基于自適應學習技術的變電站仿真培訓系統設計與應用

王鈺 萬潤楠 孫睿

摘要：在現代智能學習技術的發展背景下，變電站培訓系統也在逐漸實現技術升級，而針對于傳統系統與學員個性化學習需求所存在的不足之處，以智能化的自適應學習技術為研究基礎，提出一種可以綜合考慮用戶模型有關特征，集合“教學、學習、聯系、考核和評價”為一身的多種教學模式，依托于智能化與“互聯網+”的智慧學習平臺要求，為提升變電站運維人員的日常工作效率與質量以及處理緊急異常情況的工作能力、個性化學習培訓需求提供有效的仿真培訓方案。

關鍵詞：自適應學習技術??變電站??仿真培訓系統??系統設計

中圖分類號：TM74

Design?and?Application?of?the?Substation?Simulation?Training?System?Based?on?Adaptive?Learning?Technology

WANG?Yu??WANG?Runnan??SUN?Rui

（Electric?Power?Research?Institute，?State?Grid?Inner?Mongolia?East?Electric?Power?Co.，?Ltd.，?Hohhot，?Inner?Mongolia?Autunomous?Region，?028001?China）

Abstract：?In?the?context?of?the?development?of?modern?intelligent?learning?technology，?the?substation?training?system?is?also?gradually?upgrading?its?technology.?However，?in?response?to?the?shortcomings?of?traditional?systems?and?personalized?learning?needs?of?students，?this?article?takes?intelligent?adaptive?learning?technology?as?research?basis，?and?proposes?a?variety?of?teaching?modes?that?can?comprehensively?consider?the?relevant?characteristics?of?user?models?and?integrate?"teaching，?learning，?connection，?assessment?and?evaluation"，?which?rely?on?the?requirements?of?intelligent?and?"Internet+"?intelligent?learning?platforms?to?provide?effective?simulation?training?programs?for?improving?the?daily?work?efficiency?and?quality?of?substation?operation?and?maintenance?personnel，?as?well?as?their?working?ability?to?deal?with?emergencies?and?abnormal?situations?and?personalized?learning?and?training?needs.

Key?Words：?Adaptive?learning?technology;?Substation;?Simulation?training?system;?System?design

變電站仿真培訓系統從實體仿真階段，過渡到實體與虛擬相結合的仿真，再發展到純數字仿真，到目前的3D虛擬現實模擬的變電站仿真，歷時大約30年時間。目前的變電站模擬訓練系統中，存在著一些問題，如理論與實際脫節、缺少趣味等問題，不能適應變電站人員的個性化學習需要。因此迫切需要一種集多種教學模式于一體的仿真培訓系統來滿足變電站長遠創新發展的需要。

1?變電站仿真培訓系統整體架構設計

本文研究以某地區500kV的變電站仿真訓練系統為例對其進行深入分析，采用了層、面向服務和構件化的體系結構，對基礎設施、服務層、仿真應用層和人機展示層等四個層次的體系結構進行全面探討[1]。其中，底層由服務器、操作系統、網絡、存儲等組成，能夠為云環境下的仿真工作提供必要的硬件支持。

底層的業務主要由數據、平臺管理、功能模塊等組成，采用一種包含一些即時歷史數據、授權數據、圖片數據以及平臺管理數據的基于業務的體系結構。為實現全過程的全過程控制奠定了理論和技術基礎。在此基礎上，提出了一種面向對象的、面向對象的面向對象的方法。在人機呈現層中，視覺化的人機界面是其核心部分，它包括了對虛擬現實的建模，對虛擬現實的可視化，對電力網絡的仿真監控的演示等，它可以為整個系統提供一個具有良好的人機互動與顯示的接口。

