數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

隨著新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，特高壓電網(wǎng)不斷延伸、新能源并網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出“雙高”（高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備）特性。這一變革在帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)，也讓電力設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)面臨諸多新挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式多依賴“黑板 + 示器”，這種方式難以讓學(xué)生深人理解復(fù)雜的電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，更無(wú)法滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)人才“秒級(jí)故障研判、毫秒級(jí)動(dòng)作響應(yīng)”的嚴(yán)苛要求。數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以高保真復(fù)現(xiàn)設(shè)備三維結(jié)構(gòu)與多物理場(chǎng)耦合特性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行機(jī)理的可視化解構(gòu)，還能依托實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)孿生模型動(dòng)態(tài)演化，安全模擬極端工況下的設(shè)備響應(yīng)規(guī)律。這種虛實(shí)融合的沉浸式教學(xué)環(huán)境，既可以深化學(xué)生對(duì)設(shè)備全生命周期管理的系統(tǒng)性認(rèn)知，又能通過虛擬操作規(guī)避實(shí)體實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。因此，探究數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)作為物理實(shí)體與數(shù)字模型深度融合的產(chǎn)物，通過多維度數(shù)據(jù)映射與實(shí)時(shí)交互機(jī)制構(gòu)建了虛實(shí)閉環(huán)的協(xié)同系統(tǒng)，為電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了革新性技術(shù)路徑。其核心特征體現(xiàn)在三方面：一是高保真性，基于多物理場(chǎng)仿真與多尺度建模技術(shù)，數(shù)字孿生體能夠精確復(fù)現(xiàn)電力設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)，突破傳統(tǒng)數(shù)值仿真模型的靜態(tài)局限性；二是動(dòng)態(tài)演化能力，依托物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和機(jī)器學(xué)習(xí)算法持續(xù)優(yōu)化，孿生模型可以隨物理設(shè)備運(yùn)行同步演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期狀態(tài)的動(dòng)態(tài)跟蹤；三是雙向閉環(huán)反饋，通過虛實(shí)空間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，數(shù)字孿生既可以將實(shí)驗(yàn)設(shè)備的真實(shí)工況映射至虛擬空間進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，又能將仿真分析結(jié)果反向指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)操作，形成“感知一分析一決策一控制”的完整閉環(huán)。

二、數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

下面，筆者以新疆職業(yè)大學(xué)為例，論述數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）虛實(shí)融合，構(gòu)建沉浸式仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在構(gòu)建虛實(shí)融合的沉浸式實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，教師需要圍繞“物理實(shí)體精準(zhǔn)映射、虛擬空間動(dòng)態(tài)交互、教學(xué)流程閉環(huán)優(yōu)化”三個(gè)維度展開系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。首先，基于solidworks（三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件）技術(shù)搭建電力設(shè)備三維數(shù)字底座，通過激光掃描與逆向建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體設(shè)備的毫米級(jí)幾何特征復(fù)現(xiàn)，同時(shí)集成多物理場(chǎng)仿真模型模擬電磁場(chǎng)分布、熱力傳導(dǎo)等不可觀測(cè)的隱性機(jī)理。教師針對(duì)校內(nèi)

10kV配電實(shí)驗(yàn)室的斷路器、變壓器等實(shí)體設(shè)備，運(yùn)用solidworks技術(shù)搭建了三維數(shù)字底座，通過激光掃描儀完成了設(shè)備幾何特征的毫米級(jí)逆向建模，同步集成了電磁場(chǎng)有限元分析模型與熱力耦合仿真模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備內(nèi)部不可見電磁分布與溫升特性的動(dòng)態(tài)復(fù)現(xiàn)。為了增強(qiáng)虛擬空間的數(shù)據(jù)貫通性，教師在實(shí)體設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署振動(dòng)、溫度、電流傳感器，通過OPC-UA（開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)）協(xié)議實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)與虛擬模型的實(shí)時(shí)同步。在開展斷路器分合閘實(shí)驗(yàn)時(shí)，孿生系統(tǒng)可同步呈現(xiàn)觸頭電弧的等離子體形態(tài)變化與操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械聯(lián)動(dòng)時(shí)序，使學(xué)生直觀理解“電一磁一機(jī)械”多場(chǎng)耦合的作用機(jī)制。

