電氣工程專業虛擬仿真實驗平臺的研究與實踐*

◆陳曉英 程海軍 姜丕杰 孫麗穎

電氣工程專業虛擬仿真實驗平臺的研究與實踐*

◆陳曉英 程海軍 姜丕杰 孫麗穎

依托專業教學計劃以及現有實驗室基礎條件，借助于虛擬仿真技術，構建電氣工程虛擬仿真實驗平臺，解決由于電力系統涉及發電、輸電、變電、配電、供電等多個環節，其系統龐大、復雜，無法用實際設備搭建系統進行實驗的弊端，逼真地再現電力系統一次系統、二次系統的操作過程和運行狀態，培養學生工程實踐能力，增強實驗教學效果。

電氣工程專業；虛擬仿真實驗平臺；實驗室

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.034

隨著信息技術的發展以及高等學校對實驗教學要求的不斷提高，虛擬仿真實驗教學在高等學校的應用日益增多，它可以彌補真實實驗在實驗條件、實驗成本、交互性和安全性等方面的不足［1］。電氣工程及其自動化專業主要側重于電力系統一次系統和二次系統等領域相關技術的研究［2］。由于電力系統的高電壓、大電流，且系統龐大、復雜，電氣設備涵蓋的種類多、價格昂貴等特點，在高校實驗室不可能建立和現場一樣的實驗系統。因此，基于虛擬仿真技術，構建高度仿真的電氣工程虛擬仿真實驗平臺是極其必要的。

1 現有基礎條件

專業方向設置 遼寧工業大學電氣工程及其自動化專業設置電力系統、供用電技術和光伏技術應用三個專業方向。其中電力系統方向主要研究110 kV及以上電力系統運行、控制與保護技術，針對電力行業的110 kV及以上的大電 網，研究發電技術、輸變電技術、無功與電壓控制技術、有功與頻率控制技術、故障與保護技術以及調度綜合自動化技術等問題；供用電技術方向主要研究110 kV及以下供配電相關技術及電能的合理應用技術，主要研究城鄉及企事業單位的供電及用電問題，使學生掌握變配電所的設 計、運行及管理方法以及建筑電氣方面技術等方面專業知識，能夠適應現代變電所、工礦企業的系統設計、運行、操作、維護、管理等方面技術需求；光伏技術應用方向主要研究新能源發電技術，使學生掌握新能源發電系統以及供電系統所涉及的相關基本理論知識，培養能夠從事新能源發電系統的分析、設計、安裝、調試以及技術管理等工作的寬口徑高素質應用型工程技術人才。

實驗室基礎條件 遼寧工業大學電氣工程及其自動化專業始建于1984年，經過30多年的建設與發展，現已形成良好的實驗條件，其中隸屬于電氣工程及其自動化專業的電氣工程綜合實驗教學中心為遼寧省實驗教學示范中心，電氣工程虛擬實驗中心為遼寧省虛擬實驗教學示范中心。現有電工技術實驗室、傳感器與檢測技術實驗室、電機拖動實驗室、計算機網絡實驗室、電子技術實驗室、數字電子技術實驗室、自動控制理論實驗室、電力電子技術實驗室、單片機應用技術實驗室、PLC技術及應用實驗室、電力系統自動化實驗室、電力系統繼電保護實

驗室、供配電技術實驗室、電力系統仿真實驗室、新能源基礎實驗室、微電網技術實驗室、電工電子實訓中心、電力工程創新實驗室等18個實驗室。

2 基于虛擬仿真技術的實驗平臺建設主導思想

電氣工程專業虛擬仿真實驗平臺的建設主要圍繞、貫徹教育部“科學規劃、共享資源、突出重點、提高效益、持續發展”的指導思想，以“融傳授知識、培養能力與提高素質為一體”為出發點，實施以“工程實踐為基礎，創新能力為引領”的人才培養方案，秉承“占領教育信息化技術制高點”“建設省內一流虛擬仿真實驗平臺”兩項戰略理念，依托課程設置與實驗室基礎條件，構建電氣工程虛擬仿真實驗平臺。

