基于新工科下的虛擬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

［摘 要］ 實(shí)踐教學(xué)是提升學(xué)生全面創(chuàng)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(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)，解決本校電氣專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的關(guān)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程創(chuàng)新能力提升慢的問(wèn)題。圍繞現(xiàn)階段本校電氣專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題及虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的意義，開(kāi)展虛擬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)、電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的輔助應(yīng)用。實(shí)踐表明，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)方式，能大幅提升電氣專(zhuān)業(yè)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力，為新工科提出的應(yīng)用人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；創(chuàng)新能力；虛擬仿真；應(yīng)用人才

［基金項(xiàng)目］ 2019年度校級(jí)教研項(xiàng)目“基于虛擬仿真系統(tǒng)的多種教學(xué)方法研究”

［作者簡(jiǎn)介］ 毛 濤（1986—），女，湖北黃岡人，工學(xué)碩士，武漢東湖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，主要從事電氣專(zhuān)業(yè)教學(xué)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）17-0169-04 ［收稿日期］ 2023-12-06

一、目前我校電氣專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題

電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是融強(qiáng)電與弱電于一體，軟硬件結(jié)合較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)［1-3］。該專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生就業(yè)前景大好，學(xué)生可入職到國(guó)家電網(wǎng)公司與南方電網(wǎng)公司所屬的供電公司，也可以入職到與電氣相關(guān)的任何公司，社會(huì)需求量一直居高不下，是各高校的熱門(mén)專(zhuān)業(yè)。該專(zhuān)業(yè)要求畢業(yè)生入職時(shí)，具備較強(qiáng)的實(shí)際操作能力，對(duì)綜合素質(zhì)要求極高［4-5］。

我校電氣專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)人才的宗旨在于響應(yīng)國(guó)家培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。其研究方向主要有電力電子傳動(dòng)、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。學(xué)院深刻認(rèn)識(shí)到實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力、提升學(xué)生創(chuàng)新能力的重要手段，建設(shè)了一大批相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，目前學(xué)院對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室有：智能電網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室、電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、電機(jī)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新工藝設(shè)計(jì)等本科實(shí)踐基地。

因?yàn)殡姎鈱?zhuān)業(yè)的電力系統(tǒng)方向的相關(guān)課程以及實(shí)驗(yàn)全部是涉及強(qiáng)電方向，具備高電壓、大電流的特征，對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)設(shè)備類(lèi)目非常多，價(jià)格又居高不下，使得我們學(xué)校電氣專(zhuān)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室很難建設(shè)成與實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)同比例復(fù)制的場(chǎng)景［6］。即使學(xué)生能夠通過(guò)專(zhuān)業(yè)認(rèn)知實(shí)習(xí)以及專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)對(duì)電力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)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(wú)法真正接觸崗位工作，到畢業(yè)時(shí)不會(huì)具備用人單位要求的實(shí)際操作能力和經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)現(xiàn)在學(xué)校因?yàn)閳?chǎng)地和上課時(shí)間的限制，學(xué)生不能隨時(shí)進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐動(dòng)手操作。

綜合以上的各種因素，導(dǎo)致我們學(xué)院的學(xué)生在畢業(yè)求職時(shí)具備的能力與實(shí)際社會(huì)需求存在一定的差距。因此，在新工業(yè)革命的大背景下，積極推行虛擬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)在電氣專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用，建立針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)課程的虛擬仿真軟件，并推行電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的輔助應(yīng)用，積極響應(yīng)落實(shí)國(guó)家培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求，是目前我校電氣專(zhuān)業(yè)未來(lái)的發(fā)展方向。

二、虛擬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)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(zhuān)業(yè)的學(xué)生及早適應(yīng)變電站的實(shí)景巡檢操作、變電站故障顯示、變電站檢修實(shí)景開(kāi)操作票等，其核心知識(shí)是圍繞智能電網(wǎng)技術(shù)、配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)、新能源發(fā)電技術(shù)三個(gè)課程內(nèi)容的變電站一次及二次設(shè)備的異常巡視、配電網(wǎng)故障診斷、隔離、恢復(fù)內(nèi)容展開(kāi)，目的在于使得學(xué)生掌握110 kV母線故障導(dǎo)致的事故現(xiàn)象及處理方式、110 kV側(cè)設(shè)備日常例行巡視及不同類(lèi)型異常的處理方式、掌握110 kV負(fù)荷線路及開(kāi)關(guān)由運(yùn)行轉(zhuǎn)檢修倒閘操作。既能開(kāi)展電氣專(zhuān)業(yè)的課程實(shí)踐，也能用于認(rèn)知實(shí)習(xí)實(shí)踐。

