虚拟仿真技术在电气类专业实验教学中的应用与思考

呼梦颖 段建东 袁钥 高翔 姬军鹏

摘   要：虚拟仿真实验教学是教育信息化背景下高等学校实验教学改革的重要内容。文章分析了当前虚拟仿真技术在电气类专业实验教学应用中存在的问题，针对应用中的问题，结合国家级虚拟仿真实验教学一流课程《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》的建设和使用情况，总结提出了虚拟仿真实验课程的建设思路和持续改进措施，具有良好的推广性和示范性，对高校虚拟仿真实验课程建设具有借鉴意义。

关键词：教育信息化;虚拟仿真;电气类;实验教学

中图分类号：G642;G434  文献标志码：B       文章编号：1673-8454（2022）03-0113-06

一、引言

2019年，《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》发布[1]，将国家虚拟仿真实验教学项目纳入一流本科课程建设，计划认定1500门左右国家虚拟仿真实验教学一流课程。2020年，教育部首批认定了国家级虚拟仿真实验教学一流课程728门，其中电气类专业虚拟仿真实验课程15门。开展虚拟仿真实验教学课程建设工作，旨在深化现代信息技术与教育教学深度融合，打破实体实验难以完成的教学瓶颈。[2]

电气类专业实验教学主要包括电气工程及其自动化（电力电子方向和电力系统方向）、智能电网信息工程和电气工程智能控制等专业的实验教学。其中，电力系统和智能电网方向的实验教学具有以下特点：①实验系统电压等级高、功率大，实体实验平台建设成本高、危险系数大，传统实验室不具备开设实验的条件;[3-4]②学生在电力系统等能源類企业现场实习中，系统庞大繁杂且处于高压、高速工作状态，学生无法整体深入学习或在设备上实践操作;③考虑到实验设备的安全性和暂态不可逆性，无法进行实际故障模拟。因此，在高电压、高危险、大功率和故障不可逆的电气类专业实验教学中，利用信息技术建设虚拟仿真实验课程，与实体实验教学虚实互补，对提升电气类专业实验教学质量具有重要意义。[5-7]

西安理工大学电力系统省级虚拟仿真实验教学中心将虚拟仿真技术与实验教学深度融合，在电气类专业虚拟仿真实验教学中开展了一系列探索创新，开发并持续建设了一批虚拟仿真实验项目，已认定陕西省示范性虚拟仿真实验教学项目3项，其中《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》认定为国家级虚拟仿真实验教学一流课程，取得了积极的成效。

二、虚拟仿真技术

在电气类专业实验教学应用中的问题

开展电气类专业虚拟仿真实验教学，对提升学生的沉浸感，激发学生兴趣，帮助学生感性、直观地掌握理论知识和工程技术，增强工程实践能力和探索创新能力，提高实验教学质量具有重要作用。[8-11]但从实际整体应用情况来看，现阶段虚拟仿真技术在电气类专业实验教学中的应用仍存在一些需要注意的问题。

（一）缺少专业仿真和实验结果定量分析

部分虚拟仿真实验课程忽视了专业教学需求，一味地追求提高学生的参与积极性，开发的虚拟实验界面较为酷炫，实验趋于游戏化。这些虚拟仿真实验课程没有引入基于专业仿真软件的仿真定量分析，没有设计不同工况和不同参数下的仿真结果观测及分析功能，学生只能进行游戏式的人机交互操作和定性分析，无法观测仿真结果并对实验数据进行定量分析。

（二）欠缺理论知识讲解和实验资料共享

部分由科学研究项目转化的虚拟仿真实验课程涉及的理论知识较多、难度较大、专业性很强，设计的实验方案和实验步骤也比较复杂，能够提高学生的综合实践能力。但是，学生在实验操作中，实验课程并未提供必要的、系统的理论知识讲解，实验平台未共享实验原理、操作说明和实验指导书等实验资料，学生的理论知识储备较少，可能会难以理解实验内容，不能得出有效结论。此外，虚拟仿真实验课程最终要通过互联网面向校内外开放共享，不同地区和不同学校的学生所学理论知识有差异，缺少理论知识讲解和资料共享的虚拟仿真实验教学资源增加了外校共享使用的难度。

（三）缺少行业发展方向和前沿技术引入

部分虚拟仿真实验课程注重本科教学需求，覆盖了理论课程的重要知识点和成熟的工程技术方法，但是缺少一流课程必备的“两性一度”——“高阶性”“创新性”和“挑战度”，缺少行业发展方向和最新研究技术的引入，例如和电气类专业息息相关的能源互联网技术、可再生能源发电技术、电磁兼容技术等，学生不能掌握行业发展方向和研究前沿技术，难以激发学生的探索热情，不利于培养学生的创新能力和创业意识。

三、电气类专业虚拟仿真实验项目建设

（一）虚拟仿真实验项目选取及建设概况

近年来，西安理工大学电力系统省级虚拟仿真实验教学中心建设了一批虚拟仿真实验项目，进行了虚拟仿真实验教学的实践与探索，已认定陕西省虚拟仿真实验教学项目3个，如表1所示。这些虚拟仿真实验项目可服务电气工程及其自动化、智能电网信息工程和电气工程智能控制三大专业，支撑《电力系统综合实践》《电力电子技术》和《电机学》等7门专业课程。2020年，中心建设的《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》被认定为首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程。

