（电力系统及其自动化专业论文）变电站仿真培训中培训管理系统的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 本文介绍了目前变电站仿真培训的发展状况及其组成，并简要阐述了我校开发 的变电站仿真培训系统的运行原理。 针对现有变电站仿真培训的不足，研究了在实际的培训过程中应具有的培训管 理功能。根据需要达到的培训目标，分析了展开培训的模式和培训应有的内容以及 和培训过程需要的功能。根据功能需要，设计开发了培训管理数据库，使各类用户 得到统一管理，并且在培训完成后能直观的查看培训结果以及培训评价；研究了培 训过程中需要达到的网络功能以及实现的方案。在文章最后，研究了一种基于要素 的扣分制评分方法，并结合实际培训中的经验，将方法在巡视培训评价中进行了初 步的应用。 关键词：变电站，仿真培训，培 j l 管理，培训评价 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt h es 咖c 嘛a b o u ts i m u l a t i o nt r a i n i n gf o r s u b s t a t i o na tp r e s e n ti si n t r o d u c e d ，a n db r i e fe x p o u n dt h er b np r i n c i p l eo ft h es y s t e mt h a t d e v e l o p e db yo u ru n i v e r s i t y b ea i m e da tt h ei n s u f f i c i e n ti nt h et r a i n i n gs i m u l a t o r , t r a i n i n gm a n a g ef u n c t i o n st h a t n e e d e di nt h ep r o c e s so fa c t u a lt r a i n i n ga l es t u d i e d i nt h el i g h to ft h en e e do ft h et r a i n i n g t a r g e t ，t r a i n i n gm o d e l ，t r a i n i n gc o n t e n ta n df u n c t i o nn e e d e di nt h et r a i n i n gp r o c e s sg e t a n a l y s i s a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nb en e e d ，t h ef r a m ea b o u td a t a b a s eo ft r a i n i n gm a n a g ei s d e s i g n e d s oa l lk i n d so f u s e r sc a nb ec o n s i s t e n tm a n a g e d ，a n dt h e yc a nc l e a r l ye x a m i n et h e r e c o r da n de v a l u a t ea f t e rt h et r a i n i n g n e t w o r kf u n c t i o n sa n ds c h e m e st h a tb en e e di nt h e p r o c e s sa l es t u d i e d a tl a s t , t h ea r t i c l ea d o p t sak i n do fe l e m e n t - b a s e ds u b t r a c t i o nm e t h o d ， c o m b i n e st h ee x p e r i e n c eo ft h er e a lt r a i n i n g , p a t r o lt r a i n i n go fs u b s t a t i o nf o r m u l ai sf o r m e d l i a n gx i a o r u ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gd o n g y i n g k e yw o r d s ：s u b s t a t i o n ，s i m u l a t i o nt r a i n i n g ，t r a i n i n gm a n a g e ，t r a i n i n ge v a l u a t e 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变电站仿真培- i ) l i 中培- i ) l l 管理系 统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：墨! ! ：盘 日期：三翌坤瞳 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鉴：! ：盘导师签名：主量查：壅 日朔：巡、浩 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 电力系统的运行以安全为第一要素。