3 電氣工程虛擬仿真實驗平臺建設

為了科學合理地建設電氣工程虛擬仿真實驗平臺，自2010年以來，遼寧工業大學就充分利用遼寧省高等學校電氣工程及其自動化特色專業、電氣工程及其自動化重點支持專業、電氣工程綜合實驗教學示范中心、校企協同創新工程人才培養經費以及中央與地方共建高校特色優勢學科實驗室等建設經費，投入到實驗中心的建設經費約2000萬元。在此基礎上，與國家電網許繼集團有限公司、錦州拓新電力電子有限責任公司、北京科東電力控制系統有限責任公司等企業合作，共建變電站虛擬仿真實驗平臺、高電壓設備仿真實驗平臺、電力系統分析及調度仿真實驗平臺、變電站模擬屏及五防操作控制虛擬仿真實驗平臺、微電網控制實驗平臺等五個虛擬仿真實驗平臺。

變電站虛擬仿真實驗平臺建設 該平臺采用中國電力科學研究院研制的“TS2000仿真系統”平臺，采用C/S架構，硬件依托于60臺高性能的PC機（為學員機）、2臺互為備用的教員機臺（工作站），即設立兩個教員工作站（服務端），60個學員工作站（客戶端），以“渤五變”“柳二變”“錦六變”三個實際的變電站為基礎模型建立虛擬仿真系統，可以進行一次系統、二次系統模擬操作，如變電站倒閘操作、邏輯異常處理、安全故障處理以及現實場景設置等。

傳統實驗由于設備、師資的限制，和變電站相關的大部分實驗不能做，而少部分實驗只能以演示方式進行，效果不佳。通過變電站虛擬仿真實驗平臺，通過三維動畫仿真手段，使學生更生動地認識變電站，更好地掌握變電站的運行操作，類似于實物操作，如斷路器倒閘操作實驗、斷路器異常件處理實驗等，學生可以獨立進行操作，感受變電站的真實環境，真實再現變電站實際場景。

高電壓設備仿真實驗平臺建設 該實驗平臺由遼寧工業大學與北京科東電力控制系統有限責任公司聯合共建，其核心為以虛擬仿真的形式實現對高電壓設備的原理呈現及高壓實驗測試，平臺包括“輸變電一次設備工作原理仿真系統”和“高壓試驗仿真系統”。硬件基礎也是依托于60臺高性能的PC機（為學員機）、2臺互為備用的教員機臺、2臺服務器。

1）“輸變電一次設備工作原理仿真系統”針對變電部分和線路部分電氣設備的結構和工作原理，利用三維動畫對虛擬設備進行拆解，結合設備原理結構圖對其整體結構、內部結構、工作原理、技術理論、運行與維護進行各種知識的全面講解［3］，內容豐富、直觀、生動、實用，能滿足電氣運行人員、檢修人員以及部分技術管理人員培訓、學習、研究各種電氣設備的需要。

2）“高壓試驗仿真系統”針對各種類型的變壓器、斷路器、隔離開關、電流電壓互感器、避雷器等高壓電氣設備，以圖形動畫、虛擬仿真的形式呈現試驗仿真過程，完成現實教學過程。

通過高壓電氣設備仿真實驗平臺，利用虛擬仿真手段解決了在傳統實驗中難以實現、設備投資昂貴、危險性高等諸多問題。同時，采用圖形動畫等手段，使學生更直觀掌握電力系統的高壓設備的工作原理及工程過程等，學生在實驗過程中借助動畫等表現手段，就像“玩游戲”一樣，能夠激發學習興趣。

變電站模擬屏及五防操作控制虛擬仿真實驗平臺 該平臺包括“變電站模擬屏及五防操作控制系統”和“電力安全生產仿真軟件”兩套仿真軟件。

1）“變電站模擬屏及五防操作控制系統”包含變電站模擬屏、五防操作控制系統兩部分，硬件依托于60臺高性能的PC機（為學員機）、2臺互為備用的教員機臺、2臺服務器、長4米高2米的模擬屏、手車式的配電柜。變電站模擬屏設備可以對變電站進行現場監視，實現對現場電氣設備運行狀態進行實時監測，五防操作控制系統可以根據變電站的防止誤操作系統進行仿真實驗。

2）“電力安全生產仿真軟件”系統采用多媒體技術以三維動畫的形式對典型一二次設備、設備異常及故障處理、典型事故案例等方面進行全面虛擬仿真。系統還可以實現網絡題庫管理、在線學習、在線培訓、在線考試、在線考核管理等，可用于對電力系統生產安全進行培訓、學習、考試。

由于電力系統高電壓、大電流的專業特點，在校學生很難有機會接觸和了解真實電網安全運行防護控制，通過變電站模擬屏及五防操作控制虛擬仿真實驗平臺，可以在虛擬的軟件環境下模擬操作和安全方面的培訓，從而培養學生工程實踐能力。

