变电站设备故障模拟培训方法、装置以及系统与流程

本发明涉及电力仿真技术系统，特别是涉及一种变电站设备故障模拟培训方法、装置以及系统。

背景技术：

随着我国电力系统的高速发展，对各级运检人员的素质提出了更高的要求。为保证供电质量和设备运行可靠性，尤其是在变电站运行设备出现故障时，运维人员必须具有快速应变及排除故障的能力，因此需要加强和开展培训工作。

传统技术中，一类培训系统中的一次设备、二次设备及后台机均采用真实设备，各环节与变电站相同，使培训环境与真实环境基本一致，需要在一次部分加载电压，后台及保护等设备反映通电后可能出现的故障系统状态。另一类培训系统，对运维人员进行带电状态下设备的预防性试验、故障诊断和设备的检修。

在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统培训系统所需场地投入较大，同时设备和人员投入大，只能在低等级的电压下运行，不能完全模拟真实的运行设备故障，或只能在计算机平面上实现三维场景和操作，受训人员缺乏真实的感观上的认识，导致受训人员无法及时的了解和掌握设备在线运行时的一些信息，影响培训效果。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统培训系统易导致受训人员无法及时的了解和掌握设备在线运行时信息的问题，提供一种变电站设备故障模拟培训方法、装置以及系统。

为了实现上述目的，一方面，本发明实施例提供了一种变电站设备故障模拟培训方法，包括以下步骤：

获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；

将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；

记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

一方面，本发明实施例提供了一种变电站设备故障模拟培训装置，包括：

获取故障信息单元，用于获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；

模型叠加单元，用于将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

虚拟场景生成单元，用于根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；

记录单元，用于记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

另一方面，本发明实施例还提供了一种变电站设备故障模拟培训系统，包括计算机终端以及连接计算机终端的虚拟现实显示设备；

计算机终端获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；并将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

计算机终端根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

本发明具有如下优点和有益效果：

本发明变电站设备故障模拟培训方法、装置以及系统，通过构建变电站真实全场景虚拟模拟平台，基于vr技术和显示终端设备，在模拟场景中真实再现变电站一二次设备在发生故障时的发生场景，展现运行设备内部和外部故障发生过程和现象，使受训人员可以及时的了解和掌握设备在线运行时信息，可以提升培训效率，提高培训效果。通过本发明的技术方案，使受训人员在变电站一、二次出现故障报警时，能及时找出故障原因及故障点，快速排除故障，使受训人员了解变电站的结构特征，可以为其了解变电站一、二次设备的基本结构、原理、故障现象、故障的排除措施提供信息及指导。

附图说明

图1为本发明变电站设备故障模拟培训方法实施例1的流程示意图；

图2为本发明变电站设备故障模拟培训装置实施例1的结构示意图；

图3为本发明变电站设备故障模拟培训系统实施例1的系统架构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明变电站设备故障模拟培训方法实施例1：

为了解决传统培训系统易导致受训人员无法及时的了解和掌握设备在线运行时信息的问题，本发明提供了一种变电站设备故障模拟培训方法实施例1，图1为本发明变电站设备故障模拟培训方法实施例1的流程示意图；如图1所示，可以包括以下步骤：

步骤s110：获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；

具体而言，可以通过调取一、二次运行设备故障模拟模块(即运行在后台计算机上的相应程序模块)在变电站场景模型库中的任意模拟特征信息(即故障信息数据)，实现在所构建的虚拟变电站场景中，灵活获取一二次设备故障模拟模块给出的故障信息；

其中，变电站一次运行设备故障模拟模块，用于实现对变电站一次运行设备，包括变压器、断路器、避雷器、电压电流互感器、隔离开关等建立故障模拟状态及指示模型；变电站二次运行设备故障模拟模块，用于实现对监视、测量、控制、保护、调节以及为受训人员提供实际运行工况所需的电气设备等提供故障模拟状态及指示模型；优选的，上述故障模拟状态及指示模型可以用于故障设备的报警指示，如故障指示灯，某台设备发生故障时故障指示灯亮；进一步的，可以将上述模型存储在变电站场景模型库，便于随时调用以及修改模型属性。

步骤s120：将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

具体而言，可以通过模型叠加技术将所选择的故障信息叠加至所选择的设备(即故障信息数据对应的设备)上，并生成新的模型以替换原模型。而三维虚拟模型可以是预先存储在变电站场景模型库中，建立的变电站一次二次运行设备，及变电站全景的三维虚拟模型，可以实现虚拟一二次设备的内在逻辑、算法，即虚拟一二次设备的外观结构、可操作功能和动作过程三维智能模型。

步骤s130：根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；

具体而言，可以将根据叠加后的三维虚拟模型生成的替换后的场景推送至vr设备上，使受训人员能真实感受到变电站运行设备在出现故障时，运行设备内部和外部所表现出的故障特征。