电力运行的可靠性及供电质量的优劣直 接影响工业生产的安全和经济效益，因而从发电、输电、到配电的各个环节都需 要有经过严格训练的运行人员来操作控制。变电站作为电力系统的重要组成部分， 它的安全运行对维持电力系统的稳定，保证电网的可靠供电具有十分重要的意义。 为保障变电站的运行安全，除了需要提高变电站的自动化程度外，还需要可靠的 人工参与和决策。因此，对运行人员进行运行操作和事故处理的培训是非常必要 的。对运行人员进行培训时，不可能将运行的系统作为培训平台，也不可能以真 实的设备作为培训介质进行操作试验，更不可能制造系统故障来让学员进行观察 和演示故障处理过程。传统的培训手段是书面讲授和模板演示，虽然这些在一定 程度上达到了对学员的培训，但又有失于形象生动，效果不是很好。因此，对系 统运行人员的仿真培训已经成为电力行业研究的必要课题。 变电站仿真培训系统就是根据实际变电站的状况，运用必要的仿真技术，构 建一个虚拟运行的变电站作为培训环境，通过培训人员在这个环境中进行的相关 运行操作，达到培训的目的。 随着现代信息技术的发展，为解决这一问题提供了很好的培训方式平台。多 媒体表现形式的开发和运用为创建更加逼真的培训环境提供了有利的条件，且在 节省经费方面具有明显的优势。从而，运用计算机创建培训仿真系统具有不可替 代的优越性。 1 2 变电站仿真培训系统的研究现状 变电站仿真培训系统的发展依托于计算机的发展和变电站自动化水平的发 展。变电站仿真培训系统由电厂仿真培训的概念衍生而来，并随着电网调度仿真 培训的兴起而展开。 电力系统的培训仿真从二十世纪七十年代开始发展，早期的仿真系统主要运 用在火电厂机组中，之后相继扩展到电网、变电站的仿真培训。文献 1 中提到， 1 9 7 1 年美国、日本和英国分别安装了第一套大容量的火电培训仿真机，1 9 7 7 年美 国c d c 公司开发出第一套d t s 系统用于电网仿真培训，7 0 年代日本关西电力公司 建立了变电站仿真系统。我国在1 9 8 2 年研制成功了第一套火电仿真机组，其间电 网调度仿真培训系统也在开发，并在8 0 年到末开始陆续建立了电网和变电站的仿 真培训系统。 华北电力大学硕十学位论文 1 2 1 国内外变电站仿真培i j i l 系统的研发状况 我国对变电站仿真培训系统的研制虽然已经有十余年的历史，但是早期变电 站容量小，自动化水平较低，对其运行操作的要求也不高，使得变电站培训系统 的优势没有充分发挥。随着大容量，高电压，先进自动化变电站的出现，对运行 人员的操作也进一步提出高要求。因此，从9 0 年代中期开始出现一批2 2 0 k v ，5 0 0 k v 的变电站仿真培i ) i l 系统。最先出现的变电站仿真系统主要采取带盘台模式 2 ，典 型的如天津大学和大港油田水电厂共同开发的大港油田变电站仿真培i j i i 系统。该 系统包括模拟控制盘，配电装置，模拟继电器保护盘，主接线模拟操作盘和计算 机控制仿真系统几部分，在倒闸操作和事故处理方面具有培训范例。目前在各省 网建成的变电站仿真培训系统大部分是这样的模式。该模式占用空间较大，一般 集中布置在培训中心内。随着计算机技术，网络技术和多媒体技术的发展，随后 又出现了基于微机平台和基于网络的变电站仿真系统，这是纯软件模式的仿真， 学员的所有操作在计算机屏幕上完成。 文献 3 中介绍了成都1 i o k v 无人值班变电站及控制中心仿真培训系统。该系 统主要针对l i o k v 集控站进行仿真培训，收集了有代表性的8 种变电站。系统主 要由仿真机、教练员台、学员台、开发工作站和物理模拟操作间组成，通过以太 网和i o 设备相联。该系统采用了亚洲仿真公司开发的高级仿真支撑软件a s c a ， 具有数据库管理、源程序生成、实时调试、执行和控制等功能。教员台可以设置 培训教案，将培训要求送至学员台，并根据学员的响应操作进行记忆和评分。能 进行选择性试题、开操作票、五防操作和反事故演习等培训。 文献 4 介绍了变电站仿真系统在纯数字仿真与真实的二次结线、二次设备、 远动装置和监控装置相结合的新发展及需要解决的技术问题。此变电站仿真系统 可方便地推广应用于2 2 0 k v 变电站和5 0 0 k v 变电站等不同的仿真对象上，具有可 进行电气人员的运行值班、无人值守运行方式的巡检、二次回路检修、继电保护 维护调试的岗位培训和远动人员的岗位培训的五大功能，它大大地扩展了常规数 字仿真系统的概念及使用范围，提高了利用率。 文献 5 介绍了深圳供电局仿真培训系统，该系统仿真的对象包括深圳供电局 l i o k v 及以上的电网和主要厂站。模拟了5 0 0 k v 和2 2 0 k v 两个典型的虚拟变电站， 所有的一、二次设备均在计算机屏幕上显示，一次设备的巡视采用多媒体技术完 成。该系统将电网仿真和变电站仿真结合为一体。系统包括一个实时数据库和离 线数据库，但缺乏明确的培训评估功能。 