具备记录学员操作和成绩自动分析功能。

2 整体设计

抽水蓄能电站三维运维仿真培训系统部署在南网双调公司内网上，采用C/S 架构设计以满足安全性、响应速度、操作复杂程度的需求。图1为该系统的整体架构。

图1 系统整体架构

3 功能设计

抽水蓄能电站三维运维仿真培训系统按照岗位培训不同阶段的需求，分为培训、考试、技能竞赛3大功能，其中培训和考试又分为理论考试和操作考试。理论培训和考试方式与传统方式基本一致，而操作培训和考试则主要在三维可视化界面和仿真监控界面进行，模拟中控室值班员操作步骤和现场运维人员操作步骤。

根据南网双调公司培训考试评价体系，整个系统总体分为培训、考核、技能竞赛等3大模块。其中，按培训和考试场景需求，仿真培训系统的操作界面分为模拟监控系统界面和三维虚拟电厂界面，覆盖实际运维人员工作内容，涵盖中控室值班，现地处理操作，日常巡检等工作场景。按用户角色需要，教学人员和培训人员的适用权限、管理功能、浏览内容应予以区分。

操作培训和考试是本系统的核心，本系统基于中国水科院自动化所研发的OTS2000仿真培训系统平台，是一套以设备仿真数学模型为驱动的三维虚拟仿真平台，其平台结构如图2所示[3]。

目前水库仅有大坝处设监控两处，还需在保护区沿省道太邢线布设视频监控8处。达到对庞庄水库库区24 h监控的目标，对污染水源行为及情况实时监测，及时发现。

学员在模拟监控界面和三维虚拟电厂界面的操作指令下发至后台的数学模型，数学模型实时演算，并通过驱动将后台演算的设备运行数据和状态反馈即时上传至模拟监控界面和三维虚拟电厂界面。通过这种数据交互机制，可以更为准确灵活的描述抽水蓄能机电设备的运行过程及物理上的相互影响，较通过动画脚本驱动的方式更加真实，易扩展。结合模拟监控界面和三维虚拟电厂场景，可以给培训者更加直观优化的体验，有助于提高培训效果和效率。

图2 平台功能结构

培训管理也是本系统的重点，培训管理应分为两部分，学员信息管理和培训资料库管理。学员信息包括学员姓名、学习记录、岗位级别、成绩记录等。培训资料库则包括培训案例库、仿真系统工况库、故障库、在线操作库等。仿真培训案例库包含正常操作案例、故障处理案例和设备巡检案例等，是总结梳理运维人员常用的操作票、故障处理手册、巡检操作手册的结果。

（1）培训案例库

培训案例库中保存正常操作案例和故障处理案例。案例中保存该案例的名称，适用工况，案例类型，适用培训学员等级，注意事项等基本信息，以及案例需执行操作列表，包含每一步的操作描述，下令点名，下令类型，操作类型，与不同操作之间的逻辑关系等。教员可以在教员站对培训案例库进行增删修改等操作。

（2）培训工况库

培训工况库中保存着不同工况条件下抽水蓄能电厂模型设备的状态值及模拟量值，以满足不同操作案例对初始工况的要求。除了系统交付时工况库预留的基础工况，教员也可以将操作平台的当前工况保存，新增为工况库中的新工况。

（3）培训故障库

培训故障库中保存着引发设备故障或事故的故障点及其故障状态的状态值。一个故障处理案例根据复杂程度可能由单一故障点或多个故障点构成。在系统加载正常工况后，再从故障库中调取故障点，将其值强置为故障状态值，即可在模型中触发故障流程，生成故障工况。

4 岗位定级应用

培训人员的岗位定级是该仿真系统的重要应用之一。岗位定级的考评主要是测试培训人员在现场实际处理问题的能力和水平。过去通常采用问答题的形式，由考官评判操作人员执行的正确性和合理性，受人为因素影响较大，而且答题记录也不便于后期分析整理[4]。

操作票考评功能。该应用主要考验学员独立写票能力，可以在运行专业岗评实施过程中，对考生操作票试卷进行预判，辅助考评员进行打分。程序通过对比考生答案与标准答案，对考生答案的每一项操作步骤进行标记，作为考评员评分依据，以及考生要求查阅试卷的依据，这样一方面可以提升评卷效率，另一方面可以提高客观性。

案例操作考评功能。该应用主要考察学员具体执行操作的能力，系统在学员完成案例的过程中，记录学员的每一步操作，用自动评分功能对比培训案例库中保存的标准操作，对每一项操作进行标记，案例操作结束后，对学员整体操作进行自动评分，并给出缺失项目。教员可在系统自动评分的基础上，调阅学员操作记录，对系统评分进行更正。

通过上述考核工作，可以更加客观、公平、准确的进行岗位定级工作，为南网培训中心建立成熟的培训考评体制。

5 结语

本文以南方电网清远蓄能电厂为模拟对象，展现了三维可视化与仿真在抽水蓄能电站管理培训中的建设思路及应用效果。三维可视化技术可以直观表达海量数据，实时动态模拟各种信息的融合和综合展示，结合科学合理的案例库和故障库设置，可以灵活的设置修改培训内容。通过这套仿真培训系统，可以使技术人员迅速熟悉抽水蓄能电厂，更好的利用培训教案资源，为公司的未来发展提供更好的业务支持和人才保障。