《电力系统虚拟仿真实验平台》的建设与应用

洪宝棣 宗哲英

摘要：本文通过阐述《电力系统虚拟仿真实验平台》实验中心建设的必要性、仿真实验平台的主要内容和基本功能，结合专业课程建设介绍了机电工程学院《电力系统虚拟仿真实验平台》实验教学中心目前的建设情况，通过平台的建设进一步推动虚拟仿真教学模式在实验教学中的广泛应用，加快了内蒙古农业大学虚拟仿真实验教学的改革与创新。

关键词：虚拟仿真;实验教学;建设与应用

中图分类号：G642     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）12-0276-03

虚拟仿真教学系统是以虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术为基础，借助于多媒体、人机交互等多种计算机技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象的新兴技术，学生可以在虚拟环境中开展实验，实验效果、反馈与真实实验完全一致，从而实现教学大纲的教学要求的新兴技术[1，2]。

虚拟仿真技术的应用在高校专业课教学中还处于初步阶段，怎样建立有效的虚拟仿真教学资源，使虚拟仿真技术在实践教学中充分发挥其作用，提高高校学生的创新能力、动手能力及就业创业能力，成为高校教育工作者面临的新挑战[3]。

一、虚拟仿真实验教学中心建设的必要性

教育部办公厅近年来在全国高校大力推行《国家级实验教学示范中心》《示范性虚拟仿真实验教学项目》的建设工作，指出虚拟仿真实验教学中心的建设是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是推动高校实验教学改革与创新的重要方向。机电工程学院在这个时代背景下，依托自身的优势实验教学资源，根据有多年丰富专业教学经验的一线教师思路和要求，借鉴兄弟院校实践教学平台的经验，委托专业公司通过最先进技术实现定制的适用于电力、自动化专业教学，注重理论结合实践、教师和学生的互动，完全服务于教学，建立起来的《电力系统虚拟仿真实验平台》，依靠在线虚拟实验教学模块，解决了传统的实验教学环节，如电压高、辐射性强、破坏性且花费昂贵的试验，在现实中无法实施的一些重要的专业实验，通过交互功能完善的在线虚拟实验教学的模式，得以轻松实现[4]。

《电力系统虚拟仿真实验平台》的内容主要涉及火力发电厂、高压变电站等高危生产企业的高电压、大电流设备及生产过程的专业知识。中心按实验建设总体框架，开发了发电厂电气、高电压技术、电力系统继电保护、工厂供电课程的虚拟仿真实验模块，并在这一过程中总结建设、开发的经验和技术支持，为后续的模块如风力发电、太阳能发电的开发，也为其他院校同专业提供实践的经验和资源共享起到示范作用，极具参考价值，推动农业大学其他学院的虚拟仿真实验教学建设。

二、虚拟仿真实验教学平台的内容

《电力系统虚拟仿真实验平台》内容包括：电气化虚拟仿真实验教学网站、变电站运行和故障状态虚拟仿真教学实验系统、火电厂生产过程仿真教学实验系统、电气设备绝缘试验仿真教学实验系统四部分，如图1所示。

建立的校园门户网站可对校内外公布虚拟仿真实验教学信息、提供虚拟仿真实验教学平台链接等相关服务，达到教学资源开放共享的目的。平台具有信息发布、数据收集分析、互动交流、成绩评定、成果展示的功能，可通过网络远方操作，自动评判对错，并进行错误分析，及时发布成绩，使学生第一时间了解自己的学习成果。

变电站运行与操作的模块可实现：正常监视、缺陷处理，线路停送电操作;正常运行时数据记录及不同页面浏览;变电站常见设备的缺陷处理流程;变电站的事故处理流程及作业。变电站倒闸操作的模块可实现：断路器操作步骤，变压器、线路的倒闸操作顺序，倒闸操作票的生成及操作注意事项。变电站设备故障与分析的模块实现：电气设备事故模拟，故障判别与分析，设备异常与缺陷判断，电气设备事故处理与注意事项等。

通过该实验项目学生可利用三维虚拟现实技术在虚拟仿真的750kV变电站漫游，如图2所示。

在场景中了解主要电气高压设备的外形、内部结构、电气一次部分和二次部分的配合使用情况，可按照操作票进行断路器、隔离开关进行合、跳闸操作，模拟实际现场工作流程。

火力发电厂的生产过程的模块实现（如图3所示）：显示锅炉、汽机、发电机三大主机的设备构造，燃煤系统、制粉系统、汽水循环系统的设备构成、工艺流程和运行参数。可对整个火电厂生产过程进行模拟，显示系统参数，同时该虚拟仿真实验平台还可利用透视技术展示输煤系统等核心设备与实际完全一致的内部结构，对工作原理进行虚拟仿真，注释各设备的名称、参数和功能。

电气设备绝缘试验仿真教学模块实现：对变压器、电缆等设备的常规高电压预防性试验和高电压绝缘破坏试验，集中展示实际中的火力发电厂生产过程和现场中的高电压电气设备。采用三维模拟技术，按试验步骤连接各试验仪器的三维模型，施加高于正常值的试验电压，观察试验结果等。实现实际中无法开展的高电压、大电流等高危险的实验，如图4所示;展示高压击穿、放电等实际中不易见到实际效果。为高校学习强电专业学生的实践教学提供了新的方法和资源，解决了实地实习无场地、专业课实验无法动手实践的困难。