文献 6 概述了南昌5 0 0 k v 站的仿真培训系统。该系统只有计算机硬件、仿 真软件和网络组成。这种方式更加灵活，可直接安装在现场，满足各具体变电站 2 华北电力大学硕士学位论文 的仿真培训要求。 文献 7 介绍了虚拟变电站仿真培训系统的结构及虚拟变电站的建模方法， 采用虚拟现实建模语言建立了三维虚拟电气设备及虚拟变电站，将基于m a t l a b 的电力系统仿真软件与虚拟变电站连接起来模拟变电站的各种运行状态。该系统 不仅具有三维显示、实时交互及动态仿真等特点，还可以在p c 机和w i n d o w s 操作 系统环境下运行，因此具有经济、高效、便于使用等优点。 在文献 8 和文献 9 中，将虚拟现实技术用于变电站仿真培训系统，在微机 平台上对变电站设备的三维仿真和典型事故模拟，具有高度的真实感，并支持与 电力调度仿真( d t s ) 电网仿真的分布式协同仿真。 国外对变电站仿真培训的研究比我国早。在一些现代化技术发达的国家，变 电站中投入了高度的自动化控制技术，这使得他们的变电站仿真技术更多地面向 了仿真培训中的人机交流和培训过程中的高度真实感。 文献 1 0 介绍了日本k a n s a i 电力学院在培训系统中人机交流方面的研究。 该系统为操作者提供了简单有效的操作向导，并能为培训中的错误做到及时指正。 文献 1 1 3 介绍了一种名为e s o p e - v r 的电气倒闸仿真培训器。新入行的操作 人员可以通过该仿真器安全、生动地学习各种倒闸操作，该仿真器具有的语音识 别功能可以通过专家系统对操作人员的操作顺序进行语音引导和纠错。在培训者 进行操作的同时，系统内的静态潮流仿真器可以随着操作的改变而进行潮流计算。 该仿真器中还设置了大量三维立体的变电站模型，学员可以很方便的学习多个变 电站的操作。 文献 1 2 3 针对i b e r d r o l as g i 仿真器靠人来监督培训过程和缺乏人与设备 相互交流的不足，设计一种p d a 操作培训应用程序。该程序面向没有远程控制和 自动化水平不高的地区变电站的配送电网络，对学员除了可以进行一些常规的系 统操作和管理外，还可以对预先设置的故障进行检测、分析和纠错。该程序通过 模仿人类教师的思维，在程序和概念上获取操作知识，并对培训人员提供其他的 帮助。 文献 1 3 3 介绍了一种人工智能技术在变电站仿真培训中的应用，并研发了一 个知识学习工具t r a i n s u b 。该系统以e s r a s e ( 变电站自动恢复专家系统) 为仿真 支持软件，它利用专家系统知识构建了一个数据包，用来引导和纠正操作人员的 操作决策。 1 2 2 现有变电站仿真培训系统的特点 从以上的研发状况可以看出，目前国内的变电站仿真培训系统具有如下特点 华北电力大学硕士学位论文 l 、培训系统的配置模式 若从变电站的二次操作控制和保护屏柜的实现方式上来划分，变电站仿真培 训系统主要分为带盘台模式( 硬模式) 、全软件模式( 软模式) 和混合模式( 硬模 式和软模式的结合) 。 带盘台模式是指以实际变电站为参照，按比例将开关控制屏和保护硬件组成 仿真培训系统，再由后台计算机支持这些硬件的操作和显示。这种系统操作和监 视比较直观、现场氛围强，但是投资大，占地面积大。纯软件模式是利用不同的 图形界面仿真变电站的开关屏柜及室内外部分主设备的运行状况，除计算机外没 有任何硬件。纯软件模式的仿真系统与实际操作有一定差别，但投资少、占地小、 灵活性好、易于维护升级。混合模式则是以上两种模式的结合，即部分装置与实 际相同，部分采用软件实现。 2 、培训系统的仿真对象 变电站仿真培训系统可分为实际站仿真和典型站仿真。从对象的数量上说， 可以分为单个变电站的仿真系统和多个变电站仿真系统。 实际站仿真是指所仿真的变电站和实际存在的变电站完全相同；而典型站所 仿的通常不是某个特定的变电站，而是综合了一个地区各种变电站类型及其各类 电压等级接线的典型配置，是一个作为培训范例的变电站。 单个变电站的仿真培训系统一般只选择一个典型的或实际的变电站进行详 细仿真，站外的电网只作简单的等值。此类系统虽然在站内微观上可以仿得比较 逼真，但在宏观上难以反映变电站在电网中的运行状况，比如基本上反映不了全 网的保护配合，线路的潮流变化过于简单，难以考虑故障后的动态过程等。多个 变电站仿真系统实际上相当是一种地区电网仿真和变电站仿真相结合的培训系 统。这种仿真系统选择1 2 个变电站作详细仿真，保留站外的相关电网和变电站。 它需要考虑电网和变电站之间、变电站和变电站之间的关系，可以实现全网的保 护配合，潮流和电压的变化比较符合实际系统，是一种电气全过程的仿真。考虑 到系统的不断扩展以及今后综合自动化变电站的模式、变电站无人值班或少人值 守后由地区调度员遥控操作的发展趋势，仅对单个变电站进行仿真难以符合实际 需要，而针对多个变电站的仿真可以适应这种趋势。 3 、培训目的和方式 培训系统由于培训对象的不同，其培训的目的和方式也有所差异。可以分为： ( 1 ) 一般培训。目的是让学员了解变电站的组成和运行情况，对象主要是 高校本专业的学生和系统内相关人员。