步骤s140：记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

具体而言，通过对培训对象肢体运动的感知实现培训对象与故障虚拟场景的交互；优选的，可以通过vr(virtualreality：虚拟现实技术)眼镜与故障虚拟场景进行交互，可以在培训对象视野中展现模拟的故障虚拟场景，并通过传感器实时获取培训对象的头、手、眼以及其他人体行为动作数据，基于获取和感知的数据与系统中的虚拟场景进行互动，实现培训对象与虚拟设备及场景的体感交互，同时根据系统一次原理图、二次原理图、设备信息等辅助信息数据和辅助工具模型，供培训操作参考。

在一个具体实例中，可以通过故障虚拟场景、自然技能和语音通讯等功能配合实现培训对象的沉浸式虚拟仿真操作，实时感知培训对象肢体运动，其中自然技能可以包括人的头部转动，眼睛、手势等人体行为动作。故障虚拟场景是动态的实时三维立体逼真图像，能够对生产运行过程、故障异常及处理过程进行全模拟；通过感知的结果与故障虚拟场景进行交互；语音通讯可以模拟现实变电站设备故障中故障现场与控制中心的无线通讯。

此外，受训人员(即培训对象)可在故障模拟培训信息的引导下，完成相应作业任务及知识点的训练，进行仿真模拟操作过程。通过记录该操作过程，得到故障模拟培训操作结果；需要说明的是，故障模拟培训操作结果可以包括受训人员在变电站一、二次出现故障报警时，能否排除故障的操作动作数据，可以考察受训人员是否能及时找出故障原因及故障点，使受训人员了解变电站的结构特征，以及了解变电站一、二次设备的基本结构、原理、故障现象、故障的排除措施提供信息及指导，并基于模拟培训操作结果进行考核。

本发明变电站设备故障模拟培训方法实施例1，通过构建变电站真实全场景虚拟模拟平台，基于vr技术和显示终端设备，在模拟场景中真实再现变电站一二次设备在发生故障时的发生场景，可以提升培训效率，提高培训效果。

在一个具体的实施例中，虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构的步骤包括：

对实际变电站全景以及一次设备、二次设备的内外部结构进行三维激光扫描，根据扫描的结果，构建一次设备的一次设备模型、二次设备的二次设备模型。

具体而言，通过对变电站全景、一二次运行设备内外部结构进行全方位的三维激光扫描，并将扫描的内容构建与变电站一二次运行设备，及变电站全景1：1比例的模型库；提供能实现虚拟一二次设备的内在逻辑、算法，即建立虚拟一二次设备的外观结构、可操作功能和动作过程三维智能模型。

在一个具体的实施例中，虚拟变电站的一次设备与二次设备的操作功能步骤包括：

将一次设备的操作属性赋予一次设备模型，将二次设备的操作属性赋予二次设备模型。

在一个具体的实施例中，虚拟变电站的一次设备与二次设备的动作过程的步骤包括：

记录一次设备、二次设备可动部分的运动过程数据，将一次设备可动部分的运动过程数据添加至一次设备模型，将二次设备可动部分的运动过程数据添加至二次设备模型。

具体而言，可操作功能可以通过建模时赋予模型操作属性来实现，动作过程通过局部视图显示设备可动部分的运动过程的动画来展示。

在一个具体的实施例中，故障特征数据包括火光、电弧、爆炸以及烟雾的特效数据；

将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上的步骤包括：

获取故障数据对应的故障设备模型，将故障特征数据叠加至故障设备模型。

具体而言，通过本发明变电站设备故障模拟培训方法各实施例的技术方案，可以将瞬间的火光、电弧、爆炸、烟雾等效果展现运行设备内部和外部故障发生过程和现象，实现对生产运行过程、故障异常及处理过程的全模拟。

优选的，可以采用虚拟现实仿真，生成各种运行故障并给受训人员提供虚拟的火光、电弧、爆炸、烟雾等效果，展现运行设备内部和外部故障发生和发展过程的感官刺激。

在一个具体的实施例中，培训显示终端为虚拟现实显示设备；优选的，培训显示终端可以为沉浸式虚拟现实显示设备；

记录培训对象的实时动作数据的步骤之后还包括步骤：

在实时动作数据满足预设的查询辅助信息条件时，获取辅助信息数据，并将辅助信息数据推送给培训显示终端进行显示；辅助信息数据包括变电站的整体结构数据、一次设备和二次设备的原理图数据以及接线图数据；

以及

在实时动作数据满足预设的调用辅助工具条件时，获取辅助工具模型；

根据辅助工具模型，生成三维模型工具，将三维模型工具推送给培训显示终端进行显示；辅助工具模型包括故障诊断检修的专业工具和仪器仪表的三维模型。

具体而言，沉浸式vr(virtualreality)前端显示设备，可以通过与后台计算机进行无线或有线连接，采用沉浸式vr交互式工具，提供全场景的虚拟培训系统。通过采用vr显示设备，使受训人员可以置身于真实的变电站场景中。

