电气工程虚拟仿真实验教学平台

刘辉+李啸骢+梁志坚+徐俊华+阳育德

摘要：电气工程专业实验教学面临强电威胁，加之电网不允许破环性实验，因而虛拟仿真实验成为发展方向。本文主要介绍了广西大学虚拟实验室建设平台，包括电力云调度仿真教学平台、电力系统动态模拟与虚拟仿真一体化仿真教学平台、变电站运行虚拟仿真和虚拟电工/电子技术系统仿真教学平台。

关键词：电气工程专业；虚拟仿真实验；电力云调度；动态模拟仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0275-02

电气工程专业教学涉及电力工业发电、输电、配电和用电等各环节，具有高电压、大电流、接线复杂、规模庞大、设备种类繁多等特点，不可避免地面临强电威胁，给师生造成了安全隐患。因此，为了逼真再现电力工业各环节操作过程和运行状态，让学生了解电力工程运行、虚拟仿真成为了电气工程专业实验教学的重要手段，是当今各高等院校电气工程专业实验教学的发展方向。

一、电气工程专业虚拟仿真实验室现状

1.国外情况。早在上世纪80年代，麻省理工大学开始建立Weblab在线实验室，于1988年投入使用。随后，美国政府在天体物理、海洋学、核科学等领域建立了虚拟实验室示范工程，各大高等院校电气工程专业也开始筹建虚拟实验室。例如，美国犹他州立大学把Matlab与LabView相结合，利用两种软件开发在线电磁兼容课程。近年来，也有研究将虚拟实验室用于新能源教学、电力系统故障分析教学等。

2.国内情况。国内电气工程虚拟实验室建设起步较晚，但发展非常迅速。天津大学建立了电气自动化虚拟仿真实验教学中心，引入仿真和半实物实时仿真技术，具备风、光、海洋能等多源分布式发电、储能、智能配电和能源管理等设计和仿真能力。东北电力大学建立了电力工业生产过程虚拟仿真实验教学中心，能仿真亚临界到超超临界国内机组，可模拟核电厂电能生产过程，以及35kV—500kV变电站电能传输和分配过程。此外，其他高等院校也建立了电气工程虚拟仿真实验室，如西安交通大学建立了核电厂与火电厂系统虚拟仿真实验教学中心、南京理工大学的电气工程及自动化虚拟仿真实验教学中心、三峡大学的输电线路工程实验教学中心等。

二、广西大学电气工程虚拟仿真实验教学平台

广西大学电气工程专业在“中西部高校提升综合实力计划”、“211工程”、“省部共建”、自治区重点实验室、“电气工程卓越工程师教育培养计划”、教育部教学质量工程等建设经费的支持下，形成了“电力云调度”、“电力系统动态模拟与数字仿真一体化”、“变电站运行虚拟仿真”和“虚拟电工/电子技术”虚拟仿真实验教学平台。

1.电力云调度。该平台以云调度自动化系统为核心，组建专业基础理论、电网监视与控制系统（SCADA）、能量管理系统（EMS）等三大模块化实验系统，如图1所示。平台功能包括调度员潮流、状态估计、负荷预测、故障计算、线损计算等。该平台将“云计算”技术与电网运行相结合，打造“互联网+”实验教学模式，以Web形式发布，学员可通过互联网使用该平台。

2.电力系统动态模拟与虚拟仿真一体化仿真。该平台由电力系统动态模拟实验平台（实际物理系统）和ADPSS数字仿真平台（虚拟仿真系统）组成，实现虚实混合仿真实验，其原理如图2所示。在ADPSS平台上，搭建虚拟电力系统，通过接口装置，将真实电力系统的发电机励磁控制和调速控制及继电保护等装置与虚拟电力系统相连，并根据虚拟电力系统运行状态，对虚拟电力系统进行保护和控制，实现虚实混合仿真。

3.变电站运行虚拟仿真。该平台是基于电网调度员培训软件及BPA等电网仿真软件开发的虚拟仿真平台，主要包括变电站运行虚拟仿真实验系统，110kV变电站虚拟仿真实验系统和220kV变电站虚拟仿真实验系统，可模拟电网的运行工况，实施变电站倒闸操作，使学生了解、掌握电网运行状态的多样性。

4.虚拟电工/电子技术系统仿真。该平台以Multisim、NI ELVISmx、LabVIEW等虚拟仿真软件，构建口袋式电子虚拟仿真实验。该平台作为传统电路理论、电工技术等课程实验教学的补充，将实验教学在内容、形式、时间和空间上进行拓展，充分发挥虚拟仪器资源丰富和虚拟仿真灵活的优势，提升学生的实验创新能力。

三、结论

电力工业具有高电压、大电流等特点，使电气工程实验教学面临强电威胁，加之真实电网不允许破坏性实验，因而虚拟仿真实验成为电气工程实验教学的发展方向。本文主要介绍了广西大学虚拟实验仿真平台：（1）“电力云调度”仿真以Web形式，将“云计算”技术与电网运行分析相结合，打造“互联网+”实验教学模式。（2）“电力系统动态模拟与虚拟仿真一体化”仿真，将电力系统动态模拟和虚拟仿真相连接，实现电力系统虚实混合一体化仿真实验教学。（3）变电站运行虚拟仿真，可模拟电网运行，实施变电站倒闸操作，使学生了解、掌握电网运行状态的多样性。（4）“虚拟电工/电子技术系统”仿真，充分发挥虚拟仪器资源丰富和虚拟仿真灵活的优势，将实验教学在内容、形式、时间和空间上进行拓展，提升学生的实验创新能力。

参考文献：

[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]天津大学.电气自动化虚拟仿真实验室教学中心.[DB/OL].

http：//evlab.tust.edu.cn/index.html.

[3]东北电力大学.电力工业生产过程虚拟仿真实验室教学中心[DB/OL].

http：//fzzx.nedu.edu.cn/index.htm.

[4]西安交通大学.核电厂与火电厂系统虚拟仿真实验教学中心[DB/OL].

http：//nppvsc.xjtu.edu.cn/

[5]南京理工大学.电气工程及自动化虚拟仿真实验教学心[DB/OL].

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

[6]三峡大学.输电线路工程实验教学中心[DB/OL].

http：//sdxlgc.ctgu.edu.cn/