《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》的建設(shè)與應(yīng)用

洪寶棣 宗哲英

摘要：本文通過闡述《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》實驗中心建設(shè)的必要性、仿真實驗平臺的主要內(nèi)容和基本功能，結(jié)合專業(yè)課程建設(shè)介紹了機電工程學(xué)院《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》實驗教學(xué)中心目前的建設(shè)情況，通過平臺的建設(shè)進一步推動虛擬仿真教學(xué)模式在實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，加快了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)虛擬仿真實驗教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實驗教學(xué);建設(shè)與應(yīng)用

中圖分類號：G642? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0276-03

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是以虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，簡稱VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，借助于多媒體、人機交互等多種計算機技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象的新興技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中開展實驗，實驗效果、反饋與真實實驗完全一致，從而實現(xiàn)教學(xué)大綱的教學(xué)要求的新興技術(shù)[1，2]。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用在高校專業(yè)課教學(xué)中還處于初步階段，怎樣建立有效的虛擬仿真教學(xué)資源，使虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中充分發(fā)揮其作用，提高高校學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力及就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，成為高校教育工作者面臨的新挑戰(zhàn)[3]。

一、虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的必要性

教育部辦公廳近年來在全國高校大力推行《國家級實驗教學(xué)示范中心》《示范性虛擬仿真實驗教學(xué)項目》的建設(shè)工作，指出虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是推動高校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向。機電工程學(xué)院在這個時代背景下，依托自身的優(yōu)勢實驗教學(xué)資源，根據(jù)有多年豐富專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗的一線教師思路和要求，借鑒兄弟院校實踐教學(xué)平臺的經(jīng)驗，委托專業(yè)公司通過最先進技術(shù)實現(xiàn)定制的適用于電力、自動化專業(yè)教學(xué)，注重理論結(jié)合實踐、教師和學(xué)生的互動，完全服務(wù)于教學(xué)，建立起來的《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》，依靠在線虛擬實驗教學(xué)模塊，解決了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，如電壓高、輻射性強、破壞性且花費昂貴的試驗，在現(xiàn)實中無法實施的一些重要的專業(yè)實驗，通過交互功能完善的在線虛擬實驗教學(xué)的模式，得以輕松實現(xiàn)[4]。

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》的內(nèi)容主要涉及火力發(fā)電廠、高壓變電站等高危生產(chǎn)企業(yè)的高電壓、大電流設(shè)備及生產(chǎn)過程的專業(yè)知識。中心按實驗建設(shè)總體框架，開發(fā)了發(fā)電廠電氣、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護、工廠供電課程的虛擬仿真實驗?zāi)K，并在這一過程中總結(jié)建設(shè)、開發(fā)的經(jīng)驗和技術(shù)支持，為后續(xù)的模塊如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電的開發(fā)，也為其他院校同專業(yè)提供實踐的經(jīng)驗和資源共享起到示范作用，極具參考價值，推動農(nóng)業(yè)大學(xué)其他學(xué)院的虛擬仿真實驗教學(xué)建設(shè)。

二、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的內(nèi)容

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》內(nèi)容包括：電氣化虛擬仿真實驗教學(xué)網(wǎng)站、變電站運行和故障狀態(tài)虛擬仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)、火電廠生產(chǎn)過程仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)、電氣設(shè)備絕緣試驗仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)四部分，如圖1所示。

建立的校園門戶網(wǎng)站可對校內(nèi)外公布虛擬仿真實驗教學(xué)信息、提供虛擬仿真實驗教學(xué)平臺鏈接等相關(guān)服務(wù)，達到教學(xué)資源開放共享的目的。平臺具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動交流、成績評定、成果展示的功能，可通過網(wǎng)絡(luò)遠方操作，自動評判對錯，并進行錯誤分析，及時發(fā)布成績，使學(xué)生第一時間了解自己的學(xué)習(xí)成果。

