電力系統仿真教學建設與實踐

王艷紅，李 強

（河北師范大學職業技術學院，河北 石家莊 050000）

0 引言

電力系統是國民經濟和社會發展的重要保障，具有覆蓋面廣、電壓等級高、安全要求高等特點，電力系統的運行管理和維護是電力系統工作崗位的主要職責，也是學院電氣工程及自動化專業的重點教學內容。在傳統授課模式的基礎上，安排學生以課程內容和企業需求構建虛擬仿真資源庫，教師負責宏觀指導，培養學生的創新思維和實驗操作能力，激發學生參與課堂學習的積極性，實現師生共研，整合豐富的信息化教學資源，創造主動式、協同式、研究式的信息化學習環境，為學生個性化學習創造了條件，深化課堂教學改革，提升教學質量有重要作用。

1 研究的意義

傳統電氣工程及其自動化專業課程的實踐教學依附于理論課程的教學體系，這種傳統的教學方法存在的問題：①實踐課僅僅是對理論的簡單驗證，缺乏對所學知識進行融會貫通，舉一反三能力的培養。②實踐內容重復，缺乏完整性，僅局限于本課程內容的實驗，而與其他課程的橫向聯系較少。③缺乏對學生綜合素質的培養，對實踐課程的總體缺乏認識。電力系統仿真教學適合目前高校要求，具有傳統實踐課程不可比擬的優點：

（1）電力系統虛擬仿真平臺的可擴展性。電力系統的電壓等級一般都在10kV以上，對實驗室的各項指標都要求很高，實驗平臺成本很大，傳統實驗室不具備實驗條件，危險系數大，仿真技術可以實現電力系統的工作原理和控制的動作過程，尤其虛擬仿真實驗平臺能夠覆蓋較多類型的電力系統，火電、水電、風電、太陽能發電、分布式電源，既能夠解決實驗成本過高，危險系數過大的問題，還能夠讓學生對真實電力系統的變電所，發電廠有更深的理解認識[1]。

（2）電力系統仿真平臺的科研性。針對學科學術型人才培養，鼓勵學生結合仿真項目，設計可由學生獨立開展研究的課題，不僅使學生了解學科優勢和發展方向，同時使學生對自身能力的培養目標更加明確。逐步提高學生的英文讀寫能力，提升學生自主組織，管理和推動項目的能力，提高個人的科研素養，培養學生協調及與人交際能力，使學生的綜合素質得到提升。

（3）電力系統仿真平臺的多課程融合性。電氣專業課程多并且難以理解，如果光通過理論講解，部分學生不能很好地掌握，如果各個專業課程均建立仿真模型庫，把課程中的知識點通過仿真軟件演示出來，驗證理論的準確性，這樣學生通過剖析仿真案例進行理論教學，學生覺得書本上的理論知識與電網的實際對象緊密地聯系起來了，覺得書本內容不是那么枯燥，而且很實用，有助于提高他們對該課程的興趣和學好課程的信心。

2 平臺建設存在的主要問題

目前，學院已經成功申請了《分布式能源配電虛擬仿真實驗》和《工業機器人流水線虛擬仿真實驗》這兩項虛擬實驗教學項目，依托學院《電力系統分析》《電氣plc》《發電廠電氣部分》《繼電保護》等課程開展虛擬仿真教學項目建設，探索信息技術與電力實驗實訓教學相融合，體現了多學科交叉融合及新工科的特點，在2019、2020、2021年對電氣工程及其自動化學生進行了實驗實訓，仍然存在著一些問題：

2.1 學生學習興趣不持久，實訓變成應付式

虛擬仿真軟件將場景進行三維可視化模擬仿真，學生在實訓過程可以通過鍵盤、鼠標等工具實現在虛擬場景中快速切換場景、自主行走、全方位任意交互漫游，實訓猶如游戲。實訓開始的確激起了學生濃厚的學習興趣，但是隨著實訓的進行，學生發現仿真實訓不等同于游戲，需要相關的理論知識支撐，還需要了解枯燥的規范條件，容易失去興趣。