该类培训往往同一批次受训人员较多，所 仿真的变电站最好是一个虚拟的或典型的变电站，可采用混合模式或全软件模式， 降低硬件的成本。 ( 2 ) 具体培训。培训的对象是已经或将要在某个变电站工作的运行操作人 4 华北电力大学硕士学位论文 员，让他们在上岗前接受热身培训。适合采用全软件模式，在具体的站内进行配 置。 4 、培训功能范围 变电站仿真培训系统的主要功能应根据变电站运行人员的日常工作进行设 计。一般包括( i ) 变电站运行工况的监视；( 2 ) 变电站主要设备的巡视；( 3 ) 变 电站正常倒闸操作；( 4 ) 变电站事故处理和恢复；( 5 ) 变电站知识学习。 1 3 我校开发的变电站仿真培训系统介绍 不管是哪种模式的仿真培训系统，其基本体系结构都相似，主要由教员设置、 学员培训、仿真界面、仿真控制系统和仿真支持数据库构成。这些模块可以根据 实际需要合并或分解，并可通过网络进行通讯，实现更灵活的培训方案。随着现 代通讯技术和计算机的发展，培训需求的增加，纯软件模式仿真系统的优势日益 突出。现有的仿真系统研究以纯软件模式为主，以下将着重介绍我校现有的仿真 系统的组成及各模块功能。 1 3 1 仿真系统硬件的组成 纯软件仿真培训系统的硬件系统全部由p c 机组成，这样硬件系统是完全通 用的。计算机系统采用由多微机组成的网络技术，可组成多媒体网络教室模式。 将教员台和学员台组成网络，采用数据传输网，通过教学网络平台做图像传输。 硬件系统的总体配置如图1 - 1 所示。 以太两 e 教员 学员台l学员台2学员台曩 哆哆 掣最组i学员组2学员骞扭 图i 1 硬件系统结构 5 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 仿真系统软件组成 变电站仿真培训系统软件包括：仿真应用软件和仿真支撑软件n 7 1 8 1 。结构配 置如下图1 2 所示。 琵入机界面软件。 参，旌螽，轨。i，铂铂；。? ，： 簇爹鬻黟黪2 释缪锄铲旒鬻戮獬篇移谬鬻缓秽篇隰鬟猡。 ；电力系统分析计算： ：智能培谢jg 教学管j；，知识学习； ；和仿真软l 牛，；。较伴 。j r 理软件j7 较伴 j 黝4 ”黝鹱孵勿荔霸骶：籀纱澎鳜黪酝绷斛* 黝嬲缪鬈 徽髫缓黝缀罗 ；i t l 络通讯软件 毒：仿真系统支撑平台 ，- 图1 2 软件配置图 1 仿真应用软件 仿真应用软件主要实现系统的仿真功能、培- i 7 i i 功能和系统的网络通讯。 仿真功能软件包括：电力系统分析计算和仿真软件、人机界面软件。用于模 拟变电站的实际运行状态，实现系统的拓扑分析、潮流计算、故障计算、保护动 作仿真、变电站各监控界面显示和操作、操作票自动生成等。 培训功能软件包括：智能培训软件、教学管理软件、知识学习软件。该部分 执行仿真系统的教学培训功能。通常包括教员任务设置、操作培训辅导系统，故 障诊断指导系统，学员操作记录和评价系统以及培i j i l 教案管理、学员台管理。 网络通讯软件能够支持灵活的结构、国际通用网络通信协议( t c p i p ) 、局域 网通信、远程数据通信等功能。 2 仿真支撑软件 由于仿真软件功能复杂，工作量大，很难实现一次性完善开发工作。软件在 编写和测试的过程中，会不断发现其中的不足，从而会不断提出改进和完善的要 求。而且，变电站的构成也会不断更改和扩充。使用的一二次设备也会因技术进 步而更新换代。这就使得软件在交付使用后，修改和完善是不可避免的，若是因 此而不断修改程序，将不胜其烦，开发人员势必难以应付。因此必须要有支撑软 件来支持仿真系统的建立，实现仿真系统的二次开发、管理和维护，达到更加灵 活的仿真配置方案。 6 华北电力大学硕士学位论文 仿真支撑软件主要包括：人机界面的开发平台、仿真模型的开发平台。 入机界面开发平台用于编辑主接线图、微机监控系统界面、屏柜界面、室外 主设备的巡视界面。 仿真模型的开发平台是对模型数据库的操作。模型的建立、修改和维护，都 有相应的数据库。仿真模型开发平台按数据功能分为：( 1 ) 一次设备数据维护平台， 用来维护一次设备的拓扑关系、设备参数、巡视点数据、2 4 点功率曲线、电源点 类型、五防逻辑等数据；( 2 ) 二次设备数据维护平台，维护监控机界面、装置面板、 控制屏、保护屏和其它屏柜的数据，包括各类控制开关、小开关、压板、信号灯、 四遥信息等数据，还包括一次和二次设备、二次设备之间的仿真模型( 逻辑关系) ； ( 3 ) 操作票维护平台，维护操作任务、操作规则、操作术语等数据 1 3 3 仿真模块和功能 我校开发的仿真培训系统属纯软件模式，仿真的功能模块主要包括仿真程序 工程文件和多个不同功能的程序模块以及一些辅助功能的程序。仿真程序和各模 块相互协调工作，实现仿真培训的各项功能。具体分为以下两项： 1 人机对话 操作人员运行进入系统时，首先进入主程序提供的人机交互界面，通过选择 系统自动弹出工具条的相关选项，将指令发给系统主程序。主程序接受人员指令 后，将在后台运行，并将结果通过屏幕显示，对话框，报警音，文件输出等多种 形式反馈给人员。操作者根据这些现状进行下一步操作。 2 主程序运行 主程序根据被操作人员选中的工具条所传递的指令，进行运算，并调用相关 的具有特定功能的动态链接库文件，通过这些动态库文件对各个模块进行处理， 完成所需的功能。 