《電力系統虛擬仿真實驗平臺》的建設與應用

洪寶棣 宗哲英

摘要：本文通過闡述《電力系統虛擬仿真實驗平臺》實驗中心建設的必要性、仿真實驗平臺的主要內容和基本功能，結合專業課程建設介紹了機電工程學院《電力系統虛擬仿真實驗平臺》實驗教學中心目前的建設情況，通過平臺的建設進一步推動虛擬仿真教學模式在實驗教學中的廣泛應用，加快了內蒙古農業大學虛擬仿真實驗教學的改革與創新。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;建設與應用

中圖分類號：G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0276-03

虛擬仿真教學系統是以虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術為基礎，借助于多媒體、人機交互等多種計算機技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象的新興技術，學生可以在虛擬環境中開展實驗，實驗效果、反饋與真實實驗完全一致，從而實現教學大綱的教學要求的新興技術[1，2]。

虛擬仿真技術的應用在高校專業課教學中還處于初步階段，怎樣建立有效的虛擬仿真教學資源，使虛擬仿真技術在實踐教學中充分發揮其作用，提高高校學生的創新能力、動手能力及就業創業能力，成為高校教育工作者面臨的新挑戰[3]。

一、虛擬仿真實驗教學中心建設的必要性

教育部辦公廳近年來在全國高校大力推行《國家級實驗教學示范中心》《示范性虛擬仿真實驗教學項目》的建設工作，指出虛擬仿真實驗教學中心的建設是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是推動高校實驗教學改革與創新的重要方向。機電工程學院在這個時代背景下，依托自身的優勢實驗教學資源，根據有多年豐富專業教學經驗的一線教師思路和要求，借鑒兄弟院校實踐教學平臺的經驗，委托專業公司通過最先進技術實現定制的適用于電力、自動化專業教學，注重理論結合實踐、教師和學生的互動，完全服務于教學，建立起來的《電力系統虛擬仿真實驗平臺》，依靠在線虛擬實驗教學模塊，解決了傳統的實驗教學環節，如電壓高、輻射性強、破壞性且花費昂貴的試驗，在現實中無法實施的一些重要的專業實驗，通過交互功能完善的在線虛擬實驗教學的模式，得以輕松實現[4]。

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》的內容主要涉及火力發電廠、高壓變電站等高危生產企業的高電壓、大電流設備及生產過程的專業知識。中心按實驗建設總體框架，開發了發電廠電氣、高電壓技術、電力系統繼電保護、工廠供電課程的虛擬仿真實驗模塊，并在這一過程中總結建設、開發的經驗和技術支持，為后續的模塊如風力發電、太陽能發電的開發，也為其他院校同專業提供實踐的經驗和資源共享起到示范作用，極具參考價值，推動農業大學其他學院的虛擬仿真實驗教學建設。

二、虛擬仿真實驗教學平臺的內容

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》內容包括：電氣化虛擬仿真實驗教學網站、變電站運行和故障狀態虛擬仿真教學實驗系統、火電廠生產過程仿真教學實驗系統、電氣設備絕緣試驗仿真教學實驗系統四部分，如圖1所示。

建立的校園門戶網站可對校內外公布虛擬仿真實驗教學信息、提供虛擬仿真實驗教學平臺鏈接等相關服務，達到教學資源開放共享的目的。平臺具有信息發布、數據收集分析、互動交流、成績評定、成果展示的功能，可通過網絡遠方操作，自動評判對錯，并進行錯誤分析，及時發布成績，使學生第一時間了解自己的學習成果。

變電站運行與操作的模塊可實現：正常監視、缺陷處理，線路停送電操作;正常運行時數據記錄及不同頁面瀏覽;變電站常見設備的缺陷處理流程;變電站的事故處理流程及作業。變電站倒閘操作的模塊可實現：斷路器操作步驟，變壓器、線路的倒閘操作順序，倒閘操作票的生成及操作注意事項。變電站設備故障與分析的模塊實現：電氣設備事故模擬，故障判別與分析，設備異常與缺陷判斷，電氣設備事故處理與注意事項等。

通過該實驗項目學生可利用三維虛擬現實技術在虛擬仿真的750kV變電站漫游，如圖2所示。

在場景中了解主要電氣高壓設備的外形、內部結構、電氣一次部分和二次部分的配合使用情況，可按照操作票進行斷路器、隔離開關進行合、跳閘操作，模擬實際現場工作流程。

火力發電廠的生產過程的模塊實現（如圖3所示）：顯示鍋爐、汽機、發電機三大主機的設備構造，燃煤系統、制粉系統、汽水循環系統的設備構成、工藝流程和運行參數。可對整個火電廠生產過程進行模擬，顯示系統參數，同時該虛擬仿真實驗平臺還可利用透視技術展示輸煤系統等核心設備與實際完全一致的內部結構，對工作原理進行虛擬仿真，注釋各設備的名稱、參數和功能。

電氣設備絕緣試驗仿真教學模塊實現：對變壓器、電纜等設備的常規高電壓預防性試驗和高電壓絕緣破壞試驗，集中展示實際中的火力發電廠生產過程和現場中的高電壓電氣設備。采用三維模擬技術，按試驗步驟連接各試驗儀器的三維模型，施加高于正常值的試驗電壓，觀察試驗結果等。實現實際中無法開展的高電壓、大電流等高危險的實驗，如圖4所示;展示高壓擊穿、放電等實際中不易見到實際效果。為高校學習強電專業學生的實踐教學提供了新的方法和資源，解決了實地實習無場地、專業課實驗無法動手實踐的困難。

