一种面向10kV开关柜的继电保护运维检修培训方法

技术领域

本发明属于供教学或训练用的模拟装置领域，尤其涉及一种用于10kV开关柜的继电保护运维检修培训方法。

背景技术

近年来，电网运维业务形态、电网运维人员队伍组成都在经历着巨大变化。在运维业务方面，随着电网规模快速扩大，运维技术快速更新，运维业务类型变多，导致运检部门传统业务与新型业务的业务量同时增加，特别是在二次运维检修部门，新增的业务类型多，带来了业务量的倍增。在人员组成方面，青年员工比例逐年增长，在现有的培训条件与工作模式下，新进检修人员技能的成长周期太长，不能满足需求；另一方面，面对业务类型多、技术更新快的新局面，资深检修人员也需要不断熟悉新设备，新业务，因此需要革新培训方法，寻找新的培训手段、培训工具。

传统的电力运维检修培训方式可分为实训中心培训与工作现场培训。培训中心培训的设备数量、类型有限，且集中培训时间、经济成本高，培训机会少，练习时间短。工作现场培训由于设备大部分时间都处于运行状态，不能用于操作练习，而且设备发生故障或事故的机会很少，学员亲眼见到、亲手处理事故的机会非常少。因此，采用现场培训的方法见效很慢，效果也差，还不能完全排除受培训人员误操作给生产带来损失的可能性，培训的代价也可能很大，培训难度大、时间长、效率低、针对性和时效性差以及难以组织是长期困扰运维检修岗位培训工作的主要因素。

电力设备三维模拟仿真应用技术的发展为指导运维作业、训练业务技能提供了一种高效的办法。通过构建三维模型，在计算机中创造电力设备检修场景，使学员在这一三维数字化的环境中开展练习的培训方式已有部分相关研究，例如基于虚拟现实技术开展的电力相关培训，其优势在于：

1)三维场景立体、直观，可以做到与实际工作环境高度相似；

2)可实现部分交互功能，例如设备整体的移动、设备零部件拆装、信号的显示等；

3)降低了学员频繁前往培训现场集中培训的成本；

4)避免了电力培训中的触电、机械伤害等安全风险。因此，基于三维场景的电力培训发展迅速。

目前，已有相关研究及实践。

例如，申请公布日为2019.03.01，申请公布号为CN 109410679 A的中国发明专利申请中，公开了一种“特高压主设备三维仿真培训系统”，包括学员培训单元，学员培训单元包括设备模型生成子模块、设备讲解培训模块、数据库、设备典型故障培训模块和预防性试验培训模块。设备模型生成子模块用于根据特高压主设备的外观结构和内部结构生成特高压主设备模型；设备讲解培训模块用于演示特高压主设备模型的拆卸与组装过程；数据库用于存储至少一种典型故障的标准化检修过程和预防性试验的试验信息；设备典型故障培训模块用于显示标准化检修过程，还用于根据标准化检修过程判断学员操作是否正确；预防性试验培训模块用于显示试验信息，还用于根据预防性试验的试验信息判断学员操作是否正确。但该技术方案中的涉及的检修过程仿真仅针对特高压主设备一次系统的电气试验工作，且仅涉及一次机械部分，例如“典型故障包括SF6六氟化硫泄露故障、灭弧室爆裂故障、拒合故障、换流变压器本体故障、网侧均压管悬浮放电故障和压力释放阀动作故障”，对二次系统的仿真并未涉及。

继电保护的培训仿真不仅需要一次设备状态动作的仿真，还需要二次部分交直流回路的状态及控制仿真。

在交直流回路的三维仿真方面，授权公告日为2020.08.07，授权公告号为CN110989398B的中国发明专利，公开了“一种电气控制电路仿真系统”，其包括：三维模型搭建模块，用于根据录入的电气控制电路图实现电路三维模型的搭建；虚拟作动器，与三维模型搭建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对电路三维模型进行变动；仿真分析模块，用于根据录入的电气控制电路控制目标参数调用对应的仿真分析算法驱动虚拟作动器实现电路三维模型的仿真分析；虚拟传感器，为在电路三维模型中插入的可以直接获取相应的结果的逻辑单元，用于以电气参数的方式实现仿真分析结果的直接显示。该技术方案避免了使用实际电气设备搭建电路的效率低下、存在安全隐患、无法直接获取仿真分析结果的问题。

