基于沉浸式教學的電能質量及其控制技術課程實驗改革

摘 要 課程實驗是工科類課程的重要組成部分，對于提升專業課程理解深度和培養工程應用創新能力有重要意義。以電氣工程專業電能質量及其控制技術課程實驗為例，提出研制低成本便攜式電力擾動監測裝置，通過模擬實際工程應用場景，構建基于沉浸式的實驗教學方法，增加專業實驗課程靈活性和實踐性，加深學生對專業課程認知深度，為新工科改革下的工程類課程實驗教學提供了新思路。

關鍵詞 便攜式電力擾動監測裝置；課程實驗；沉浸式教學；電能質量及其控制技術

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）16-0139-04

0 引言

面向工程實踐創新的課程教學是新工科教育的重要組成內容[1]，電能質量及其控制技術作為電氣工程專業的核心課程，面向實際工程問題，對于建立、培養學生的工程思維能力和工程創新能力有重要意義。電能質量及其控制技術課程實驗作為該門課程的重要內容，對于加深學生對現場電能質量問題的理解、訓練其動手能力以及解決實際工程問題的能力有重要意義。現有針對教學改革的探討主要集中在教學方法和教學內容的完善上，在新的教學手段上受限于場景、設備等的限制，研究相對較少。

沉浸式教學模式是指在施教過程中巧妙運用多種教學手段，使學生進入一種沉浸式體驗的學習狀態，從而提高教學水平與成效[2]。圍繞沉浸式教學模式已開展大量的探索，尤其是以虛擬現實（VR）為代表的教學模式[3]，給人以更加直觀的聲、光等方面的體驗，然而對于面向實際應用的工科課程而言，實際現場問題的復雜性和不確定性是其重要特點，如何構建符合課程特點的沉浸式教學模式是重點。

現有的電能質量課程實驗內容以電力擾動的測量和數據分析為主[4-6]，目標是了解電能質量擾動現象、熟悉現場測試設備、訓練基本的電能質量數據分析處理方法，實驗手段包括仿真模擬分析、基于擾動源模擬的電能質量擾動分析、電能質量監測設備的應用分析。由于電能質量擾動源和電能質量監測裝置價格昂貴（數十萬元），實驗室配置的設備數量有限，學生在進行電能質量實驗時以小組為單位進行，能進行實際操作的時間有限，難以保證每個學生都有充分的實際操作時間，同時，實驗室場景下的電力擾動類型相對單一，難以復現現場的復雜運行工況，整體實驗效果有待提升。

為解決以上問題，課程組依托在研的部分科研項目成果，提出研制低成本便攜式電力擾動監測裝置，基于該裝置可實現即插即用的電能質量監測（在寢室、教室等場景可以自行進行電能質量監測），實現實際場景的電能質量監測與分析，基于該裝置及配套軟件和App的開發，讓每個學生都可以利用該裝置進行現場的測試和分析，從而構建沉浸式的課程實驗教學模式，通過模擬工程現場的測試環境和需求，深化學生對電能質量檢測與分析的理解，同時增強學生分析問題和解決實際問題的綜合能力。

1 課程內容和實驗教學特點

電能質量及其控制技術課程圍繞電壓波動與閃變、電壓暫降與短時中斷、波形畸變與電力諧波等典型電能質量問題的擾動原因、特征、影響與危害、抑制與治理等課程內容展開教學。課程實驗內容主要以理解電能質量擾動和開展電能質量數據分析為目標，傳統實驗內容主要包括電能質量仿真分析、基于擾動源模擬的電能質量分析、電能質量監測設備應用。實驗教學方式以模擬分析和演示實驗為主。

傳統實驗內容和教學方式雖然能達到直觀感受電能質量概念的目的，對于理論課程的教學有極大的支撐作用，但由于該課程以解決實際工程問題為目標，十分依賴工程背景問題的模擬，而當前的實驗課程由于課時和設備數量限制，實際操作（尤其是操作電能質量監測設備）的時間較少，更重要的是，課堂實驗均為既定的實驗題目，雖然課程組前期積累了大量電能質量擾動數據，然而均難以實現對現場電能質量的真實模擬，存在不確定性、多樣性和復雜性。

