船舶電力系統虛擬仿真實驗教學的探索與實踐

陳亮　李耕　葉志浩

[摘 要] 該實驗教學項目以船舶綜合電力系統為背景，以典型1KV直流區域配電系統主要設備、網絡結構、運行控制為基礎，針對繼電保護實驗的知識點，構建基于真實船舶綜合電力系統運行場景的虛擬仿真實驗環境，模擬電力系統運行中的各種故障現象及保護裝置的行為。采用情景式、參與式、探究式、案例式等相融合的教學方法，通過交互式的預習、虛擬實驗、綜合設計等環節，讓學生掌握綜合電力系統故障機理、保護裝置基礎知識、裝置定值計算與整定方法。通過自主設計實驗，培養學生的創新思維和創新設計能力，探索實驗教學方法規律，提升實驗教學效果。

[關鍵詞] 繼電保護;虛擬仿真;實驗教學

[作者簡介] 陳 亮（1982—），男，江西湖口人，工學博士，講師，研究方向為船舶電力系統安全運行;葉志浩（1975—），男，湖北孝感人，工學博士，教授（通信作者），研究方向為電力系統設計、分析與保護。

[中圖分類號] G642.0? ? ? [文獻標識碼] A? ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0117-04? ? [收稿日期] 2020-04-30

一、引言

新型船舶綜合電力系統將采用中壓直流供電系統。“電力系統繼電保護”是我校電氣工程及其自動化專業、綜合電力技術與管理專業本科學員以及輪培訓學員的專業核心骨干課程。中壓直流供電系統，不僅對我國，而且對于世界各國來說都是首次應用。目前現有實驗室設備全部為低壓電制，嚴重缺乏與中壓電制匹配、與直流區域配電網絡結構匹配、與推進系統匹配以及綜合電力系統運行管理匹配的實驗教學設備，亟待開展虛擬仿真實驗項目的建設工作[1]。

二、傳統實驗課程教學現狀的分析

綜合電力系統控制與轉換電能采用的都是高電壓、大電流設備，針對基于中壓直流綜合電力系統保護與控制的科學實驗，包括設備認知、故障演示、保護整定、故障重構等，由于安全性要求，難以在真實系統中進行，傳統的硬件實驗系統建設主要面臨以下難題：

（一）實驗危險性高

中壓直流綜合電力系統相關實驗過程中必然涉及高電壓、大電流的設備操作，學生操作具有較大的危險性，學生難以以真實的設備作為實驗對象進行反復實踐。

（二）實驗成本高昂

中壓直流實驗設備配套復雜，環節較多，建設成本高，實現難度大，單次實驗成本較高;在資源有限的情況下，學生實踐機會較少，難以提高教學效果。

（三）實驗資源缺乏

由于中壓直流綜合電力系統是全新系統，受研究水平和技術條件的限制，現實中相應的繼電保護實驗資源匱乏，缺乏系統化、完整性;真實設備實驗形式單一，以認知性、技能操作性實驗為主，缺乏設計性、驗證性試驗內容，探究性差[2]。

（四）實驗教學效果差

船舶綜合電力系統運行中的各種故障狀態、應急工況難以在教學過程中完整體現，學生感性認知度低;同時傳統實驗教學方式單一[3]，教學內容滯后，電力系統新技術難以在教學內容中體現，學生實驗教學效果較差。

上述問題的存在，客觀上制約了與電力系統繼電保護相關課程實驗教學的開展[4]。為此，需要以船舶綜合電力系統應用為背景，通過構建虛擬仿真實驗環境，幫助學員掌握綜合電力系統繼電保護的基本概念、原理和整定方法，鍛煉學員獲取知識、運用知識的能力和創新能力。

