◆陈晓英 程海军 姜丕杰 孙丽颖

电气工程专业虚拟仿真实验平台的研究与实践*

◆陈晓英 程海军 姜丕杰 孙丽颖

依托专业教学计划以及现有实验室基础条件，借助于虚拟仿真技术，构建电气工程虚拟仿真实验平台，解决由于电力系统涉及发电、输电、变电、配电、供电等多个环节，其系统庞大、复杂，无法用实际设备搭建系统进行实验的弊端，逼真地再现电力系统一次系统、二次系统的操作过程和运行状态，培养学生工程实践能力，增强实验教学效果。

电气工程专业；虚拟仿真实验平台；实验室

10.3969/j.issn.1671-489X.2015.24.034

随着信息技术的发展以及高等学校对实验教学要求的不断提高，虚拟仿真实验教学在高等学校的应用日益增多，它可以弥补真实实验在实验条件、实验成本、交互性和安全性等方面的不足［1］。电气工程及其自动化专业主要侧重于电力系统一次系统和二次系统等领域相关技术的研究［2］。由于电力系统的高电压、大电流，且系统庞大、复杂，电气设备涵盖的种类多、价格昂贵等特点，在高校实验室不可能建立和现场一样的实验系统。因此，基于虚拟仿真技术，构建高度仿真的电气工程虚拟仿真实验平台是极其必要的。

1 现有基础条件

专业方向设置 辽宁工业大学电气工程及其自动化专业设置电力系统、供用电技术和光伏技术应用三个专业方向。其中电力系统方向主要研究110 kV及以上电力系统运行、控制与保护技术，针对电力行业的110 kV及以上的大电 网，研究发电技术、输变电技术、无功与电压控制技术、有功与频率控制技术、故障与保护技术以及调度综合自动化技术等问题；供用电技术方向主要研究110 kV及以下供配电相关技术及电能的合理应用技术，主要研究城乡及企事业单位的供电及用电问题，使学生掌握变配电所的设 计、运行及管理方法以及建筑电气方面技术等方面专业知识，能够适应现代变电所、工矿企业的系统设计、运行、操作、维护、管理等方面技术需求；光伏技术应用方向主要研究新能源发电技术，使学生掌握新能源发电系统以及供电系统所涉及的相关基本理论知识，培养能够从事新能源发电系统的分析、设计、安装、调试以及技术管理等工作的宽口径高素质应用型工程技术人才。

实验室基础条件 辽宁工业大学电气工程及其自动化专业始建于1984年，经过30多年的建设与发展，现已形成良好的实验条件，其中隶属于电气工程及其自动化专业的电气工程综合实验教学中心为辽宁省实验教学示范中心，电气工程虚拟实验中心为辽宁省虚拟实验教学示范中心。现有电工技术实验室、传感器与检测技术实验室、电机拖动实验室、计算机网络实验室、电子技术实验室、数字电子技术实验室、自动控制理论实验室、电力电子技术实验室、单片机应用技术实验室、PLC技术及应用实验室、电力系统自动化实验室、电力系统继电保护实

验室、供配电技术实验室、电力系统仿真实验室、新能源基础实验室、微电网技术实验室、电工电子实训中心、电力工程创新实验室等18个实验室。

2 基于虚拟仿真技术的实验平台建设主导思想

电气工程专业虚拟仿真实验平台的建设主要围绕、贯彻教育部“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以“融传授知识、培养能力与提高素质为一体”为出发点，实施以“工程实践为基础，创新能力为引领”的人才培养方案，秉承“占领教育信息化技术制高点”“建设省内一流虚拟仿真实验平台”两项战略理念，依托课程设置与实验室基础条件，构建电气工程虚拟仿真实验平台。

3 电气工程虚拟仿真实验平台建设

为了科学合理地建设电气工程虚拟仿真实验平台，自2010年以来，辽宁工业大学就充分利用辽宁省高等学校电气工程及其自动化特色专业、电气工程及其自动化重点支持专业、电气工程综合实验教学示范中心、校企协同创新工程人才培养经费以及中央与地方共建高校特色优势学科实验室等建设经费，投入到实验中心的建设经费约2000万元。在此基础上，与国家电网许继集团有限公司、锦州拓新电力电子有限责任公司、北京科东电力控制系统有限责任公司等企业合作，共建变电站虚拟仿真实验平台、高电压设备仿真实验平台、电力系统分析及调度仿真实验平台、变电站模拟屏及五防操作控制虚拟仿真实验平台、微电网控制实验平台等五个虚拟仿真实验平台。

