《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》的建設(shè)與應(yīng)用

洪寶棣 宗哲英

摘要：本文通過(guò)闡述《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)的必要性、仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要內(nèi)容和基本功能，結(jié)合專業(yè)課程建設(shè)介紹了機(jī)電工程學(xué)院《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心目前的建設(shè)情況，通過(guò)平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)一步推動(dòng)虛擬仿真教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，加快了內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);建設(shè)與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）12-0276-03

虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)是以虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡(jiǎn)稱VR）技術(shù)為基礎(chǔ)，借助于多媒體、人機(jī)交互等多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的新興技術(shù)，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果、反饋與真實(shí)實(shí)驗(yàn)完全一致，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)大綱的教學(xué)要求的新興技術(shù)[1，2]。

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用在高校專業(yè)課教學(xué)中還處于初步階段，怎樣建立有效的虛擬仿真教學(xué)資源，使虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中充分發(fā)揮其作用，提高高校學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力及就業(yè)創(chuàng)業(yè)能力，成為高校教育工作者面臨的新挑戰(zhàn)[3]。

一、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的必要性

教育部辦公廳近年來(lái)在全國(guó)高校大力推行《國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心》《示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目》的建設(shè)工作，指出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的建設(shè)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向。機(jī)電工程學(xué)院在這個(gè)時(shí)代背景下，依托自身的優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，根據(jù)有多年豐富專業(yè)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的一線教師思路和要求，借鑒兄弟院校實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)，委托專業(yè)公司通過(guò)最先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定制的適用于電力、自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)，注重理論結(jié)合實(shí)踐、教師和學(xué)生的互動(dòng)，完全服務(wù)于教學(xué)，建立起來(lái)的《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》，依靠在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊，解決了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，如電壓高、輻射性強(qiáng)、破壞性且花費(fèi)昂貴的試驗(yàn)，在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)施的一些重要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)交互功能完善的在線虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，得以輕松實(shí)現(xiàn)[4]。

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》的內(nèi)容主要涉及火力發(fā)電廠、高壓變電站等高危生產(chǎn)企業(yè)的高電壓、大電流設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程的專業(yè)知識(shí)。中心按實(shí)驗(yàn)建設(shè)總體框架，開(kāi)發(fā)了發(fā)電廠電氣、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、工廠供電課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并在這一過(guò)程中總結(jié)建設(shè)、開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持，為后續(xù)的模塊如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電的開(kāi)發(fā)，也為其他院校同專業(yè)提供實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)和資源共享起到示范作用，極具參考價(jià)值，推動(dòng)農(nóng)業(yè)大學(xué)其他學(xué)院的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的內(nèi)容

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》內(nèi)容包括：電氣化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站、變電站運(yùn)行和故障狀態(tài)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、火電廠生產(chǎn)過(guò)程仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)四部分，如圖1所示。

建立的校園門戶網(wǎng)站可對(duì)校內(nèi)外公布虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息、提供虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)鏈接等相關(guān)服務(wù)，達(dá)到教學(xué)資源開(kāi)放共享的目的。平臺(tái)具有信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)交流、成績(jī)?cè)u(píng)定、成果展示的功能，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)方操作，自動(dòng)評(píng)判對(duì)錯(cuò)，并進(jìn)行錯(cuò)誤分析，及時(shí)發(fā)布成績(jī)，使學(xué)生第一時(shí)間了解自己的學(xué)習(xí)成果。

變電站運(yùn)行與操作的模塊可實(shí)現(xiàn)：正常監(jiān)視、缺陷處理，線路停送電操作;正常運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)記錄及不同頁(yè)面瀏覽;變電站常見(jiàn)設(shè)備的缺陷處理流程;變電站的事故處理流程及作業(yè)。變電站倒閘操作的模塊可實(shí)現(xiàn)：斷路器操作步驟，變壓器、線路的倒閘操作順序，倒閘操作票的生成及操作注意事項(xiàng)。變電站設(shè)備故障與分析的模塊實(shí)現(xiàn)：電氣設(shè)備事故模擬，故障判別與分析，設(shè)備異常與缺陷判斷，電氣設(shè)備事故處理與注意事項(xiàng)等。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)生可利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在虛擬仿真的750kV變電站漫游，如圖2所示。

