虛擬仿真技術(shù)在電氣專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究

楊蕾 朱武楣 劉金頌

摘? 要：電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)具有環(huán)境復(fù)雜、操作不可逆、危險(xiǎn)性高、成本消耗大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在操作安全性、交互性、設(shè)計(jì)性等方面已不能滿足現(xiàn)代人才培養(yǎng)的要求。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在安全性、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)成本和交互性等方面可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，分析了實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)方法和思路，對電力系統(tǒng)專業(yè)方向的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，滿足專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)高水平應(yīng)用型人才都具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電氣工程專業(yè)? 虛擬仿真? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)? 實(shí)踐能力

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)涵蓋電力行業(yè)發(fā)電、輸電、配電及用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本高，實(shí)驗(yàn)過程涉及高電壓、大電流、高風(fēng)險(xiǎn)因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能固定，不容易進(jìn)行升級和改造的特點(diǎn)[1]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生只能執(zhí)行固定的操作步驟，因此很難培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新技能。培養(yǎng)應(yīng)用型人才是新工科時(shí)代的人才培養(yǎng)目標(biāo)，學(xué)生應(yīng)具有良好的專業(yè)知識和技能，人才培養(yǎng)須對接職業(yè)崗位的要求，并提供相應(yīng)的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源，以確保人才培養(yǎng)質(zhì)量。當(dāng)前的電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能滿足電氣人才培養(yǎng)的要求，這已成為各所高校電氣專業(yè)人才培養(yǎng)工作所面臨的研究問題[2]。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目是拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間和空間、將信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平而采取的重要舉措。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間因素的限制，可以隨時(shí)學(xué)習(xí)。開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新時(shí)代高校實(shí)現(xiàn)對學(xué)生全面培養(yǎng)的一種重要途徑。因此，有必要使用虛擬仿真技術(shù)，開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，來建設(shè)電氣工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，提高學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

1? 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)方法和思路

虛擬實(shí)驗(yàn)案例的合理設(shè)計(jì)是教學(xué)方式中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，案例的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下原則。（1）案例應(yīng)具有多層次性：實(shí)驗(yàn)案例需包含多層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠選擇適合其知識水平和興趣愛好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)之間知識相互融通，使學(xué)生不僅可以鞏固基礎(chǔ)知識，還能夠?qū)嵺`創(chuàng)新。（2）案例應(yīng)具有設(shè)計(jì)性：學(xué)生可以基于該案例進(jìn)行計(jì)算、分析和設(shè)計(jì)，以提升工程實(shí)踐能力。（3）案例應(yīng)該具有綜合性：由于一些綜合性實(shí)驗(yàn)受到實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能的限制，所以學(xué)生可以選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限。因此，應(yīng)開發(fā)綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)案例，對多個(gè)章節(jié)中的理論知識進(jìn)行案例呈現(xiàn)，使學(xué)生在一次實(shí)驗(yàn)案例課程里面既能學(xué)習(xí)新內(nèi)容，又能鞏固已學(xué)理論，并利用所學(xué)知識解決綜合復(fù)雜的問題。（4）案例應(yīng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐性：案例的模型選擇和案例的實(shí)驗(yàn)演示都需和現(xiàn)有的企業(yè)知識相結(jié)合，以避免將學(xué)生的實(shí)踐能力與企業(yè)技能脫節(jié)。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下創(chuàng)建從簡單到復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)方案，并相對于真實(shí)場景進(jìn)行各種操作和計(jì)算，從而培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決及工程實(shí)踐的能力。

2? 電力系統(tǒng)專業(yè)方向虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有大機(jī)組、大容量、高電壓、運(yùn)行操作環(huán)境高危且不可逆等特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中要構(gòu)建和真實(shí)系統(tǒng)和環(huán)境完全一樣是非常困難的。因此，通過虛擬仿真技術(shù)，可以真實(shí)模擬、仿真、測試電力系統(tǒng)龐大復(fù)雜的設(shè)備、電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制及電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算。

電力系統(tǒng)方向設(shè)置有“電力系統(tǒng)分析”“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”等多門專業(yè)課程，構(gòu)建電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺，如圖1所示，為學(xué)生學(xué)習(xí)和研究發(fā)電廠和電網(wǎng)的運(yùn)行、控制和繼電保護(hù)等相關(guān)技術(shù)提供了一個(gè)綜合、研究、創(chuàng)新、開放的平臺，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力創(chuàng)造了良好的條件。

專業(yè)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，訓(xùn)練學(xué)生掌握專業(yè)實(shí)驗(yàn)的基本方法，為后續(xù)綜合及創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用及運(yùn)行與控制的全過程，涉及眾多的工程問題，學(xué)生需要綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程的知識，分析復(fù)雜工程問題，才能獲得有效結(jié)論。綜合實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，可以全方位地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生解決電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力及工程項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)能力。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠掌握行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神及能力。各類實(shí)驗(yàn)后期都將會持續(xù)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷融入新的科研成果，促進(jìn)教學(xué)深入改革。

將專業(yè)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，逐步提升學(xué)生的實(shí)踐能力。學(xué)生通過專業(yè)實(shí)驗(yàn)對所學(xué)知識進(jìn)行梳理，逐步創(chuàng)建系統(tǒng)的概念。通過操作實(shí)驗(yàn)來彌補(bǔ)認(rèn)知上的不足，重塑知識體系、培養(yǎng)工程思維[3]。通過綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的研究及創(chuàng)新能力。