以下将具体介绍仿真程序及各个功能模块： ( 1 ) 仿真程序工程文件 仿真程序工程文件运行原理是：通过主程序，调用多个动态连接库( d l l 文 件) 。主程序是仿真软件的核心部分，可执行文件名为s i m u e x e 。软件正常运行 时，所显示在电脑屏幕上的工具条和下面的状态条，是主程序的人机界面，通过 对这些菜单的调用，可以实现程序的所有仿真功能。 ( 2 ) 数据模块 变电站仿真系统的基本功能有：网络拓扑、潮流计算、故障计算、保护动作 特性模拟等，其数据结构的设计为实现仿真培训系统功能而设计的，数据模块用 来提供系统仿真所需要的各种一次、二次数据。 7 华北电力大学硕士学位论文 主程序通过动态链接库d b l o a d d l l 读入初始数据、加载相关数据，实现对数 据的调用及处理等，为计算分析程序( 接线分析，潮流计算，故障计算) 提供数 据来源。 ( 3 ) 图形界面模块 图形界面模块是用来模拟变电站的室内设备，提供仿真工作环境，主要包括 变电站监控微机上的主接线，光字牌等，以及保护控制室内的各种保护屏柜。 图形界面模块是运用w i z c o n 的作图和动态显示功能开发的仿真系统所需要 的一、二次设备的图形。界面图中包括静态图和动态图，动态图经过动画定义后 能够很好的仿真变电站的在运行当中各种动态电气设备诸如开关、刀闸等的开合 动作，以及各种指示灯的亮灭，保护信号的闪烁等。通过对图形组合及设置各种 链接，基本能够实现模拟现场这些屏柜及微机监视界面的所有功能。 主程序通过动态链接库i n t m m i d l l 实现对图形界面的调用及处理等。 ( 4 ) 巡视模块 巡视模块主要用来提供变电站室外设备巡视的工作环境。仿真巡视时，调出 相应站的设备巡视导航图，然后进入需要巡视的设备，查看设备巡视点的状态， 判断设备是否有缺陷。 巡视模块是由a u t h o r w a r e 多媒体软件开发工具所生成的。a u t h o r w a r e 多媒 体软件主要用来开发变电站室外设备巡视的工作环境。首先根据现场实况，将需 要巡视的主变、断路器、隔离开关、避雷器、中性点地刀、c t 、p t 等几乎所有一 次设备的图片链接到设备巡视导航图即该变电站的主接线图上。然后根据需要， 将每个设备的所有巡视点的高分辨率的局部图片链接到设备主图上。 主程序与巡视程序i n s p e x e 直接进行数据交换，采用d d e ( 动态数据交换) 方式。不仅能够实现不同图片之间的切换，并能完整地记录人员对设备的具体操 作以及设备运行的状况和参数。 ( 5 ) 故障设置与管理模块 故障设置与管理模块用来提供实现模拟现场事故环境的功能。我们的培训系 统是通过建立一个完善的由该变电站内不同元件可能发生的各种类型的故障教案 逐条组成的数据库，培训时由教员任意加载一条或多条故障教案，实现模拟现场 事故环境的功能。随着故障的发生，相应的保护就会动作，事故信号开始报警， 相应的光字牌开始点亮。学员可以在相应的屏柜里对保护进行复归。对于整个仿 真系统，可以点击培训管理中的“恢复为初始状态 来进行复归。 所依据原理是故障触发后，在经过故障计算、保护仿真计算后，仿真软件便 可模拟出故障发生后变电站内监控系统、保护屏等实际反映的各种现象。学员依 据声光报警信号、仪表指示和保护动作信号判断故障的性质和位置，通过合理操 作隔离故障设备，恢复供电。同时，后台的智能辅导系统则根据当前的故障现象， r 华北电力大学硕士学位论文 模拟人类专家的思维，用专家系统推理，诊断出对应的故障地点和类型，并给出 相应的处理原则，以指导学员掌握诊断和处理故障的方法。 ( 6 ) 操作票模块 对学员进行倒闸操作培训是变电站仿真培训系统的一项重要功能。在培训系 统对学员刀闸操作培训时，可以通过调用操作票模块进行开票操作，生成标准操作 票并返回到仿真培训系统中，作为对学员操作是否正确作出判断或提供帮助的依 据。 “变电站操作票专家系统 是变电站使用的倒闸操作票的智能处理系统， 它根据电力系统对倒闸操作的防误操作要求和现场设备的状态，按照“五防闭锁 规则和变电站现场运行规程等进行判断，开出完全实用的包括二次设备操作项的 倒闸操作票。开票系统可以和变电站仿真培训系统结合起来，利用自动开票的功能 为其提供准确的操作序列。由于本系统具有在异常情况下的开票功能，所以除了能 对学员进行正常的操作指导之外，还能进行异常情况下的操作指导。 ( 7 ) 其它辅助功能程序 除以上基本模块软件还有打印模块、故障教案仿真保护装置跳闸报告等一些 辅助功能模块协调工作，实现变电站仿真培训软件的基本功能。 1 4 本文所做的工作 我们开发的变电站仿真培训系统在基本的仿真功能开发上已经形成规模，并 且在多个不同地区、不同仿真类型的变电站仿真培训系统中得到应用。但是，一 个完善的变电站仿真培p i l 系统，不仅应具有强大的仿真功能，还应具有切实的培 训管理系统和灵活的仿真支撑系统，从而可以客观地展现培训所达到的效果。现 有的培训系统在培训管理功能的开发上还不够完善，总结为以下几点： ( 1 ) 仿真培训中缺少有效的教学管理系统。