基于虚拟仿真平台的“电力系统分析”课程教学改革探究

侯宝华 李建军

摘   要：“电力系统分析”是电气工程及其自动化和农业电气化与自动化专业的一门专业骨干基础课程，设备多且价格昂贵，实践操作复杂、危险系数高，虚拟教学平台的引入成为一个必然趋势。文章探讨了如何运用虚拟实验平台高效地完成教学任务和提高教学质量。

关键词：电力系统分析;虚拟仿真平台;教学改革

随着计算机技术和仿真技术不断成熟，虚拟仿真教学得到了广泛的应用。虚拟仿真技术（Virtual Reality ，VR）就是用一个虚拟的系统模仿真实环境，具有很强的交互性、安全性、认知和感知性等。虚拟仿真教学主要应用在危险系数高、设备造价高、操作难度大等专业领域[1]。“电力系统分析”是电气工程及其自动化专业、农业电气化与自动化专业的主要专业课，具有教学内容多、知识点杂、实践操作危险高等特点，因此，在教学过程中引入虚拟仿真平台，为“电力系统分析”课程教学改革提供向导。

1    虚拟仿真平台的建设内容

虚拟仿真技术（Virtual Reality ，VR）又称为灵境技术。它是利用计算机技术建立的一种较为逼真的三维虚拟环境，给使用者带来一种“身临其境”的感觉[2]。自20世纪50年代起，虚拟现实技术先后被引入到航天飞行、舰艇模拟、导弹制导、飞机的研制等领域[3]。文章介绍一种“110 kV隆安变电站虚拟仿真平台”，平台主要包括电路接线图和三维实物图。它不仅对变电站的一次、二次部分做了全面仿真，而且对现场综合自动化部分也做了仿真。利用图形编程和图像处理技术支撑系统，画面更加逼真，操作更加便捷。既满足平时课程教学的需求，又可以完成变电站运行人员的培训工作[4]。

1.1  110  kV隆安站仿真变电站主接线

110 kV隆安变电站主接线为能够实现变电站的一次、二次做了全面仿真，包括各线路、设备和电气装置运行状态的监测;断路器、刀闸、隔离开关等设备操作;隔离开关、主变设备、SF6压力表等巡视。如对各线路、电气设备和装置的巡视，在监控主接线及监控间隔图中进行巡视，如图1所示。根据图中反映的信息，可以看出南宁隆安变1号主变110 kV侧相电流为101 A，在监控间隔图中可以进行二次操作，生成简报记录在后台数据库，以便交班人员查看操作记录。

1.2  110  kV隆安站仿真变电站三维模型

110 kV隆安变电站三维模型图，更加生动、形象地提供了一种多维化的、交互的、多感知的模拟仿真系统。将使用者的形象思维和逻辑思维相结合，为认识主体提供一种新的认知和感知相融的学习方法。三维模型能够实现设备巡检、验电、挂地线、设围栏、挂牌等操作。如图2所示，模拟仿真现场操作103断路器，首先在三维导航图中找到103断路器，相机导航到“金安I先103开关”处，双击开箱门，将“远方-就地切换旋钮”切换至就地位，进行分合闸操作。

1.3  故障设置与巡检

设备巡视对变电站内各主要设备的巡视点进行了异常仿真。如图3所示，首先对变压器、高压断路器、隔离开关等设置故障。针对每种故障，相应的一次设备会有异常现象出现，使用者将通过巡视才能发现故障，并通过三维图查看事故现象和后果等。

2    以虚拟仿真平台为依托的“电力系统分析”课程教学效果

笔者及教学科研小组在教学过程中应用虚拟仿真平台，向学生传授电力系统的基本理论知识和实践操作技能，着重讲授远程操控、线路巡检和故障排除等内容，加强理论与实际相结合，激发学生学习兴趣和技能应用能力，取得了显著的成效。具体有以下几点。

2.1  提高了学生探索性学习能力

为了增加学生的学习兴趣，提高学生对电力系统的认知和感知能力，学生们可以利用自己的账号和密码登录虚拟仿真平台进行仿真学习。使得学生不受时间和空间限制，自主学习和实践操作有关内容。通过校外实习、中期检查和期末考试等方式考核，学生的优秀率基本达到95%以上，进一步促进了理论与实践的结合。

2.2  提高了教学团队创新能力

教学团队的教学方法和授课方式直接影响到学生学习效果。为了提高教师团队的教学质量，引入虚拟仿真平台，为教学调研组提供了完善、有力的技术支持，更加突显研究方向、专业特色，为教学团队提供了创新和实践能力的基础。利用虚拟仿真平台辅助教学，对于教师指导学生实践操作，培养学生创新能力有着重要的作用。

2.3  为教师团队提供科研平台

引入虚拟仿真平台后，为电气工程与自动化和农业电气化与自动化专业的老师提供了科研创新平台，进一步完善了这两个专业的课程和实践教学环境。虚拟仿真平臺在塔里木大学电气工程专业推广后，学生的积极性逐步被调动起来，自主学习能力明显提高。此外，虚拟仿真平台为教师团队提供了较为全面、详细的技术支持。

3    结语

“电力系统分析”课程是一门问题多、复杂性强、危险性高的基础性课程，实践工作中会遇到大电流、高电压等危险情况，因此本门课程引入虚拟仿真平台是有必要的。虚拟仿真平台基于人工智能技术，为使用者展示了一个生动现实的工作环境，完美地将“学”“做”“练”相结合，为培养一批学习能力强、创新精神强和实践能力强的学生奠定基础。

[参考文献]

[1]任国臣，陈晓英，孙丽颖，等.电气工程虚拟仿真实验教学中心建设方案[J].教育现代化，2016（23）：73-74.

[2]苏勋文，王笃亭，朱显辉.基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践[J].江苏理工学院学报，2016（4）：90-93.

[3]邓朗妮，叶轩，郭亮，等.结合虚拟仿真的实践教学体系改革研究[J].科技创业月刊，2017（1）：106-108.

[4]陈楚雄.以虚拟仿真平台为依托的电气工程实验教学改革探索[J].数字通信世界，2018（10）：278.