三、虛擬仿真實驗教學體系的構建

為解決傳統實驗教學和人才培養過程中存在的問題，實現國家培養卓越人才和創新人才的戰略目標[5]，本實驗項目以船舶綜合電力系統為背景，以典型1kV直流區域配電系統主要設備、網絡結構、運行控制為基礎，針對繼電保護實驗的知識點，采用數字化、信息化、多媒體、虛擬現實等先進技術，選取傳統實驗教學中難以開展的實驗內容，構建基于真實船舶綜合電力系統運行場景的虛擬仿真實驗環境，模擬電力系統運行中的典型故障現象及保護裝置的行為。

（一）基本思路

本著“虛實結合、能實不虛”的原則，通過逼真的實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到實裝實驗難以實現的教學效果。通過建立體現綜合電力系統的綜合性、系統性、設計性和創新性的實驗模塊和實驗單元，將實驗由教師示范講解為主的被動模式轉變為學生設計、動手、評估效果為主的主動模式。最終形成一個虛實結合的，課內課外、線上線下、教學一體的，具有基礎性、集成性、先進性的實驗教學體系。

（二）實驗原理

實驗系統的基本原理是：根據典型直流區域配電系統結構圖，利用仿真計算軟件構建模擬直流區域配電網模型，進行正常運行及故障情況下電壓、電流與保護裝置行為的數值仿真，模擬電網運行過程中的典型短路故障現象，以及保護閾值設定與保護動作行為，生成電網實時運行基礎數據，存儲于數據服務器，與VR（Virtual Reality，虛擬現實）虛擬仿真環境進行交互，通過保護裝置整定設置，觀察和分析故障點的電壓、電流變化情況和保護裝置的動作情況，理解短路故障保護的基本原則，并利用Web服務器實現基于B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務器模式）結構的實驗課程遠程教學。

（三）建設過程

基于課程教學實踐，“電力系統繼電保護”課程組一直致力于相關教學實驗資源的建設。為了彌補現有實驗教學條件的不足，從2006年開始，區分“桌面交互”“虛擬沉浸”“協同交互”三種形式，課程組先后開展了新型船用電站模擬訓練系統、大型復雜船舶電力系統訓練模擬系統等模擬訓練系統的開發，并于2006—2019年在電力系統及其自動化本科班次的實驗課程中進行了應用，取得了良好效果。為了進一步提高目前船舶綜合電力系統繼電保護實驗教學的全要素、全系統、全流程水平，使學員對繼電保護基本原理、全系統綜合繼電保護整定有較為全面的理解和掌握，更好地培養學員濃烈的學習興趣、鍛煉學員動手能力，為學員提供創新實踐的多樣化、全尺度實驗平臺，2019年開展了船舶綜合電力系統繼電保護虛擬仿真實驗項目建設工作。根據項目建設規劃，后期將進一步拓展船舶綜合電力系統繼電保護的虛擬仿真實驗內容，形成全功能版的船舶綜合電力系統虛擬仿真實驗系統。

（四）主要特色

1.針對船舶綜合電力系統繼電保護的教學，通過虛擬仿真實驗教學的設計，可形成“虛擬交互—方案推演—考核評估”相互融合的教學模式，有效提高虛擬仿真與裝備現地教學的效果。

2.針對全系統綜合操演流程及程序類教學，通過虛擬仿真的應用，可形成基于“場景—案例—角色—交互”綜合集成的沉浸式綜合電力繼電保護教學設計方法。

3.通過引入任務流程背景，結合聯網仿真推演手段的應用，可以形成多人協同式綜合作業的教學設計，有效體現綜合設計理念和全要素效果。

四、融合式實驗教學方法的探索

本實驗教學項目堅持“學生中心、問題導向、自主探索、創新實踐”的實驗教學理念，依托我校綜合電力技術國防科技重點實驗室的優勢教學資源，利用現代信息技術等手段，大力推進實驗教學改革，結合學校的實際教學情況，自主研究并實行了情景式、參與式、探究式、案例式相融合的實驗教學方法，致力于培養學生的問題意識、創新精神、主動學習和自我反思的能力。本實驗教學項目將各知識點分解到1個演示性實驗、1個認知性實驗和2個設計性實驗模塊中，結合真實案例數據，通過虛擬場景的實驗操作，觀察和分析實驗現象，使學生理解和掌握綜合電力系統繼電保護理論，滿足教學目標的要求。