理想的實驗教學應該依托現場實際，利用電能質量監測儀針對實際的電能質量數據進行監測、分析，形成診斷報告并提供治理建議，但是存在兩個難點：1）單臺工業應用級的電能質量監測儀價格昂貴；2）課程教學期間，難以長時間赴用電現場進行電能質量數據測量。因此，在考慮實際教學條件的基礎上，研制面向實驗教學用的低成本便攜式電能質量監測裝置，將測試場景由工程現場轉移到寢室、教室等易接觸的場景中，研制的裝置需要滿足具備基本的電能質量監測功能（含穩態的諧波、暫態的電壓暫降等）、成本低（可批量生產）、體積和重量小（方便攜帶和使用）、測量場景可以適應寢室和教室條件等要求。

2 基于沉浸式教學的實驗課程設計

2.1 便攜式電力擾動監測裝置研制

為提升電能質量及其控制技術課程實驗的效果，提出構建面向實際工程應用場景的沉浸式實驗教學方案，其核心在于研制便攜式電力擾動監測裝置。居民用戶以220 V負荷為主，由于處于電網末端，且大量存在電力電子類設備，居民側電壓存在大量電能質量問題，包括穩態諧波和暫態的電壓暫降等。諧波和暫降也是電力系統中最受關注的電能質量問題，因此通過對末端用于220 V電壓的監測即可發現大量電能質量擾動，筆者教學團隊實測數據也證明了這一結論的正確性。

考慮到220 V側存在的電能質量問題，以及面向220 V電壓測量的便利性，提出基于220 V電壓量測的便攜式電能質量監測終端，在進行終端功能設計時，需要舍棄傳統電能質量監測裝置的大量功能，如大容量存儲、多通道數據采樣、暫態數據的高采樣率等，同時保留面向實驗教學功能的電能質量數據監測，從而降低裝置開發成本，實現裝置開發經濟性和裝置功能性的平衡。因此，便攜式電能質量監測裝置的功能應該為：電壓暫降波形監測與存儲、諧波監測、電壓波動監測等，相關的測量方法和數據監測均滿足IEC61000-4-30標準，在數據接線側設計為插座型，這樣可實現對220 V電壓質量監測的即插即用，同時，進一步考慮裝置的數據通信功能，將其設置為WI-FI無線通信模式，并定時將監測數據上傳至云平臺。研制的便攜式電力擾動檢測裝置的內部功能模塊如圖1所示，經過測算，大批量裝置生產成本可以控制在數百元，價格遠低于工業應用級的便攜式電能質量監測裝置。

2.2 面向課程實驗教學的監測系統軟件設計

為方便便攜式電力擾動監測裝置監測數據的查看和分析，聯合傳統電能質量監測裝置廠家，在現有電能質量監測平臺基礎上開發軟件系統和手機應用App，一方面每臺監測裝置對應一個賬號查看該裝置所監測的暫態和穩態數據，另一方面設置管理賬號，可以查看所有裝置的實際運行情況和監測數據，為課程實驗的管理提供便利，監測裝置—云平臺—App間結構關系及App上顯示的監測波形圖如圖2所示。

2.3 沉浸式實驗課程實驗內容設計

在設置課程實驗內容時，在保留傳統演示實驗中的重要內容（主要包括基于電力擾動源產生的各類電能質量擾動波形的直觀理解、電能質量對敏感用戶的影響實驗、典型電能質量監測裝置的使用示范）基礎上，基于長期從事電能質量科研項目的數據和案例積累，針對性地設計三個面向工程應用和問題解決的課程實驗內容。值得注意的是，實際工程問題不是靠某單一課程知識可以完全解決的，工程人員需要將大量知識融會貫通，主要包括電力系統故障分析、繼電保護、電路分析、儀器儀表等。

基于便攜式監測裝置的沉浸式實驗課程設計作為傳統實驗的重要補充，其最大特點是實現了面向實際工程現場的電能質量數據監測和分析，因此在實驗內容設計上采用更加開放的模式，由每位學生或每個小組自行領取一臺便攜式監測裝置，并在任意區域內220 V插座上進行電能質量監測，數據連續監測不少于24×7小時，并針對監測數據進行分析，具體內容包括三部分。

1）穩態電能質量數據的監測和分析。針對裝置監測到的穩態電能質量數據（諧波）進行分析，基于裝置記錄的每三分鐘一個點的穩態電能諧波數據，分析電能質量數據的變化趨勢，評估電能質量是否符合標準限值，并對該數據的產生原因進行分析。