其次，設(shè)計(jì)多模態(tài)人機(jī)交互界面。教師在電工實(shí)訓(xùn)中心部署了8套VR頭盔與力反饋手套，針對(duì)高壓開關(guān)柜的虛擬運(yùn)維場(chǎng)景，學(xué)生可以通過手勢(shì)抓取虛擬斷路器手車進(jìn)行“一二次融合”設(shè)備的拆解與組裝，觸覺反饋裝置可精準(zhǔn)模擬操作機(jī)構(gòu)彈簧的阻尼感與機(jī)械聯(lián)鎖的卡位阻力。這種具身化操作將電力設(shè)備原理課程中抽象的“五防聯(lián)鎖”邏輯轉(zhuǎn)化為可感知的物理體驗(yàn)，顯著提升了學(xué)生對(duì)設(shè)備構(gòu)造的認(rèn)知深度。此外，新疆職業(yè)大學(xué)的教師團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱教師團(tuán)隊(duì)）開發(fā)了虛實(shí)聯(lián)動(dòng)教學(xué)控制平臺(tái)，其中集成了學(xué)生操作軌跡記錄模塊與知識(shí)圖譜分析引擎。當(dāng)學(xué)生在虛擬環(huán)境中誤操作導(dǎo)致“變壓器過載溫升超標(biāo)”時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回溯操作日志，通過知識(shí)圖譜定位到“熱老化速率計(jì)算”的原理理解偏差，并在虛擬界面以紅色高亮標(biāo)注繞組熱點(diǎn)區(qū)域，同步彈出電機(jī)學(xué)中熱平衡方程的推導(dǎo)動(dòng)畫進(jìn)行原理強(qiáng)化。

通過上述多維度融合，教師能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中割裂的設(shè)備認(rèn)知、原理驗(yàn)證、故障處置環(huán)節(jié)整合為全要素沉浸式學(xué)習(xí)閉環(huán)，從而顯著提升學(xué)生對(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)協(xié)同機(jī)制的理解深度。

（二）分層設(shè)計(jì)，開發(fā)模塊化學(xué)習(xí)資源庫(kù)

在開發(fā)模塊化學(xué)習(xí)資源庫(kù)時(shí)，教師需要遵循“認(rèn)知梯度遞進(jìn)、知識(shí)顆粒解耦、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重組”的構(gòu)建原則，并通過分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的結(jié)構(gòu)化組織與精準(zhǔn)適配。

首先，教師需要依據(jù)電力設(shè)備知識(shí)體系的邏輯關(guān)系與教學(xué)目標(biāo)的復(fù)雜度，將資源庫(kù)劃分為基礎(chǔ)認(rèn)知層、原理驗(yàn)證層及工程應(yīng)用層三個(gè)層級(jí)。

教師以校內(nèi)“智能輸變電實(shí)訓(xùn)中心”的主力設(shè)備——10kV戶內(nèi)開關(guān)柜、35kV油浸式變壓器及110kVGIS（氣體絕緣組合電器）為載體，按照“基礎(chǔ)認(rèn)知一原理驗(yàn)證一工程應(yīng)用”三級(jí)架構(gòu)搭建了資源庫(kù)。

在基礎(chǔ)認(rèn)知層，教師團(tuán)隊(duì)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了 1：1 比例的三維交互模型，針對(duì)高壓斷路器設(shè)計(jì)“虛擬解剖”功能，學(xué)生通過手勢(shì)操作（適配VR設(shè)備），即可逐層拆解ZN85-40.5型真空斷路器，立體觀察滅弧室陶瓷外殼、波紋管密封結(jié)構(gòu)及觸頭彈簧壓力組件，模型實(shí)時(shí)標(biāo)注“觸頭開距（ 11mm ）”“超程（ 3mm ）”等關(guān)鍵參數(shù)，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中“設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造講解抽象”的難題。

