基于虛擬仿真平臺(tái)的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革探究

侯寶華 李建軍

摘 ? 要：“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)骨干基礎(chǔ)課程，設(shè)備多且價(jià)格昂貴，實(shí)踐操作復(fù)雜、危險(xiǎn)系數(shù)高，虛擬教學(xué)平臺(tái)的引入成為一個(gè)必然趨勢(shì)。文章探討了如何運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高效地完成教學(xué)任務(wù)和提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析;虛擬仿真平臺(tái);教學(xué)改革

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)不斷成熟，虛擬仿真教學(xué)得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality ，VR）就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿真實(shí)環(huán)境，具有很強(qiáng)的交互性、安全性、認(rèn)知和感知性等。虛擬仿真教學(xué)主要應(yīng)用在危險(xiǎn)系數(shù)高、設(shè)備造價(jià)高、操作難度大等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域[1]。“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課，具有教學(xué)內(nèi)容多、知識(shí)點(diǎn)雜、實(shí)踐操作危險(xiǎn)高等特點(diǎn)，因此，在教學(xué)過(guò)程中引入虛擬仿真平臺(tái)，為“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革提供向?qū)А?/p>

1 ? ?虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容

虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality ，VR）又稱(chēng)為靈境技術(shù)。它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的一種較為逼真的三維虛擬環(huán)境，給使用者帶來(lái)一種“身臨其境”的感覺(jué)[2]。自20世紀(jì)50年代起，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)先后被引入到航天飛行、艦艇模擬、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)的研制等領(lǐng)域[3]。文章介紹一種“110 kV隆安變電站虛擬仿真平臺(tái)”，平臺(tái)主要包括電路接線(xiàn)圖和三維實(shí)物圖。它不僅對(duì)變電站的一次、二次部分做了全面仿真，而且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)綜合自動(dòng)化部分也做了仿真。利用圖形編程和圖像處理技術(shù)支撐系統(tǒng)，畫(huà)面更加逼真，操作更加便捷。既滿(mǎn)足平時(shí)課程教學(xué)的需求，又可以完成變電站運(yùn)行人員的培訓(xùn)工作[4]。

1.1 ?110 ?kV隆安站仿真變電站主接線(xiàn)

110 kV隆安變電站主接線(xiàn)為能夠?qū)崿F(xiàn)變電站的一次、二次做了全面仿真，包括各線(xiàn)路、設(shè)備和電氣裝置運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè);斷路器、刀閘、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備操作;隔離開(kāi)關(guān)、主變?cè)O(shè)備、SF6壓力表等巡視。如對(duì)各線(xiàn)路、電氣設(shè)備和裝置的巡視，在監(jiān)控主接線(xiàn)及監(jiān)控間隔圖中進(jìn)行巡視，如圖1所示。根據(jù)圖中反映的信息，可以看出南寧隆安變1號(hào)主變110 kV側(cè)相電流為101 A，在監(jiān)控間隔圖中可以進(jìn)行二次操作，生成簡(jiǎn)報(bào)記錄在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以便交班人員查看操作記錄。

1.2 ?110 ?kV隆安站仿真變電站三維模型

110 kV隆安變電站三維模型圖，更加生動(dòng)、形象地提供了一種多維化的、交互的、多感知的模擬仿真系統(tǒng)。將使用者的形象思維和邏輯思維相結(jié)合，為認(rèn)識(shí)主體提供一種新的認(rèn)知和感知相融的學(xué)習(xí)方法。三維模型能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備巡檢、驗(yàn)電、掛地線(xiàn)、設(shè)圍欄、掛牌等操作。如圖2所示，模擬仿真現(xiàn)場(chǎng)操作103斷路器，首先在三維導(dǎo)航圖中找到103斷路器，相機(jī)導(dǎo)航到“金安I先103開(kāi)關(guān)”處，雙擊開(kāi)箱門(mén)，將“遠(yuǎn)方-就地切換旋鈕”切換至就地位，進(jìn)行分合閘操作。