2?自適應學習功能設計

通過對自適應學習功能的研究，給出了一種基于目標導向的學習功能實現方法。其中的領域模型是整個自適應學習功能系統的基礎，它可對領域知識結構展開詳細的描述，將每個概念以及概念之間的關系都包括進去，而這個模型實施目的就是要將領域知識的結構化。而用戶模型是實現個體化學習的核心，也是每個學習者個性特征的抽象表示，該模型包含如個人的學習興趣、學習成績、能力狀況等[2]。在此基礎上，用戶模型可針對不同的個體特點進行不同的設計，并結合教學模型來實現二者緊密連接的目標。教學模型能向使用者傳送有自適應的指令，并向使用者提供有針對性的學習資料。然而自適應學習引擎其可通過使用適應性學習的方法，實現基于個體特征的動態行為分析。其流程是：該體系對學生的學習行為和學習狀況進行了采集，并對數據進行了分析，并在此基礎上，對學生的學習內容做出了相應的調節，并在此基礎上，根據學生的學習行為和反饋，不斷地對其進行更新，在此基礎上，對該模型作進一步的改進。本項目將在IEEEPAPI和CELTS-11標準的基礎上，結合學習方式、認知水平和學習歷史等特征，研究符合電網運行管理人員學習特征的個性化學習內容推薦方法。在這些特征中，學員的學習方式特點包括：學員對教學方式的認識、教學方式的投入等。知識概念的形成與發展是知識概念形成的基礎，而知識概念的形成與發展又是知識概念形成的基礎。學習者的學習歷程主要有快速、重復兩個方面。

針對變電所操作人員個體化的問題，提出了一種新的變電所操作規程。本系統采用兩種方式來進行個體化的推薦技術：一種是基于個體化的內容推薦，二是個性化的內容推薦導航。而個性化的內容，則是針對各種媒介的特性，將所需要的信息，自動的與用戶相匹配。根據用戶的學習風格、認知水平和興趣偏好，對用戶進行個性化的推薦內容引導。其中，整體導航主要是由領域知識樹狀結構來表現，通過學習狀態標記來表示使用者目前對知識的掌握程度，因此，讓不同層次的使用者能夠更加清楚地認識到自己目前所學的東西在知識系統中的地位。而里面蘊含的知識和概念，可以使使用者更有條理地掌握所學內容。

3?變電站仿真培訓系統功能模塊設計

3.1案例制作

在這個方案中，教員將登陸到教師模式狀態，使用這個系統來完成個案的生成，即教員要設定主題，之后按照問題需要，執行正確運算。最后將運算后的答案進行編輯并保存起來，具體的實例制造的模塊流程如下圖1所示。

且本系統還支持分類題目的類別、難以程度等操作，可以更快地收集每一位學員學習風格與認知水平、學習歷史等資料，從而可以有目標地將合適的題目推薦給學員，便于學員在學習中循序漸進。

3.2系統技術指標

根據實際變電站的運行情況分析，仿真培訓系統在穩定運行方面、暫態性與實時性、系統資源的可靠程度、充裕程度等方面需要滿足一定的指標。

3.2.1暫態與穩態運行

該指標需要保障系統能夠正常計算，并將計算過程不能夠違背實際物理情況、結果收斂正常作為基礎，如保護與自動裝置的動作、故障與擾動情況系統的現象、仿真系統的報警與報文等；且后續的潮流計算和儀表誤差應當將其控制在合理的范圍之內[3]。

3.2.2實時性指標

該指標需要保障過程快、滿等模型的運行周期分別小于0.02和0.01s；整個系統的數據刷新周期≤1s；斷路器變位警告的相應時間應當≤2s；系統多媒體調用的相應時間應當≤2s?[4]。

3.2.3系統的可靠性指標

無論是整個仿真計算機平均沒有故障的工作時間還是軟件的沒有故障的工作時間，都可以保障在長時間下運行，一般都要求二者＞3萬h；整個系統的可用率不能小于99.99%；系統發生故障的頻率每一年不能高于1次。