三、虛擬仿真實驗教學平臺的功能

（一）漫游功能

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》通過3D技術提供情景式體驗教學模式，用戶能體驗到真實的場景和環境，可對設備進行360度旋轉、通過透視技術看到隱蔽工程。學生在該平臺漫游進入真實的發電廠和變電站中，增強學習印象，巡視現場設備與設施時有沉浸感，真正實現人與虛擬環境的融合。

（二）人機交互功能

人機交互（Human-Computer Interaction）功能即用戶通過人機交互界面與系統交流，并進行操作，在虛擬仿真實驗中被廣泛使用。用戶通過人機交互界面與系統交流，并進行操作。在實驗室學生人手一臺電腦進入虛擬仿真實驗平臺，利用鼠標、鍵盤等設備操作，學生可按教師指導操作也可通過自己的想法自主操作，拖動鼠標對設備實現一對一、一對多的操作，通過對虛擬場景中的對象進行自然和諧的交互操作，生動再現傳統課堂學到的專業知識。

（三）演示功能

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》可演示變電站正常操作流程、操作方法，也可演示故障狀態和現象，對錯誤操作還有專門的演示，以此加深學生對錯誤操作引起事故的印象。利用這個功能對于學生進行專業實驗課程的設計、掌握電氣設備運行等具有很好的效果，進一步加強對專業課內容的理解與掌握。

（四）考核功能

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》網站提供練習題庫與考試題庫，可自動評分。例如，執行操作票時，在虛擬變電站中按要求進行完整的操作票操作，每一步通過API接口訪問實時仿真引擎，動態獲取學生的操作數據，根據當前模型的系統狀態和評定邏輯，動態智能測評，分別評測出每個步驟的分數，最后給出學生的正確步驟獲得的分數和總成績。

四、虛擬仿真實驗教學中心的應用

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》按照規劃的實驗教學建設框架，面向機電工程學院電氣化、農業電氣化電和自動化三個本科專業，主要圍繞電氣工程及其自動化和農業電氣化與自動化專業本科生展開;在這個平臺上通過3D模擬場景和電氣設備，研制、開發應用到專業課教學和實踐教學中（實驗、課程設計及科技創新）的虛擬仿真實驗，注重理論結合實踐和師生之間的互動，實現高危、無法進行的試驗和生產實習。初期受益學生估算約240人左右（每屆電氣、農電專業學生總數）。

進入實驗之前對學生的基本要求是：完成專業基礎課《電機學》《電力系統分析》《電力工程基礎》和專業課《發電廠電氣》《高電壓技術》，做完《發電廠電氣部分》和《電力工程基礎》的課程設計，具有一定電力工程設計、電氣運行基礎知識和能力后才能進入實驗，最大限度保障實驗的效果。

應用中體現虛擬仿真教學的優勢[5]有以下幾點。第一，提升教學效果。逼真、立體的表現形式可讓抽象的實驗過程形象逼真演示出來，教師可結合實際的教學需求，通過音頻、視頻、圖像等多媒體技術最大限度地發揮虛擬器件資源的優勢，學習者體驗置身其中的感覺，在互動實驗教學中增加趣味性，提升教學效果。第二，安全、直觀演示危險的極端破壞性實驗等，如變壓器、電纜破壞性試驗，施加非正常高電壓情況下獲取數據分析判斷檢查設備的隱患。第三，豐富課堂教學形式，打破只有教師“獨角戲”單純進行講授，變成大家都參與的學習方式。第四，利用快捷方便的網絡把實驗室搬回家，不僅可隨時隨地進行實驗;還可實現資源共享，節約建設投入。

《電力系統虛擬仿真實驗平臺》的教學系統實現了“教”“學”“練”“考”一體化。從機電工程學院的建設情況來看，虛擬仿真實驗教學的構建可以實現高等教學信息化，提高現有資源的使用效益。

五、結語

虛擬仿真實驗教學中心的實驗條件便利、安全性高和實驗成本低的優勢，使其在高校實驗教學中享有越來越重要的地位。虛擬仿真教學系統具有開發靈活、擺脫時間與空間的各種限制等優點，在高校自身投入有限的條件下[6，7]，通過虛擬仿真實驗教學平臺實現實驗資源共享、人盡其才、財盡其力、物盡其用，不僅是推動高校實驗教學改革與創新的重要方向、優化實驗教學資源結構的重要途徑，也是高等學校實驗教學發展的趨勢和必由之路。

參考文獻：

[1]余勝泉.推進技術與教育的雙向融合——《教育信息化十年發展規劃（2011—202年）》解讀[J].中國電化教育，2012，（5）：5-14.

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[3]楊俊.虛擬仿真教學資源的建立及教學實踐應用研究[J].吉林工程技術師范學院學報，2016，32（2）：35-37.

[4]趙銘超，孫澄宇.虛擬仿真實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36（4）：90-93.

[5]胡冬萍，張延玲.虛擬仿真教學在應用型本科中的應用[J].亞太教育，2016，（18）：63.

[6]孫歡，陳劍波，鄒同華.虛擬仿真實驗教學中心的建設與應用[J].實驗室科學，2017，20（3）：145-148.

[7]孫愛娟.職教領域虛擬仿真教學資源建設與應用探析[J].中國電化教育，2012，（11）：109-112.

The Establishment and Application of the Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System

HONG Bao-di，ZONG Zhe-ying

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，

Inner Mongolia 010010，China）

Abstract：This paper introduces the necessity of building an experimental center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" and main contents and basic functions of the virtual simulation experimental platform and demonstrates the current construction situation of the experimental teaching center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" in the Mechanical and Electric Engineering Institute in combination with professional curriculum，which further promote a general application of the virtual simulation teaching mode in experimental teachings and accelerate the reforms and innovations of the virtual simulation experimental teaching at the Inner Mongolia Agricultural University.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;construction and application