电力工程教学试验三维仿真探讨

杨柏松　王涛　郑桂彬　李长庚

摘要 电力工程教学试验存在高风险、高能耗、高成本等问题而无法开展。针对这些问题，以电力工程典型的低压柜教学试验为案例，对三维仿真技术在电力工程相关教学试验中的应用进行探讨。实践表明，三维仿真的教学试验对培养学生的实际操作能力、解决学生实践与电力安全生产之间的矛盾具有不可替代的作用。

关键词 电力工程教学试验；三维仿真；虚拟场景

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）08-0146-03

1 前言

电力工程教学试验是电气工程及其自动化专业的核心实验课程，它综合了电力系统稳态分析、工厂供电、变电站综合自动化技术等多门课程试验。该课程试验全过程中具有很多高电压、高压力、高温度等极端和危险的环境，存在高风险、高能耗、高成本等问题而无法开展。虽然各高校的基础不同，但是在办学过程中如何做到在保证教学效果的前提下少投入，即追求教学效果的“性价比”，这一点认识是统一的。

目前，国外各高等院校电力工程高电压教学试验已经发展到用物联网技术为核心，并已形成一定的标准。而我国电力工程教学试验主要有两种形式。

第一种是基于物理平台的硬件仿真系统结合部分计算机仿真系统，能够建立与真实电厂、变电站等十分相似的外观环境，配备有各种配电屏、控制屏等。学生能通过仪表监视、开关操作、操作票等，了解电厂、变电站的基本操作流程。但这种方式不仅占地面积较大、投资大，且对于电厂的动力部分受到场地、设备的限制难以仿真。

第二种形式则完全利用计算机软件，在计算机上可以进行所有的操作，使学生对整个电厂、变电站的结构、设备组成、操作流程有一个较为完整的概念。

这两种形式的仿真虽然各有利弊，但都存在一个共同的缺点：与真实操作不一致、真实感较差。

针对我国电力工程教学试验的不足，提出在电力工程教学试验中引入高压试验三维仿真系统，对其教学试验方法作一个探讨，并对电力工程典型的低压柜试验操作作为一个案例讲述。教学实践表明，它具有真实性与交互性的特点，使其能够完美地完成教学任务，尤其针对电力工程教学试验方式的改革，它的交互性将更加有效地提高教学质量。

2 教学方法探讨

教学思路 电力工程规范的安全运行对于维持电力工程的稳定、保证电力工程的可靠供电具有十分重要的意义，同时为了兼顾学时减少和学校培养的毕业生能与上岗单位要求零距离，在教学中必须根据教学采取灵活多样的教学方法和教学手段。其总体教学思路是：打破以知识传授为主要特征的传统学科课程模式，转变为以工作任务为中心组织课程内容，并让学生在完成具体项目的过程中学会完成相应工作任务，并构建相关理论知识，发展职业能力。

教学试验目标 结合学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面的基本要求，通过电力工程教学试验的学习，学生应达到以下目标。

1）专业能力：以电气试验工职业标准为目标，掌握一定的高电压理论、高电压试验设备、高电压测试技术等专业知识；学会绘制各项高压电气试验接线图；能对试验数据进行整理、计算及正确编写试验报告；具备选择试验设备和材料及进行各项试验的测试能力；具备试验工作的组织和判断能力；具备试验仪器、设备的维护和保养能力；具备一般的电气检修及调试能力；能核对和修正试验的安全措施，能进行安全紧急救护，有较强的试验现场管理能力。

2）方法能力：能熟悉各种电气设备试验方法（绝缘电阻和吸收比的测量、泄漏电流及直流耐压试验、介质损失角正切值tgδ的测量、局部放电测试、油气相色谱分析、交直流耐压试验、冲击耐压试验；学会综合利用学习资源，不断提高自学能力；在综合实践中学会试验项目管理能力。

3）社会能力：具备电气试验工的职业素养，培养严谨的试验工作作风；遵守劳动纪律，安全文明工作，爱护工具设备，刻苦钻研技术，诚实团结协作，严守岗位职责；全面培养协同能力、创新意识、综合应用能力、职业能力和职业素质。

3 教学试验内容

采用虚拟现实等技术设计建立的具有三维交互功能的高压试验仿真学习系统，全部采用软件实现，可以基于网络运行；既能针对学生开展电气试验的实践教学，又能进行电气试验工技师和高级技师的学习鉴定。