2.2 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及功能

“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”課程是電氣工程專業(yè)的核心課程，針對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)高壓、高危、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)小、無法開設(shè)符合工程實(shí)際的反應(yīng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)全過程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的問題，結(jié)合工程實(shí)際過程，構(gòu)建了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以變電站繼電保護(hù)設(shè)計(jì)過程作為工程背景，將教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)融入實(shí)際工程場景中，在實(shí)驗(yàn)時(shí)反映工程實(shí)際中繼電保護(hù)系統(tǒng)中各種保護(hù)元件之間的配合關(guān)系、繼電保護(hù)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)交互作用和影響的全過程，支持學(xué)生對繼電保護(hù)過程中的重要步驟和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如線路主保護(hù)配置、保護(hù)校核方案等，過程與實(shí)際繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程相一致，學(xué)生通過反復(fù)實(shí)踐掌握技能，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)不正確配置和動作造成的電力系統(tǒng)失穩(wěn)等高危實(shí)驗(yàn)，加深對知識理解的深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識解決工程實(shí)際問題的能力，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)探究意識和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

設(shè)備認(rèn)知主要是對變電站三維全場景及高壓電氣一次設(shè)備的外形結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)及電氣連接關(guān)系進(jìn)行認(rèn)知，如高壓輸電線路、斷路器、隔離開關(guān)、電流、電壓互感器等。保護(hù)對象分析旨在辨析保護(hù)對象電氣主接線的連接特點(diǎn)和主要參數(shù)，從而掌握繼電保護(hù)對象分析的要點(diǎn)和方法。同時(shí)，根據(jù)保護(hù)對象的分析結(jié)果，選擇滿足要求的繼電保護(hù)，建立繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的工程概念。在線路保護(hù)配置中，學(xué)生可以選擇差動保護(hù)、距離保護(hù)、電流保護(hù)等保護(hù)中的任意一種作為線路的主保護(hù)，然后學(xué)生自由整定主保護(hù)的各項(xiàng)定值，觀察各定值變化對保護(hù)動作特性和保護(hù)范圍的影響，對不同保護(hù)做主保護(hù)時(shí)全線路的時(shí)限特性和在該時(shí)限特性下線路故障時(shí)發(fā)電機(jī)功角搖擺曲線，分析選擇的主保護(hù)是否能提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而深刻理解各保護(hù)在選擇性、速動性方面的差異，以及是否能達(dá)到線路主保護(hù)的要求。

在后備保護(hù)配置方面，主要通過自由選擇后備保護(hù)類型及整定相應(yīng)參數(shù)，使學(xué)生綜合理解主、后備保護(hù)各自的作用及配合關(guān)系。根據(jù)線路保護(hù)配置方案，通過對互感器二次出線和繼電保護(hù)輸入輸出端口進(jìn)行自由連接，獨(dú)立構(gòu)建二次回路連接方案;通過觀察仿真系統(tǒng)對接線方案合理性的動態(tài)反饋，啟發(fā)學(xué)生理解繼電保護(hù)二次回路的工作原理，掌握接線方式。最后，在對保護(hù)模塊配置和整定的結(jié)果進(jìn)行綜合分析后，學(xué)生從故障位置、故障類型、故障性質(zhì)等方面自由設(shè)定參數(shù)，設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)校核方案，和預(yù)設(shè)方案共同構(gòu)建校核方案庫。從校核方案庫中依次運(yùn)行方案，對繼電保護(hù)模塊進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)，觀察分析校核過程中的故障波形、開關(guān)變量信息和保護(hù)動作信息，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);在三維場景中，查看繼電保護(hù)屏柜上的保護(hù)動作情況，驗(yàn)證繼電保護(hù)模塊的動作規(guī)律;根據(jù)所記錄的故障校核動模實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息，對保護(hù)動作進(jìn)行辨析，判斷繼電保護(hù)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(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠安全地沉浸在各項(xiàng)認(rèn)知和操作任務(wù)中，學(xué)習(xí)繼電保護(hù)相關(guān)內(nèi)容的同時(shí)加深對保護(hù)原理等基礎(chǔ)理論及繼電保護(hù)整定計(jì)算方法等工程技術(shù)手段的理解和掌握，使學(xué)生能夠運(yùn)用基礎(chǔ)理論解釋實(shí)際的繼電保護(hù)工程問題，利用工程技術(shù)手段解決實(shí)際問題。

3? 考評方法

以前的實(shí)驗(yàn)考核主要是對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作和報(bào)告進(jìn)行考核，只要學(xué)生動手能力強(qiáng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行接線和測試，實(shí)驗(yàn)操作分就會較高，就會得到合理的數(shù)據(jù)。這種考核方式不能體現(xiàn)學(xué)生掌握所學(xué)理論知識的應(yīng)用能力及在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新能力。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)考評中，虛擬平臺對仿真過程及結(jié)果、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理自動評判對錯(cuò)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的大數(shù)據(jù)對問題的分析與解決方案、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用等根據(jù)實(shí)驗(yàn)難易程度及完成度綜合、全面地評價(jià)學(xué)生的能力，建立對實(shí)驗(yàn)過程全面客觀的評分規(guī)則[4]。

4? 結(jié)語

虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可有效地提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加靈活，并實(shí)現(xiàn)資源的有效共享，通過虛擬仿真技術(shù)平臺，學(xué)生能夠進(jìn)行獨(dú)立探究、通過反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作發(fā)現(xiàn)問題、增進(jìn)對繼電保護(hù)知識的理解和消化，增加電力工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到提升學(xué)習(xí)效果和強(qiáng)化專業(yè)能力的目標(biāo)。虛擬化、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程將直接影響高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)和改革的重要方向。

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