电力运维检修培训整体上可分为一次设备的维护与检修，二次设备的维护与检修，即继电保护运维检修。一次设备侧重于巡视、外观检查、内部结构检查、机械状态检查、机械操作等，二次设备侧重于二次回路检查、继电保护逻辑检查、设备电气参数检查等。通过调研发现，目前电力相关的三维场景培训多数采用虚拟现实技术，仿真场景多为设备本身及所处环境的三维仿真，培训内容多为设备巡视、机械拆装等一次运维检修相关的项目，继电保护相关三维场景培训鲜见研究。

现有的三维培训方法存在以下不足：

1)虚拟现实技术尚不够成熟，交互能力有限，交互细腻程度、效率都有待提高，用于基本的巡视，设备基本拆解尚能满足需求，但不能满足继电保护运维检修的应用。这是由于继电保护运维检修涉及的零部件及其微小且数量众多、分布密集，例如端子排连接片宽度不到一厘米，在开关柜继电保护仓内往往有上百个实验端子。

2)虚拟现实技术开展培训需要专用硬件设备，培训仍不够便捷，设备本身学习成本也较高，需要额外的实践熟悉。另一方面，同时使用的人数会受到硬件设备数量的限制。

3)目前虽有部分三维电路仿真工具出现，但算法过于复杂，不适用于开关柜二次回路的仿真。开关柜二次回路是由数个复杂的交直流回路组成，其中有数十个可供人为控制或机器控制的零部件，基本所有元件只有通断两种状态，过于复杂的仿真算法效率低，无法实现开关柜二次回路的实时计算需求。

10kV开关柜是中压配电网中的关键设备，使用量巨大。在配电网中其数量是变压器、电容器、电抗器等电力设备的几十倍。电力公司运维检修部门很大一大部分运维工作均围绕开关柜展开。且开关柜本身集成度高，一个柜体内包含了母线、开关、手车、地刀等关键一次部件，并且包含了完整的二次系统，包括微机保护装置、二次电缆、压板、各类控制按钮、空气开关、试验端子等。在开关柜这一个设备中即可涵盖继电保护运维检修仿真的主要工作内容，这是通常被认为电网主要设备的变压器所不能实现的。

在实际培训工作中，如何以开关柜为对象，提供一种基于三维模拟仿真应用技术的、面向10kV开关柜的继电保护运维检修培训方法，是一个急待解决的实际技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向10kV开关柜的继电保护运维检修培训方法。其基于三维模拟仿真应用技术，能够实现10kV开关柜二次回路原理图、接线图的三维化；实现10kV线路“正常状态、瞬时接地故障、永久性接地故障状态”下的机械动作模拟，以及继电保护装置状态(包括电流电压采样值，保护动作情况，发信状态等)的模拟；实现对二次回路电压电流值的模拟测量；开发基于三维实景模型的10kV开关柜继保校验可视化仿真模块的桌面端及移动端，具备二次回路三维识别，模拟二次回路带电状态，模拟测量二次电压电流、基础继电保护校验仿真的功能。

本发明的技术方案是：提供一种面向10kV开关柜的继电保护运维检修培训方法，其特征是：

第一步：首先构建开关柜完整的三维模型；

第二步：将三维模型导入三维引擎；

第三步：根据培训项目需要，构建继电保护运维检修所需的全部工具的三维模型，并导入三维引擎；

第四步：根据培训项目，选择适用的交互工具并设计交互模式；

第五步：根据培训项目，在三维引擎中开发对应功能；

第六步：二次回路识别，及图纸三维化；

第七步：实现继电保护校验工作的仿真；

第八步：在一个三维空间中，实现一次、二次的设备状态仿真，一次、二次的运维检修操作仿真，实现正常操作，能够实现故障现象排查、排除故障的操作、排除后恢复正常状态的完全仿真模拟和继电保护运维检修培训。

