应用于职业教育培训的水电仿真系统平台

张卫君，王德宽，张显兵，毛　琦，邓子夜

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

应用于职业教育培训的水电仿真系统平台

张卫君，王德宽，张显兵，毛琦，邓子夜

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

摘要：主要介绍了OTS2000培训仿真系统在国网湖南省电力公司培训中心的应用及功能实现情况。该系统以三维虚拟现实技术为手段，以水电仿真系统为载体，虚拟水电厂系统运行、调试、事故处理等工作，具备集中培训、个性化培训特点；可综合进行操作、理论等考核，实时评价并反馈培训效果；可接入LCU柜实时采集物理模型信号，实现调试操作。满足了职业教育培训中心对培训、考核、技能鉴定、技术比武等多功能综合性要求。

关键词：虚拟现实；OTS2000；水电仿真；职业教育培训；技能鉴定

0　引言

国网湖南省电力公司培训中心作为省电力公司的综合性教育培训基地，在水电相关业务方面，承担省公司下属凤滩、东江、柘溪三个水电厂的新进员工培训、职工技能培训、技能考核鉴定、技术比武等任务，以往都采用理论讲解、笔试、考官问答、现场实操等方式实现，每次考核或竞赛都需组织大量人力、物力，且受到场地、时间等限制，难以满足培训中心作为省公司教育培训基地的职能需求，亟需采用现代化的培训考核手段，提高培训考核的效率及效果。为此，培训中心采用北京中水科水电科技开发有限公司自主开发的OTS2000水电厂培训仿真系统[1，2，3]，建设一套针对培训、考核、技能鉴定、技术比武等多功能目标的水电仿真系统平台。

平台仿真对象以凤滩水电厂为原型，结合其他两厂的设备特性及运行规程，利用三维虚拟现实技术[4]，实现厂房、开关站、机组及相关系统、厂用电、公用系统等组成的虚拟水电厂，仿真系统运行、调试、事故处理等工作，并通过网络方式连接实训场地LCU柜实时采集物理模型信号，实现实训调试操作。

1　设计目标

培训中心水电仿真系统平台建设主要是为满足省公司所属水电厂生产运行维护人员的技能培训、鉴定与竞赛等的需要。通过以水电仿真系统为载体，虚拟水电厂系统运行工作，提高水电厂运行维护人员的系统运行能力、调试能力、事故处理能力，进一步规范水电厂运行与管理工作。也为组织水电厂运行维护人员进行技能鉴定与竞赛提供平台。

1.1分层级培训目标

按照水电厂运行人员鉴定等级划分，将培训对象分为：初级或新员工、中级工、高级工、技师及高级技师。根据各层级的技能要求，确定不同层级的培训目标和仿真培训实现方式，实现员工分层培训。

1.2技能鉴定及竞赛目标

以水电仿真系统为平台，理论方面以理论题库方式随机抽题与组卷，实操方面则以标准工况为基础，进行正常操作或事故处理，然后评分系统自动评分。题目的难易程度则按考核对象层级不同进行分级，实现不同等级被鉴定人员在给定的不同工况、不同故障下的运行操作、事故处理，操作处理过程与生产现场一致。

竞赛功能与鉴定的实现方式相同，在竞赛模式下，实现分组竞赛。

1.3二次开发功能目标

系统作为一个应用平台，学习课件库、案例库、理论题库、故障库、模型库等都应具有开放的接口，可编辑、可添加，用户能利用系统的接口工具软件进行二次开发。

2　平台体系结构

2.1硬件结构

培训中心水电仿真系统平台采用物理仿真与数字仿真两种方式实现，物理仿真利用中心现有实训场地设备，组建一套机组LCU及物理模型，数字仿真模拟机组、开关站及相关设备。系统配置60套学员站（双屏显示）、1套大屏投影系统、1套教员站、1套数据服务器、1套模型服务器和1套工程师站，硬件结构如图1所示。

图1硬件结构配置

2.2软件结构

OTS2000培训仿真系统平台软件分为四大部分，分别是人机联系软件、应用平台软件、数据接口软件、数据库及数据管理软件。人机联系软件包括供学员、教员、开发人员及维护人员使用的软件；应用平台软件基于H9000V4.0监控平台，并开发有教员子系统、学员子系统、仿真模型驱动引擎及三维虚拟现实平台；数据库包括历史数据库、实时数据库及模型算法库；数据接口软件为数据库与应用平台间提供数据交互服务。软件系统结构如图2所示。

图2 OTS2000软件系统结构

3　平台功能

3.1学习培训及管理

培训仿真系统平台对所有注册学员信息进行管理，包括用户名、密码、个人身份信息、技能水平等级等，并对学员学习内容、学习时间进行统计。学员登录系统并进入学习模式后，能进行理论学习或操作学习，学员可见学习内容由其技能等级确定。理论学习内容包括资料文档、图纸、教学课件等；操作学习包括监控系统监屏及操作，虚拟现场（三维系统）监盘、抄表、设备操作、巡视检查、事故处理等内容。在学习模式下系统能给出相应的操作提示。通过学习培训，学员能充分掌握电厂各种理论知识、设备工作原理、正常操作流程、故障及事故处理流程。