（一）情景式教學：模擬船舶綜合電力系統真實設備

在認知性實驗過程中，其實驗系統基于真實的綜合電力系統主要設備，實驗中所涉及的主發電機、斷路器、配電裝置、變流器等都與真實系統一致，學生置身于虛擬場景中，操作也與真實場景一致，實現情景式的教與學。

（二）參與式教學：學生參與綜合電力系統監控

在演示性實驗過程中，學生實際可作為類似綜合電力系統運行監控人員的角色，直接參與到系統運行與控制的工作中，可以觀察系統中與實驗相關的設備運行狀態（電壓、電流、功率、斷路器分合閘狀態），并進行控制（保護參數設置與復位、斷路器分合閘等操作），通過故障實驗現象觀察與操作，理解保護設備工作原理。學生在實驗過程中遇到問題可以及時得到老師幫助，大幅提高師生參與度，提升教學效果。

（三）探究式教學：學生自主開展繼電保護實驗設計及驗證

在設計性實驗過程中，不同工況、不同設備的操作順序并非固定，實驗仿真模型是基于真實綜合電力系統構建的，因此，學生可充分利用實驗系統選取不同運行工況、故障類型、故障位置、不同保護裝置定值，對保護裝置動作行為和效果進行探究，從而理解和掌握保護裝置工作原理，培養學生的自主創新能力。

（四）案例式教學：實驗大量應用真實案例

本實驗系統采用典型網絡結構作為實驗對象，故障參數取自真實系統參數。學生在實驗過程中，先完成理論計算，然后進行實驗測試，觀察實驗現象，分析計算值和實測值存在誤差的原因，理解繼電保護裝置動作原理。

五、實驗考核模式的優化

本實驗項目以學生對船舶綜合電力系統繼電保護綜合應用能力培養為目標，以信息化教學管理共享平臺為載體，采用多維度、多元化的考核方法對學生進行全方位、系統的考核與評價。實驗項目分為練習模式和考核模式。

在練習環節，操作錯誤時系統會自動提示和糾錯。自主設計實驗時，系統全程自動記錄實驗過程與操作步驟，學生能夠追溯回看自己的操作記錄，促使學生養成規范練習和主動思考的學習習慣。

在考核環節，系統根據練習模式成績（30%）、考核模式成績（60%）和實驗報告成績（10%）綜合加權得到實驗成績。實驗系統根據學生的實驗操作、綜合設計等情況客觀評定實驗分數，教師根據學生實驗創新點及實驗報告進行主觀評價，形成客觀與主觀相結合、過程性和終結性評價相融合的綜合評價體系。

六、實施效果

（一）提高人才培養質量

本項目的開發突破了時間和空間的限制，學生可以隨時隨地進行實驗。同時，軟件中設有糾錯和提示功能，學生可以反復進行練習。虛擬仿真實驗解決了真實系統實驗不可逆的問題。在虛擬環境中，學生可以針對不同工況類型、不同故障位置的虛擬故障進行反復實驗，大量虛擬實驗環境里對虛擬實驗對象的“試誤”，練就了學生的繼電保護定值計算和整定配置能力。學生也可選擇自主設計實驗，這種靈活的方式既能夠激發學生養成主動掌握知識和不斷反思的習慣，又能推動學生將理論知識應用于實踐。本項目的應用，大大提升了實驗教學效果，有效提高了人才培養質量。

（二）提升教學效率

本項目建構了一個類真實環境，目前支持并發訪問高達100人，解決了現實綜合電力船舶中無法接收高頻次、大批量的學生參與見習或實習的難題;也解決了學生無法用真實系統進行反復練習及現實中實踐短路等各種破壞性故障的問題。在虛擬仿真實驗中，學生與虛擬設備、虛擬場景、虛擬故障和運行工況進行互動，不僅能把線下課堂中所學的知識應用于線上實驗中，而且激發了學生對專業的熱情和興趣，大大提升了教學效果。