微電網控制實驗平臺 該實驗平臺由遼寧工業大學與許繼電氣股份有限公司聯合共建，其核心為半實物虛擬仿真控制系統。該實驗平臺擁有多晶硅組件的3 kWp光伏發電并網系統、單晶硅組件的2 kWp跟蹤光伏發電并網系統、安裝容量為6 kW的小型風力發電系統、20 kW/50 kWh儲能系統、集中管理控制主機和30臺PC機，為獨立的微電網管理控制系統。實驗平臺配有微電網綜合控制管理軟件SMG-8000，是整個微電網集中控制的核心部分，實現整個微電網系統各種能源輸、配、送的監視和控制，對整個微電網系統的功率平衡分析、經濟運行分析、集中保護等進行高級控制、決策，并維護整個網絡的平穩安全運行。以該軟件為平臺，可以方便實現微電網的各種模擬組態及功能控制。

該平臺的實驗內容涉及新能源發電、智能電網、微電網等多個專業工程領域，緊跟科技前沿，能夠激發學生的學習興趣，對實際運行的微電網進行控制操作。該實驗平臺豐富了學生對于微電網技術的認識與理解，同時鍛煉了工程實踐能力。

電力系統分析及調度仿真實驗平臺 該平臺依托清華大學研制的TH2100系統，集電網仿真、電網分析研究功能于一體，包括靈敏度分析、調度員潮流、狀態估計、短路電流計算等高級應用。硬件依托于60臺高性能的PC機（為學員機）、2臺互為備用的教員機臺、2臺服務器。通過該平臺，利用虛擬仿真手段實現電力系統的功率控制、電力系統穩定、電力系統調度、電網故障設置及分析、電力系統聯合反事故演習等實訓項目，使學生更方便掌握電力系統的實時運行狀態。

電力系統的運行是一個非常復雜的系統，模擬電力系統短路等故障、發電機功率極限等實驗時會造成的設備損壞等。同時，學生在強電環境下完成實驗過程，對學生的人身安全也存在潛在危險。仿真實驗操作以形象的仿真圖形為操作對象，避免了大量的材料消耗，同時實驗過程中學生的安全也便于保證。

4 結論

近幾年來，國家電網擴大了對大學生的需求，遼寧工業大學電氣工程及其自動化專業每年約有30%～60%的學生去電力行業就業。但反映整個電力系統生產的最簡化設備不是學校的有效經費能夠承擔得起的，因此制約了大學生在校期間對實際設備、儀器、裝置的真實接觸，使實踐教學條件不能滿足實際工程需求，且實驗室也無法實現工程實際的模擬，因此必須通過建設新的虛擬仿真實驗平臺以解決此問題。

電氣工程虛擬仿真實驗平臺建設可以與電氣工程實際緊密結合，逼真再現電力系統一次系統、二次系統的操作過程和運行狀態，讓學生了解電力工程整個生產的全過程；且可以按照電力系統行業標準以及崗位需求，依據現場實際需要，并基于電力行業標準的開放式電力工程實踐基地，逼真地模擬電力系統的機電暫態、長過程動態和穩態過程，逼真地再現實際控制中心計算機系統（CCC）環境，形成與實際電力系統一致的工作環境，真實模擬電力系統設備以及控制，做到情景交融，生動形象，解決理論教學與生產實際相脫離的問題，為培養合格的電力系統人才提供良好的實踐平臺。■

［1］雷冬，朱飛鵬，殷德順，等.力學虛擬仿真教學實驗室建設的探討［J］.實驗技術與管理，2014（12）:95-96.

［2］黃文力，苗滿香.電氣工程及其自動化專業課程體系的改革［J］.鄭州航空工業管理學院學報:社會科學版，2011（4）: 164-167.

［3］張明杰.創新型“運維一體化”風電企業的研究和分析［J］.風能，2013（12）:58-63.

［4］馬杰，王邦志.電氣設備多媒體培訓系統的研制與開發［J］.廣東輸電與變電技術，2006（3）:67-70.

TP391.9

B

1671-489X（2015）24-0034-03

*項目來源：2014年度遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目“電氣工程及其自動化特色專業建設的研究與實踐”（基金編號：UPRP20140393）。

作者：陳曉英，遼寧工業大學教授，研究方向為電力系統及其自動化；程海軍、姜丕杰、孫麗穎，遼寧工業大學（121001）。