具体的，在所述的第一步中，构建开关柜完整的三维模型，包括对运维检修工作涉及的零部件均建模，且凡是运维检修工作中涉及的零部件，均可拆分，构成单独的三维模型。

具体的，在所述的第二步中，根据三维引擎功能特点、开关柜继电保护运维检修工作需求设计培训项目，提供三维可视化的开发环境，通过编程实现逻辑功能。

在所述的第三步中，所述继电保护运维检修所需的全部工具，包括万用表、钳形表、螺丝刀、短接线、不同容量的试验电缆、手车摇杆、地刀压杆、解锁钥匙、手车、继电保护校验仪。

进一步的，在所述的第三步中，采用Unity3D作为所述的的三维引擎。

进一步的，所述的第四步中，选择PC、大屏电视、Pad、手机作为交互工具；针对这四个平台的特点，分别设计相应的交互模式；其中，在PC端采用鼠标交互，在大屏电视、Pad、手机端，采用触摸屏幕进行交互。

具体的，在所述的第六步中，将开关柜二次原理图进行人工识别，将图纸上的所有线缆、元件与三维模型一一对应，并将图纸根据三维模型的实体进行切分，最终实现二次设备的任何一个零部件在原理图中都有对应元件或线缆，最终实现点击图纸单元即可检索到对应的三维模型，点击三维模型即可检索到图纸上的对应单元。

进一步的，在所述的第七步中，所述继电保护校验工作的仿真，包括开关柜一次设备运行状态仿真、二次设备运行状态仿真、继电保护校验仪器仿真、继电保护校验工具仿真。

本发明的技术方案，利用电气设备三维模型，根据继电保护运维检修培训项目需要，构建继电保护运维检修所需的全部工具的三维模型，实现10kV开关柜二次回路原理图、接线图的三维化；实现10kV线路“正常状态、瞬时接地故障、永久性接地故障状态”下的机械动作模拟，以及继电保护装置状态的模拟；实现对二次回路电压电流值的模拟测量；构建基于三维实景模型的10kV开关柜继保校验可视化仿真模块的桌面端及移动端，具备二次回路三维识别，模拟二次回路带电状态，模拟测量二次电压电流、基础继电保护校验仿真的功能，为缺乏现场实际工作经验的员工提供一种快速积累除缺排故经验的良好平台。

本发明所述的继电保护运维检修培训方法，利用电气设备三维模型，借助继电保护运维检修所需的全部工具的三维模型以及10kV开关柜二次回路原理图、接线图的三维化，实现10kV开关柜的继电保护运维检修培训。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.本技术方案实现了10kV开关柜二次回路的三维化功能，将二维图纸实现了三维可视化，提供了一种全新的二次回路辨识、维修培训方法；

2)本技术方案实现了10kV开关柜二次回路状态的三维仿真，可测控制回路、信号回路在不同运行情况下电位，可测交流回路电流；

3)本技术方案实现了10kV开关柜正常状态、瞬时接地故障、永久性接地故障状态下的一次机械动作、发信状态、一次系统电气状态的三维可视化模拟；

4)本技术方案实现了10kV开关柜继电保护校验工作的模拟，可使用万用表、钳形表、试验电缆、螺丝刀、继保校验仪等检修工作必须工具，在三维空间中完整模拟典型继电保护校验工作，包括接通采样电流、保护功能校验、防跳试验等。

附图说明

图1是本发明继电保护运维检修培训方法方框图；

图2是本发明一次设备运行状态仿真逻辑示意图；

图3是A相出线电缆带电运行状态仿真逻辑示意图；

图4是本发明二次设备运行状态仿真流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1中，本发明的技术方案，按照下列步骤进行：

第一步：首先构建开关柜完整的三维模型。所有模型颗粒度达到螺丝钉级。模型完整度方面应达到以下标准：凡是运维检修工作涉及的零部件均建模。颗粒度方面达到以下标准：凡事运维检修工作中涉及的零部件，均可拆分，是单独的模型。