优选的，沉浸式vr前端显示设备与后台计算机的连接方式，可采用wifi(wirelessfidelity)、蓝牙、3g(3rd-generation)/4g(the4thgenerationmobilecommunicationtechnology)网络等无线连接方式，同时也可以采用usb(universalserialbus)、rs232、rs485、can(controllerareanetwork)以及tcp/ip(transmissioncontrolprotocol/internetprotocol)等有线连接方式；

进一步地，沉浸式vr前端显示设备可以显示后台计算机的虚拟故障场景，并可随时调用后台计算机上的关于运行设备资料和数据、检修流程、操作规范等技术资料。

辅助信息数据可以为受训人员提供变电站的整体结构、一二次运行设备的原理图、接线图等辅助信息，为一二次运行设备的故障诊断提供技术支持；辅助工具模型，可以为受训人员提供故障诊断和检修所需的专业工具、仪器仪表的三维模型；

优选的，通过本发明各实施例，使受训人员可以根据一二次设备故障模拟模块给出的故障信息，通过查询辅助资料、对比故障检修模拟的相关信息，能够判断故障类型、故障点位置，并及时排除故障。使受训人员了解和学习变电站的整体结构，一二次运行设备原理，故障现象，检修流程，检修安全规范，及根据运行设备故障正确使用检修工具和仪器仪表；通过增加现实场景中任意进行巡视、维护、检修、及操作体验，使本发明可以按照受训人员的需要对学习环境进行个性化定制学习技能培训内容。

通过本发明变电站设备故障模拟培训方法各实施例，使受训人员在变电站一、二次出现故障报警时，能及时找出故障原因及故障点，快速排除故障，使受训人员了解变电站的结构特征，可以为其了解变电站一、二次设备的基本结构、原理、故障现象、故障的排除措施提供信息及指导。

本发明变电站设备故障模拟培训装置实施例1：

基于以上变电站设备故障模拟培训方法各实施例的技术方案，同时为了解决传统培训系统易导致受训人员无法及时的了解和掌握设备在线运行时信息的问题，本发明还提供了一种变电站设备故障模拟培训装置实施例1，图2为本发明变电站设备故障模拟培训装置实施例1的结构示意图；如图2所示，可以包括：

获取故障信息单元210，用于获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；

模型叠加单元220，用于将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

虚拟场景生成单元230，用于根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；

记录单元240，用于记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

在一个具体的实施例中，本发明变电站设备故障模拟培训装置实施例1还可以包括虚拟模型构建单元250；

虚拟模型构建单元250可以包括：

虚拟结构模块252，用于对实际变电站全景以及一次设备、二次设备的内外部结构进行三维激光扫描，并根据扫描的结果，构建一次设备的一次设备模型、二次设备的二次设备模型。

在一个具体的实施例中，虚拟模型构建单元250还可以包括：

虚拟操作属性模块254，用于将一次设备的操作属性赋予一次设备模型，将二次设备的操作属性赋予二次设备模型；

虚拟动作过程模块256，用于记录一次设备、二次设备可动部分的运动过程数据，将一次设备可动部分的运动过程数据添加至一次设备模型，将二次设备可动部分的运动过程数据添加至二次设备模型。

需要说明的是，本发明变电站设备故障模拟培训装置实施例1中的各单元模块可以对应实现上述变电站设备故障模拟培训方法各实施例中的方法步骤，此处不再重复赘述。

本发明变电站设备故障模拟培训装置各实施例，通过构建变电站真实全场景虚拟模拟平台，基于vr技术和显示终端设备，在模拟场景中真实再现变电站一二次设备在发生故障时的发生场景，通过瞬间的火光、电弧、爆炸、烟雾等效果展现运行设备内部和外部故障发生的过程和现象，实现对生产运行过程、故障异常及处理过程的全模拟，可以提升培训效率，提高培训效果。通过本发明的技术方案，使受训人员在变电站一、二次出现故障报警时，能及时找出故障原因及故障点，快速排除故障，使受训人员了解变电站的结构特征，可以为其了解变电站一、二次设备的基本结构、原理、故障现象、故障的排除措施提供信息及指导。

本发明变电站设备故障模拟培训系统实施例1：

为了解决传统培训系统易导致受训人员无法及时的了解和掌握设备在线运行时信息的问题，同时为了详细阐述本发明的技术方案，特以变电站运行设备的实际故障模拟培训出发，说明本发明技术方案的实现过程。为此本发明还提供了一种变电站设备故障模拟培训系统实施例1，与采用真实设备或只能在计算机平面上实现三维场景和操作的传统培训系统相比，本发明变电站设备故障模拟培训系统可以在模拟场景中真实再现变电站一二次设备在发生故障时的发生场景，通过瞬间的火光、电弧、爆炸、烟雾等效果展现运行设备内部和外部故障发生的过程和现象，提升培训效率，提高培训效果。