三、虚拟仿真实验教学平台的功能

（一）漫游功能

《电力系统虚拟仿真实验平臺》通过3D技术提供情景式体验教学模式，用户能体验到真实的场景和环境，可对设备进行360度旋转、通过透视技术看到隐蔽工程。学生在该平台漫游进入真实的发电厂和变电站中，增强学习印象，巡视现场设备与设施时有沉浸感，真正实现人与虚拟环境的融合。

（二）人机交互功能

人机交互（Human-Computer Interaction）功能即用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作，在虚拟仿真实验中被广泛使用。用户通过人机交互界面与系统交流，并进行操作。在实验室学生人手一台电脑进入虚拟仿真实验平台，利用鼠标、键盘等设备操作，学生可按教师指导操作也可通过自己的想法自主操作，拖动鼠标对设备实现一对一、一对多的操作，通过对虚拟场景中的对象进行自然和谐的交互操作，生动再现传统课堂学到的专业知识。

（三）演示功能

《電力系统虚拟仿真实验平台》可演示变电站正常操作流程、操作方法，也可演示故障状态和现象，对错误操作还有专门的演示，以此加深学生对错误操作引起事故的印象。利用这个功能对于学生进行专业实验课程的设计、掌握电气设备运行等具有很好的效果，进一步加强对专业课内容的理解与掌握。

（四）考核功能

《电力系统虚拟仿真实验平台》网站提供练习题库与考试题库，可自动评分。例如，执行操作票时，在虚拟变电站中按要求进行完整的操作票操作，每一步通过API接口访问实时仿真引擎，动态获取学生的操作数据，根据当前模型的系统状态和评定逻辑，动态智能测评，分别评测出每个步骤的分数，最后给出学生的正确步骤获得的分数和总成绩。

四、虚拟仿真实验教学中心的应用

《电力系统虚拟仿真实验平台》按照规划的实验教学建设框架，面向机电工程学院电气化、农业电气化电和自动化三个本科专业，主要围绕电气工程及其自动化和农业电气化与自动化专业本科生展开;在这个平台上通过3D模拟场景和电气设备，研制、开发应用到专业课教学和实践教学中（实验、课程设计及科技创新）的虚拟仿真实验，注重理论结合实践和师生之间的互动，实现高危、无法进行的试验和生产实习。初期受益学生估算约240人左右（每届电气、农电专业学生总数）。

进入实验之前对学生的基本要求是：完成专业基础课《电机学》《电力系统分析》《电力工程基础》和专业课《发电厂电气》《高电压技术》，做完《发电厂电气部分》和《电力工程基础》的课程设计，具有一定电力工程设计、电气运行基础知识和能力后才能进入实验，最大限度保障实验的效果。

应用中体现虚拟仿真教学的优势[5]有以下几点。第一，提升教学效果。逼真、立体的表现形式可让抽象的实验过程形象逼真演示出来，教师可结合实际的教学需求，通过音频、视频、图像等多媒体技术最大限度地发挥虚拟器件资源的优势，学习者体验置身其中的感觉，在互动实验教学中增加趣味性，提升教学效果。第二，安全、直观演示危险的极端破坏性实验等，如变压器、电缆破坏性试验，施加非正常高电压情况下获取数据分析判断检查设备的隐患。第三，丰富课堂教学形式，打破只有教师“独角戏”单纯进行讲授，变成大家都参与的学习方式。第四，利用快捷方便的网络把实验室搬回家，不仅可随时随地进行实验;还可实现资源共享，节约建设投入。

《电力系统虚拟仿真实验平台》的教学系统实现了“教”“学”“练”“考”一体化。从机电工程学院的建设情况来看，虚拟仿真实验教学的构建可以实现高等教学信息化，提高现有资源的使用效益。

五、结语

虚拟仿真实验教学中心的实验条件便利、安全性高和实验成本低的优势，使其在高校实验教学中享有越来越重要的地位。虚拟仿真教学系统具有开发灵活、摆脱时间与空间的各种限制等优点，在高校自身投入有限的条件下[6，7]，通过虚拟仿真实验教学平台实现实验资源共享、人尽其才、财尽其力、物尽其用，不仅是推动高校实验教学改革与创新的重要方向、优化实验教学资源结构的重要途径，也是高等学校实验教学发展的趋势和必由之路。

参考文献：

[1]余胜泉.推进技术与教育的双向融合——《教育信息化十年发展规划（2011—202年）》解读[J].中国电化教育，2012，（5）：5-14.

[2]奕飞.基于Unity3D的液压传动虚拟仿真教学系统开发[D].山东建筑大学，2015.

[3]杨俊.虚拟仿真教学资源的建立及教学实践应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2016，32（2）：35-37.

[4]赵铭超，孙澄宇.虚拟仿真实验教学的探索与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：90-93.

[5]胡冬萍，张延玲.虚拟仿真教学在应用型本科中的应用[J].亚太教育，2016，（18）：63.

[6]孙欢，陈剑波，邹同华.虚拟仿真实验教学中心的建设与应用[J].实验室科学，2017，20（3）：145-148.

[7]孙爱娟.职教领域虚拟仿真教学资源建设与应用探析[J].中国电化教育，2012，（11）：109-112.

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