3.2.4資源充裕度指標

計算機的CPU在正常工作狀態下，其對于系統的評價指標最為重要的兩項是任意5min的負荷率與任意1s內的負荷率。結合本系統分析結果，要求這兩項指標數值分別為25%和40%；且備用的內存與外存容量分別要高于50%和80%[5]。

3.3學習模式

當學員進入到學校模式后，可以在3D仿真中進入到所模擬的站點區域來選取一個情景，并且可以在這個情景中漫游，如圖2所示。學員可以自己選取試題進行練習，并能在全過程中將每一道試題的正確練習過程給學員演示出來。而且，為了讓學員可以清楚地知道自己要進行哪些操作，現在，在這個過程中，所使用到的所有儀器和設備，都會以突出顯示出來，這樣可以讓學員在學會如何進行正確操作之后，更好地了解要進行哪些儀器和設備。而且，每一步的動作，都會有一段錄音。

3.4練習模式

練習模式能使學員熟悉并熟悉該模型的訓練過程，使其工作過程標準化，并能收集并儲存學員的學習行為資料。在實踐方式中，從工具間取出頭盔的方法如圖3所示。

在練習模式中，學員需要先做正確的動作然后再做題，若操作的步驟和次序與正確操作要求不一致，則會出現相應的錯誤標記，并將其扣分。為了避免做錯的動作會影響到正確的答案，做錯的動作將不會順暢地進行，比如在一個3D界面上進行一個操作將某個斷路器拉開，假如這個操作是一個錯誤的操作；然后，這個斷路器就不會被打開，當其工作正常時，這個斷路器就會打開。另外，為使訓練過程順暢，訓練方式下設有提醒系統，提醒學員下一步該如何做，學員可以根據提示的作用，也可以根據正確的動作程序進行動作。

3.5考試模式

考試模式是通過在一定的時限之內，以執行所需的運輸檢驗環節來檢驗學員的技術水平。當學員進入到測試狀態時，整個動作都會在系統監視下進行，并且會根據學員進行的動作和事先輸入正確動作進行對比，從而給學員打分[6]。與訓練模式不同的地方在于，在考試模式中每一步動作都不會出現任何提示，就算出現錯誤的動作系統也會做出反應并進行相應的步驟，在考試結束后，系統會自動給出分數，然后按照正確的程序進行答題。

在考試方式中，采用對虛擬角色的運行檢查的方式。在一個3D的虛擬環境中，當使用者完成一項工作后，將會得到相應的回饋，并得到相應的回饋。當學員操作正確時，將會在屏幕底部出現特效。通過及時的反饋和回饋方式，讓參加者有一種沉浸于游戲中之感覺，使得該考試模式具有“模擬訓練”和游戲化的模擬仿真的功能特性。

同時在考試的題型方面，需結合變電站的相關理論和技能操作給出適合的題型；在考試內容方面，要建立包括筆試、實際操作（例如閘倒閘操作、異常及事故處理、操作票填寫）、設備巡視及掛接地線等幾個模塊的考試題庫，考題庫的題目要多，要有科學的結構，要能覆蓋到電力系統和變電所中的大多數問題。而且試題庫的內容也要便于修訂、輸入、擴展。在考試方式上可集中或者分散式的選擇，保障整個考試模式系統滿足學員學習與考核的多樣化需求。

3.6智能考核評價

智能化的測試和評價，可以利用預先輸入的變壓器運行檢測正確操作步驟、安全規范知識、電氣設備原理的分析等，來建立智能評價對照庫，并設計智能推理與評價引導算法。如果學員在培訓或參加測試時，后臺會根據參加者所做的動作，自動判定其操作的正確性。為實現智能測評系統，將學員在考試過程中的各種可能情況都考慮在內，建立一套全新的考核評價模型。