教员和学员的信息没有统一管理； 对于学员的培训需求没有明确的等级划分；在培训完成后，教员对自己的教学成 果以及学员对自己成绩的查询，还没有明了、直观的查询方式。 ( 2 ) 在智能培训功能上有待完善。目前的系统在教员在设置任务时，只能有 限的选择某几个学员逐个下发任务，限制了培训的学员范围，不能在同一时间对 不同层次的学员同时进行培训，这样增加了教员的工作量，也使仿真培训系统的 优势没有得到充分的展示。 ( 3 ) 培训系统现在还缺乏知识学习模块。现有的很多培训系统主要还是在实 践的操作培训上做更多研究，但对于基础理论的学习还没有得到重视。虽然理论 学习在传统的“有纸”考试形式中也能进行，但是随着现代的科学发展和“无纸 化 考试的普及，要成为一个学习系统，变电站仿真培训系统也应该适应需求， 9 华北电力人学硕士学位论文 达到该功能的完善。 ( 4 ) 目前的培训系统对学员培 j l l 的结果给出的评价不够直观，无法明确地对 学员的学习程度做出综合的评价。 针对以上几点问题，本文在现有系统的基础上，主要工作如下： ( 1 ) 通过总结变电站培训需要达到的目标、培训涉及的内容以及仿真培训能 够实现的培训形式，对该系统中培训管理功能进行需求分析。 ( 2 ) 设计适用于网络培训模式的培训管理和评价的流程和功能，研究开发相 应的数据模型和数据库结构。采用v c 和o d b c 技术设计开发培训管理系统的功能。 ( 3 ) 结合变电站巡视培训的需求，研究设计一种要素扣分制评分法，更全面 地评价学员的掌握程度。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第二章变电培训管理系统功能需求分析 2 1 变电培训管理系统设计的目标与原则 2 1 1 培训管理系统的设计目标 现代工业社会和科学技术的高速发展，对工程技术培训提出了新的挑战。随着 计算机应用的普及和电力系统的不断发展，电力系统运行和管理的自动化程度不 断提高，对电力系统中运行人员素质的要求也越来越高。变电站培训对其中运行人 员的技能的提高发挥着不可替代的作用。 一个好的培训系统，应当有一个好的培训机制。我们需要通过培训，增强运行 人员的安全意识；通过培训，新职工对各种规程和规章制度做到了解，并掌握了 与运行相关的各部分内容，同时对现场设备做到熟悉；通过培训，老职工加强设 备的熟悉程度，提高熟练掌握操作的能力；通过培训，运行人员能对新规程新知 识尽快熟悉，做到运用自如。培训系统的设计思想应当符合被培训人员的认识规 律。在培训过程中，即要充分发挥被培训人员学习的主动性，又要发挥出系统的指 导作用，实现培训系统的智能化。这样，可使被培训人员在接受培训的过程中，减少 盲目性，少走弯路，达到优质高效的培训效果。将培训过程、培训指导和培训评价 有机地结合，使受训人员的操作技能和理论水平逐步从一个层次提高到新的层次。 2 1 2 培训管理系统的设计原则 为了使培训管理系统成为变电站仿真培训系统中功能全面、实用性强、技术 层次清晰的重要模块，使之在培训中发挥出应有的作用，本系统总的开发原则是： 统一规划、追求合理、突出实用。具体来说应符合以下几项： ( 1 ) 实用性原则 设计应能满足培训对系统的应用需求，充分实现培训涉及到人员的内部管理、 教学等的自动化要求以及管理的需要。软件应用应达到实用性强、便于操作的要 求。 ( 2 ) 可靠性原则 系统设计应采用可靠的网络传输与交换技术，以及可靠、稳定的开发工具， 保证系统的高稳定性与高可靠性。 ( 3 ) 安全性原则 华北电力大学硕士学位论文 应在可靠的前提下，采用安全措施，能够在多层次上以多种方式实现安全的 控制。通过设置口令及用户权限，可以对不同的用户进行不同级别的服务，提高 了系统运行的可靠性和安全性，进行统一的数据备份和数据维护。 ( 4 ) 开放性原则 为保证原有系统的继承性和对未来系统的兼容性，应充分考虑与现有培训系 统的衔接以及将来系统扩展的需要。因此，培训管理模块应采用开放的技术和结 构，以及用户接口，以保证将来向更高更新的方向发展。 ( 5 ) 规范性原则 设计中要充分考虑现有的培训管理制度、培训评价标准等，制定相对应的培 训规范。在此基础上可以根据现有的人员培训模式加以改进，成为培训管理的得 力助手。 ( 6 ) 一体化与个性化原则 实行培训一体化管理，使不同单位、不同技术层次、不同需求的学员能同时 参加培训，以节约培训成本，提高培训效率。与此同时，要针对学员技能差别， 保证学员的个性化培训需要，从而提高培训的科学性和针对性。 2 2变电培训内容、形式与培训模型分析 2 2 1 培训内容 根据电业生产人员培训制度的规定n 引，各级电业生产工人必须达到原部 颁的电业生产工人技术等级标准和“三熟三能”的要求。运行工人的“三熟 是： 熟悉设备、系统的基本原理；熟悉操作和事故处理：熟悉本岗位的规程和制度。 运行工人的“三能是：能正确地进行操作和分析运行状况；能及时发现故障和 排除故障；能掌握一般的维修技能。围绕以上的“三熟三能 ，结合变电站仿真培 训软件的使用环境，将培训内容划分为理论培训和实践培训，培训内容结构如图 2 - 1 所示。 ( 一) 理论培训 l 、设备的认识。