電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

劉輝+李嘯驄+梁志堅(jiān)+徐俊華+陽育德

摘要：電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨強(qiáng)電威脅，加之電網(wǎng)不允許破環(huán)性實(shí)驗(yàn)，因而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為發(fā)展方向。本文主要介紹了廣西大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)平臺，包括電力云調(diào)度仿真教學(xué)平臺、電力系統(tǒng)動態(tài)模擬與虛擬仿真一體化仿真教學(xué)平臺、變電站運(yùn)行虛擬仿真和虛擬電工/電子技術(shù)系統(tǒng)仿真教學(xué)平臺。

關(guān)鍵詞：電氣工程專業(yè)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；電力云調(diào)度；動態(tài)模擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0275-02

電氣工程專業(yè)教學(xué)涉及電力工業(yè)發(fā)電、輸電、配電和用電等各環(huán)節(jié)，具有高電壓、大電流、接線復(fù)雜、規(guī)模龐大、設(shè)備種類繁多等特點(diǎn)，不可避免地面臨強(qiáng)電威脅，給師生造成了安全隱患。因此，為了逼真再現(xiàn)電力工業(yè)各環(huán)節(jié)操作過程和運(yùn)行狀態(tài)，讓學(xué)生了解電力工程運(yùn)行、虛擬仿真成為了電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要手段，是當(dāng)今各高等院校電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。

一、電氣工程專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

1.國外情況。早在上世紀(jì)80年代，麻省理工大學(xué)開始建立Weblab在線實(shí)驗(yàn)室，于1988年投入使用。隨后，美國政府在天體物理、海洋學(xué)、核科學(xué)等領(lǐng)域建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室示范工程，各大高等院校電氣工程專業(yè)也開始籌建虛擬實(shí)驗(yàn)室。例如，美國猶他州立大學(xué)把Matlab與LabView相結(jié)合，利用兩種軟件開發(fā)在線電磁兼容課程。近年來，也有研究將虛擬實(shí)驗(yàn)室用于新能源教學(xué)、電力系統(tǒng)故障分析教學(xué)等。

2.國內(nèi)情況。國內(nèi)電氣工程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)起步較晚，但發(fā)展非常迅速。天津大學(xué)建立了電氣自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，引入仿真和半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，具備風(fēng)、光、海洋能等多源分布式發(fā)電、儲能、智能配電和能源管理等設(shè)計(jì)和仿真能力。東北電力大學(xué)建立了電力工業(yè)生產(chǎn)過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，能仿真亞臨界到超超臨界國內(nèi)機(jī)組，可模擬核電廠電能生產(chǎn)過程，以及35kV—500kV變電站電能傳輸和分配過程。此外，其他高等院校也建立了電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，如西安交通大學(xué)建立了核電廠與火電廠系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、南京理工大學(xué)的電氣工程及自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、三峽大學(xué)的輸電線路工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心等。

二、廣西大學(xué)電氣工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

廣西大學(xué)電氣工程專業(yè)在“中西部高校提升綜合實(shí)力計(jì)劃”、“211工程”、“省部共建”、自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“電氣工程卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”、教育部教學(xué)質(zhì)量工程等建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持下，形成了“電力云調(diào)度”、“電力系統(tǒng)動態(tài)模擬與數(shù)字仿真一體化”、“變電站運(yùn)行虛擬仿真”和“虛擬電工/電子技術(shù)”虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。

1.電力云調(diào)度。該平臺以云調(diào)度自動化系統(tǒng)為核心，組建專業(yè)基礎(chǔ)理論、電網(wǎng)監(jiān)視與控制系統(tǒng)（SCADA）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等三大模塊化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。平臺功能包括調(diào)度員潮流、狀態(tài)估計(jì)、負(fù)荷預(yù)測、故障計(jì)算、線損計(jì)算等。該平臺將“云計(jì)算”技術(shù)與電網(wǎng)運(yùn)行相結(jié)合，打造“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以Web形式發(fā)布，學(xué)員可通過互聯(lián)網(wǎng)使用該平臺。

2.電力系統(tǒng)動態(tài)模擬與虛擬仿真一體化仿真。該平臺由電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺（實(shí)際物理系統(tǒng)）和ADPSS數(shù)字仿真平臺（虛擬仿真系統(tǒng)）組成，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)混合仿真實(shí)驗(yàn)，其原理如圖2所示。在ADPSS平臺上，搭建虛擬電力系統(tǒng)，通過接口裝置，將真實(shí)電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制和調(diào)速控制及繼電保護(hù)等裝置與虛擬電力系統(tǒng)相連，并根據(jù)虛擬電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，對虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和控制，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)混合仿真。

3.變電站運(yùn)行虛擬仿真。該平臺是基于電網(wǎng)調(diào)度員培訓(xùn)軟件及BPA等電網(wǎng)仿真軟件開發(fā)的虛擬仿真平臺，主要包括變電站運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，110kV變電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和220kV變電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬電網(wǎng)的運(yùn)行工況，實(shí)施變電站倒閘操作，使學(xué)生了解、掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多樣性。

4.虛擬電工/電子技術(shù)系統(tǒng)仿真。該平臺以Multisim、NI ELVISmx、LabVIEW等虛擬仿真軟件，構(gòu)建口袋式電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。該平臺作為傳統(tǒng)電路理論、電工技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容、形式、時(shí)間和空間上進(jìn)行拓展，充分發(fā)揮虛擬儀器資源豐富和虛擬仿真靈活的優(yōu)勢，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

三、結(jié)論

電力工業(yè)具有高電壓、大電流等特點(diǎn)，使電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨強(qiáng)電威脅，加之真實(shí)電網(wǎng)不允許破壞性實(shí)驗(yàn)，因而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成為電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向。本文主要介紹了廣西大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)仿真平臺：（1）“電力云調(diào)度”仿真以Web形式，將“云計(jì)算”技術(shù)與電網(wǎng)運(yùn)行分析相結(jié)合，打造“互聯(lián)網(wǎng)+”實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。（2）“電力系統(tǒng)動態(tài)模擬與虛擬仿真一體化”仿真，將電力系統(tǒng)動態(tài)模擬和虛擬仿真相連接，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)虛實(shí)混合一體化仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。（3）變電站運(yùn)行虛擬仿真，可模擬電網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)施變電站倒閘操作，使學(xué)生了解、掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多樣性。（4）“虛擬電工/電子技術(shù)系統(tǒng)”仿真，充分發(fā)揮虛擬儀器資源豐富和虛擬仿真靈活的優(yōu)勢，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)容、形式、時(shí)間和空間上進(jìn)行拓展，提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]K.Hatipoglu，A.Jamahbozorg，and G. Radman. MATLAB-based fault analysis of power systems with graphical user interface as an educational tool，Proceedings of IEEE，2011：354-358.

[2]天津大學(xué).電氣自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中心.[DB/OL].

http：//evlab.tust.edu.cn/index.html.

[3]東北電力大學(xué).電力工業(yè)生產(chǎn)過程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中心[DB/OL].

http：//fzzx.nedu.edu.cn/index.htm.

[4]西安交通大學(xué).核電廠與火電廠系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[DB/OL].

http：//nppvsc.xjtu.edu.cn/

[5]南京理工大學(xué).電氣工程及自動化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)心[DB/OL].

http：//dqfzsys.njust.edu.cn/1/15/list.html.

[6]三峽大學(xué).輸電線路工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[DB/OL].

http：//sdxlgc.ctgu.edu.cn/