变电站虚拟仿真实验平台建设 该平台采用中国电力科学研究院研制的“TS2000仿真系统”平台，采用C/S架构，硬件依托于60台高性能的PC机（为学员机）、2台互为备用的教员机台（工作站），即设立两个教员工作站（服务端），60个学员工作站（客户端），以“渤五变”“柳二变”“锦六变”三个实际的变电站为基础模型建立虚拟仿真系统，可以进行一次系统、二次系统模拟操作，如变电站倒闸操作、逻辑异常处理、安全故障处理以及现实场景设置等。

传统实验由于设备、师资的限制，和变电站相关的大部分实验不能做，而少部分实验只能以演示方式进行，效果不佳。通过变电站虚拟仿真实验平台，通过三维动画仿真手段，使学生更生动地认识变电站，更好地掌握变电站的运行操作，类似于实物操作，如断路器倒闸操作实验、断路器异常件处理实验等，学生可以独立进行操作，感受变电站的真实环境，真实再现变电站实际场景。

高电压设备仿真实验平台建设 该实验平台由辽宁工业大学与北京科东电力控制系统有限责任公司联合共建，其核心为以虚拟仿真的形式实现对高电压设备的原理呈现及高压实验测试，平台包括“输变电一次设备工作原理仿真系统”和“高压试验仿真系统”。硬件基础也是依托于60台高性能的PC机（为学员机）、2台互为备用的教员机台、2台服务器。

1）“输变电一次设备工作原理仿真系统”针对变电部分和线路部分电气设备的结构和工作原理，利用三维动画对虚拟设备进行拆解，结合设备原理结构图对其整体结构、内部结构、工作原理、技术理论、运行与维护进行各种知识的全面讲解［3］，内容丰富、直观、生动、实用，能满足电气运行人员、检修人员以及部分技术管理人员培训、学习、研究各种电气设备的需要。

2）“高压试验仿真系统”针对各种类型的变压器、断路器、隔离开关、电流电压互感器、避雷器等高压电气设备，以图形动画、虚拟仿真的形式呈现试验仿真过程，完成现实教学过程。

通过高压电气设备仿真实验平台，利用虚拟仿真手段解决了在传统实验中难以实现、设备投资昂贵、危险性高等诸多问题。同时，采用图形动画等手段，使学生更直观掌握电力系统的高压设备的工作原理及工程过程等，学生在实验过程中借助动画等表现手段，就像“玩游戏”一样，能够激发学习兴趣。

变电站模拟屏及五防操作控制虚拟仿真实验平台 该平台包括“变电站模拟屏及五防操作控制系统”和“电力安全生产仿真软件”两套仿真软件。

1）“变电站模拟屏及五防操作控制系统”包含变电站模拟屏、五防操作控制系统两部分，硬件依托于60台高性能的PC机（为学员机）、2台互为备用的教员机台、2台服务器、长4米高2米的模拟屏、手车式的配电柜。变电站模拟屏设备可以对变电站进行现场监视，实现对现场电气设备运行状态进行实时监测，五防操作控制系统可以根据变电站的防止误操作系统进行仿真实验。

2）“电力安全生产仿真软件”系统采用多媒体技术以三维动画的形式对典型一二次设备、设备异常及故障处理、典型事故案例等方面进行全面虚拟仿真。系统还可以实现网络题库管理、在线学习、在线培训、在线考试、在线考核管理等，可用于对电力系统生产安全进行培训、学习、考试。

由于电力系统高电压、大电流的专业特点，在校学生很难有机会接触和了解真实电网安全运行防护控制，通过变电站模拟屏及五防操作控制虚拟仿真实验平台，可以在虚拟的软件环境下模拟操作和安全方面的培训，从而培养学生工程实践能力。

