虚拟仿真技术在电气专业实验教学中的研究

杨蕾 朱武楣 刘金颂

摘  要：电气工程专业实验具有环境复杂、操作不可逆、危险性高、成本消耗大等特点，传统实验教学在操作安全性、交互性、设计性等方面已不能满足现代人才培养的要求。虚拟仿真实验在安全性、实验条件、实验成本和交互性等方面可以弥补传统实验教学的不足，分析了实验案例的设计方法和思路，对电力系统专业方向的虚拟仿真实验进行了教学实例设计。虚拟仿真实验对完善实验教学内容，满足专业实验教学需求，提高学生的工程实践能力，培养高水平应用型人才都具有重要意义。

关键词：电气工程专业  虚拟仿真  实验教学  实践能力

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）07（a）-0170-04

Research on Virtual Simulation Technology in Experimental Teaching of Electrical Specialty

YANG Lei  ZHU Wumei  LIU Jinsong

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an， Shaanxi Province， 710055  China）

Abstract： The experiment of electrical engineering specialty has the characteristics of complex environment， irreversible operation， high risk and high cost consumption. The traditional experimental teaching can not meet the requirements of modern talent training in terms of operation safety， interaction and design. Virtual simulation experiment can make up for the shortcomings of traditional experimental teaching in terms of security， experimental conditions， experimental cost and interactivity. The design methods and ideas of experimental cases are analyzed， and the teaching examples of virtual simulation experiment in the direction of power system specialty are designed. Virtual simulation experiment is of great significance to improve the experimental teaching content， meet the needs of professional experimental teaching， improve students' engineering practice ability and cultivate high-level applied talents.

Key Words： Electrical engineering; Virtual simulation; Experiment teaching; Practical ability

電气工程专业涵盖电力行业发电、输电、配电及用电的各个环节，传统实验教学具有实验设备昂贵，实验室建设成本高，实验过程涉及高电压、大电流、高风险因素，实验设备功能固定，不容易进行升级和改造的特点[1]。实验时，学生只能执行固定的操作步骤，因此很难培养学生的设计和创新技能。培养应用型人才是新工科时代的人才培养目标，学生应具有良好的专业知识和技能，人才培养须对接职业岗位的要求，并提供相应的专业实践教学资源，以确保人才培养质量。当前的电气工程实验教学不能满足电气人才培养的要求，这已成为各所高校电气专业人才培养工作所面临的研究问题[2]。

虚拟仿真实验教学项目是拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学时间和空间、将信息技术和教育教学深度融合，提升实验教学质量和水平而采取的重要举措。虚拟仿真实验不受时间和空间因素的限制，可以随时学习。开展虚拟仿真实验教学是新时代高校实现对学生全面培养的一种重要途径。因此，有必要使用虚拟仿真技术，开发虚拟仿真实验教学资源，来建设电气工程专业的实验教学平台，提高学生的工程实践与创新能力。

1  虚拟仿真实验案例设计方法和思路

虚拟实验案例的合理设计是教学方式中的关键环节，案例的设计应遵循如下原则。（1）案例应具有多层次性：实验案例需包含多层次的实验教学环节，学生能够选择适合其知识水平和兴趣爱好的实验内容。不同层次的实验教学环节之间知识相互融通，使学生不仅可以巩固基础知识，还能够实践创新。（2）案例应具有设计性：学生可以基于该案例进行计算、分析和设计，以提升工程实践能力。（3）案例应该具有综合性：由于一些综合性实验受到实验设备功能的限制，所以学生可以选择的实验内容有限。因此，应开发综合性较强的实验案例，对多个章节中的理论知识进行案例呈现，使学生在一次实验案例课程里面既能学习新内容，又能巩固已学理论，并利用所学知识解决综合复杂的问题。（4）案例应具有较强的工程实践性：案例的模型选择和案例的实验演示都需和现有的企业知识相结合，以避免将学生的实践能力与企业技能脱节。通过虚拟仿真实验平台，学生可以在虚拟环境下创建从简单到复杂的实验方案，并相对于真实场景进行各种操作和计算，从而培养学生的分析、解决及工程实践的能力。

2  电力系统专业方向虚拟仿真实验教学实例设计

2.1 整体架构设计

现代电力系统具有大机组、大容量、高电压、运行操作环境高危且不可逆等特点，在教学实践中要构建和真实系统和环境完全一样是非常困难的。因此，通过虚拟仿真技术，可以真实模拟、仿真、测试电力系统庞大复杂的设备、电力系统的运行与控制及电力系统的分析和计算。

电力系统方向设置有“电力系统分析”“电力系统继电保护”等多门专业课程，构建电力系统虚拟仿真平台，如图1所示，为学生学习和研究发电厂和电网的运行、控制和继电保护等相关技术提供了一个综合、研究、创新、开放的平台，为培养学生的综合实践能力和创新能力创造了良好的条件。