2）暫態電能質量擾動數據的分析。導出監測裝置監測到的暫態電能質量事件波形，作出電壓瞬時值波形、RMS值波形，分析擾動事件的持續時間、幅值和相位跳變，應用已有方法或自己提出方法實現擾動發生時刻的自動檢測，分析不同窗口長度、滑動步長、采樣頻率對暫降計算結果的影響。

3）實際電能質量工程問題的反演分析。給定大量的電能質量監測數據，包括暫態和穩態數據、電力系統中的繼電保護、故障錄波、用戶設備響應等全方位的工程背景信息，試分析導致該電能質量問題的可能原因，并對整個物理過程進行反演。

在進行課程案例設計時，結合筆者近二十年在電能質量領域的教學和科研經歷，其中“穩態電能質量數據的監測和分析”和“暫態電能質量擾動數據的分析”分別針對電能質量領域緊密相關的穩態和暫態電能質量事件進行分析，既保留基于電能質量監測標準的數據分析和解釋，也包括帶有一定科研深度的數據處理，加深對現有電能質量標準在計算方法、計算窗長、計算步長等重要參數選擇上的理解，為后續相關的研究奠定一定的基礎；“實際電能質量工程問題的反演分析”則從整個電氣工程專業的角度進行分析，將電能質量與其他相關問題（保護、用電設備特性）間的關系融合分析，從電力專業的角度系統認識電能質量問題的出現及影響等，這對于更加深刻、全面地認識電能質量問題有重要意義。

3 課程實驗效果分析

本課程的實驗內容改革已階段性培養了兩屆本科生、支撐了一屆研究生的電能質量相關課程的教學工作，基于便攜式擾動監測裝置的實驗教學可以突破課程在時間和空間上的限制，增加課程教學的靈活性以及學生使用裝置的時間。由于裝置是在課下由學生自行保管，因此有足夠的時間進行調試、整理。從提交的實驗報告及學生反饋結果來看，學生對于實際中的電能質量問題有了更深的認識，例如：為什么寢室的電壓存在一定的諧波？為什么終端220 V側的電壓暫降的頻次遠比課本上講到的頻次要高？這些問題的引出需要對整個電力系統及負荷有更加全面和深入的認識，電能質量是電能特性的反映，其背后更深層次的邏輯在于系統特性的變化和動態調整。

在面向一定科研訓練方面的題目設計中，如“提出方法實現擾動發生時刻的自動檢測，分析不同窗口長度、滑動步長、采樣頻率對暫降計算結果的影響”表現差異很大，具有科研訓練經歷的學生能適度開展，但對于沒有該經歷的學生則較為困難，因此，課堂教學中除理論教學外，需要考慮在一定程度上加強學生面向解決實際問題能力的編程訓練。在未來的優化過程中，計劃進一步增強這種教學方法的質量和效率。鑒于實際工程場景的復雜性，單一的課程實驗很難涵蓋所有方面。因此，應考慮將該教學設備與課程設計、科研訓練等環節更緊密地結合起來，以實現其在教學中的最大潛力。

4 結束語

新工科教學是一項復雜的系統工程。電能質量與優質供電是四川大學電氣工程學院的特色方向，課程組教師均為該研究團隊的核心成員。課程組結合多年的科研積累和教學經驗，面向實驗教學內容開發了低成本的便攜式電力擾動監測裝置，并將其引入電能質量及其控制技術課程實驗中，模擬工程現場，探索基于沉浸式的實驗教學方法，在一定程度上加深了學生對電能質量的認知深度，取得一定的效果。下一步，課程組將進一步擴展實驗場景，與學生實習、課程設計等進一步結合，從更加綜合的角度開展課程實驗設計。

5 參考文獻

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[7] 楊曉梅，劉亞梅，李長松，等.電力系統不確定性理論與測度課程案例庫建設與案例教學研究[J].教育現代化，2020，7（3）：117-118，129.

*項目來源：四川大學實驗技術研究項目“面向電能質量沉浸式實驗教學的便攜式電力擾動監測裝置研制”（基金編號：SCU1041）；四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目“研教融合、產學協同的電氣類專業課程教學資源建設與實踐——以《電能質量及其控制技術》課程為例”（基金編號：JG2021-56）。

作者簡介：張文海、胡文曦，博士，副研究員；汪穎、肖先勇，博士，教授。