本发明涉及微电网领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的微电网模拟仿真训练系统。
背景技术
随着国民经济的快速发展，电力需求越来越大，但是超大规模电网的弊端也越加明显，成本高，运行维护难度大，安全性和可靠性降低，难以满足用户的多样化需求。
所以，近年来风力发电、光伏发电等分布式发电技术迅猛发展，凭借其能源综合利用率高，环境污染少，供电可靠等特点逐渐成为了电力系统的有效补充和支撑。
而微电网就是在这样的基础上建立的。它作为分布式发电的一种必然网络结构，是由分布式电源、电力电子装置以及负荷构成的一种新型发配电力系统。它既能作为一个自治系统独立运行，又能作为一个可控单元并网运行。
尽管微电网在规模上不如大电网，但是它依然包括了大电网所具备的发电、输电和配电环节，所以微电网的部署和操作需要很多的专业技术人员参与。但是，因为电网运行具有高危、大电压、高成本、高消耗等特点，所以通过实际装备直接进行人员培训的方式代价高昂、效率低下。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种利用虚拟现实(virtualreality，vr)技术实现的微电网模拟仿真训练系统，可以反复对学习者进行操作培训，以提高操作人员的熟练程度和技术水平，从而实现微电网技术人员的大规模、快速化培养，这对微电网大范围部署和安全运行具有重要意义。
技术方案：
一种基于虚拟现实技术的微电网模拟仿真训练系统，包括虚拟现实主机及操作模块，所述虚拟显示主机包括场景创建模块、模式选择模块、反馈模块以及后台模块；所述操作模块用于操作虚拟人物的行为，控制虚拟人物的行进、操作虚拟设备按钮和开关以及虚拟微电网控制软件中内容的操作；
所述场景创建模块基于3dmax建模根据不同的实验内容创搭建相应的三维虚拟场景；
所述模式选择模块用于用户进行模式选择，模式包括教学模式、训练模式以及考核模式；在所述教学模式下，所述虚拟显示主机通过标准化流程的文字提示、语音播报和演示视频对用户进行操作引导，完成实验总体流程；在所述训练模式下，用户进行操作训练；在所述考核模式下，用户进行考核，并通过反馈模块获取用户的实验用时、错误次数和得分等级；
所述反馈模块用于反馈所述后台模块发送的反馈信息给用户；
所述后台模块对于用户在训练模式下的每一步操作的正确性进行判断，并通过所述反馈模块进行相应的反馈；所述后台模块综合用户在考核模式下的操作出错次数和操作用时进行整个实验总的分值加减，最后根据分值段落的划分判定学员得分等级，并将最终结果通过所述反馈模块同步反馈到用户考核最终界面中。
还包括记录模块，所述记录模块记录用户在仿真训练中产生的所有数据；具体包括用户的正确操作次数、错误操作次数以及考核模式的最终成绩并存入数据库模块中。
还包括登陆模块，所述登录模块分为管理员登录和用户登录两种模式，管理员和用户可以通过账号密码登陆自己的账号进行操作；管理员通过所述登录模块登录后，进入所述后台模块；用户通过所述登录模块登录后，进入用户界面，选择进行相应的微电网操作内容及模式。
所述管理员通过所述登陆模块进入所述后台模块后，通过所述后台模块添加或删改用户所要学习的实验内容，并对所述用户训练或考核数据进行统计、对比、分析和排序，以清晰的图形化方式显示。
所述不同的实验内容包括：微电网运行控制实验、光伏发电实验、风力发电实验、蓄电池测试实验、微电网调度与能量管理实验。
所述训练模式包括普通模式、自由模式以及趣味休闲模式；
所述普通模式下，用户随意进行任何操作，没有时间和错误次数的限制；对于用户的每一步操作，所述反馈模块都会给与相应的反馈，用户的每一步操作都会有相应的文字提示，利用操作模块控制虚拟人物进行操作并通过所述后台模块判断操作是否正确，提示正确与否；如若正确，所述反馈模块会给出鼓励的文字和语音提示，此时进行下一步的操作；如若错误，会出现相应的反馈场景，界面相应跳出正确操作引导用户纠正；
所述自由模式下，支持用户自定义进行设置，进行训练；
所述趣味休闲模式下，所述虚拟现实主机随机出现实验内容，包括：实验过程随机出现错误，需要用户去寻找出错误；随机进入某一训练步骤，让用户从此步骤开始接下去操作；随机给出一种微电网状态，让用户再现这种状态。
所述考核模式下，用户所进行的所有操作不会有任何反馈内容，在实验过程中，用户进行的每一步操作通过所述记录模块全程记录并同步反馈到所述后台模块，直至实验结束；在实验结束后，通过显示界面显示用户的实验用时、错误次数和得分等级；所述得分等级根据不同的操作时间与不同的允许错误的次数进行设置；只有达到相应的前置等级，才可进行下一级考核。
在所述考核模式下，所述记录模块会记录用户的操作情况，出错次数、单步用时、总用时、单日练习次数，并将数据存入数据库中便于管理者在后台了解用户的实际情况。