图3为本发明变电站设备故障模拟培训系统实施例1的系统架构示意图，如图3所示，本发明变电站设备故障模拟培训系统实施例1可以包括计算机终端以及连接计算机终端的虚拟现实显示设备；

计算机终端获取故障模拟状态模型；处理故障模拟状态模型，得到故障信息数据；故障模拟状态模型包括一次设备故障模拟模型和二次设备故障模拟模型；故障信息数据包括故障数据以及故障特征数据；并将故障信息数据叠加至变电站当前的三维虚拟模型中对应的设备上，生成叠加后的三维虚拟模型；三维虚拟模型为用于虚拟变电站的一次设备与二次设备的外观结构、操作功能以及动作过程得到的模型；

计算机终端根据叠加后的三维虚拟模型，生成故障虚拟场景，并将故障虚拟场景推送给培训显示终端进行显示；记录培训对象的实时动作数据；根据实时动作数据，模拟培训对象对故障虚拟场景中设备的操作，得到模拟培训操作结果。

而从具体实现上阐述本发明变电站运行设备的故障模拟培训系统，可以包括变电站场景模型库、变电站一次运行设备故障模拟模块、变电站二次控制设备故障模拟模块、沉浸式vr前端显示设备、故障检修模块、培训考核模块；

变电站场景模型库，通过对变电站进行三维激光扫描，然后建立变电站一次二次运行设备，及变电站全景的三维虚拟模型，能实现虚拟一二次设备的内在逻辑、算法，即建立虚拟一二次设备的外观结构、可操作功能和动作过程三维智能模型；

变电站一次运行设备故障模拟模块，用于实现对变电站一次运行设备，包括变压器、断路器、避雷器、电压电流互感器、隔离开关等建立故障模拟状态及指示模型；

变电站二次运行设备故障模拟模块，用于实现对监视、测量、控制、保护、调节以及为受训人员提供实际运行工况所需的电气设备等提供故障模拟状态及指示模型；

优选的，本发明可以展现与变电站一二次设备1：1比例的内部结构和外部结构；可以模拟变电站一二次设备实际运行情况，并配置有相应的声音、灯光、表计显示等效果；

沉浸式vr前端显示设备，与后台计算机进行无线或有线连接，采用沉浸式vr交互式工具，提供全场景的虚拟培训系统。实现在所构建的虚拟变电站场景中，根据一二次设备故障模拟模块给出的故障信息，受训人员通过查询辅助资料、对比故障检修模拟的相关信息，能够判断故障类型、故障点位置，并及时排除故障；

在一个具体示例中，沉浸式vr前端显示设备与后台计算机的连接方式，可采用wifi、蓝牙、3g/4g网络等无线连接方式，同时也可以采用usb、rs232、rs485、can以及tcp/ip等有线连接方式；

进一步地，沉浸式vr前端显示设备具有显示虚拟后台计算机功能，并可随时调用后台计算机上的关于运行设备资料和数据、检修流程、操作规范等技术资料；

本发明通过在一二次运行设备故障模拟模块中的任意选择模拟信息特征，并叠加到vr设备上，受训人员能真实感受到变电站运行设备在出现故障时，运行设备内部和外部所表现出的故障特征；

故障检修模块，可以包括辅助资料模块，实现为受训人员提供变电站的整体结构、一二次运行设备的原理图、接线图等辅助信息；还能实现为受训人员提供一二次运行设备的故障诊断提供技术支持；辅助工具模块，实现为受训人员提供故障诊断和检修所需的专业工具、仪器仪表的三维模型；

培训考核模块，用于对一二次设备故障状态，考核受训人员查找设备故障原因，排除故障的能力。包括受训人员识别模块，受训人员以登录账号或身份证的方式进行身份识别；练习功能：受训人员可在系统信息的引导下，完成相应作业任务及知识点的训练，系统会实时给出错误提示信息，引导学员完成作业练习；考核模块，受训人员在无信息提示的情况下完成仿真模拟操作过程，系统对其操作过程进行记录和判断自动评分，以验证培训质量。

本发明变电站设备故障模拟培训系统，采用vr技术和显示设备，能够在模拟场景中真实再现变电站一二次设备在发生故障时，通过事故发生瞬间的火光、电弧、爆炸、烟雾等效果展现运行设备内部和外部故障发生的过程和现象，使受训人员可以及时的了解和掌握设备在线运行时信息。实现对生产运行过程、故障异常及处理过程的全模拟和对学员全方位的一种基于vr技术的虚拟培训系统。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括以上方法所述的步骤，所述的存储介质，如：rom/ram、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。