专业实验重点是夯实学生的理论基础，训练学生掌握专业实验的基本方法，为后续综合及创新实践能力培养打下坚实的基础。综合实验的内容包括电力系统发、输、用及运行与控制的全过程，涉及众多的工程问题，学生需要综合应用多门专业课程的知识，分析复杂工程问题，才能获得有效结论。综合实验有助于学生建立电力系统的全局概念，可以全方位地锻炼和培养学生解决电力系统复杂工程问题的能力及工程项目的方案设计能力。创新性实验使学生能够掌握行业领先技术，培养学生的创新精神及能力。各类实验后期都将会持续完善虚拟仿真实验项目，不断融入新的科研成果，促进教学深入改革。

将专业实验、综合性实验和创新性实验相结合，逐步提升学生的实践能力。学生通过专业实验对所学知识进行梳理，逐步创建系统的概念。通过操作实验来弥补认知上的不足，重塑知识体系、培养工程思维[3]。通过综合性、创新性实验培养学生的研究及创新能力。

2.2 电力系统继电保护虚拟仿真实验设计及功能

“电力系统继电保护”课程是电气工程专业的核心课程，针对电力系统继电保护传统实验教学高压、高危、实验环节小、无法开设符合工程实际的反应继电保护设计全过程的实验实训课程的问题，结合工程实际过程，构建了电力系统继电保护虚拟仿真实验。

实验项目以变电站继电保护设计过程作为工程背景，将教学重点和难点融入实际工程场景中，在实验时反映工程实际中继电保护系统中各种保护元件之间的配合关系、继电保护系统与电力系统交互作用和影响的全过程，支持学生对继电保护过程中的重要步骤和关键参数进行设计，如线路主保护配置、保护校核方案等，过程与实际继电保护系统的设计过程相一致，学生通过反复实践掌握技能，实现继电保护不正确配置和动作造成的电力系统失稳等高危实验，加深对知识理解的深度和广度，培养学生综合运用理论知识解决工程实际问题的能力，同时增强学生的科学探究意识和创新能力。实验知识点设计如图2所示。

设备认知主要是对变电站三维全场景及高压电气一次设备的外形结构、功能特点及电气连接关系进行认知，如高压输电线路、断路器、隔离开关、电流、电压互感器等。保护对象分析旨在辨析保护对象电气主接线的连接特点和主要参数，从而掌握继电保护对象分析的要点和方法。同时，根据保护对象的分析结果，选择满足要求的继电保护，建立继电保护设计的工程概念。在线路保护配置中，学生可以选择差动保护、距离保护、电流保护等保護中的任意一种作为线路的主保护，然后学生自由整定主保护的各项定值，观察各定值变化对保护动作特性和保护范围的影响，对不同保护做主保护时全线路的时限特性和在该时限特性下线路故障时发电机功角摇摆曲线，分析选择的主保护是否能提高电网的稳定性，从而深刻理解各保护在选择性、速动性方面的差异，以及是否能达到线路主保护的要求。

在后备保护配置方面，主要通过自由选择后备保护类型及整定相应参数，使学生综合理解主、后备保护各自的作用及配合关系。根据线路保护配置方案，通过对互感器二次出线和继电保护输入输出端口进行自由连接，独立构建二次回路连接方案;通过观察仿真系统对接线方案合理性的动态反馈，启发学生理解继电保护二次回路的工作原理，掌握接线方式。最后，在对保护模块配置和整定的结果进行综合分析后，学生从故障位置、故障类型、故障性质等方面自由设定参数，设计保护系统校核方案，和预设方案共同构建校核方案库。从校核方案库中依次运行方案，对继电保护模块进行探究性实验，观察分析校核过程中的故障波形、开关变量信息和保护动作信息，并记录实验数据;在三维场景中，查看继电保护屏柜上的保护动作情况，验证继电保护模块的动作规律;根据所记录的故障校核动模实验结果信息，对保护动作进行辨析，判断继电保护配置、定值整定和二次回路连接的正确与否。

基于上述思路设计的电力系统继电保护实验，使学生能够安全地沉浸在各项认知和操作任务中，学习继电保护相关内容的同时加深对保护原理等基础理论及继电保护整定计算方法等工程技术手段的理解和掌握，使学生能够运用基础理论解释实际的继电保护工程问题，利用工程技术手段解决实际问题。

3  考评方法

以前的实验考核主要是对学生的实验操作和报告进行考核，只要学生动手能力强，根据实验指导书进行接线和测试，实验操作分就会较高，就会得到合理的数据。这种考核方式不能体现学生掌握所学理论知识的应用能力及在实验项目中的设计及创新能力。

在虚拟仿真实验考评中，虚拟平台对仿真过程及结果、实验数据的分析处理自动评判对错。利用虚拟实验平台的大数据对问题的分析与解决方案、创新设计与应用等根据实验难易程度及完成度综合、全面地评价学生的能力，建立对实验过程全面客观的评分规则[4]。

4  结语

虚拟实验项目可有效地提高实验教学效果，使教学环节更加灵活，并实现资源的有效共享，通过虚拟仿真技术平台，学生能够进行独立探究、通过反复进行实验操作发现问题、增进对继电保护知识的理解和消化，增加电力工程实践经验，达到提升学习效果和强化专业能力的目标。虚拟化、数字化实验课程将直接影响高校的实验教学水平，是高校实验教学建设和改革的重要方向。

参考文献

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