變電站運行與操作的模塊可實現(xiàn)：正常監(jiān)視、缺陷處理，線路停送電操作;正常運行時數(shù)據(jù)記錄及不同頁面瀏覽;變電站常見設(shè)備的缺陷處理流程;變電站的事故處理流程及作業(yè)。變電站倒閘操作的模塊可實現(xiàn)：斷路器操作步驟，變壓器、線路的倒閘操作順序，倒閘操作票的生成及操作注意事項。變電站設(shè)備故障與分析的模塊實現(xiàn)：電氣設(shè)備事故模擬，故障判別與分析，設(shè)備異常與缺陷判斷，電氣設(shè)備事故處理與注意事項等。

通過該實驗項目學(xué)生可利用三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)在虛擬仿真的750kV變電站漫游，如圖2所示。

在場景中了解主要電氣高壓設(shè)備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣一次部分和二次部分的配合使用情況，可按照操作票進行斷路器、隔離開關(guān)進行合、跳閘操作，模擬實際現(xiàn)場工作流程。

火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程的模塊實現(xiàn)（如圖3所示）：顯示鍋爐、汽機、發(fā)電機三大主機的設(shè)備構(gòu)造，燃煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、工藝流程和運行參數(shù)?？蓪φ麄€火電廠生產(chǎn)過程進行模擬，顯示系統(tǒng)參數(shù)，同時該虛擬仿真實驗平臺還可利用透視技術(shù)展示輸煤系統(tǒng)等核心設(shè)備與實際完全一致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對工作原理進行虛擬仿真，注釋各設(shè)備的名稱、參數(shù)和功能。

電氣設(shè)備絕緣試驗仿真教學(xué)模塊實現(xiàn)：對變壓器、電纜等設(shè)備的常規(guī)高電壓預(yù)防性試驗和高電壓絕緣破壞試驗，集中展示實際中的火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程和現(xiàn)場中的高電壓電氣設(shè)備。采用三維模擬技術(shù)，按試驗步驟連接各試驗儀器的三維模型，施加高于正常值的試驗電壓，觀察試驗結(jié)果等。實現(xiàn)實際中無法開展的高電壓、大電流等高危險的實驗，如圖4所示;展示高壓擊穿、放電等實際中不易見到實際效果。為高校學(xué)習(xí)強電專業(yè)學(xué)生的實踐教學(xué)提供了新的方法和資源，解決了實地實習(xí)無場地、專業(yè)課實驗無法動手實踐的困難。

三、虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的功能

（一）漫游功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》通過3D技術(shù)提供情景式體驗教學(xué)模式，用戶能體驗到真實的場景和環(huán)境，可對設(shè)備進行360度旋轉(zhuǎn)、通過透視技術(shù)看到隱蔽工程。學(xué)生在該平臺漫游進入真實的發(fā)電廠和變電站中，增強學(xué)習(xí)印象，巡視現(xiàn)場設(shè)備與設(shè)施時有沉浸感，真正實現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的融合。

（二）人機交互功能

人機交互（Human-Computer Interaction）功能即用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作，在虛擬仿真實驗中被廣泛使用。用戶通過人機交互界面與系統(tǒng)交流，并進行操作。在實驗室學(xué)生人手一臺電腦進入虛擬仿真實驗平臺，利用鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備操作，學(xué)生可按教師指導(dǎo)操作也可通過自己的想法自主操作，拖動鼠標(biāo)對設(shè)備實現(xiàn)一對一、一對多的操作，通過對虛擬場景中的對象進行自然和諧的交互操作，生動再現(xiàn)傳統(tǒng)課堂學(xué)到的專業(yè)知識。

（三）演示功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》可演示變電站正常操作流程、操作方法，也可演示故障狀態(tài)和現(xiàn)象，對錯誤操作還有專門的演示，以此加深學(xué)生對錯誤操作引起事故的印象。利用這個功能對于學(xué)生進行專業(yè)實驗課程的設(shè)計、掌握電氣設(shè)備運行等具有很好的效果，進一步加強對專業(yè)課內(nèi)容的理解與掌握。

（四）考核功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》網(wǎng)站提供練習(xí)題庫與考試題庫，可自動評分。例如，執(zhí)行操作票時，在虛擬變電站中按要求進行完整的操作票操作，每一步通過API接口訪問實時仿真引擎，動態(tài)獲取學(xué)生的操作數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前模型的系統(tǒng)狀態(tài)和評定邏輯，動態(tài)智能測評，分別評測出每個步驟的分數(shù)，最后給出學(xué)生的正確步驟獲得的分數(shù)和總成績。