在原理驗(yàn)證層，教師團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)網(wǎng)新疆電力科學(xué)研究院，開發(fā)了適配電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程的“故障動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)”。以10kV配電線路為例，學(xué)生可在虛擬界面自主設(shè)置單相接地、兩相短路等6類故障類型，調(diào)節(jié)短路電流幅值，同步觀察數(shù)字孿生體中CT（電流互感器）二次側(cè)波形變化、微機(jī)保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯及斷路器分閘時(shí)序。當(dāng)學(xué)生誤將“過負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)限”設(shè)置為小于“速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限”時(shí)，系統(tǒng)立即觸發(fā)邏輯沖突警報(bào)，并自動(dòng)鏈接電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程中“保護(hù)時(shí)限配合”的動(dòng)畫解析，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)“選擇性保護(hù)”核心原則的理解。

在工程應(yīng)用層，教師團(tuán)隊(duì)整合了新疆地區(qū)典型電力設(shè)備運(yùn)維案例，構(gòu)建了“設(shè)備全生命周期管理”虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景。在“35kV配電變壓器狀態(tài)檢修”任務(wù)中，學(xué)生需根據(jù)孿生系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋的油色譜數(shù)據(jù)，調(diào)用資源庫(kù)中的“三比值法故障診斷模型”判斷故障類型，并依據(jù)國(guó)網(wǎng)《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》（DL/T722）制定檢修策略一一選擇吊芯檢查、絕緣油再生處理或更換繞組絕緣紙，最終通過虛擬工單系統(tǒng)提交方案，由智能評(píng)分模塊依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)量化評(píng)估學(xué)生表現(xiàn)

其次，教師需要實(shí)施模塊化資源開發(fā)策略。教師將220kVGIS組合電器拆解為“斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)”“隔離開關(guān)機(jī)械聯(lián)鎖”“SF氣體密度監(jiān)測(cè)”等15個(gè)獨(dú)立教學(xué)模塊，每個(gè)模塊集成三維裝配動(dòng)畫、機(jī)理仿真接口及課程關(guān)聯(lián)索引。為實(shí)現(xiàn)資源的智能精準(zhǔn)推送，教師團(tuán)隊(duì)采用本體建模技術(shù)定義“設(shè)備電壓等級(jí)”“故障模式”“適用課程”等30+ 語(yǔ)義標(biāo)簽，開發(fā)的資源管理系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生專業(yè)和學(xué)習(xí)進(jìn)度，自動(dòng)推薦適配模塊。這種分層模塊化架構(gòu)不僅可以滿足學(xué)生的不同學(xué)習(xí)需求，還能通過其可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，為新型電力設(shè)備教學(xué)資源的持續(xù)更新和整合預(yù)留接口。

（三）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，建立實(shí)時(shí)反饋評(píng)價(jià)體系

