虛擬仿真技術在電氣專業實驗教學中的研究

楊蕾 朱武楣 劉金頌

摘? 要：電氣工程專業實驗具有環境復雜、操作不可逆、危險性高、成本消耗大等特點，傳統實驗教學在操作安全性、交互性、設計性等方面已不能滿足現代人才培養的要求。虛擬仿真實驗在安全性、實驗條件、實驗成本和交互性等方面可以彌補傳統實驗教學的不足，分析了實驗案例的設計方法和思路，對電力系統專業方向的虛擬仿真實驗進行了教學實例設計。虛擬仿真實驗對完善實驗教學內容，滿足專業實驗教學需求，提高學生的工程實踐能力，培養高水平應用型人才都具有重要意義。

關鍵詞：電氣工程專業? 虛擬仿真? 實驗教學? 實踐能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2021）07（a）-0170-04

Research on Virtual Simulation Technology in Experimental Teaching of Electrical Specialty

YANG Lei? ZHU Wumei? LIU Jinsong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi Province， 710055? China）

Abstract： The experiment of electrical engineering specialty has the characteristics of complex environment， irreversible operation， high risk and high cost consumption. The traditional experimental teaching can not meet the requirements of modern talent training in terms of operation safety， interaction and design. Virtual simulation experiment can make up for the shortcomings of traditional experimental teaching in terms of security， experimental conditions， experimental cost and interactivity. The design methods and ideas of experimental cases are analyzed， and the teaching examples of virtual simulation experiment in the direction of power system specialty are designed. Virtual simulation experiment is of great significance to improve the experimental teaching content， meet the needs of professional experimental teaching， improve students' engineering practice ability and cultivate high-level applied talents.

Key Words： Electrical engineering; Virtual simulation; Experiment teaching; Practical ability

電氣工程專業涵蓋電力行業發電、輸電、配電及用電的各個環節，傳統實驗教學具有實驗設備昂貴，實驗室建設成本高，實驗過程涉及高電壓、大電流、高風險因素，實驗設備功能固定，不容易進行升級和改造的特點[1]。實驗時，學生只能執行固定的操作步驟，因此很難培養學生的設計和創新技能。培養應用型人才是新工科時代的人才培養目標，學生應具有良好的專業知識和技能，人才培養須對接職業崗位的要求，并提供相應的專業實踐教學資源，以確保人才培養質量。當前的電氣工程實驗教學不能滿足電氣人才培養的要求，這已成為各所高校電氣專業人才培養工作所面臨的研究問題[2]。

虛擬仿真實驗教學項目是拓展實驗教學內容的廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、將信息技術和教育教學深度融合，提升實驗教學質量和水平而采取的重要舉措。虛擬仿真實驗不受時間和空間因素的限制，可以隨時學習。開展虛擬仿真實驗教學是新時代高校實現對學生全面培養的一種重要途徑。因此，有必要使用虛擬仿真技術，開發虛擬仿真實驗教學資源，來建設電氣工程專業的實驗教學平臺，提高學生的工程實踐與創新能力。

1? 虛擬仿真實驗案例設計方法和思路

虛擬實驗案例的合理設計是教學方式中的關鍵環節，案例的設計應遵循如下原則。（1）案例應具有多層次性：實驗案例需包含多層次的實驗教學環節，學生能夠選擇適合其知識水平和興趣愛好的實驗內容。不同層次的實驗教學環節之間知識相互融通，使學生不僅可以鞏固基礎知識，還能夠實踐創新。（2）案例應具有設計性：學生可以基于該案例進行計算、分析和設計，以提升工程實踐能力。（3）案例應該具有綜合性：由于一些綜合性實驗受到實驗設備功能的限制，所以學生可以選擇的實驗內容有限。因此，應開發綜合性較強的實驗案例，對多個章節中的理論知識進行案例呈現，使學生在一次實驗案例課程里面既能學習新內容，又能鞏固已學理論，并利用所學知識解決綜合復雜的問題。（4）案例應具有較強的工程實踐性：案例的模型選擇和案例的實驗演示都需和現有的企業知識相結合，以避免將學生的實踐能力與企業技能脫節。通過虛擬仿真實驗平臺，學生可以在虛擬環境下創建從簡單到復雜的實驗方案，并相對于真實場景進行各種操作和計算，從而培養學生的分析、解決及工程實踐的能力。

2? 電力系統專業方向虛擬仿真實驗教學實例設計

2.1 整體架構設計

現代電力系統具有大機組、大容量、高電壓、運行操作環境高危且不可逆等特點，在教學實踐中要構建和真實系統和環境完全一樣是非常困難的。因此，通過虛擬仿真技術，可以真實模擬、仿真、測試電力系統龐大復雜的設備、電力系統的運行與控制及電力系統的分析和計算。

電力系統方向設置有“電力系統分析”“電力系統繼電保護”等多門專業課程，構建電力系統虛擬仿真平臺，如圖1所示，為學生學習和研究發電廠和電網的運行、控制和繼電保護等相關技術提供了一個綜合、研究、創新、開放的平臺，為培養學生的綜合實踐能力和創新能力創造了良好的條件。