在場(chǎng)景中了解主要電氣高壓設(shè)備的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣一次部分和二次部分的配合使用情況，可按照操作票進(jìn)行斷路器、隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行合、跳閘操作，模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作流程。

火力發(fā)電廠的生產(chǎn)過(guò)程的模塊實(shí)現(xiàn)（如圖3所示）：顯示鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)三大主機(jī)的設(shè)備構(gòu)造，燃煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、汽水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、工藝流程和運(yùn)行參數(shù)。可對(duì)整個(gè)火電廠生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，顯示系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可利用透視技術(shù)展示輸煤系統(tǒng)等核心設(shè)備與實(shí)際完全一致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)工作原理進(jìn)行虛擬仿真，注釋各設(shè)備的名稱、參數(shù)和功能。

電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)仿真教學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)：對(duì)變壓器、電纜等設(shè)備的常規(guī)高電壓預(yù)防性試驗(yàn)和高電壓絕緣破壞試驗(yàn)，集中展示實(shí)際中的火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)中的高電壓電氣設(shè)備。采用三維模擬技術(shù)，按試驗(yàn)步驟連接各試驗(yàn)儀器的三維模型，施加高于正常值的試驗(yàn)電壓，觀察試驗(yàn)結(jié)果等。實(shí)現(xiàn)實(shí)際中無(wú)法開(kāi)展的高電壓、大電流等高危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)，如圖4所示;展示高壓擊穿、放電等實(shí)際中不易見(jiàn)到實(shí)際效果。為高校學(xué)習(xí)強(qiáng)電專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)提供了新的方法和資源，解決了實(shí)地實(shí)習(xí)無(wú)場(chǎng)地、專業(yè)課實(shí)驗(yàn)無(wú)法動(dòng)手實(shí)踐的困難。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的功能

（一）漫游功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》通過(guò)3D技術(shù)提供情景式體驗(yàn)教學(xué)模式，用戶能體驗(yàn)到真實(shí)的場(chǎng)景和環(huán)境，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)、通過(guò)透視技術(shù)看到隱蔽工程。學(xué)生在該平臺(tái)漫游進(jìn)入真實(shí)的發(fā)電廠和變電站中，增強(qiáng)學(xué)習(xí)印象，巡視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與設(shè)施時(shí)有沉浸感，真正實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的融合。

（二）人機(jī)交互功能

人機(jī)交互（Human-Computer Interaction）功能即用戶通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用。用戶通過(guò)人機(jī)交互界面與系統(tǒng)交流，并進(jìn)行操作。在實(shí)驗(yàn)室學(xué)生人手一臺(tái)電腦進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備操作，學(xué)生可按教師指導(dǎo)操作也可通過(guò)自己的想法自主操作，拖動(dòng)鼠標(biāo)對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)一對(duì)一、一對(duì)多的操作，通過(guò)對(duì)虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行自然和諧的交互操作，生動(dòng)再現(xiàn)傳統(tǒng)課堂學(xué)到的專業(yè)知識(shí)。

（三）演示功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》可演示變電站正常操作流程、操作方法，也可演示故障狀態(tài)和現(xiàn)象，對(duì)錯(cuò)誤操作還有專門的演示，以此加深學(xué)生對(duì)錯(cuò)誤操作引起事故的印象。利用這個(gè)功能對(duì)于學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)、掌握電氣設(shè)備運(yùn)行等具有很好的效果，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)專業(yè)課內(nèi)容的理解與掌握。

（四）考核功能

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》網(wǎng)站提供練習(xí)題庫(kù)與考試題庫(kù)，可自動(dòng)評(píng)分。例如，執(zhí)行操作票時(shí)，在虛擬變電站中按要求進(jìn)行完整的操作票操作，每一步通過(guò)API接口訪問(wèn)實(shí)時(shí)仿真引擎，動(dòng)態(tài)獲取學(xué)生的操作數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前模型的系統(tǒng)狀態(tài)和評(píng)定邏輯，動(dòng)態(tài)智能測(cè)評(píng)，分別評(píng)測(cè)出每個(gè)步驟的分?jǐn)?shù)，最后給出學(xué)生的正確步驟獲得的分?jǐn)?shù)和總成績(jī)。

