电气专业虚拟仿真实验基地研究

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摘要：本文介绍了沈阳工程学院电力学院在电气专业虚拟仿真实验基地的研究建设方面的经验及做法。随着教育的深刻变革，单一课程实验已经不再适用于现代高校，急需探索和构建一种新型的仿真实验平台，使之能够完成多门课程实验，最终实现实验室的资源整合。在这个大背景下，笔者学院研究建设了基于校园网的电气专业虚拟仿真实验基地。该基地实现硬件仪器资源共享，能够完成了多门课程实验，构建了三维虚拟实验环境，可实现具有动画效果的三维动态仿真，可以完成设计性实验平台，亦可以通过网络让学生远程操作实验，实现师生互动。沈阳工程学院电力学院建设的电气专业虚拟仿真实验基地投入运行后，效果极好。

关键词：虚拟实验室电气仿真实验电力系统分析三维动态仿真、

笔者学院的电气工程及其自动化专业特点以电力系统为主，所学专业面对的是高电压、大电流的环境。采用虚拟实验室模拟仿真电力系统的实际环境，可以在实验实训中让学生有效地完成专业实践的同时，很好地保障学生的人身安全。因此笔者学院建立了以虚拟现实技术为基础、以分析、远程操作为目的电气专业虚拟实验基地。该基地可实现以学生为中心、以实验教师为主导的开放性实验教学，是一个集实验仪器设备、实验室环境、教务管理、实验教学为一体的实验管理和实验设备同享系统。

一、虚拟实验平台的功能介绍

该虚拟实验基地的实验室仪器是可以通过校园网实现共享和远程操作实验，主要由5部分组成：数据采集通信、信号处理模块、实验选择及相应实验、网络模块、设计性实验。

1.数据采集通信部分

实验平台的主要硬件仪器有AD-300实验仪、电力系统分析实验箱、继电保护实验箱、高电压实验箱、电力系统控制试验箱、特高压直流输电实验箱等。这些数据接口需通过硬件采集设备，比如自制的A/D实验板、数据采集卡、Labjacku12、以太网接口模块和串口模块等完成数据连接通信。可以使学生用户通过选择控件来选择并切换不同的数据采集通信方式。

2.信号处理模块

实验硬件仪器由于使用率较高，使得其电路老化和实验采集的信号噪声会越来越严重。因此，如何对所采集到的实验信号进行去噪声处理就变得尤其重要。信号处理部分主要采用的去噪声方法是引入随机噪声和工频干扰噪声，并根据不同的实验硬件分析信号的不同加入不同的时频域处理算法；针对开关量或布尔值量主要阈值进行判断处理，再进行二次值判别，以保证获得数据的正确可靠性。

3.实验部分

虚拟实验部分主要有五大类：电力系统分析实验、继电保护实验、高电压实验、电力系统控制实验、特高压直流输电实验等。电力系统分析实验是一门综合性和研究型的实验课。由学生操作物理模拟的一次设备，自己独立动手完成发电机并列、有功无功调节、系统稳定运行、暂态运行、失磁等与理论课结合紧密的研究型实验。而其他的继电保护、高电压、电力系统控制、特高压直流输电等仿真实验亦是通过虚拟仪器Labview把硬件仪器软件化，构建虚拟保护与控制等，虚拟仪器采用人机界面化，方便学生进行实验操作。实验内容不变，具体的操作在虚拟仪器平台上完成。

4．网络部分

该实验基地通过校园网，利用虚拟仪器网络通信等模块实现网络化，使学生随时能够进入实验室平台进行实验的预习和操作。教师也可以在校园网公布实验任务，并可以实现教师与学生的交互式实验。

5.设计性实验部分

设计性实验是学生在掌握实验原理后，根据实验目的进行的创造性实验活动。该模块是通过预留数据传输端口，独自设立了设计软件平台。在该平台上，学生可以任意组建电力系统模型，再进行拓扑，也可以进行各种分析计算。该模块在毕业设计环节中应用效果非常好。

二、虚拟实验室在电力实验教学中的应用及优势

1.实验功能完善,操作方便

笔者学院的电力专业虚拟实验室验界面具有可视化、功能强大的特点，同时实验操作方便，结果直观。每个实验都有详尽的配套实验指导说明。进行基础性、验证性实验操作时，实验界面上会及时出现后续的操作步骤提示，操作错误时系统会给出警示。同时，该实验基地具备的在线帮助功能，使得学生可以在实验的操作过程中随时查阅相关实验的目的、内容和实验步骤。实验完成后，学生可在虚拟实验平台中撰写、修改实验报告，提供给教师随时检查、批改，教师并将实验评价反馈给学生。

2.完成实验内容的拓展，实现教学实验、辅助学习和职业培训为一体的功能

笔者学院的电气专业虚拟实验室可以完成电力系统有功功率分布及分析、电力系统无功功率分布及分析、电力系统对称故障计算及分析、继电保护动作特性分析等传统实验内容，还增加了电网调频调压，管理负荷，倒闸操作等模拟实验，也能模拟各类故障及异常运行状态下的继电保护、自动装置等二次设备及其动作情况，可以实现事故处理以及事故后恢复控制的训练等电网仿真培训功能。

3.构建具有三维动态仿真功能的三维虚拟实验环境

笔者学院电气专业虚拟实验室构建了元件模型库和零件库，并且具有动画效果。学生可以在实验时随时调用，观察其运行状态。图2所示为间隔内的开关及各刀闸、地刀的操作把手及分合指示的三维立体图。学员可在三维实验环境中观察其操作情况，或对其进行操作。这样的三维虚拟实验环境，实现三维动态仿真，使学生不仅可以对实验产生感性认识，还能锻炼动手能力，拓展了学生的创造性思维。

4.实验基地的开放模式

笔者学院的虚拟实验基地建设，实行网络化教学管理，实现对象管理、开放管理、预约管理、审批管理和门禁管理，是真正具有开放特征的实验室。开放的模式主要有三种：自由选题型、自主研究型、团队培训型。

（1）自由选题型：实验题目由教师提供，学生进行自由选择。

（2）自主研究型：实验内容和步骤由学生自己设计，并自由申请机房。或者是平时课堂布置的实验学生利用课后时间进行实验。

（3）团队培训型：学生组成的科研社团或者兴趣小组针对某个团队成员感兴趣的课题进行研究。实验基地根据学生对实验室的需求，将开放管理分为定时开放、全天开放、预约开放三种。

三、小结

综上所述，笔者学院建设的该电气专业虚拟实验基地实现了多门课程硬件仪器资源的共享，并在学院的多门实验课程教学中达到了预期的效果，促进了实验教学的发展，实践效果非常理想。可以预见，随着高校各学科的交叉发展，虚拟实验室的应用势在必行，必将在今后的实验教学中占有越来越重要的地位，而笔者学院虚拟仿真实验基地的实践经验无疑会在实验室发展进程中起到借鉴作用，经验值得推广。

作者：张柳 高阳 邹全平 单位：沈阳工程学院电力学院