吴伟丽

【摘 要】 随着多媒体教学设备和网络教学的普及，虚拟仿真技术在教学研究中也得到了逐步地推广和应用：在概念抽象且难以理解的工科课程中，利用虚拟多媒体技术能够模拟、仿真复杂的系统运行状况，便于学生理解概念和原理。论文首先综述了对比了虚拟仿真技术的特点与适用性，对虚拟仿真软件加以分类与综合；接着将虚拟仿真技术与知识情景理论相结合，研究了利用虚拟仿真技术实现知识单元情景化的模式；最后以《电力系统分析》课程为例，构建了电力系统知识情景化学习模型。实践研究证明：在课堂上应用虚拟仿真构建知识情景，不但能够使学生较快地获得基础理论知识，而且工程实践能力显著增强，取得了良好的教学效果。

【关键词】 虚拟仿真技术；知识单元；情景化模型

Research on the teaching mode of power system analysis based on VR technology and knowledge scene model

Wu Weili

（YiLi Normal University， Xinjiang， Yining， 835000）

【Abstract】With the popularization of multimedia teaching equipment and network teaching， virtual reality simulation technology has been gradually generalized and applied in the teaching of engineering courses， which can be used to imitate and simulate the complex system. Firstly， this paper summarized the characteristics and applicability of the virtual reality simulation technology， and then the virtual simulation software were classified. Secondly， the virtual reality simulation technology and the knowledge scene theory were combined to study the mode of realizing knowledge scent units. Lastly， the practical research has proved that the application of virtual reality simulation in the classroom can not only make the students obtain the basic theory knowledge quickly， but also enhance their engineering practice ability.

【Key Words】Virtual Reality simulation technology； Knowledge unit； Scene model

【中图分类号】G64.20 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）13-00-04

引言：

虚拟仿真（Virtual Reality，VR）又称虚拟现实技术或模拟技术，即用一个虚拟的系统模仿一个真实系统的技术。随着计算机技术的发展，VR技术逐步自成体系，成为继数学推理、实际验证之后的重要科学研究手段。

VR的基本思想是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的三维信息的人工环境——虚拟环境，逼真地模拟现实世界或系统，使人产生亲临其境的感觉，并可实现与虚拟环境的交互。VR技术主要有三方面的含义：第一，是借助于计算机生成的环境是虚幻的；第二，人对这种环境的感觉（视、听、触、嗅等）是逼真的；第三，人可以通过自然的方法（手动、眼动、口说、其他肢体动作等）与这个环境进行交互，虚拟环境还能够实时地作出相应的反应。可见，VR技术具有沉浸性、虚幻性、交互性和逼真性等特性，这些特性使VR为教学研究提供工具和讲解手段成为可能，也为构建知识情景化模型提供基础。

情景认知与学习（Situated cognition and learning，SCL）理论是不同于信息加工理论的另一种学习理论[1-2]，与人工智能、神经科学、语言学和心理学等所有与个体心理直接有关的领域紧密结合，成为认知科学的一个重要分支，也是当代西方学习理论领域研究热点[3-4]，可以说，情境是一切认知活动的基础，而实现这一理论的基础是知识情景的构造[5-7]。

目前已经有学者对虚拟仿真技术在教学中的应用进行了研究，对情景认知与学习理论的研究也逐渐开展，但将二者结合起来利用VR技术构建知识单元的情景[8-10]、从而构建情景认知与学习模式的研究就鲜见报道，鉴于二者结合可以提高教学质量与学习效率，论文研究了基于VR的知识单元情景化学习模式，并以《电力系统分析》课程为例，构建了电力系统知识情景化学习模型。实践研究证明：在课堂上应用虚拟仿真构建知识情景，不但能够使学生较快地获得电力系统基础理论知识，而且工程实践能力显著增强，取得了良好的教学效果。

1 虚拟仿真技术在教学中的应用

利用虚拟仿真平台可以很好地丰富教学手段：如在虚拟仿真环境中，学生可以直观理解系统或设备的运行原理及特性，再如，允许学生进行动态交互，便于学生的实际操作能力的锻炼；又如，学生可以创新设计并实践探索，而不会损坏设备，等。

1.1 VR技术

VR构造的“虚拟环境”，目前已经在工业生产、建筑设计与施工、军事训练、水利电力和汽车仿真等领域中得到广泛的应用。如：利用报警管理系统、操作管理系统和OTS仿真系统，能应用于工业生产，进而有效规避和减少企业安全问题；又如，使用VR技术对施工过程进行模拟，可令施工人员提前了解各种构件在实际结构中的相对位置及相互关系，实验多种施工方法，并对方案进行优化。再如，能够利用联合作战仿真系统（Joint Warfare Simulation，JwSim），可支持兵力评估、战役评估、装备效能评估、作战概念与条令的开发与评估，也可以支撑指挥参谋人员教学及推演分析，等。