圖1為該軟件運(yùn)行總控面板界面，該軟件的功能包括潮流運(yùn)算服務(wù)器、教練臺(tái)（課件編輯器）、就地站、綜自軟件、保護(hù)盤(pán)和三維虛擬場(chǎng)景等單元，適用于1000 kV及以下電壓等級(jí)，具有單機(jī)培訓(xùn)和聯(lián)合培訓(xùn)兩種運(yùn)行模式。其中，單機(jī)培訓(xùn)模式為仿真系統(tǒng)的單機(jī)版，每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以啟動(dòng)全套的電網(wǎng)仿真系統(tǒng)，由于集控站只配置兩臺(tái)學(xué)員機(jī)，這兩臺(tái)學(xué)員機(jī)可以供兩人同時(shí)使用而互不影響，從而提高仿真機(jī)的利用效率。聯(lián)合培訓(xùn)模式為學(xué)員機(jī)和總教練機(jī)作為仿真服務(wù)器的客戶(hù)端，這些計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)，總教練臺(tái)通過(guò)教練臺(tái)對(duì)仿真系統(tǒng)設(shè)置故障及異常，在學(xué)員機(jī)上可以看到相應(yīng)的故障及異常，從而各方面配合進(jìn)行反事故演練，教練臺(tái)平時(shí)也可以單個(gè)對(duì)集控站學(xué)員機(jī)設(shè)置故障。

圖2為該軟件綜自監(jiān)控系統(tǒng)界面，綜自主接線軟件模擬變電站綜合自動(dòng)化軟件，如CSC2100，提供給學(xué)員與變電站綜自相類(lèi)似的可操作界面，完成學(xué)員在變電站綜合自動(dòng)化軟件上的操作步驟。綜自報(bào)警軟件為提供給學(xué)員報(bào)警信息，如CSC2100。運(yùn)行綜自軟件之前保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分中心已經(jīng)正常啟動(dòng)運(yùn)行。主接線啟動(dòng)后自動(dòng)打開(kāi)主畫(huà)面，并且自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警軟件和控制臺(tái)軟件。

圖3為該軟件三維場(chǎng)景主界面。變電站仿真系統(tǒng)三維虛擬場(chǎng)景單元使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三維技術(shù)在計(jì)算機(jī)中再現(xiàn)真實(shí)變電站現(xiàn)場(chǎng)，顯示設(shè)備缺陷、仿真變電站就地操作和操作結(jié)果。三維場(chǎng)景分為“巡視”“操作”和“驗(yàn)電”三種模式。巡視模式中，用戶(hù)通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)的配合，在變電站虛擬場(chǎng)景中巡視，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常和缺陷，操作模式是對(duì)設(shè)備進(jìn)行正常就地操作，如就地分合開(kāi)關(guān)，就地分合刀閘、分合地刀等。驗(yàn)電模式將要驗(yàn)電的設(shè)備進(jìn)行帶電核實(shí)，此驗(yàn)電點(diǎn)是否有電將如實(shí)顯示，紅色有電、綠色無(wú)電。

（二）220 kV降壓變電站設(shè)計(jì)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(zhuān)業(yè)的學(xué)生加深對(duì)220 kV降壓變電站的設(shè)備認(rèn)知、設(shè)備參數(shù)整定、地區(qū)重要變電站地位的認(rèn)知，其涉及的核心知識(shí)包括電氣工程基礎(chǔ)，電氣專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的變電站一次、二次設(shè)備設(shè)計(jì)與配置等。其主要參照某城郊220 kV變電站，以其配電系統(tǒng)認(rèn)知、設(shè)計(jì)與配置、啟動(dòng)、運(yùn)維流程為主線。實(shí)驗(yàn)交互友好、難度適中，既涵蓋《電氣工程基礎(chǔ)》中主接線方式、潮流計(jì)算、短路計(jì)算等重點(diǎn)內(nèi)容，又緊密聯(lián)系實(shí)際工程應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性，在可考核評(píng)價(jià)的范圍內(nèi)，允許學(xué)生自由設(shè)置數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，依據(jù)自己的思路和判斷完成實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生的挑戰(zhàn)度。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)依托互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的瀏覽器完成實(shí)驗(yàn)，克服了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、實(shí)際設(shè)備的安全性等限制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性和設(shè)計(jì)性，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與探究的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