微电网控制实验平台 该实验平台由辽宁工业大学与许继电气股份有限公司联合共建，其核心为半实物虚拟仿真控制系统。该实验平台拥有多晶硅组件的3 kWp光伏发电并网系统、单晶硅组件的2 kWp跟踪光伏发电并网系统、安装容量为6 kW的小型风力发电系统、20 kW/50 kWh储能系统、集中管理控制主机和30台PC机，为独立的微电网管理控制系统。实验平台配有微电网综合控制管理软件SMG-8000，是整个微电网集中控制的核心部分，实现整个微电网系统各种能源输、配、送的监视和控制，对整个微电网系统的功率平衡分析、经济运行分析、集中保护等进行高级控制、决策，并维护整个网络的平稳安全运行。以该软件为平台，可以方便实现微电网的各种模拟组态及功能控制。

该平台的实验内容涉及新能源发电、智能电网、微电网等多个专业工程领域，紧跟科技前沿，能够激发学生的学习兴趣，对实际运行的微电网进行控制操作。该实验平台丰富了学生对于微电网技术的认识与理解，同时锻炼了工程实践能力。

电力系统分析及调度仿真实验平台 该平台依托清华大学研制的TH2100系统，集电网仿真、电网分析研究功能于一体，包括灵敏度分析、调度员潮流、状态估计、短路电流计算等高级应用。硬件依托于60台高性能的PC机（为学员机）、2台互为备用的教员机台、2台服务器。通过该平台，利用虚拟仿真手段实现电力系统的功率控制、电力系统稳定、电力系统调度、电网故障设置及分析、电力系统联合反事故演习等实训项目，使学生更方便掌握电力系统的实时运行状态。

电力系统的运行是一个非常复杂的系统，模拟电力系统短路等故障、发电机功率极限等实验时会造成的设备损坏等。同时，学生在强电环境下完成实验过程，对学生的人身安全也存在潜在危险。仿真实验操作以形象的仿真图形为操作对象，避免了大量的材料消耗，同时实验过程中学生的安全也便于保证。

4 结论

近几年来，国家电网扩大了对大学生的需求，辽宁工业大学电气工程及其自动化专业每年约有30%～60%的学生去电力行业就业。但反映整个电力系统生产的最简化设备不是学校的有效经费能够承担得起的，因此制约了大学生在校期间对实际设备、仪器、装置的真实接触，使实践教学条件不能满足实际工程需求，且实验室也无法实现工程实际的模拟，因此必须通过建设新的虚拟仿真实验平台以解决此问题。

电气工程虚拟仿真实验平台建设可以与电气工程实际紧密结合，逼真再现电力系统一次系统、二次系统的操作过程和运行状态，让学生了解电力工程整个生产的全过程；且可以按照电力系统行业标准以及岗位需求，依据现场实际需要，并基于电力行业标准的开放式电力工程实践基地，逼真地模拟电力系统的机电暂态、长过程动态和稳态过程，逼真地再现实际控制中心计算机系统（CCC）环境，形成与实际电力系统一致的工作环境，真实模拟电力系统设备以及控制，做到情景交融，生动形象，解决理论教学与生产实际相脱离的问题，为培养合格的电力系统人才提供良好的实践平台。■

［1］雷冬，朱飞鹏，殷德顺，等.力学虚拟仿真教学实验室建设的探讨［J］.实验技术与管理，2014（12）:95-96.

［2］黄文力，苗满香.电气工程及其自动化专业课程体系的改革［J］.郑州航空工业管理学院学报:社会科学版，2011（4）: 164-167.

［3］张明杰.创新型“运维一体化”风电企业的研究和分析［J］.风能，2013（12）:58-63.

［4］马杰，王邦志.电气设备多媒体培训系统的研制与开发［J］.广东输电与变电技术，2006（3）:67-70.

TP391.9

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1671-489X（2015）24-0034-03

*项目来源：2014年度辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目“电气工程及其自动化特色专业建设的研究与实践”（基金编号：UPRP20140393）。

作者：陈晓英，辽宁工业大学教授，研究方向为电力系统及其自动化；程海军、姜丕杰、孙丽颖，辽宁工业大学（121001）。