基于新工科下的虛擬仿真軟件實踐教學體系建設

［摘 要］ 實踐教學是提升學生全面創新能力的根本方法，因此提出了新工科背景下虛擬仿真軟件實踐教學體系建設，解決本校電氣專業實驗教學中的關于實驗過程創新能力提升慢的問題。圍繞現階段本校電氣專業實踐教學存在的問題及虛擬仿真實踐教學的意義，開展虛擬仿真軟件實踐教學體系建設、電力系統仿真應用軟件的輔助應用。實踐表明，虛擬仿真實踐教學方式，能大幅提升電氣專業學生解決實際問題的創新能力，為新工科提出的應用人才培養奠定了基礎。

［關鍵詞］ 新工科；創新能力；虛擬仿真；應用人才

［基金項目］ 2019年度校級教研項目“基于虛擬仿真系統的多種教學方法研究”

［作者簡介］ 毛 濤（1986—），女，湖北黃岡人，工學碩士，武漢東湖學院機電工程學院講師，主要從事電氣專業教學研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）17-0169-04 ［收稿日期］ 2023-12-06

一、目前我校電氣專業實踐教學存在的問題

電氣工程及其自動化專業是融強電與弱電于一體，軟硬件結合較強的專業［1-3］。該專業畢業生就業前景大好，學生可入職到國家電網公司與南方電網公司所屬的供電公司，也可以入職到與電氣相關的任何公司，社會需求量一直居高不下，是各高校的熱門專業。該專業要求畢業生入職時，具備較強的實際操作能力，對綜合素質要求極高［4-5］。

我校電氣專業培養人才的宗旨在于響應國家培養應用型人才的目標。其研究方向主要有電力電子傳動、電力系統及其自動化。學院深刻認識到實踐教學是提高學生實際動手能力、提升學生創新能力的重要手段，建設了一大批相關的實驗室，目前學院對應的實驗室有：智能電網綜合實驗室、電力系統自動化實驗室、電力系統繼電保護實驗室、電力電子技術實驗室、電機實驗室、單片機實驗室、創新工藝設計等本科實踐基地。

因為電氣專業的電力系統方向的相關課程以及實驗全部是涉及強電方向，具備高電壓、大電流的特征，對應的電力系統設備類目非常多，價格又居高不下，使得我們學校電氣專業的實驗室很難建設成與實際工作現場同比例復制的場景［6］。即使學生能夠通過專業認知實習以及專業生產實習對電力系統的協調控制及工作原理有一定的了解，但是也僅限于表面的理解，無法真正接觸崗位工作，到畢業時不會具備用人單位要求的實際操作能力和經驗。同時現在學校因為場地和上課時間的限制，學生不能隨時進出實驗室進行實踐動手操作。

綜合以上的各種因素，導致我們學院的學生在畢業求職時具備的能力與實際社會需求存在一定的差距。因此，在新工業革命的大背景下，積極推行虛擬仿真軟件實踐教學在電氣專業的應用，建立針對不同專業課程的虛擬仿真軟件，并推行電力系統仿真應用軟件的輔助應用，積極響應落實國家培養應用型人才的要求，是目前我校電氣專業未來的發展方向。

二、虛擬仿真軟件實踐教學體系建設成效

（一）智能變電站虛擬仿真軟件

我校的智能變電站虛擬仿真軟件主要是為了讓電氣專業的學生及早適應變電站的實景巡檢操作、變電站故障顯示、變電站檢修實景開操作票等，其核心知識是圍繞智能電網技術、配電網自動化技術、新能源發電技術三個課程內容的變電站一次及二次設備的異常巡視、配電網故障診斷、隔離、恢復內容展開，目的在于使得學生掌握110 kV母線故障導致的事故現象及處理方式、110 kV側設備日常例行巡視及不同類型異常的處理方式、掌握110 kV負荷線路及開關由運行轉檢修倒閘操作。既能開展電氣專業的課程實踐，也能用于認知實習實踐。