專業實驗重點是夯實學生的理論基礎，訓練學生掌握專業實驗的基本方法，為后續綜合及創新實踐能力培養打下堅實的基礎。綜合實驗的內容包括電力系統發、輸、用及運行與控制的全過程，涉及眾多的工程問題，學生需要綜合應用多門專業課程的知識，分析復雜工程問題，才能獲得有效結論。綜合實驗有助于學生建立電力系統的全局概念，可以全方位地鍛煉和培養學生解決電力系統復雜工程問題的能力及工程項目的方案設計能力。創新性實驗使學生能夠掌握行業領先技術，培養學生的創新精神及能力。各類實驗后期都將會持續完善虛擬仿真實驗項目，不斷融入新的科研成果，促進教學深入改革。

將專業實驗、綜合性實驗和創新性實驗相結合，逐步提升學生的實踐能力。學生通過專業實驗對所學知識進行梳理，逐步創建系統的概念。通過操作實驗來彌補認知上的不足，重塑知識體系、培養工程思維[3]。通過綜合性、創新性實驗培養學生的研究及創新能力。

2.2 電力系統繼電保護虛擬仿真實驗設計及功能

“電力系統繼電保護”課程是電氣工程專業的核心課程，針對電力系統繼電保護傳統實驗教學高壓、高危、實驗環節小、無法開設符合工程實際的反應繼電保護設計全過程的實驗實訓課程的問題，結合工程實際過程，構建了電力系統繼電保護虛擬仿真實驗。

實驗項目以變電站繼電保護設計過程作為工程背景，將教學重點和難點融入實際工程場景中，在實驗時反映工程實際中繼電保護系統中各種保護元件之間的配合關系、繼電保護系統與電力系統交互作用和影響的全過程，支持學生對繼電保護過程中的重要步驟和關鍵參數進行設計，如線路主保護配置、保護校核方案等，過程與實際繼電保護系統的設計過程相一致，學生通過反復實踐掌握技能，實現繼電保護不正確配置和動作造成的電力系統失穩等高危實驗，加深對知識理解的深度和廣度，培養學生綜合運用理論知識解決工程實際問題的能力，同時增強學生的科學探究意識和創新能力。實驗知識點設計如圖2所示。

設備認知主要是對變電站三維全場景及高壓電氣一次設備的外形結構、功能特點及電氣連接關系進行認知，如高壓輸電線路、斷路器、隔離開關、電流、電壓互感器等。保護對象分析旨在辨析保護對象電氣主接線的連接特點和主要參數，從而掌握繼電保護對象分析的要點和方法。同時，根據保護對象的分析結果，選擇滿足要求的繼電保護，建立繼電保護設計的工程概念。在線路保護配置中，學生可以選擇差動保護、距離保護、電流保護等保護中的任意一種作為線路的主保護，然后學生自由整定主保護的各項定值，觀察各定值變化對保護動作特性和保護范圍的影響，對不同保護做主保護時全線路的時限特性和在該時限特性下線路故障時發電機功角搖擺曲線，分析選擇的主保護是否能提高電網的穩定性，從而深刻理解各保護在選擇性、速動性方面的差異，以及是否能達到線路主保護的要求。

在后備保護配置方面，主要通過自由選擇后備保護類型及整定相應參數，使學生綜合理解主、后備保護各自的作用及配合關系。根據線路保護配置方案，通過對互感器二次出線和繼電保護輸入輸出端口進行自由連接，獨立構建二次回路連接方案;通過觀察仿真系統對接線方案合理性的動態反饋，啟發學生理解繼電保護二次回路的工作原理，掌握接線方式。最后，在對保護模塊配置和整定的結果進行綜合分析后，學生從故障位置、故障類型、故障性質等方面自由設定參數，設計保護系統校核方案，和預設方案共同構建校核方案庫。從校核方案庫中依次運行方案，對繼電保護模塊進行探究性實驗，觀察分析校核過程中的故障波形、開關變量信息和保護動作信息，并記錄實驗數據;在三維場景中，查看繼電保護屏柜上的保護動作情況，驗證繼電保護模塊的動作規律;根據所記錄的故障校核動模實驗結果信息，對保護動作進行辨析，判斷繼電保護配置、定值整定和二次回路連接的正確與否。

基于上述思路設計的電力系統繼電保護實驗，使學生能夠安全地沉浸在各項認知和操作任務中，學習繼電保護相關內容的同時加深對保護原理等基礎理論及繼電保護整定計算方法等工程技術手段的理解和掌握，使學生能夠運用基礎理論解釋實際的繼電保護工程問題，利用工程技術手段解決實際問題。

3? 考評方法

以前的實驗考核主要是對學生的實驗操作和報告進行考核，只要學生動手能力強，根據實驗指導書進行接線和測試，實驗操作分就會較高，就會得到合理的數據。這種考核方式不能體現學生掌握所學理論知識的應用能力及在實驗項目中的設計及創新能力。

在虛擬仿真實驗考評中，虛擬平臺對仿真過程及結果、實驗數據的分析處理自動評判對錯。利用虛擬實驗平臺的大數據對問題的分析與解決方案、創新設計與應用等根據實驗難易程度及完成度綜合、全面地評價學生的能力，建立對實驗過程全面客觀的評分規則[4]。

4? 結語

虛擬實驗項目可有效地提高實驗教學效果，使教學環節更加靈活，并實現資源的有效共享，通過虛擬仿真技術平臺，學生能夠進行獨立探究、通過反復進行實驗操作發現問題、增進對繼電保護知識的理解和消化，增加電力工程實踐經驗，達到提升學習效果和強化專業能力的目標。虛擬化、數字化實驗課程將直接影響高校的實驗教學水平，是高校實驗教學建設和改革的重要方向。

參考文獻

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