（三）降低教學成本

本項目使學生足不出校就能觀摩和體驗綜合電力船舶繼電保護的主要功能、組成和保護方法，節省了學生往返見習、實習單位的時間和交通成本。不僅如此，學生通過與虛擬的實驗對象和實驗材料進行互動，大大節省了實驗硬件設備與材料的購置費用。

（四）共享教學資源

該項目可通過互聯網訪問使用，能夠方便地開展大范圍班級實驗并向社會開放。目前，該虛擬仿真教學資源不僅惠及本專業的師生，也支持了我校其他相近專業的虛擬仿真實驗教學。本項目實施后，可對高校和企業開放，實現教學資源共享，帶動和支持其他高校的虛擬仿真實驗教學。

（五）服務社會效果明顯

本項目在培養綜合電力技術與管理人才上具有顯著優勢，可吸引了社會人員主動接受該項目的培訓，可將虛擬仿真實驗教學課件應用于企業技術人員培訓，服務社會的效果顯著。

七、結語

實驗系統建構的虛擬仿真實驗環境，全方位實現了船舶綜合電力系統繼電保護涉及的所有知識點的實驗探究，將難以呈現的電力系統故障過程和繼電保護處理結果，以圖形和應用場景直觀呈現，極具可觀性和吸引力。解決了實裝實驗難以組織實施，也無法承受大批學員同時實驗的難題。有效地拓展了實驗內容的深度和廣度，凸顯了虛擬仿真實驗的優勢。

（一）延伸了實驗內容的深度、廣度與實驗空間

該項目為學生提供了高度仿真的虛擬實驗環境，解決了真實中壓直流綜合電力系統實驗具有一定危險性、實驗成本高、實驗資源缺乏、實驗效果受限等問題;有效解決了真實系統實驗中難以看到實際故障現象的困難，提高了學生的感性認知度;將傳統的實驗室、固定的上課時間延伸為泛在化的網絡虛擬實驗室和24小時在線的“空中課堂”。本項目利用現代信息技術延伸了實驗內容的深度與廣度。

（二）拓展了以虛補實的實驗教學方法

采用情景式、參與式、探究式、案例式相融合的實驗教學方法，通過“雙手”的操作，學生與虛擬設備、虛擬故障場景和運行工況互動。學生在線下完成短路電流計算、保護裝置定值計算，在線上進行實驗驗證，線下線上互動，實現了以虛補實、虛實結合的實驗原則。項目中設置了綜合設計實驗，學生可以自主設計實驗步驟和故障參數，探究綜合電力系統故障機理及繼電保護設備工作原理，大幅開放了學生實驗的自由度，有效提高了學生自主設計與創新能力。

（三）拓展了共享與輻射的范式

該項目不僅供本校學生使用，還與軍地高校及企業開放共享，為整體提升綜合電力技術專業人才培養提供了豐富的資源。面向社會開放運行，為國內科研院所、相關企業員工培訓，提供了平臺、創造了條件，也輻射帶動了船舶綜合電力行業的發展，最終實現全面服務社會的功能。

參考文獻

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Abstract： This experiment teaching project is based on the integrated ship power system. It is also based on the main equipment， network structure and operation control of the typical 1kV DC zonal electric distribution system. Aiming at the knowledge points of relay protection experiment， a virtual simulation experiment environment based on the operation scene of real integrated ship power system is constructed. It simulates all kinds of fault phenomena and the behaviors of protective devices in the operation of power system. We have adopted the teaching method which combines situational， participatory， inquiry and case-based teaching. Through interactive preview， virtual experiment， comprehensive design and other teaching links， students can master the fault mechanism of integrated power system， basic knowledge of protective device， device setting calculation and setting method. Through the self-designed experiments， students' innovative thinking and innovative design ability are cultivated， the law of experiment teaching method is explored， and the experiment teaching effect is improved.

Key words： relay protection; virtual simulation; experiment teaching