主要内容包括：现有设备和新投入运行设备的构造原理、参 数、性能等，以及设备内部的物理构造和般维修方法。 2 、基础理论。主要内容包括：电力系统运行的基本知识，例如电网的电压、 频率、功率等概念；继电保护的基本原理；变电站一、二次设备的划分及其工作 方式和作用；变电所的接线方式和运行方式；变电站综合自动化系统。 3 、章程规定的学习。主要有：变电站工作规程、现场规程和其他有关规程制 度，以及本站发生过的事故、障碍、历年积累的异常技术资料，以及上级颁布的 1 2 华北电力大学硕士学位论文 事故通报、事故资料汇编、指示等。 图2 1 培训内容结构 ( 二) 实践培训 根据变电站实践技术要求，实践培训内容主要划分为三大类：正常的操作培 训、设备异常及事故培训和巡视培训。实践培训以已有的仿真功能软件为支撑， 结合本培训管理模块的任务设置功能，实现现场实际操作的效果。 2 2 2 培训形式 培训过程主要涉及的是教员和学员两类，因此在培训形式上，主要是教员对 学员的考核和学员的自学习。考虑到计算机学习的特点，可以将理论培训采用判 断题、选择题和填空题的方式，在题库中选择试题进行考核和学习。实践培训可 以将操作范围划定在某一类型的操作或某一设备的操作上进行。 2 2 。3 培训模型分析 传统的培训模型是基于以下的方式心引：培训一 改变学员的知识、技能和态 度一 改变学员的行为一 提高学员的工作绩效一 提高组织绩效。这种递进式的模 型在培训实施中存在两点缺陷：一是受训者没有有机参与到培训的制定过程中； 二是培训境况与实际工作条件存在很大差距。要改变这种现状，首先考虑改进培 训的流程设置。 传统的培训流程是：主管部门下达指令性培训计划一 培训部门组织培训计划 实施一 培训结果汇报。这种流程的最大缺陷在于培训前缺少充分的培训需求分 析。作为培训主管部门，在制定培训计划时是基于受训者的理想工作状态与现实 工作状态间的差距来确定培训需求的。培训计划下达到培训部门后，培训部门由 华北电力大学硕士学位论文 于缺少对培训目标的了解，也造成难以达到预期效果。 改变传统的培训模式，应着重从两个方面入手：一是在培训计划制定之前进行 卓有成效的需求分析，真正了解受训者缺少什么知识，应该提高哪些方面的技能， 想解决什么问题：二是要彻底改变传统的，带有浓郁普通教育色彩的培训方式和教 学方法。因此有必要为传统的流程进行补充与完善。 本系统的开发依据图2 2 所示培训流程，目的是使培训更具有针对性和更富 有实效性。 图2 2 培训流程 针对以上的培训流程，培训中心要做到以下几点： ( 一) 组织培训的管理部门在利用培训管理系统组织培训之前，培训中心应 对该次培i j i l 参与的人员数量、培训的专业需求以及培训者层次进行调查，以此来 确定培训中心的机器配置，实施培训项目的师资组合以及培训项目的课程设置建 议等。 ( 二) 调查完成之后，进入计划阶段。它是在培训需求分析和学员信息分析 的基础上确定培训目标和制定初步的培训计划。初步的培训计划制定完成以后应 反馈给受训者征求意见，再根据反馈意见对初步培训计划进行修正和完善，直到 得到满意的教学计划。这一阶段的意义在于受训者可以直接或间接地参与到培训 计划的制定过程中，最大限度地消除学与用的脱节。本项目的培训计划的制定将 采用标准计划与个性化培i j i 计划相结合的方法，既能实现“因材施教，又具有实 用性与可操作性。 ( 三) 在计划实施阶段，在执行计划的同时也要检查计划的执行情况，并对 1 4 华北电力大学硕士学位论文 执行过程中出现的偏差采取必要的纠偏措施，或是调整原来的培训计划。这一阶 段的意义在于可有效地保证培 j l i 目标的实现。此阶段是培训最关键的主体任务， 包括教学设计、培训考核与评估、培训环境布置、培训设备配备、学员的膳宿服 务等。教学设计是保证培训效果的前提，主要体现在对培训内容和培训方式和方 法选择上。其原则应是学用一致、按需旌教、讲求实效，其趋势是多元化和多样 化。在培训计划的实施过程中，还应随时对培训计划的执行情况进行检查，及时 修正执行与计划的偏差。一般情况下，弥补执行与计划的偏差需对执行做出调整， 但有时也会调整计划。因为计划是事前的，带有预测性的，而未来的不确定性因 素很多，当原计划不再适应新的环境时，调整计划就是一种正确的选择。 ( 四) 培训完成之后，应该做好培训结果调查。这能够使培训组织方知道培 训者对培训内容、培训方式的欢迎程度以及对培训内容的掌握程度，以此对下次 培训做好的调整。 2 3 总体功能分析 培训管理系统，顾名思义应该具有两大基本功能，即：培训功能和系统管理 功能。培训功能负责培训过程的实施，系统管理功能负责参与培训的人员以及机 器状况的管理。系统功能结构如图2 3 所示。 2 3 1 系统管理功能 图2 3 系统功能结构 系统管理模块的功能主要是分配用户的权限，对用户及用户使用的机器进行 1 5 华北电力大学硕十学位论文 管理。 ( 一) 用户划分 依据参与培训的人员分析，本系统共设有三种用户权限：系统管理员、教员用 户和学员用户。系统管理员是最高级用户，教员用户次之，学员用户再次之。系 统管理员能对用户和机器进行管理( 可添加或删除、修改系统管理员和其他用户) 。 