第二步：将三维模型导入三维引擎。根据三维引擎功能特点、开关柜继电保护运维检修工作需求设计培训项目。

第三步：根据培训项目需要，构建全部继电保护运维检修所需工具的三维模型，并导入三维引擎。

第四步：根据培训项目，选择适用的交互工具并设计交互模式。

第五步：根据培训项目，在三维引擎中开发对应功能。

其中，采用Unity3D作为本技术方案的三维引擎。

对于第一步，为了保证开关柜三维模型的完整性、准确性以及颗粒度，采用三维激光雷达扫描开关柜实体、实地拍摄图像、设计图、原理图相结合的方法进行三维建模。

采用三维激光雷达扫描是为了搭建一个基础的三维空间，同时保证关键机械部位的精确度。

实地拍摄图像是为了获取难以扫描的细节部分，并采集纹理图片，为开关柜贴图做准备，最终构建的是实景模型，观感与物理实体开关柜一致。

设计图是为了获得开关柜的全部机械设计结构，为三维建模提供直接、机械结构参考。

原理图是为了指导二次回路建模，由于二次回路密集、复杂，因此单纯依靠图像、扫描数据无法准确还原其连接关系，因此必须结合二次原理图来正确的构建二次系统的三维模型。

由于采用三维激光扫描装置(亦称三维激光扫描仪或三维激光手持扫描系统，是一种通过激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，其利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型。在工业领域里三维激光扫描仪多用于三维建模，逆向工程，三维检测和产品设计过程中)，对机械部件实施三维扫描已经是现有技术，故如何进行三维激光雷达对机械部件实施三维扫描以及具体操作步骤在此不再叙述，本领域的技术人员，可以根据三维激光雷达扫描装置的产品说明书进行相关的三维扫描建模工作。

对于第二步，三维引擎的功能特点主要是提供三维可视化的开发环境，通过编程实现逻辑功能。

开关柜继电保护运维检修工作需求，主要体现在设备三维结构查看，零部件检索，机械动作的原理复现，二次回路的识别，继电保护校验工作的仿真。

因此设计的主要培训功能如下：

设备三维结构查看，可透视、隐藏、孤立显示所有零部件。

零部件检索，设置零部件台账，可通过目录检索所有零部件。

机械动作的原理复现，开关柜内最重要的机械动作机构是断路器，因此将断路器内所有可活动零部件的全部动作制作三维动画，通过动画观看设备的运行原理，并设置倒放功能，便于理解复杂机械的动作原理。

二次回路的识别是本发明的重要内容，常规的二次回路识别培训仅能在工作现场展开，通过原理图或照片是无法明确二次回路的具体分布的。因此本发明设计了图纸三维化的功能，将二次原理图导入三维引擎，将原理图与三维模型对应，以三维的形式开展培训。

继电保护校验工作的仿真，为实现该功能，需要开发开关柜一次设备运行状态仿真、二次设备运行状态仿真、继电保护校验仪器仿真、继电保护校验工具仿真。

对于第三步，调研继电保护校验所需的全部工具，包括万用表、钳形表、螺丝刀、短接线、不同容量的试验电缆、手车摇杆、地刀压杆、解锁钥匙、手车、继电保护校验仪。构建上述仪器工具的三维模型，同样要求可活动零部件与实际一致，外观与实际一致。

对于第四步，为了实现工具的真正便捷使用，选择pc、大屏电视、pad、手机作为交互工具。针对这四个平台的特点，分别设计相应的交互模式。在pc端采用鼠标交互，在大屏电视、pad、手机端采用触摸屏幕进行交互。触摸屏幕上的交互又根据屏幕大小的不同做差异化设计。所有交互设计的原则是简化操作，用最常见的交互完成所有功能。