3.2考核竞赛及管理

考核功能是作为学习效果的检验和岗位定级的手段，分为理论知识考试和操作考试。理论知识考试内容包括电厂各个专业及管理岗位，题型分为判断、单选、多选、填空、问答，考试完成后系统自动评分并能给出标准答案。操作考试前，由考官通过教员站设定已登录学员进入考核模式后，学员自动退出学习模式，此模式下操作提示功能关闭。考官给学员下发操作任务、当前工况，如果是正常操作任务，学员接收任务后即开始考试；如果任务是事故故障处理，考官需同时下发事故故障点，任务接收后学员通过查看SimuOIX实时信息、虚拟现场设备实时状态进行分析判断，确定故障源，进行相关汇报、检查、虚拟现场操作处理。考试完成后，系统能自动评分并记录每步操作的得失分情况，考官根据考试过程中的所有操作及信息记录对系统自动评分进行修正，形成最终成绩。

竞赛作为考核的另一种方式，具备分组竞赛功能。参赛人员进入此模式后，教员可对登录学员进行分组并指定每一竞赛组组长，同组学员在多台学员站（界面见图3）数据信息共享，协同操作完成竞赛任务。

图3学员站主界面

3.3学习资料及题库管理

教员按专业及面向不同等级学员，对学习资料进行分类存放，资料库内容包括专业理论知识文档、设备原理资料、图纸资料、系统运行手册/规程、视频资料、培训课件等。

题库包括理论题库和操作题库，教员可对题库进行增减、编辑、组卷。理论知识考试题库涵盖基础知识、管理、机械专业、电气专业、自动专业等试题，每道试题包括试题编号、难易度等级、所属专业目录、试题、答案等内容。操作考试题库分为正常操作和事故故障处理操作，正常操作如手动开停机、设备检修转运行/运行转检修、倒厂用电、接力器充/排油、零起升压、倒母线等。事故故障处理试题包括发变组、直流、厂用电、开关站、水轮机、辅助设备、调速器、快速门、保护等相关操作处理，如各种保护动作、变压器着火、发电机着火、集水井水位异常升高、发电机震荡、母线电压消失、短路故障、机组过速、瓦温过高故障、剪断销剪断、顶盖淹水等。

3.4水电厂系统仿真

培训仿真系统通过建立一个闭环的实时动态系统，才能更好的模拟、还原生产现场，使培训达到最佳的效果。仿真实时数据有两种：一种是通过LCU采集物理仿真模型数据，操作命令通过LCU下发到物理模型；另一种是通过纯数字仿真方式，建立水电厂各系统的数学模型（水轮机及调试系统、辅助系统、发电机及励磁系统、主变、开关站、继电保护、厂用交直流系统、监控系统等），通过模型运算，执行操作命令及返回状态数据。

仿真模型能实现机组各种运行工况的仿真，包括各种启停操作、正常运行、工况转换和故障运行工况的仿真，运行人员在仿真系统上的操作结果（正确操作或误操作）与实际设备相一致，能够完全复现实际设备的动态过程、逻辑关系，包括控制逻辑、各种联锁保护逻辑等。

4　主要技术特点[5，6，7]

4.1基于监控系统的设计与运行

培训仿真系统平台以计算机监控系统为基础，实现对物理仿真模型设备的数据实时采集及控制，并可以获得生产现场监控系统实时数据。根据仿真电厂实际应用监控系统界面，通过组态开发，实现培训仿真系统人机操作界面（SimuOIX）与监控高度一致，很好的满足运行操作习惯。

4.2按照物理机理的仿真建模

仿真系统的数学模型按物理机理建立，以对象原型的结构、特性及参数为依据，严格遵守能量、质量和动量守恒定律。

4.3三维虚拟现实全电厂仿真

采用三维虚拟现实技术，建立三维交互式虚拟化电厂，可模拟进行设备巡视、屏柜检查与设备操作，模拟设备的工作原理、事故故障场景，模拟验电、测电压、测绝缘、挂地线、设置护栏、挂牌等检测及安全防护操作。

4.4丰富的组态与二次开发工具

为方便用户维护及二次开发，平台提供有二维画面集成、三维建模、数据库编辑、可视化仿真建模等丰富的组态及开发工具。

5　结束语

本文介绍的水电培训仿真系统平台已投入运行，基于此平台已成功举办了多期培训班。平台系统功能齐全、学习内容丰富、与生产现场相似度高，可快速有效的提高学员知识技能并客观准确的评判学员水平。本培训仿真系统使用对象不针对某一特定电厂，在设计开发及集成过程中充分考虑多个电厂共性及差异，对流域公司、发电集团建设通用化的培训仿真平台具有较高的借鉴意义。

参考文献：

[1]王德宽，李鹏.水电站监控系统培训仿真技术的设想与初步研究[J].水电厂自动化，2000（03）.

[2]王德宽.培训仿真系统的SimuLog语言及模型[J].水电自动化与大坝监测，2003（03）：28-31。

[3]王德宽.OTS2000系统的设计思想及功能实现[J].水电自动化与大坝监测，2003（02）.

[4]张卫君，张显兵，王翔，等.OTS2000培训仿真系统虚拟现实平台研究[J].水电站机电技术，2014，37（3）：75－76.

[5]杨叶平，王德宽.白山水电厂培训仿真系统的研究与实现[J].水电自动化与大坝监测，2011（01）.

[6]杨叶平，王德宽，向科，等.三峡电站模拟操作及运行方式管理系统的研究与实现[J].中国水利水电科学研究院学报，2012（01）.

[7]杨叶平，王德宽，王桂平，等.水电厂运行培训仿真技术新进展[J].水电站机电技术，2013，36（03）：88－90.

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）07-0062-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.018

收稿日期：2015-04-30

作者简介：张卫君（1980-），男，工程师，从事水电厂培训仿真系统研究开发工作。