圖1為該軟件運行總控面板界面，該軟件的功能包括潮流運算服務器、教練臺（課件編輯器）、就地站、綜自軟件、保護盤和三維虛擬場景等單元，適用于1000 kV及以下電壓等級，具有單機培訓和聯合培訓兩種運行模式。其中，單機培訓模式為仿真系統的單機版，每臺計算機可以啟動全套的電網仿真系統，由于集控站只配置兩臺學員機，這兩臺學員機可以供兩人同時使用而互不影響，從而提高仿真機的利用效率。聯合培訓模式為學員機和總教練機作為仿真服務器的客戶端，這些計算機通過網絡聯機，總教練臺通過教練臺對仿真系統設置故障及異常，在學員機上可以看到相應的故障及異常，從而各方面配合進行反事故演練，教練臺平時也可以單個對集控站學員機設置故障。

圖2為該軟件綜自監控系統界面，綜自主接線軟件模擬變電站綜合自動化軟件，如CSC2100，提供給學員與變電站綜自相類似的可操作界面，完成學員在變電站綜合自動化軟件上的操作步驟。綜自報警軟件為提供給學員報警信息，如CSC2100。運行綜自軟件之前保證實時數據分中心已經正常啟動運行。主接線啟動后自動打開主畫面，并且自動啟動報警軟件和控制臺軟件。

圖3為該軟件三維場景主界面。變電站仿真系統三維虛擬場景單元使用先進的計算機三維技術在計算機中再現真實變電站現場，顯示設備缺陷、仿真變電站就地操作和操作結果。三維場景分為“巡視”“操作”和“驗電”三種模式。巡視模式中，用戶通過鼠標鍵盤的配合，在變電站虛擬場景中巡視，發現設備異常和缺陷，操作模式是對設備進行正常就地操作，如就地分合開關，就地分合刀閘、分合地刀等。驗電模式將要驗電的設備進行帶電核實，此驗電點是否有電將如實顯示，紅色有電、綠色無電。

（二）220 kV降壓變電站設計虛擬仿真軟件

我校的220 kV降壓變電站虛擬仿真軟件主要是為了讓電氣專業的學生加深對220 kV降壓變電站的設備認知、設備參數整定、地區重要變電站地位的認知，其涉及的核心知識包括電氣工程基礎，電氣專業課程設計課程內容的變電站一次、二次設備設計與配置等。其主要參照某城郊220 kV變電站，以其配電系統認知、設計與配置、啟動、運維流程為主線。實驗交互友好、難度適中，既涵蓋《電氣工程基礎》中主接線方式、潮流計算、短路計算等重點內容，又緊密聯系實際工程應用。實驗設計具有開放性，在可考核評價的范圍內，允許學生自由設置數據，充分發揮學生的主觀能動性，依據自己的思路和判斷完成實驗，增加了學生的挑戰度。虛擬仿真實驗平臺依托互聯網，通過計算機的瀏覽器完成實驗，克服了實驗場地、經費、實際設備的安全性等限制，同時實現實驗的開放性和設計性，可激發學生的學習興趣，提高學生自主學習與探究的能力，培養學生發現問題和解決問題的能力。

該軟件的功能主要包括變電站設計、變電站配置兩個功能。學生可通過學校校園網鏈接、象新力服務器鏈接登錄進行軟件操作，訪問次數及時間不受限制。由以上的內容可知，智能變電站虛擬仿真軟件能夠真實地還原220 kV變電站的一、二次設備及實景操作，學生通過該虛擬仿真軟件直觀感受進出變電站的規范操作、巡檢操作、操作票操作，實踐操作互動性好、易于上手、隨時開放，能夠提升電氣專業學生的綜合素質。

220 kV降壓變電站設計虛擬仿真軟件情景真實，學生能夠通過登錄、啟動實驗、實驗記錄三個過程完整地進行電氣一次設計以及變電站的配置工作，有助于提升學生掌握電力系統三相短路實用計算方法及輸入阻抗、轉移阻抗、計算阻抗等物理概念，熟悉等值網絡化簡及標幺值計算方法。掌握變壓器、斷路器、隔離刀閘、避雷器等電力系統主設備的物理特性，熟悉配電設備的典型參數及型號選擇方法，使學生對相關電氣工程問題有較系統的認識和了解。熟悉電力系統經典潮流計算的基本方法，了解變電站配電系統及設備的組成和運行特性，訓練電氣工程計算能力。掌握典型的電氣主接線形式、特點及應用范圍，了解變電站的運維管理流程，掌握電氣“五防”邏輯，熟悉變電站倒閘操作方法及注意事項。培養分析和解決電力系統問題的能力，掌握變電站電氣設計的基本原理和方法，為深入研究電氣工程規劃、設計、安裝、啟動與運維等工作打下良好的基礎。學生在實驗過程中既熟悉了變電站的主要設備，也進一步加深了變電站中繼保參數整定的相關知識的印象，強化了學生對電氣專業的繼電保護以及電力系統穩定分析的相關知識的掌握。