2.2 仿真實訓操作簡單化，不能激勵學生創新意識

經實訓兩個仿真實驗發現，仿真操作簡單，例如《分布式能源配電虛擬仿真實驗》進行倒閘操作的二維動畫界面，電氣主接線形式不能改變，只能對其中的4條線路進行倒閘操作，結構形式單一，不能隨時改變發電廠或變電站的進線和出線數目，不能改變母線的運行方式，導致倒閘操作步驟固定，不靈活。變電所的三維界面與實際變電所的配置存在一定差異，在進行倒閘操作的過程中，只有一人進行操作，與實際倒閘操作至少2人的原則有出入，會對學生有一定的誤導。另外虛擬仿真實驗存在著課程對應知識點少的問題，一門課的知識點可以達到近百個，但是我們的虛擬仿真實驗里涉及的知識點僅有十幾個，不能充分的與理論聯系在一起。

2.3 考核評價過于死板，不能反映學生真實水平

仿真實訓是在電腦上操作，使用鍵盤、鼠標便可開展實訓。大部分仿真實訓軟件能開展模擬訓練、模擬考核，考核評價方式都比較單一，與仿真實訓操作存在相同的問題：學生在不懂任何相關理論知識、操作規范、工藝流程的情形下，也能順利通過考核，并且能獲得不錯的成績，甚至有些仿真實訓軟件，可以同時進行模擬訓練與模擬考試，仿真實訓教材容易實施“作弊”，考核形同虛設，考核成績根本無法反映學生真實水平[2]。

3 平臺建設措施

3.1 開發搭建多元化、多層次的電力系統仿真平臺

電力系統涉及很多相關學科，是由各個相關的知識群構成的，仿真實踐教學平臺中的知識結構應是多課程融合的知識體現，因此需要搭建多元化、多層次的仿真平臺，一是基于現有教學知識體系，搭建涵蓋專業基礎課、專業課、實習實驗課的仿真平臺，體現教學內容的實用性、教學手段的形象性、教學情境的仿真性；二是平臺覆蓋面廣，面向常見電力系統崗位技能要求，充分利用虛擬仿真技術，真實地再現真實的現場工作情境，例如水電、火電、風電等電力系統的運行維護崗位，整合、序化課程的教學內容，精心設計教學過程，滿足理論學習與技能培訓需求[3]。

3.2 根據課程內容和企業需求構建仿真資源庫

詳細分析課程內容和企業需求，確定課程所需要開設的驗證性實驗、綜合性實驗、創新性實驗等。采用準企業實踐模式，將課程實驗的內容進行整合，以生產項目或案例形式確定綜合實驗和創新型實驗，并在此基礎上構建仿真模型庫。采用模塊化思想進行設計，將電力系統多門主要課程以知識點模塊的形式，通過PSCAD軟件和MATLAB軟件為計算平臺，建立相關模型，搭建仿真資源庫，用于后期仿真演示及驗證主要課程的相關理論。另外通過基礎仿真軟件搭建的仿真庫，可以充分利用課程設計、生產實習、畢業設計等實踐教學環節，理論聯系實際、學用結合，培養學生分析問題、解除問題的實踐能力。讓學生積極參與與專業課程相關的課外科研活動，更全面有效地培養學生的科研創新能力和綜合素質本領，加快培養出高素質人才。

3.3 基于仿真平臺的考核評價研究

虛擬仿真實訓能有效節約教學成本，容易實施長久反復訓練，能形象、立體呈現龐大、復雜的電力系統，但僅以虛擬系統考核作為技能掌握的評判依據具有一定的片面性，特別是在培養學生的安全、認真、嚴謹等工作意識方面，需結合一定的實操考評，能更好地培養學生團隊合作、分析問題、解決問題等能力。

將虛擬平臺，基礎仿真軟件和實驗設備的應用使用貫穿于理論學習和實驗操作的學習過程，研究分階段、多維度的過程化考核機制，從知識學習、技能掌握、職業意識、課程思政等方面考核學生，提高教學質量。

4 結語

電力系統虛擬仿真和基礎仿真軟件相結合的平臺建設，形成了虛實結合的教學體系，采用“理論+虛擬+實踐”一體化的教學模式，將理論知識分塊融入實踐操作過程中，本著以學生為主的原則，增加仿真體驗，著重訓練學生的實際操作技能。并且采用任務驅動教學法，教師通過布置課程仿真模塊搭建任務，逐漸提升學生的問題分析和處理能力，適合目前高校廣泛采用的過程化考核方案需要，增大平時成績比例，弱化期末考試成績的比重，形成了一套全方位的、分階段、多元化的過程化考核機制。