該軟件的功能主要包括變電站設(shè)計(jì)、變電站配置兩個(gè)功能。學(xué)生可通過(guò)學(xué)校校園網(wǎng)鏈接、象新力服務(wù)器鏈接登錄進(jìn)行軟件操作，訪問(wèn)次數(shù)及時(shí)間不受限制。由以上的內(nèi)容可知，智能變電站虛擬仿真軟件能夠真實(shí)地還原220 kV變電站的一、二次設(shè)備及實(shí)景操作，學(xué)生通過(guò)該虛擬仿真軟件直觀感受進(jìn)出變電站的規(guī)范操作、巡檢操作、操作票操作，實(shí)踐操作互動(dòng)性好、易于上手、隨時(shí)開(kāi)放，能夠提升電氣專(zhuān)業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

220 kV降壓變電站設(shè)計(jì)虛擬仿真軟件情景真實(shí)，學(xué)生能夠通過(guò)登錄、啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)記錄三個(gè)過(guò)程完整地進(jìn)行電氣一次設(shè)計(jì)以及變電站的配置工作，有助于提升學(xué)生掌握電力系統(tǒng)三相短路實(shí)用計(jì)算方法及輸入阻抗、轉(zhuǎn)移阻抗、計(jì)算阻抗等物理概念，熟悉等值網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)及標(biāo)幺值計(jì)算方法。掌握變壓器、斷路器、隔離刀閘、避雷器等電力系統(tǒng)主設(shè)備的物理特性，熟悉配電設(shè)備的典型參數(shù)及型號(hào)選擇方法，使學(xué)生對(duì)相關(guān)電氣工程問(wèn)題有較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和了解。熟悉電力系統(tǒng)經(jīng)典潮流計(jì)算的基本方法，了解變電站配電系統(tǒng)及設(shè)備的組成和運(yùn)行特性，訓(xùn)練電氣工程計(jì)算能力。掌握典型的電氣主接線形式、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，了解變電站的運(yùn)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(xiàng)。培養(yǎng)分析和解決電力系統(tǒng)問(wèn)題的能力，掌握變電站電氣設(shè)計(jì)的基本原理和方法，為深入研究電氣工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、安裝、啟動(dòng)與運(yùn)維等工作打下良好的基礎(chǔ)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中既熟悉了變電站的主要設(shè)備，也進(jìn)一步加深了變電站中繼保參數(shù)整定的相關(guān)知識(shí)的印象，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)的繼電保護(hù)以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的相關(guān)知識(shí)的掌握。

三、電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的輔助應(yīng)用

除了以上虛擬仿真軟件的實(shí)踐教學(xué)，還有很多專(zhuān)業(yè)教師開(kāi)發(fā)了其他配套專(zhuān)業(yè)課程的仿真應(yīng)用軟件進(jìn)行配套教學(xué)，目的在于全面提升學(xué)生面向社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用操作能力。如配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)這門(mén)課程，相關(guān)專(zhuān)業(yè)課教師輔助以PSASP進(jìn)行教學(xué)指導(dǎo)，該軟件是融合電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和暫態(tài)分析的綜合程序，能夠進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、暫態(tài)分析，能夠通過(guò)圖模一體化的仿真軟件模型加深電氣工程基礎(chǔ)有關(guān)潮流計(jì)算數(shù)學(xué)原理、故障引起的系統(tǒng)波動(dòng)原理的理解，最重要的是能夠?qū)崟r(shí)顯示相應(yīng)狀態(tài)的潮流結(jié)果、短路計(jì)算結(jié)果、暫態(tài)狀態(tài)波形，易于學(xué)生上手操作，能夠跟課本上的基礎(chǔ)理論相貼合，使得學(xué)生更容易吃透教材。該軟件不僅能夠用于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還常用于畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)中。圖4為基于PSASP的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)仿真圖。

結(jié)論

本文重點(diǎn)圍繞現(xiàn)階段本校電氣專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)存在的問(wèn)題及虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的意義、虛擬仿真軟件實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)成效、電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件的輔助應(yīng)用展開(kāi)論述。虛擬仿真軟件具備情景真實(shí)、互動(dòng)性好、開(kāi)放性強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)，教學(xué)過(guò)程充分遵循“先實(shí)后虛、虛實(shí)結(jié)合、以虛擴(kuò)實(shí)”的原則。電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用軟件輔助應(yīng)用不僅能提升學(xué)生的動(dòng)手能力，更能提升學(xué)生的理論理解水平，大幅提升電氣專(zhuān)業(yè)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新能力，有助于培養(yǎng)新工科提出的應(yīng)用型人才。

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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