電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺

劉輝+李嘯驄+梁志堅+徐俊華+陽育德

摘要：電氣工程專業實驗教學面臨強電威脅，加之電網不允許破環性實驗，因而虛擬仿真實驗成為發展方向。本文主要介紹了廣西大學虛擬實驗室建設平臺，包括電力云調度仿真教學平臺、電力系統動態模擬與虛擬仿真一體化仿真教學平臺、變電站運行虛擬仿真和虛擬電工/電子技術系統仿真教學平臺。

關鍵詞：電氣工程專業；虛擬仿真實驗；電力云調度；動態模擬仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）15-0275-02

電氣工程專業教學涉及電力工業發電、輸電、配電和用電等各環節，具有高電壓、大電流、接線復雜、規模龐大、設備種類繁多等特點，不可避免地面臨強電威脅，給師生造成了安全隱患。因此，為了逼真再現電力工業各環節操作過程和運行狀態，讓學生了解電力工程運行、虛擬仿真成為了電氣工程專業實驗教學的重要手段，是當今各高等院校電氣工程專業實驗教學的發展方向。

一、電氣工程專業虛擬仿真實驗室現狀

1.國外情況。早在上世紀80年代，麻省理工大學開始建立Weblab在線實驗室，于1988年投入使用。隨后，美國政府在天體物理、海洋學、核科學等領域建立了虛擬實驗室示范工程，各大高等院校電氣工程專業也開始籌建虛擬實驗室。例如，美國猶他州立大學把Matlab與LabView相結合，利用兩種軟件開發在線電磁兼容課程。近年來，也有研究將虛擬實驗室用于新能源教學、電力系統故障分析教學等。

2.國內情況。國內電氣工程虛擬實驗室建設起步較晚，但發展非常迅速。天津大學建立了電氣自動化虛擬仿真實驗教學中心，引入仿真和半實物實時仿真技術，具備風、光、海洋能等多源分布式發電、儲能、智能配電和能源管理等設計和仿真能力。東北電力大學建立了電力工業生產過程虛擬仿真實驗教學中心，能仿真亞臨界到超超臨界國內機組，可模擬核電廠電能生產過程，以及35kV—500kV變電站電能傳輸和分配過程。此外，其他高等院校也建立了電氣工程虛擬仿真實驗室，如西安交通大學建立了核電廠與火電廠系統虛擬仿真實驗教學中心、南京理工大學的電氣工程及自動化虛擬仿真實驗教學中心、三峽大學的輸電線路工程實驗教學中心等。

二、廣西大學電氣工程虛擬仿真實驗教學平臺

廣西大學電氣工程專業在“中西部高校提升綜合實力計劃”、“211工程”、“省部共建”、自治區重點實驗室、“電氣工程卓越工程師教育培養計劃”、教育部教學質量工程等建設經費的支持下，形成了“電力云調度”、“電力系統動態模擬與數字仿真一體化”、“變電站運行虛擬仿真”和“虛擬電工/電子技術”虛擬仿真實驗教學平臺。

1.電力云調度。該平臺以云調度自動化系統為核心，組建專業基礎理論、電網監視與控制系統（SCADA）、能量管理系統（EMS）等三大模塊化實驗系統，如圖1所示。平臺功能包括調度員潮流、狀態估計、負荷預測、故障計算、線損計算等。該平臺將“云計算”技術與電網運行相結合，打造“互聯網+”實驗教學模式，以Web形式發布，學員可通過互聯網使用該平臺。

2.電力系統動態模擬與虛擬仿真一體化仿真。該平臺由電力系統動態模擬實驗平臺（實際物理系統）和ADPSS數字仿真平臺（虛擬仿真系統）組成，實現虛實混合仿真實驗，其原理如圖2所示。在ADPSS平臺上，搭建虛擬電力系統，通過接口裝置，將真實電力系統的發電機勵磁控制和調速控制及繼電保護等裝置與虛擬電力系統相連，并根據虛擬電力系統運行狀態，對虛擬電力系統進行保護和控制，實現虛實混合仿真。

3.變電站運行虛擬仿真。該平臺是基于電網調度員培訓軟件及BPA等電網仿真軟件開發的虛擬仿真平臺，主要包括變電站運行虛擬仿真實驗系統，110kV變電站虛擬仿真實驗系統和220kV變電站虛擬仿真實驗系統，可模擬電網的運行工況，實施變電站倒閘操作，使學生了解、掌握電網運行狀態的多樣性。

4.虛擬電工/電子技術系統仿真。該平臺以Multisim、NI ELVISmx、LabVIEW等虛擬仿真軟件，構建口袋式電子虛擬仿真實驗。該平臺作為傳統電路理論、電工技術等課程實驗教學的補充，將實驗教學在內容、形式、時間和空間上進行拓展，充分發揮虛擬儀器資源豐富和虛擬仿真靈活的優勢，提升學生的實驗創新能力。

三、結論

電力工業具有高電壓、大電流等特點，使電氣工程實驗教學面臨強電威脅，加之真實電網不允許破壞性實驗，因而虛擬仿真實驗成為電氣工程實驗教學的發展方向。本文主要介紹了廣西大學虛擬實驗仿真平臺：（1）“電力云調度”仿真以Web形式，將“云計算”技術與電網運行分析相結合，打造“互聯網+”實驗教學模式。（2）“電力系統動態模擬與虛擬仿真一體化”仿真，將電力系統動態模擬和虛擬仿真相連接，實現電力系統虛實混合一體化仿真實驗教學。（3）變電站運行虛擬仿真，可模擬電網運行，實施變電站倒閘操作，使學生了解、掌握電網運行狀態的多樣性。（4）“虛擬電工/電子技術系統”仿真，充分發揮虛擬儀器資源豐富和虛擬仿真靈活的優勢，將實驗教學在內容、形式、時間和空間上進行拓展，提升學生的實驗創新能力。

參考文獻：

[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.

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http：//evlab.tust.edu.cn/index.html.

[3]東北電力大學.電力工業生產過程虛擬仿真實驗室教學中心[DB/OL].

http：//fzzx.nedu.edu.cn/index.htm.

[4]西安交通大學.核電廠與火電廠系統虛擬仿真實驗教學中心[DB/OL].

http：//nppvsc.xjtu.edu.cn/

[5]南京理工大學.電氣工程及自動化虛擬仿真實驗教學心[DB/OL].

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

[6]三峽大學.輸電線路工程實驗教學中心[DB/OL].

http：//sdxlgc.ctgu.edu.cn/