一種半虛擬的電氣本科實驗教學研究

王智東 楊 玲 鄧豐強 周懷欣 廖中熙

(華南理工大學 電力學院， 廣州 510640)

實驗教學作為知識與實踐的橋梁，能讓學生順利地理解知識，并且印象深刻，是工科教學中的一種至關重要的手段。相較于理論教學，實驗教學多依賴于實驗設備和實驗手段[1]。當前本科實驗教學多以實際的物理實驗平臺方式為基礎，由于物理實驗平臺功能較為固定，容易受限于實驗平臺自身的約束，實驗教學只能開設平臺事先設計好的實驗。

虛擬仿真技術的發展，為本科實驗教學改革帶來了新的發展空間。在現有實驗教學基礎上，引入仿真實驗教學，不僅能彌補現有實驗教學內容的不足，而且能夠幫助學生加深對電力系統以及電氣設備的運行機理的理解和掌握，是對電氣專業理論教學的一個有力補充[2]。同時，虛擬仿真教學具有較高的靈活性和開發性，能夠有效激發學生的學習興趣，有利于引導學生將仿真技術應用到工程實踐中，提高學生分析解決實際工程問題的能力。

在分析當前工科主要的本科實驗教學手段基礎上，提出“物理平臺+虛擬仿真”的本科實驗教學方法，充分利用物理平臺具有的生動直觀優點和虛擬仿真具有的靈活易擴展優點，協同發展更好為本科實驗教學服務。并以電氣工程專業的繼電保護實驗課程為例，說明構建“物理平臺+虛擬仿真”實驗教學的方法。

1 實驗教學挑戰與對策

各高校在將虛擬仿真技術應用于電氣專業教學的探索過程中，可主要分為兩種技術方法[3]：①物理仿真實驗技術(VR)與軟件仿真實驗技術形成的仿真實驗平臺；②虛擬現實。

仿真實驗平臺采用“以個人計算機為載體，以應用軟件為后臺支撐”的軟件仿真實驗平臺結構，該方法具有實驗環境建設經費投入少、建設周期短的優點，軟件系統可長期使用并可升級；每名學生可獨自用一個實驗平臺進行實驗，且實驗時間不受課程進度影響。采用仿真軟件開展電氣工程專業實驗的綜合效益較高。但也有不足：①仿真軟件運行的基礎為計算機操作系統，若學生計算機應用能力不強，則實驗操作困難；②仿真軟件仍采用簡化的二維圖形表示電力系統裝置或器件，建立的系統模型不直觀，學生缺少對電機等電氣設備的感性認識；③仿真實驗中是用簡單的圖形表示元件，無從了解設備內部構造。

虛擬現實是以計算機技術為核心，綜合運用系統仿真技術、圖形圖像技術、傳感器技術、通信技術等先進科技生成的具有沉浸感、可進行人機交互的虛擬環境。虛擬現實實驗具備靈活性好、擴展性強很多優點，但是目前虛擬現實還處于起步階段，面臨著諸多挑戰：①VR技術仿真計算能力缺失或者不足。VR實驗即虛擬現實不具備Matlab等仿真軟件的計算能力，較難實現電機實驗中的測量、分析、建立模型等深層次內容。有高校給VR平臺建立C++語言，實現VR計算能力，但是跟成熟的電力系統仿真計算軟件的計算能力差距很大。②VR技術的作用主要體現在沉浸式的觀看體驗上，注重設備外觀等直觀體驗，較少涉及機理性內容。③VR建模需要較高的人力成本和精力，一般的課程難以實現。

上述的仿真實驗平臺、虛擬現實和常見的實物試驗臺教學方法，是目前高校中電氣工程專業開展實驗課程的三種主要方式，如圖1所示。三種方法各有優缺點，就以教學效果而言，還期望能同時充分融合三種實驗教學方法優點、發揮各種方法長處的實驗教學模式。經過對比分析，選擇了主要利用仿真實驗平臺的方法進行后續研究。

圖1 當前主要實驗教學手段

2 半虛擬全景式電氣實驗教學

目前高校中電氣工程專業開展實驗課程的三種方式“實物化試驗臺教學”“仿真軟件平臺教學”“虛擬現實教學”各有優缺點。

在系統分析當前實驗教學手段基礎上，提出一種“設備平臺+虛擬仿真”半虛擬全景式教學實驗方式兼具實物平臺和仿真平臺的“設備平臺+虛擬仿真” 半虛擬全景式教學實驗方法，綜合各種實驗教學方法的優點，結合電氣學科特點，實現學生“24小時”全方位實驗學習。同時，也滿足教師和學生通過實驗開展研究工作的需求。該方法針對不同電氣實驗課程特點融合了實物型實驗和虛擬平臺的優點，既具備實物實驗直觀方便的優點，又具備虛擬仿真的靈活性和豐富性，設計思路如圖2所示。