三、電力系統仿真應用軟件的輔助應用

除了以上虛擬仿真軟件的實踐教學，還有很多專業教師開發了其他配套專業課程的仿真應用軟件進行配套教學，目的在于全面提升學生面向社會的實際應用操作能力。如配電網自動化技術這門課程，相關專業課教師輔助以PSASP進行教學指導，該軟件是融合電力系統穩定分析和暫態分析的綜合程序，能夠進行電力系統潮流計算、短路電流計算、暫態分析，能夠通過圖模一體化的仿真軟件模型加深電氣工程基礎有關潮流計算數學原理、故障引起的系統波動原理的理解，最重要的是能夠實時顯示相應狀態的潮流結果、短路計算結果、暫態狀態波形，易于學生上手操作，能夠跟課本上的基礎理論相貼合，使得學生更容易吃透教材。該軟件不僅能夠用于平時的實驗教學，還常用于畢業設計的指導中。圖4為基于PSASP的學生畢業設計仿真圖。

結論

本文重點圍繞現階段本校電氣專業實踐教學存在的問題及虛擬仿真實踐教學的意義、虛擬仿真軟件實踐教學體系建設成效、電力系統仿真應用軟件的輔助應用展開論述。虛擬仿真軟件具備情景真實、互動性好、開放性強的實踐教學特點，教學過程充分遵循“先實后虛、虛實結合、以虛擴實”的原則。電力系統仿真應用軟件輔助應用不僅能提升學生的動手能力，更能提升學生的理論理解水平，大幅提升電氣專業學生解決實際問題的創新能力，有助于培養新工科提出的應用型人才。

參考文獻

［1］尚麗莎，賈亞娟.論虛擬仿真技術在電氣類專業教學中的重要性［J］.中外企業家，2020（15）：204.

［2］張志賓，劉云海，謝宗波，等.“新工科”建設背景下地方普通高校化工虛擬仿真實驗教學體系的探討［J］.教育現代化，2019，7（55）：97-98.

［3］孫雯，葉愛芹，徐朝勝，等.強電類課程虛擬仿真實踐教學平臺建設［J］.科技經濟導刊，2019，27（36）：117-118．

［4］房俊龍，周躍佳，倪品，等.電氣工程專業虛實互補的實踐教學新模式探索［J］.中國現代教育裝備，2021（3）：35-36+48.

［5］趙凱輝，童玲，李祥飛.電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺的設計與實現［J］.科技創新導報，2018（1）：202-204.

［6］馬雙蓉.新工科背景下電氣工程及其自動化專業學生實踐創新能力培養［J］.中國設備工程，2021（4）：235-236.

Construction of Practical Teaching System of Virtual Simulation Software based on Emerging Engineering Education

MAO Tao

（Wuhan Donghu University， School of Mechanical and Electronicl Engineering， Wuhan，

Hubei 430212， China）

Abstract： Practical teaching is the fundamental method to improve students’ overall innovation ability. Therefore， this paper puts forward the construction of virtual simulation software practice teaching system under the background of emerging engineering education to solve the problem of slow improvement of innovation ability in experimental teaching of electrical major in our university. This method focuses on the problems existing in the practical teaching of electrical major in our university at the present stage， the significance of virtual simulation practical teaching， the effectiveness of virtual simulation software practical teaching system construction， and the auxiliary application of power system simulation application software. The practice shows that the virtual simulation practice teaching method can greatly improve the innovative ability of electrical students to solve practical problems， and lays a foundation for the training of applied talents proposed by the emerging engineering education.

Key words： emerging engineering education; innovation ability; virtual simulation; applied talents