鼠标的交互包括：左键单击，右键单击、滚轮单击、右键长按、滚轮滚动。

触摸屏的交互包括：单击屏幕，单指划动，双指滑动，双指缩放。

大屏电视的交互包括：单击屏幕，单指划动，五指滑动，双手缩放。

对于第五步，开发的主要功能如下：

将近4000个零部件命名并根据功能分组，以组为单位赋予唯一名称。根据该名称设置零部件台账，可通过目录检索所有功能组。并通过该台账实现模型的隐藏与孤立。

二次回路识别，及图纸三维化。将开关柜二次原理图进行人工识别，将图纸上的所有线缆、元件与三维模型一一对应，并将图纸根据三维模型的实体进行切分，最终实现二次设备的任何一个零部件在原理图中都有对应元件或线缆。该步骤可理解为将三维空间与二维空间分别微分，并将微分的单元一一对应。最终实现点击图纸单元即可检索到对应的三维模型，点击三维模型即可检索到图纸上的对应单元。

继电保护校验工作的仿真：

功能一：一次设备状态设置，包括母线电压的大小、频率、相位；出线电流的大小，相位；手车机械位置；断路器机械状态；接地刀闸机械状态。上述参量共同确定了一次设备的状态，将参量输入仿真算法，由算法确定最终的运行状态。该功能的具体技术方案如图2中所示。

图3给出了一个具体一次设备(图中以A相出线电缆带电运行状态为例)运行状态的仿真逻辑示意图。

功能二：二次设备运行状态仿真：

二次回路中的零部件基本都有两种状态，即导通与开断。部分零部件的导通与开断受到一次设备的状态影响，例如断路器的机械位置将会影响到二次回路中辅助节点的导通与开断，另有一部分元件受到人为设置的影响，例如压板，通过人工打开或者合上压板，可使继电保护功能失效或者开放。该功能的具体技术方案如图4中所示。

功能三：继电保护校验仪器与工具的仿真：

为了在三维空间中逼真的还原继电保护运维检修工作，必须将现实中的工具进行模拟仿真，所有状态的设置、输入应该与现实相同。例如在仿真工具中，可以通过简单的键入数字，设置输入微机保护装置的电流数值，但在现实中这是不可能的。现实中是通过继电保护校验仪输入实验电流，因此在三维仿真工具中，也通过继电保护校验仪输入电流，同时还需要连接好电流试验线。因此为了进行仪器与工具的仿真，所采用的技术方案是将所有工具仪器分为状态输入与状态感知两类。一次设备与二次回路运行所需要的输入参量，通过仪器与工具的形式输入，而不是直接设置。当然，也有一部分仪器并不是用来输入，而是用来感知输出量。

下面对所有仪器进行分类：

状态输入：螺丝刀、短接线、不同容量的试验电缆、手车摇杆、地刀压杆、解锁钥匙、手车、继电保护校验仪。

状态感知：万用表、钳形表、微机保护装置。

本发明技术方案的创新点概述：

本技术方案首次实现了电气设备一次、二次运维检修工作仿真的统一。即在一个软件工具，或者说三维空间中，实现了一次、二次的设备状态仿真，一次、二次的运维检修操作仿真。且非剧本式仿真，是一种电力设备的开放视界。因此可实现正常操作，也可实现故障现象排查、排除故障的操作、排除后恢复正常状态的完全仿真模拟。

本发明的技术方案，采用三维激光雷达扫描开关柜实体、实地拍摄图像、设计图、原理图相结合的方法进行三维建模；利用电气设备三维模型，实现了10kV开关柜二次回路原理图、接线图的三维化；实现了10kV线路“正常状态、瞬时接地故障、永久性接地故障状态”下的机械动作模拟，以及继电保护装置状态(包括电流电压采样值，保护动作情况，发信状态等)的模拟；实现对二次回路电压电流值的模拟测量；开发了基于三维实景模型的10kV开关柜继保校验可视化仿真模块的桌面端及移动端，具备二次回路三维识别，模拟二次回路带电状态，模拟测量二次电压电流、基础继电保护校验仿真的功能。该技术方案操作流畅、对硬件要求低，可以作为一种通用的培训方法，为各专业运维人员提供高效率、低成本的培训方法，也为缺乏工作经验的青年员工提供了一种快速积累除缺排故经验的良好平台。

本发明可广泛用于电力运维人员的技术培训领域。