1.3 ?故障設(shè)置與巡檢

設(shè)備巡視對(duì)變電站內(nèi)各主要設(shè)備的巡視點(diǎn)進(jìn)行了異常仿真。如圖3所示，首先對(duì)變壓器、高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)置故障。針對(duì)每種故障，相應(yīng)的一次設(shè)備會(huì)有異常現(xiàn)象出現(xiàn)，使用者將通過(guò)巡視才能發(fā)現(xiàn)故障，并通過(guò)三維圖查看事故現(xiàn)象和后果等。

2 ? ?以虛擬仿真平臺(tái)為依托的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)效果

筆者及教學(xué)科研小組在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用虛擬仿真平臺(tái)，向?qū)W生傳授電力系統(tǒng)的基本理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能，著重講授遠(yuǎn)程操控、線(xiàn)路巡檢和故障排除等內(nèi)容，加強(qiáng)理論與實(shí)際相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和技能應(yīng)用能力，取得了顯著的成效。具體有以下幾點(diǎn)。

2.1 ?提高了學(xué)生探索性學(xué)習(xí)能力

為了增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)的認(rèn)知和感知能力，學(xué)生們可以利用自己的賬號(hào)和密碼登錄虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真學(xué)習(xí)。使得學(xué)生不受時(shí)間和空間限制，自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作有關(guān)內(nèi)容。通過(guò)校外實(shí)習(xí)、中期檢查和期末考試等方式考核，學(xué)生的優(yōu)秀率基本達(dá)到95%以上，進(jìn)一步促進(jìn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合。

2.2 ?提高了教學(xué)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新能力

教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)方法和授課方式直接影響到學(xué)生學(xué)習(xí)效果。為了提高教師團(tuán)隊(duì)的教學(xué)質(zhì)量，引入虛擬仿真平臺(tái)，為教學(xué)調(diào)研組提供了完善、有力的技術(shù)支持，更加突顯研究方向、專(zhuān)業(yè)特色，為教學(xué)團(tuán)隊(duì)提供了創(chuàng)新和實(shí)踐能力的基礎(chǔ)。利用虛擬仿真平臺(tái)輔助教學(xué)，對(duì)于教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)踐操作，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力有著重要的作用。

2.3 ?為教師團(tuán)隊(duì)提供科研平臺(tái)

引入虛擬仿真平臺(tái)后，為電氣工程與自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的老師提供了科研創(chuàng)新平臺(tái)，進(jìn)一步完善了這兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的課程和實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。虛擬仿真平臺(tái)在塔里木大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)推廣后，學(xué)生的積極性逐步被調(diào)動(dòng)起來(lái)，自主學(xué)習(xí)能力明顯提高。此外，虛擬仿真平臺(tái)為教師團(tuán)隊(duì)提供了較為全面、詳細(xì)的技術(shù)支持。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

“電力系統(tǒng)分析”課程是一門(mén)問(wèn)題多、復(fù)雜性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高的基礎(chǔ)性課程，實(shí)踐工作中會(huì)遇到大電流、高電壓等危險(xiǎn)情況，因此本門(mén)課程引入虛擬仿真平臺(tái)是有必要的。虛擬仿真平臺(tái)基于人工智能技術(shù)，為使用者展示了一個(gè)生動(dòng)現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境，完美地將“學(xué)”“做”“練”相結(jié)合，為培養(yǎng)一批學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、創(chuàng)新精神強(qiáng)和實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生奠定基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]任國(guó)臣，陳曉英，孫麗穎，等.電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)方案[J].教育現(xiàn)代化，2016（23）：73-74.

[2]蘇勛文，王篤亭，朱顯輝.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電氣工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（4）：90-93.

[3]鄧?yán)誓荩~軒，郭亮，等.結(jié)合虛擬仿真的實(shí)踐教學(xué)體系改革研究[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2017（1）：106-108.

[4]陳楚雄.以虛擬仿真平臺(tái)為依托的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].數(shù)字通信世界，2018（10）：278.