1.2 VR技术在教学中的应用

随着多媒体教学的普及，VR在教学中的到广泛的应用：如，医疗设施属于世界上最复杂的模拟对象之一。影响其整体效率和工作流程的因素有很多，包括：看病流程、人员利用率、资源管理。Flexsim HC 医疗仿真软件可以使学生在3D环境中创建仿真并且与之进行交互。在三维环境中查看仿真可以让用户真实理解系统、其系统因素间的相互以及得出优化结论，学生可以在设备模型中测试新的“假设”方案，即在不承担风险的情况下，找到问题的答案——而不需要对现实中的设备进行反复实验以免造成的损坏，利用仿真找到最合适的解决方案，还可以提前确保方案的实施结果。

又如，Flo-2D为二维洪水与土石流数值模拟套装软件，可用来模拟洪水灾害，适用于都市淹水、洪水平原管理、工程风险设计、不规则形状河道水理演算、桥梁涵洞水利演算，可以处理都市水文，泥石流。学生利用Flo-2D可以验证计算正确性，也可以模拟河流、冲积扇、城市和海岸洪水演进等情况，还可以模拟处理等河流漫滩洪水、都市淹水，水流堵塞和存储损失、泥石流和土石流等洪灾问题，进而进行防洪减灾设计。

再如，PROTEL是电子信息专业的首选软件，包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构为学生提供良好的交互式学习界面，等。

1.3电力系统VR技术及其在教学中的应用

电力系统仿真软件在电力规划、调度和运行方面，为保证电网的安全可靠运行方面提供了强大的技术支持，目前国内获得广泛应用的电力仿真软件有一下几大类：

1、机电暂态仿真，如中国电力科学研究院自主研发的PSASP、BPA和PSS/A等；

2、电磁暂态仿真，如EMTP、ATP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等；

3、数模混合实时仿真，如RTDS、ARENE和Matlab等；

4、可视化仿真，如Power World Simulator（PWS）等；

电力系统VR软件可为电力部门调度或试验中心进行事故编辑、反演提供演练平台，还可以为科学研究人员为研发新装置、开发新技术和调整系统参数提供模拟。

电力系统分析作为与电力工业紧密联系的课程，具有概念、计算和公式繁多且复杂的特点，学生往往不容易理解其中抽象概念，也难以想象电网的运行过程和故障情况，而虚拟仿真技术针对电力系统的设计、分析计算、运行与控制方法与原理的学习研究，提供相关计算软件平台，帮助学生理解和研究电力传输系统和发电机的稳态和动态功能，综合运用所学专业知识处理潮流计算、故障分析、网络等值、动态仿真和安全运行优化等问题，进而提高对发电厂、变电站以及电网的设计、分析计算以及运行与控制的能力。

2 基于VR技术的知识情景化模型构造

2.1虚拟仿真技术构造知识情景化模型原则

利用VR技术与软件知识情景化模型，要与不同的研究和学习实际需求相适应。总体来说，建立情景化模型可通过以下环节：

1、明确模拟对象

确定模拟对象也是知识问题化的过程：首先划定知识单元的概念框架，接着在概念框架中确立知识支点。知识支点以问题的形式出现，概念框架围绕它进行解释和化疑，二者合起来构成模拟对象，便于学生在概念框架中逐步构建对知识理解与认知。

2、选择虚拟仿真平台

根据知识单元所在的专业领域，选择虚拟仿真平台需要坚持以下原则：

1、真实性原则

按照专业需求，创设相应知识单元的的逼真情境，情景必须如实反映知识支点。

2、适应性原则

根据实际教学需求，虚拟仿真平台不仅帮助学生熟悉和了解与专业相关的技术和技能，也能使学生获得综合技能和能力、职业综合素质。

3、先进性原则

虚拟仿真软件需与时俱进，把握技术发展前沿，运用现代通信、网络技术，集成先进技术手段，在建设上做到适当超前并留有可发展空间。

4、开放性原则

开放性的概念可以从两个方面进行理解：一是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软件平台及其规范化而言，以保证平台具有适应新技术的发展和升级的能力，包括可扩展性和可移植性两方面。空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，能够与其他类的仿真软件相兼容，并保留数据通讯接口。

2.2虚拟仿真技术构造知识情景化模型方法和流程

利用虚拟仿真平台构建情景化模型，首选仿真软件中自带的元器件资源库或模块，有时还需要用户自己编程实现创建模型。结合情景认知与学习理论，通过元件库资源建设和虚拟实验平台的资源整合，将知识情景化模型形成系统的专业知识体系，使虚拟仿真技术既可演示复杂系统的未知运行结果，又可改变系统参数，演示系统随参数变化的变化结果或变化趋势，帮助学生对抽象理论的理解，提高教学效果，进而弥补实验手段的不足，有利于学生创新能力的培养及提高。构造模型的流程如下：