所述操作模块为遥控手柄或肌电手环。
有益效果：
(1)本发明借助虚拟现实技术，改善微电网培训方式，使培训环境更加生动化、可控化，提高学员的学习动机，达到虚拟训练与真实训练间的虚实结合、虚实交互，实现渐进式、层次化学习；
(2)本发明通过虚拟现实技术，解决了微电网培训过程中的安全性问题；
(3)本发明借助虚拟现实技术，可以实现大规模、低成本、快速化的人员培训；
(4)数据在后台以图形化的方式进行显示，方便管理员对不同的学员进行技术分析，以达成科学训练，提高培训效率。
附图说明
图1为本发明的系统架构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明利用3dmax搭建虚拟微电网拓扑结构，基于unity编写微电网仿真控制策略，以用于指导学员进行微电网模拟操作训练，并对训练效果进行考核评估的方法与系统，从而达到虚拟训练与真实训练之间虚实结合、虚实交互，缓解设备紧张，实现资源共享。
图1为本发明的系统架构图。如图1所示，本发明的微电网模拟仿真训练系统包括虚拟现实主机及操作模块，所述虚拟显示主机包括场景创建模块、登陆模块、模式选择模块、记录模块、反馈模块、后台模块以及数据库模块。所述操作模块用于与所述虚拟现实主机之间的交互，包括操作虚拟人物的行为，控制虚拟人物的行进、操作虚拟设备按钮和开关以及虚拟微电网控制软件中内容的操作，如选择分闸、合闸等，增强用户与虚拟现实主机之间的交互性。在本发明中，所述操作模块为遥控手柄或肌电手环。
所述场景创建模块基于3dmax建模根据不同的微电网操作内容来搭建相应的三维虚拟场景。不同的实验内容需要用到不同的设备单元与显示界面，当用户需要做不同的实验内容训练时，就可以从实验内容清单中做出选择，所述场景创建模块根据用户选择生成相应的训练场景，供用户操作；实验内容清单包括：微电网运行控制实验、光伏发电实验、风力发电实验、蓄电池测试实验、微电网调度与能量管理实验。
所述模式选择模块用于用户进行模式选择，模式包括教学模式、训练模式以及考核模式；
由于智能微电网并网运行控制实验操作步骤多、逻辑性强、易出错，需要一定的教学与大量的练习才能达到所要求的熟练程度，所以相应地设置有教学模式和训练模式。当用户选择该模式时，所述虚拟现实主机通过标准化流程的文字提示、语音播报和演示视频对用户进行操作引导，完成实验总体流程。
所述训练模式用于用户进行操作训练，包括普通模式、自由模式以及趣味休闲模式；普通模式：用户随意进行任何操作，没有时间和错误次数的限制；但对于用户的每一步操作，所述反馈模块都会给与相应的反馈，用户的每一步操作都会有相应的文字提示，利用操作模块控制虚拟人物进行点击操作时，并通过反馈模块给出相应的反馈，提示正确与否，如若正确，反馈模块会给出鼓励的文字和语音提示，此时进行下一步的操作；如若错误，会出现火花、电击、火灾等相应的反馈场景，界面相应跳出正确操作引导用户纠正。自由模式：在此模式下，用户可以自由的进行限制时间，错误次数等实验相关的设置，然后进行训练；此模式主要适用于用户对自身实力进行检验以及挑战极限。趣味休闲模式：此模式下有多种训练方式，实验过程随机出现错误，需要用户去寻找出错误；随机进入某一训练步骤，让用户从此步骤开始接下去操作；系统随机给出一种微电网状态，让用户再现这种状态。
考核模式：用户可选择考核模式，在考核模式下，所述虚拟现实主机不会对用户所进行的所有操作进行任何文字提示、灯光闪烁、语音警告等反馈内容。实验过程中，用户进行的每一步操作都会被全程记录并同步反馈到后台模块，直至实验结束。实验结束后，所述虚拟现实主机会通过反馈结果界面显示用户的实验用时、错误次数和得分等级。每个典型实验考核模式都设有不同的等级，可理解为困难程度，即不同的操作时间与不同的允许错误的次数，只有达到相应的前置等级，才可进行下一级考核。在考核模式下，记录模块会记录用户的操作情况，出错次数、单步用时、总用时、单日练习次数，并将数据存入数据库中便于管理者在后台了解用户的实际情况，从而制定处更合适的教学方案。
所述反馈模块根据所述后台模块对于用户在训练模式及考核模式下进行的每一步操作(例如分闸合闸，旋转调档等)正确性的判断以及对于每一步操作相应得分，并反馈给用户。符合实验所需操作的，给予正确反馈，比如语音提示“操作正确”等；与所需操作不符的，反馈模块给予错误反馈，错误反馈形式多样，有屏幕红光闪烁，语音提示错误，各种灾情动画以及现实生活中发生过的各种真实案例情况；且每次考核模式的最终结果也由反馈模块反馈。