四、虛擬仿真實驗教學(xué)中心的應(yīng)用

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》按照規(guī)劃的實驗教學(xué)建設(shè)框架，面向機電工程學(xué)院電氣化、農(nóng)業(yè)電氣化電和自動化三個本科專業(yè)，主要圍繞電氣工程及其自動化和農(nóng)業(yè)電氣化與自動化專業(yè)本科生展開;在這個平臺上通過3D模擬場景和電氣設(shè)備，研制、開發(fā)應(yīng)用到專業(yè)課教學(xué)和實踐教學(xué)中（實驗、課程設(shè)計及科技創(chuàng)新）的虛擬仿真實驗，注重理論結(jié)合實踐和師生之間的互動，實現(xiàn)高危、無法進行的試驗和生產(chǎn)實習(xí)。初期受益學(xué)生估算約240人左右（每屆電氣、農(nóng)電專業(yè)學(xué)生總數(shù)）。

進入實驗之前對學(xué)生的基本要求是：完成專業(yè)基礎(chǔ)課《電機學(xué)》《電力系統(tǒng)分析》《電力工程基礎(chǔ)》和專業(yè)課《發(fā)電廠電氣》《高電壓技術(shù)》，做完《發(fā)電廠電氣部分》和《電力工程基礎(chǔ)》的課程設(shè)計，具有一定電力工程設(shè)計、電氣運行基礎(chǔ)知識和能力后才能進入實驗，最大限度保障實驗的效果。

應(yīng)用中體現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢[5]有以下幾點。第一，提升教學(xué)效果。逼真、立體的表現(xiàn)形式可讓抽象的實驗過程形象逼真演示出來，教師可結(jié)合實際的教學(xué)需求，通過音頻、視頻、圖像等多媒體技術(shù)最大限度地發(fā)揮虛擬器件資源的優(yōu)勢，學(xué)習(xí)者體驗置身其中的感覺，在互動實驗教學(xué)中增加趣味性，提升教學(xué)效果。第二，安全、直觀演示危險的極端破壞性實驗等，如變壓器、電纜破壞性試驗，施加非正常高電壓情況下獲取數(shù)據(jù)分析判斷檢查設(shè)備的隱患。第三，豐富課堂教學(xué)形式，打破只有教師“獨角戲”單純進行講授，變成大家都參與的學(xué)習(xí)方式。第四，利用快捷方便的網(wǎng)絡(luò)把實驗室搬回家，不僅可隨時隨地進行實驗;還可實現(xiàn)資源共享，節(jié)約建設(shè)投入。

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗平臺》的教學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)了“教”“學(xué)”“練”“考”一體化。從機電工程學(xué)院的建設(shè)情況來看，虛擬仿真實驗教學(xué)的構(gòu)建可以實現(xiàn)高等教學(xué)信息化，提高現(xiàn)有資源的使用效益。

五、結(jié)語

虛擬仿真實驗教學(xué)中心的實驗條件便利、安全性高和實驗成本低的優(yōu)勢，使其在高校實驗教學(xué)中享有越來越重要的地位。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)具有開發(fā)靈活、擺脫時間與空間的各種限制等優(yōu)點，在高校自身投入有限的條件下[6，7]，通過虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實現(xiàn)實驗資源共享、人盡其才、財盡其力、物盡其用，不僅是推動高校實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向、優(yōu)化實驗教學(xué)資源結(jié)構(gòu)的重要途徑，也是高等學(xué)校實驗教學(xué)發(fā)展的趨勢和必由之路。

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The Establishment and Application of the Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System

HONG Bao-di，ZONG Zhe-ying

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，

Inner Mongolia 010010，China）

Abstract：This paper introduces the necessity of building an experimental center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" and main contents and basic functions of the virtual simulation experimental platform and demonstrates the current construction situation of the experimental teaching center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" in the Mechanical and Electric Engineering Institute in combination with professional curriculum，which further promote a general application of the virtual simulation teaching mode in experimental teachings and accelerate the reforms and innovations of the virtual simulation experimental teaching at the Inner Mongolia Agricultural University.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;construction and application