图1 基于虚拟仿真技术的知识情景化构造流程

3 实例研究

论文以电力系统分析课程为例，说明建立模型的方法。

电力系统分析是一门综合了电力系统基础知识、电力系统暂态（包括电磁暂态、机电暂态）、电力系统故障（包括对称故障和不对称故障）和电力系统运行与控制等方面，从知识内容上看，所包含的知识单元较多，近选用单一的虚拟仿真软件不足以充分展示所有单元的特性和本质，因此需要选择多种软件平台构造知识单元情景化模型。

1、电力系统基础知识单元

此部分内容需要向学生展示实际的电力系统基本器件构造、原理和参数，强化学生对现实元件的认识，还需要从系统上展示电力工业的输配电分布、结构等情况，因而可采用可视化软件，如PowerWorld Simulator和PSASP等。以发电机为例，利用PSASP展示参数设置：

图2 PSASP软件图形方式下的发电机参数展示

2、电力系统电磁暂态

此部分内容需要展示电力系统故障瞬时发电机、变压器两端和输电线路中的参数，如有功功率、无功功率和电压变化的情况，是电力系统分析课程的难点与重点内容，可利用ATP/EMTP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等软件实现。利用ATP/EMTP模拟电力系统三相故障的电磁暂态过程见图3：

图3a 单相（A相）接地故障模拟仿真电路

图3b A相电压波形

图3c B、C相电压波形

图3d 中性点O电压波形

图3 ATP/EMTP模拟电力系统暂态

图3可见，ATP/EMTP能够展示故障后瞬时电力系统的各种参数的状态。

3、机电暂态仿真

电力系统故障瞬时后到电力系统稳态之间的情况称为机电暂态，需要提取故障断面和故障录波，也是电力系统分析课程的难点与重点内容，需要向学生仿真故障后发电机的出力变化、机械性能以及系统的参数变化过程，可利用PSASP、Matlab、BPA和PSS/A等软件实现。

以IEEE3机9节点模型为例，对其在pt时刻7号节点发生三相短路故障，并在ct时刻将故障切除（断开5号节点和7号节点之间的线路）进行仿真，最后利用Matlab模拟，绘出2号和1号发电机的功角差（δ21）与时间的关系曲线。系统故障在t=pt时刻加入，故障是7号节点三相短路，在ct时刻将故障切除，断开5号和7号节点之间的支路。Matlab仿真结果如下：

图4 当pt=0.05s，ct=0.167s时2号和3号发电机分别

与1号发电机之间的功角差曲线

由图可知，在0～2.4s的时间内，任何一个功角差均没有超过180，系统是暂态稳定的；但2.4s以后就失去稳定了。

图5 pt=0.05s，ct=0.168s时2号和3号发电机分别

与1号发电机之间的功角差曲线

图5可见，系统在2s内就失去了稳定。

图4、5可见，通过软件仿真，可以清晰地展示电力系统故障后一段时间内各种参数的状态变化过程。

4 数模混合实时仿真

这部分内容需要模拟电力系统运行、控制和参数变化后系统的运行调度等情况，需要提取系统运行状态参数，监测系统运行状况，包括修改设备运行参数，这部分知识单元既包括元器件的模拟，也包括电网层面的仿真，对虚拟仿真软件的要求较高，可采用PSASP、RTDS、ARENE、Matlab和Powerworld Simulator等实现。图6为基于PowerWorld Simulator的多电压等级的电网运行模拟仿真图，图7为利用PSASP软件模拟电力系统潮流分布情况。

图6 基于PowerWorld Simulator的多电压等级的电网运行情景化模型

图7 基于PSASP的电力系统潮流分布情景化模型

5 故障层面模拟

电力系统发生故障是一个多层次的问题，既包括电力设备的故障特征，也包括系统层面多元件的故障参数，对不同对象的模拟，需要结合对象的本质特征和性能选定仿真软件，如变压器故障可选择PSCAD软件模拟其运行状况和出口参数，系统层面的故障可选择PowerWorld Simulator软件监测系统电压的分布和线路过载的情况，也可以选择PSASP软件模拟系统故障断面，提取故障后系统的各项运行指标。

以多电压等级的GIC Benchmark模型为例，利用PowerWorld Simulator软件进行扰动故障仿真（图8）及其故障断面信息展示结果见图9、图10.

图8 基于PowerWorld Simulator的GIC Benchmark系统单相接线图

图9 发电机无功出力变化曲线，

不同颜色的曲线代表不同发电机的无功出力

图10 部分节点电压曲线，不同颜色曲线代表不同节点电压

针对上述知识单元构造情景化模型后，还需要形成知识情景化模型体系：即将建立好的电力系统情景化模型集合有机整合，先按照课程讲授的顺序体系构成电力系统分析情景化教学的模式，再按照知识支点的先后顺序组合为一个电力系统学习体系，并最终其实施到课程教学中，以学生课堂反映、期末成绩和实践动手能力为考核标准，检验模型的有效性。在新疆某高校中实施近3年，收到了良好的教学效果。

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