所述记录模块记录用户在仿真训练中产生的所有数据，作为服务于“学习者”的微电网虚拟仿真系统，需要实现练习和测试的功能，为了优化使用效果，所述记录模块记录用户的正确操作次数、错误操作次数，以及考核模式的最终成绩。另外，实验总时长、正确率等等也是反映学习情况的重要指标，记录模块可以将包括正确/错误操作次数、总成绩、时长、正确率等指标在内的数据录入到数据库内，以便将来实现统计分析，让使用者对当前的学习情况有更全面直观的了解。
在本发明中，所述记录模块记录实验过程中的一切数据，且能够临时存储这些数据，用于供给后台模块计算结果。待本次实验结束后，记录模块将所有数据都传输给数据库模块，然后销毁临时存储文件。
所述后台模块会根据记录模块记录的用户的操作情况，在训练模式下，对于用户进行的每一步操作进行判断及相应分值和评价，并通过所述反馈模块反馈给用户；在考核模式下，所述后台模块综合用户的操作出错次数和操作用时(单步用时和总用时)进行整个实验总的分值加减，最后根据分值段落的划分从而判定学员得分等级(优、良、合格、不合格)，并将最终结果同步反馈到用户考核最终界面和数据库模块中，一方面用户可以在考核结束后查看自己的实验情况，了解得分与扣分原因，从而强化实验的学习与理解，提高本身实验的能力；另一方面管理人员可以通过用户实验操作的考核结果了解用户的学习情况，方便针对性、层次化教学。
用户的最终得分是通过一套复杂的公式计算得出，在总分100分，采用扣分制，高于80分为合格，低于80分为不合格。考核中每项操作的分值不同，分值＝步骤系数*100，步骤系数根据每项操作的重要程度而定。以微电网运行控制实验为例，实验总共17步，其中第3步和第7步操作的步骤系数为0.2，因为第3步和第7步操作错误的话很有可能导致机器烧毁。而第1步和最后一步的步骤系数仅为0.05，因为这两步的影响都不大，没什么危害性。
同时，管理人员可通过所述后台模块添加或删改用户所要学习的实验内容，并且可以掌握用户训练或考核数据，对数据进行统计、对比、分析和排序，以清晰的图形化方式(树状图、饼图等)显示，从而及时改进实验内容与教学情况，优化教学方式，提高教学效率。
所述数据库模块用于存储整个系统中产生的数据。一方面用户登入的账户和密码即身份认证信息需存储入数据库中。另一方面，用户实验过程中的信息也需存储入数据库中，如实验完成状态信息，用户所处位置信息，用户当前分数，用户扣除分数，用户已经操作的实验部分是否可更改，可操作部分与将来操作部分之间关联信息等等。该模块用以辅助完成场景的还原，用户身份信息的确认，实验进程的确认和分数的获取，便于管理者对用户的信息进行统筹规划。
所述登录模块分为管理员登录和用户登录两种模式，管理员和用户可以通过账号密码登陆自己的账号进行操作。管理员通过所述登录模块登录后，进入所述后台模块；用户通过所述登录模块登录后，进入用户界面，选择进行相应的微电网操作内容及模式。
本发明系统的微电网模拟仿真训练方法，包括如下步骤：
①当用户开启交互式设备后登录微电网模拟仿真系统后，根据教学要求选择相应的实验内容进行三维虚拟场景创建。用户依据自己的学习情况可选择教学模式、训练模式或者考核模式。
②选择教学模式进行学习；如若用户已了解实验内容也可直接进入训练模式，进行自主操作训练模式。系统会在此过程中记录用户的操作情况，出错次数、单步用时、总用时、单日练习次数，当用户训练所得分数达到一定的界限时，系统会友情建议用户进入考核模式。
③选择考核模式的用户直接进入考核场景。在考核模式下，用户所进行的所有操作不会有任何文字提示、灯光闪烁以及语音警告内容。实验过程中，用户进行的每一步操作都会被全程记录并同步反馈到后台模块，直至实验的结束。考核结束后，系统根据用户的操作出错次数以及相应操作用时进行分值计算，判定考核结果。用户只有达到相应的前置等级才可进行下一步考核。考核的同时，用户的所有操作过程与实验时间都会同步反馈到后台模块。后台模块根据学员的不同操作，对每项操作给予相应分值和评价，再综合用户的操作出错次数和操作用时(单步用时和总用时)进行整个实验总的分值加减，最后根据分值段落的划分从而判定学员得分等级(优、良、合格、不合格)，并将最终结果同步反馈到用户考核最终界面和后台管理界面中。
④管理员在登录后台模块后可以添加或删改用户所要学习的实验内容，并且掌握用户的考核数据，对用户的操作数据进行记录、统计、分析、对比和排序，以清晰的图形化方式(树状图、饼图等)显示用户的操作数据。
本发明借助于虚拟现实的技术和手段，通过对微电网整体系统、单元模块和操作流程进行三维场景的实景化仿真，引导学习者进行虚拟化的沉浸式、交互式操作练习，并对其训练效果进行综合评价与反馈，最终达到了：
①了解微电网的系统架构和组成单元；
②了解各模块单元的功能与控制方式；
③通过模拟仿真熟悉实验操作流程、降低安全风险；
④缓解真实条件下设备不足，实现共享设备资源。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。