四、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的應(yīng)用

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》按照規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)框架，面向機(jī)電工程學(xué)院電氣化、農(nóng)業(yè)電氣化電和自動(dòng)化三個(gè)本科專業(yè)，主要圍繞電氣工程及其自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)本科生展開(kāi);在這個(gè)平臺(tái)上通過(guò)3D模擬場(chǎng)景和電氣設(shè)備，研制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用到專業(yè)課教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)中（實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)及科技創(chuàng)新）的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，注重理論結(jié)合實(shí)踐和師生之間的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高危、無(wú)法進(jìn)行的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。初期受益學(xué)生估算約240人左右（每屆電氣、農(nóng)電專業(yè)學(xué)生總數(shù)）。

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)之前對(duì)學(xué)生的基本要求是：完成專業(yè)基礎(chǔ)課《電機(jī)學(xué)》《電力系統(tǒng)分析》《電力工程基礎(chǔ)》和專業(yè)課《發(fā)電廠電氣》《高電壓技術(shù)》，做完《發(fā)電廠電氣部分》和《電力工程基礎(chǔ)》的課程設(shè)計(jì)，具有一定電力工程設(shè)計(jì)、電氣運(yùn)行基礎(chǔ)知識(shí)和能力后才能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，最大限度保障實(shí)驗(yàn)的效果。

應(yīng)用中體現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)[5]有以下幾點(diǎn)。第一，提升教學(xué)效果。逼真、立體的表現(xiàn)形式可讓抽象的實(shí)驗(yàn)過(guò)程形象逼真演示出來(lái)，教師可結(jié)合實(shí)際的教學(xué)需求，通過(guò)音頻、視頻、圖像等多媒體技術(shù)最大限度地發(fā)揮虛擬器件資源的優(yōu)勢(shì)，學(xué)習(xí)者體驗(yàn)置身其中的感覺(jué)，在互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加趣味性，提升教學(xué)效果。第二，安全、直觀演示危險(xiǎn)的極端破壞性實(shí)驗(yàn)等，如變壓器、電纜破壞性試驗(yàn)，施加非正常高電壓情況下獲取數(shù)據(jù)分析判斷檢查設(shè)備的隱患。第三，豐富課堂教學(xué)形式，打破只有教師“獨(dú)角戲”單純進(jìn)行講授，變成大家都參與的學(xué)習(xí)方式。第四，利用快捷方便的網(wǎng)絡(luò)把實(shí)驗(yàn)室搬回家，不僅可隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn);還可實(shí)現(xiàn)資源共享，節(jié)約建設(shè)投入。

《電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)》的教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“教”“學(xué)”“練”“考”一體化。從機(jī)電工程學(xué)院的建設(shè)情況來(lái)看，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的構(gòu)建可以實(shí)現(xiàn)高等教學(xué)信息化，提高現(xiàn)有資源的使用效益。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)條件便利、安全性高和實(shí)驗(yàn)成本低的優(yōu)勢(shì)，使其在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中享有越來(lái)越重要的地位。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)靈活、擺脫時(shí)間與空間的各種限制等優(yōu)點(diǎn)，在高校自身投入有限的條件下[6，7]，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源共享、人盡其才、財(cái)盡其力、物盡其用，不僅是推動(dòng)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新的重要方向、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源結(jié)構(gòu)的重要途徑，也是高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)和必由之路。

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The Establishment and Application of the Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System

HONG Bao-di，ZONG Zhe-ying

（College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，

Inner Mongolia 010010，China）

Abstract：This paper introduces the necessity of building an experimental center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" and main contents and basic functions of the virtual simulation experimental platform and demonstrates the current construction situation of the experimental teaching center of the "Virtual Simulation Experimental Platform of the Electric Power System" in the Mechanical and Electric Engineering Institute in combination with professional curriculum，which further promote a general application of the virtual simulation teaching mode in experimental teachings and accelerate the reforms and innovations of the virtual simulation experimental teaching at the Inner Mongolia Agricultural University.

Key words：virtual simulation;experimental teaching;construction and application