通过网络，学生将进入绝对安全的高压试验仿真学习实训场。在实训场中，可以学习高压试验设备和试验仪表等高压试验方面的基本知识，能反复练习变压器、断路器、避雷器、互感器等高压设备的各种试验操作。实训场的设计研发综合采用虚拟现实、分布交互式仿真等先进技术，实现高压设备及运行环境的三维重现，形象地反映了设备的正常、异常及其动作过程，学生不但可以对虚拟场景中的设备巡视、检查，而且可以进行虚拟操作，虚拟设备会随着学生的巡视及操作而相应地变化，提高系统的真实感和现场感。

高压仿真学习过程的设计充分考虑电力运行部门和管理部门对学生素质的需求，使受训学生通过学习不但可以掌握具体设备的知识和技能，而且能从理论上对高压试验的特点和要求有比较深入的理解，即力求使受训学生掌握怎样做，理解为什么这样做，明白这样做的作用和结果。高压试验仿真学习环境拟进行人性化设计，充分利用虚拟现实等多媒体技术，通过刺激学生的感官神经，调动学生的学习积极性和主动性。

4 案例分析

系统整体介绍 电力工程教学试验三维仿真系统包含“110kV变电站电气设备高压试验三维仿真系统”“10kV配网高压试验三维仿真系统”和“高低压倒闸操作三维仿真系统”等多个子系统。其中的“高低压倒闸操作三维仿真系统”是为了加强倒闸操作标准化，采用虚拟现实等技术设计建立的一个具有三维交互功能的虚拟仿真系统。该系统能以最小的人力、物力建立一个仿真学习实训场，从而开展大规模的电气试验方面的教学和学习培训，实现110kV等级电气设备的电气绝缘试验的仿真模拟，使学生了解电力系统更高电压等级的设备进行电气绝缘试验的方法、步骤和试验过程，在虚拟环境下达到训练学习的目的。系统主控界面如图1所示。

下面以电力工程典型的低压柜教学试验操作为案例，讲解三维仿真系统在电力工程教学试验中是如何应用的。

试验停电操作步骤

1）进入控制中心，选择“低压柜操作——停电操作”。

2）选择安全用具并点击提交选择按钮。

3）对安全用具分别进行安全检验，检验合格后提交工具选择任务并进入试验场景。

4）核对线路设备名称。

5）观察低压柜是否处于带电状态。低压柜处于带电状态时，合闸指示灯（绿灯）熄灭，跳闸指示灯（红灯）亮，同时A、B、C三电流表有显示。带电状态见图2。

6）点击红色跳闸按钮进行分闸操作。

7）查看低压柜是否停电成功。合闸指示灯（绿灯）熄灭，跳闸指示灯（红灯）亮，同时A、B、C三电流表指示为零。

8）停电操作完成，点击提交任务。断电状态见图3。

9）取下手柄插入小车操作孔，将小车摇至检修位，取下小车操作手柄。此时，停电并将小车由运行位摇至检修位操作完成。小车摇至检修位见图4。

试验送电操作步骤

1）进入控制中心，选择“低压柜操作——送电操作”。

2）选择安全用具并点击提交选择按钮。

3）对安全用具分别进行安全检验，检验合格后提交工具选择任务并进入试验场景。

4）核对线路设备名称。

5）观察低压柜是否处于停电状态。低压柜处于停电状态时，合闸指示灯（绿灯）熄灭，跳闸指示灯（红灯）亮，同时A、B、C三电流表示数为零。断电状态见图4。

6）点击绿色合闸按钮进行合闸操作。

7）查看低压柜是否送电成功。合闸指示灯（绿灯）亮，跳闸指示灯（红灯）熄灭，同A、B、C三电流表有显示，点击提交任务。送电成功状态见图3。

8）送电操作成功。

5 结束语

针对我国各高等院校电力工程教学试验存在高风险、高能耗、高成本等问题而无法开展试验，为了进一步弥补现状不足，提出电力工程教学试验三维仿真探讨的教学模式，详细介绍教学试验的思路、目标、内容及案例分析。实践表明，学生通过三维仿真试验提高试验操作能力，节省教学成本；同时虚拟试验还可以作为现场试验的技术培训方式，让学生学习试验设备的操作程序，全面掌握试验设备的注意事项和步骤，并为现场试验操作资格提供评估依据。但由于三维仿真技术是建立在三维仿真平台上，对三维仿真软件性能依赖性较高，因此对三维仿真软件的性能有待进一步研究与提高。