在構(gòu)建動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)反饋體系時(shí)，教師需要圍繞“多源數(shù)據(jù)采集一智能診斷一動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)一教學(xué)優(yōu)化”的閉環(huán)鏈路展開。教師在“智慧能源實(shí)訓(xùn)基地”的10kV配電柜、35kV油浸式變壓器等設(shè)備上部署了200多個(gè)振動(dòng)、溫度、電流傳感器，并通過MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議將斷路器分合閘行程曲線、變壓器繞組熱點(diǎn)溫度等128項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步至數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的毫秒級(jí)動(dòng)態(tài)映射。在評(píng)價(jià)維度設(shè)計(jì)上，針對(duì)電力設(shè)備試驗(yàn)技術(shù)課程，操作規(guī)范性維度通過VR手柄動(dòng)作捕捉系統(tǒng)量化“絕緣電阻表?yè)u測(cè)姿勢(shì)”“萬(wàn)用表表筆接觸時(shí)長(zhǎng)”等15項(xiàng)操作細(xì)節(jié)；原理掌握度維度則在“變壓器變比測(cè)試”中對(duì)比學(xué)生輸人的額定變比與孿生模型計(jì)算的空載電流波形偏差值；創(chuàng)新應(yīng)用力維度設(shè)置“風(fēng)沙環(huán)境下戶外隔離開關(guān)觸頭氧化故障”的自定義處置場(chǎng)景。學(xué)生需自主組合紅外測(cè)溫、回路電阻測(cè)試等多種手段，系統(tǒng)通過知識(shí)圖譜分析其方案的邏輯完整性。實(shí)時(shí)反饋界面基于Unity引擎開發(fā)，基礎(chǔ)層以熱力圖動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度，中間層通過示波器波形對(duì)比“學(xué)生設(shè)定的保護(hù)定值曲線”與“國(guó)標(biāo)推薦動(dòng)作特性曲線”，決策層以三維動(dòng)畫推演誤操作后果。例如，未驗(yàn)電即掛接地線時(shí)，虛擬場(chǎng)景同步呈現(xiàn)電弧放電及接地裝置熱崩潰過程。系統(tǒng)集成的智能診斷模塊可自動(dòng)生成包含操作失誤視頻片段、關(guān)聯(lián)課程知識(shí)點(diǎn)及相似故障案例的診斷報(bào)告，并根據(jù)學(xué)生薄弱環(huán)節(jié)推送定制化訓(xùn)練，并對(duì)“保護(hù)裝置調(diào)試”得分低于70分的學(xué)生，優(yōu)先開放“繼電保護(hù)虛擬仿真考核模塊”。通過“數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)化、診斷反饋實(shí)時(shí)化、教學(xué)優(yōu)化動(dòng)態(tài)化”的閉環(huán)機(jī)制，數(shù)字孿生技術(shù)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果導(dǎo)向評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為全流程智能引導(dǎo)，顯著增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)電力設(shè)備異常狀態(tài)的預(yù)判能力與處置水平。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)的引入，為電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)注人了顛覆性變革動(dòng)力，其通過虛實(shí)融合、動(dòng)態(tài)演化與閉環(huán)反饋機(jī)制，有效破解了傳統(tǒng)教學(xué)模式中“認(rèn)知抽象化、操作高風(fēng)險(xiǎn)化、資源碎片化”的長(zhǎng)期痛點(diǎn)。研究表明，該技術(shù)通過構(gòu)建高保真三維模型與多物理場(chǎng)仿真環(huán)境，不僅使斷路器分合閘動(dòng)態(tài)過程、變壓器電磁場(chǎng)分布等微觀機(jī)理得以直觀呈現(xiàn)，更通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了極端工況的安全模擬與教學(xué)資源的集約化利用。然而，值得注意的是，盡管研究取得了一定的成果，但仍有許多值得進(jìn)一步探索的方向。期望未來(lái)能有更多的研究者加入這一領(lǐng)域的研究，為電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供可持續(xù)的人才與技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖曉輝，陳怡.數(shù)字孿生換流站實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2025（1）.

[2]江友華，宋文敏，陳江偉，等.基于數(shù)字孿生的電力設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)及在人才培養(yǎng)的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2025（1）.

[3]秦曉偉，汪先兵，王炳庭，等.基于數(shù)字孿生的電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2024（4）.

[4]房雪雷，馬娟，徐結(jié)紅，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力設(shè)備故障診斷仿真系統(tǒng)構(gòu)建研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2024（10）.

[5]馮佳峰，張?chǎng)?基于數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)電行業(yè)應(yīng)急調(diào)度方向應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2023（10）

（作者單位：新疆職業(yè)大學(xué)）