（1）對全部運算事件的要素進行集合，形成一種獨特的識別，以確保每一次運算生成的數據組合具有唯一性，從而為精確評價提供依據。

（2）將一個操作記錄建模為一個對象，并將其轉化為一個對象，一個對象可以包括一系列的對象，其先決條件可以是有序的，也可以是無序的。在這種模式下，可以將不同運算記錄按一定次序進行組合，而符合這些次序運算記錄就是問題的標準解答。

（3）根據不同的動作，一個器會被分為兩個類別，一個是“必需操作”，一個是“能夠操作”?！氨仨毑僮鳌钡亩x是，做多或者做少都是不正確的，會被扣掉相應的點數。至于能夠操作，那就是做得多就不會扣分，做得少就會扣分。

（4）根據操作的基礎邏輯，對整個體系進行打分和評定。

3.7系統調試

（1）低壓配電房開關柜的運行和調試。低壓室開關箱工作時，變電站用變壓器的對應開關會發生改變。

（2）故障排除。將故障排除分成負載失效和小母線失效兩種情況。當負載失效時，對應的冷氣出口空開跳脫。當小型母線發生故障時，則將交流動力箱內的空開斷開。

（3）風冷式變壓器控制盒的調試。它包括兩個部件，一個是電源開關，一個是手柄。

第一，能量的轉換。如果打開第一部分的電源空檔，我的工作燈就會熄滅。如果打開第二部分的電源空檔，第二部分的工作燈會熄滅。若拉開電源一、二段電源為空載狀態。然后電源I動作，電源II動作，風扇正常；冷卻設備的燈光熄滅，風機也會停止運轉。

第二，把手。如果把手從手動改為自動，則風扇正常，冷卻器正常熄滅，風扇停止運轉。如果把手從人工改為維修，則風扇正常，冷卻機正常，風機熄滅，風機停機。如果把手從手動改為停機，則風機正常，冷卻器正常燈熄滅，風機停機。

（4）設定過壓并進行調試。在豐汗一號線路上進行了過電壓設定的調試。當第一次過壓被設定時，LCD窗口和監視器外殼將同時給出相應的信號。在液晶窗口上，電流差動保護面板將點亮相應的遠距離跳閘，過電壓跳閘，過電壓報警指示燈。監視屏幕上，對應著電壓保護動作，遠端跳閘動作指示燈亮起。

4結語

綜上所述，結合自適應學習技術來實現變電站的培訓仿真模擬系統設計與應用，能夠為用戶提供多元化的培訓功能，適應不同能力變電站運維人員的個性化學習需求，并且也可將“學習、練習、考試與評價”等多個模式結合，為學員們提供了理論知識學習與練習、實踐操作練習、考核鑒定與自動評估等集成解決方案，從而可以在很大程度上節約了維護人員學習訓練的時間成本，并用自動化監督與提示來提高維護人員的操作水平，提高其發現與處理異常狀況的能力。保證整個電網系統運行的安全、平穩、可靠性。

參考文獻

[1] 孫帥，高峰，馬雁，等.基于自適應學習技術的變電站仿真培訓系統設計與應用[J].電工技術，2023（8）：95-97.

[2] 祁永超，田銘興，陳小強，等.基于Unity3d的變電站虛擬仿真培訓系統構建[J].蘭州交通大學學報，2021，40（1）：53-59.

[3] 王輝東，張盛，丁葉強，等.基于智能變電站"三層兩網"框架標準的仿真培訓系統研究[J].能源與環保，2022，44（5）：233-238，248.

[4]王磊，楊國練，陳維，等.VR技術在變電站仿真培訓系統中的應用研究[J].自動化儀表，2021，42（9）：25-29.2021（15）：3.

[5] 林培玲，黃龍杰，劉俊英，等.基于VR技術的智能變電站運行仿真培訓系統[J].信息技術，2022（1）：107-113.

[6] 王曉龍，劉浩.虛擬仿真技術在變電站教學中的應用[J].電子技術，2022，51（1）：144-145.