圖2 電氣學科產業實驗教學方案

半虛擬全景式教學實驗方式的教學手段具有三種主要的方式：①利用現有的教學實驗裝置完成基礎的實驗。這一點在充分利用了現有的實物型實驗設備的基礎上彌補了仿真實驗不夠直觀的缺點。②基于PSCAD、Simulink等仿真軟件開展仿真實驗。仿真實驗充分利用了仿真軟件靈活、擴展性強的特點，大大豐富了可開展實驗的類型。這一特點彌補了實物型實驗不夠靈活的缺點。③結合高壓、繼保、電機等電氣學科不同課程的特點，因“課程”制宜地發揮實物設備和虛擬仿真方法各自的優點，通過自主開發對應的虛擬仿真軟件，實現完備的實驗教學功能。

3 實例

華南理工大學繼電保護實驗室配備了多臺物理實驗平臺，現有繼保實驗平臺由8套DJZ型實驗臺和1個控制臺工控機組成，可以完成電磁式繼電器特性、三段電流保護、距離保護、變壓器差動保護等經典實驗[4]，可做的實驗項目相對固定。

為了適應繼電保護信息化、網絡化和智能化的發展趨勢，結合IEC 61850標準，在物理實驗平臺基礎上，以硬件設備“軟化”方式，擴展了過程總線、虛擬智能電子設備(IED)等功能[5]，以仿真方式與原有硬件平臺“交互”，實現虛擬仿真與物理平臺相結合的新型本科實驗。

實物型的實驗平臺和虛擬仿真平臺通過過程總線進行電氣量的傳輸、交換，物理實驗平臺采集學生所操作的機器的電氣量，通過過程總線輸進虛擬平臺，需要進行回傳的數據也需通過過程總線。也就是說過程總線所在的分層結構最接近電力一次系統，是整個電力系統電氣量采集和開關動作的基礎。過程總線以通信網絡形式取代了傳統電力系統的“硬接線”，用于傳遞電力系統電氣量值和開關狀態以及命令等重要信息。

通過微機裝置中的RS485總線與控制臺的工控機相連，形成一個通過RS485總線實現實驗控制臺與實驗臺可信息交換的網絡化結構。微機裝置通過自定義的報文格式與工控機交換信息，實現電流和電壓等模擬量的具體數值信息，以及開關狀態和操作等簡單信息在二者之間的傳遞。

充分利用實驗臺完整的電力一次系統功能，以及RS485通信功能擴展教學實驗。若是較為簡單的實驗，如直接調整變量觀測結果等，則直接在實驗臺上進行操作，若是普通實驗臺無法實現的復雜操作，如需要復雜算法或者編程等實現的，可以將物理平臺上由學生操作所采集到的數據量傳至虛擬平臺，由虛擬平臺進行模擬和計算之后，將產生的結果傳送到模擬軟件中或是回傳到物理平臺，使其顯現于軟件界面或者物理平臺上。通過這種方式，在實驗教學中可以讓學生體驗到的實驗種類會大大增加，一些難以單靠物理實驗臺解決的實驗也能通過虛擬平臺得到更高質量的教學。

實驗控制臺的工控機作為整個系統的核心，通過軟件編程使其實現過程總線適配器的功能，如圖3所示。由學生操控的物理平臺和虛擬平臺通過過程總線進行電氣量的交換。通過這些數據的交換，虛擬系統可以給物理平臺以輔助，實現一些物理平臺難以實現的操作或者運算，對實驗內容進行補充和拓展。

圖3 物理平臺+虛擬仿真繼電保護實驗教學

上述內容所提到的這種半虛擬實驗教學方式集物理平臺和虛擬平臺的優勢于一身，大大提升了教學質量，且成本不高，安全性好。在條件允許的情況下，這種實驗教學方法有望大量普及。

4 結語

為了進一步擴展實驗教學手段，提出“物理平臺+虛擬仿真”的本科實驗教學方式，既能充分發揮物理實驗平臺的直觀、生動的優點，又通過虛擬仿真方法進行實驗教學功能的擴展性。實驗教學上進行了物理繼保裝置和虛擬過程總線相結合的探索，取得較好的教學效果。