教员用户管理培训任务( 包括设置、修改、保存、执行、删除、查询和打印等功能) 。 学员用户只具有部分任务选择和接受培训的权限( 执行、保存、部分查询和打印) 。 进入系统时，各类用户的操作都需要通过验证身份和密码。 ( 二) 用户名管理 在初次进入培训系统时，每个用户分配到一个初始的用户编号。用户可以对 该编号再进行名称修改。管理员通过编号为用户名分配不同的角色：教员或学员， 可将编号相对应的用户名进行新建、修改和删除的操作。 ( 三) 机器名管理 系统管理员为本次参与培训的机器设置机器名，并将机器名与使用人员的用 户名进行绑定。这样，机器就被赋予不同的身份，在用户登录、执行培训的过程 中很好的锁定了存储在本机器内信息。对于不再使用的机器名进行删除。在删除 时，可将该机器名的信息转移到其他机器名下。 ( 四) 教员机管理范围设置 系统管理员通过教员机器名称的选择，划分教员机管辖范围，为其分配所管 辖的学员机，并可对这些学员机进行增加和删除操作。划分教员机的管理范围， 可以使培训执行过程中教学员机之间的消息响应、通讯等过程提供方便。 ( 五) 试题管理 此项内容主要针对理论培训进行。根据培训需求调查状况和本次培训内容的 特殊要求，系统管理员可以在试题库中录入或删除试题。例如：新投入设备的信 息、电力系统新发布的指示和规定、近期重要会议需要传达的精神等的录入，淘 汰产品和作废规章制度等的删除。 2 3 2 培训功能 培训功能主要有两类，即：培训考核和自学习。 ( 一) 培训考核 如果进行理论知识的考核，教员可以先在试题库中选择试题存在本地机的临 时数据库内；如果进行实践操作考核，教员选择此次培训的操作的类型，通过仿 真系统功能软件与培训系统的连接，进入相应的仿真界面，进行具体任务的设置。 为反映复杂故障现象，还可同时设置拒动开关和拒动保护( 所有的开关和保护都可 1 6 华北电力大学硕士学位论文 设拒动) ，并将当时的系统状态存在本地机的临时数据库内。此时，培训任务根据 设置的先后有一个默认的触发顺序。 试题内容和培训任务设置完成后，教员可以修改触发顺序，形成培训任务列 表。然后，教员选择参与培训的学员并与之通讯进行联网状态检测，查看学员机 是否打开且联网，当学员机向教员机反馈回接收标志符后，教员就可将任务顺利 下发。 培训结束后系统对培训过程做出评价；培训记录与培训评价同时反馈回教员 系统。考核完成后，教员可以查看所有学生的培训结果，学员只能查看自己的培 训结果。 ( 二) 自学习 自学习功能针对学员进行平时的练习。学员可根据自己的实际水平和需要加 强的知识部分，选择试题或操作任务进行自我培训。培训过程中，系统根据具体 情况给出相应的提示。学员可以将与培训内容有关的培训结果以及正确的处理步 骤打印输出。 2 4 系统安全分析 信息安全是信息系统建设的首要问题，信息的失窃或篡改常常给系统带来毁 灭性的打击。培训管理系统中的一些关键信息( 如学生成绩等) 的安全是至关重要 的，必须在系统建设的设计阶段，制定可靠的安全策略。 本系统从网络通讯、操作系统、数据库管理系统、应用系统、计算机病毒的 防治等五个方面提供安全保障： ( 1 ) 网络通讯 采用虚拟局域网( v l a n ) 服务和防火墙技术。将系统的所有服务器都建立在虚 拟子网内，用防火墙与办公网隔离，只允许安全的网络协议通过，如h t t p 协议等， 其他如f t p ，t e l n e t 协议限制执行。服务器保护策略既解决非法访问又可缩小广 播风暴。 在多层应用软件体系结构下，防火墙除了允许安全的网络协议通过以外，应 支持d c o m 协议和i i o p 。 ( 2 ) 操作系统 利用操作系统安全功能，对操作系统的用户、用户组及其访问权限作严格的 规定。关掉可能导致安全漏洞的服务，如t e l n e t ，f t p ，s e n d m a i l 等。 ( 3 ) 数据库管理系统和数据库服务器 利用数据管理系统强大的安全功能。如数据库账号、数据库视图、账号操作 权限等对访问进行控制。关键数据采用数据维护触发器记录操作信息、操作时间 1 7 华北电力大学硕士学位论文 等进行跟踪，提供数据修改踪迹查询等。 ( 4 ) 应用系统和应用服务器 利用应用系统的安全机制，如可动态设置的使用人员的部门、应用权限等属 性进行控制，可有效地防止从应用系统的客户端非法进入系统。 软件开发采取多层应用软件体系结构后，可在应用服务器上旋加基于角色的 安全控制，可以添加自定义的安全控制组件，实现更深入更细化的非正常访问阻 挡。由于用户必须通过应用服务器访问数据库，因此在应用逻辑和物理连接上， 实现外界与教务数据库的隔离和控制。 ( 5 ) 计算机病毒的防治，主要在应用服务器和数据库服务器上采用硬件和软 件进行防范。 2 5 小结 本章根据变电站培训管理系统的需求及特点分析了系统的设计目标和原则， 以及系统培训的内容和培训模型；概括分析了系统的总体设计和各组成部分的基 本功能；介绍了系统应有的网络安全环境。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章变电培训管理系统设计方案 3 1 功能模块设计 3 1 1 系统管理模块 ( 一) 用户管理 在本系统内，广义的用