（二）国家级虚拟仿真实验教学一流课程《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》建设

风力发电是我国清洁能源发电的重要形式，其中分散式风电因其就地消纳、灵活环保等优势成为未来主要的发展方向，培养掌握分散式风力发电系统的运行原理、功率预测方法和故障暂态控制方法的电气类人才，对我国能源革命和可持续发展具有重要意义。

分散式风电并网运行控制系统涉及《电机学》《电力系统自动化》《电力系统暂态分析》《新能源发电技术》等多门专业课程知识。在传统教学中，教师一般通过PPT以文字、图片或视频方式讲解分散式风电并网运行控制系统的结构和运行原理，学生只停留在观看图片和记忆名词的阶段，难以感性、直观地深入理解庞大的风电系统的组成结构和工作原理。

由于风电系统实验平台电压等级高、危险系数大、构建成本高，传统实验室不具备开展实体实验的条件;风电场通常位于风能资源丰富的偏远地区，若安排大批量学生前往实习，成本高且存在安全隐患。因此，我中心建设了《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》，具体建设思路如下：

1.立足专业教学，融合专业仿真

在风电并网运行控制系统中，网侧变流器和转子侧变流器的控制对风电系统稳定、安全运行至关重要，风电机组的低电压穿越控制已成为近几年的研究热点。中心在建设该课程时，立足专业教学需求，将基于Matlab/Simulink的风电并网系统仿真模型和低电压穿越控制仿真模型融入实验课程中，设置了多种电压跌落工况和可调节的仿真参数，实验软件可以动态展示不同电压跌落工况下电压、电流、有功功率、无功功率、转子电流的仿真结果。学生不仅可以定性地觀察风机、变流器和Crowbar装置的工作状态，同时可以观测电气量仿真波形，定量地分析实验数据，实验界面如图1所示。

2.贯穿理论讲解，共享实验资料

风电并网运行控制技术的研究对于低年级本科生来说具有一定的挑战性，因此，中心充分考虑学生的理论知识储备和接受程度，在课程中利用3D虚拟模型、理论文字、原理框图并行的形式，贯穿风力发电、风电并网控制、风电并网功率预测方法和低电压穿越控制原理等理论知识讲解，图2为励磁控制原理讲解界面。学生可以先学习理论知识，再进行实验操作，在实践操作中加深对理论知识的理解，巩固专业知识。教师在课程依托的教学平台上上传实验指导书，以及风力发电故障时低电压穿越控制实验原理、Crowbar电路控制原理、励磁控制原理等实验资料，校内外学生通过教学平台下载、学习相关资料。

3.面向行业发展，引入前沿技术

为了适应风力发电行业创新发展，中心在《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》的建设过程中，引入了风电行业前沿研究技术，例如基于极限学习机、支持向量机等机器学习算法的风电功率预测技术（见图3），Crowbar电路控制和转子励磁控制等低电压穿越技术，故障暂态中双馈风力发电机并网稳定性改进技术等。学生通过课程学习，了解风电行业发展方向和研究热点，研究风电行业最新技术，基于课程内容探索新的控制方法，激发创新潜能。

（三）电气类虚拟仿真实验项目使用

西安理工大学电气工程学院将《现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验》列入《电力系统综合实践》课程教学大纲，并在电气工程及其自动化和智能电网信息工程专业教学中投入使用，取得了良好的教学效果。同时，该项目通过网络平台开放共享，目前服务人数已达到1600余人。

为了调研该实验项目的教学情况和学生的体验评价，教师面向2020年秋季学期电力系统综合实践课堂上的学生，采用线上发放问卷方式开展了问卷调研。课程选课学生为74人，回收有效问卷72份，问卷调研内容及结果如表2所示。

80%以上的学生对该虚拟仿真实验表示满意或比较满意;通过虚拟仿真实验，基本上所有学生对风电场运行原理有了深入理解;在风电虚拟仿真实验软件使用便利性和交互操作友好性方面，仍有11.11%的学生表示不满意。虚拟仿真实验教学增加了学生的沉浸感和参与感，得到了学生的认可，但在交互操作友好性方面仍需要优化。

四、虚拟仿真实验课程持续改进措施

在现有虚拟仿真实验课程的基础上，中心将与新能源公司深度开展校企合作，结合学生的学习反馈，持续改进实验课程。

（一）最新科研成果融入实验教学

将校企合作科研项目的最新研究成果提炼、转化为实验内容，在实验教学中融入更多前沿理论、新技术和新方法，例如增加风电功率预测人工智能算法，模拟故障工况、控制算法和控制参数的多样性等，使实验内容更加深入和丰富。

（二）完善虚拟仿真实验课程及评价体系

持续建设、完善虚拟仿真实验课程及评价体系，使交互操作更加友好，采取全面、合理的综合评价方法，能够从基础能力、分析能力、综合能力、设计能力、创新能力、团队协作能力和社会能力等不同维度对学生进行考核评价，全方位提升学生的综合素质。

（三）推进学分转换和互通机制

虚拟仿真实验课程通过互联网面向全国高校开放，可服务于电气工程及其自动化、智能电网信息工程、电气工程与智能控制、新能源科学与工程等专业。中心将配合其他高校，改进实验教学设计，制定实验教学大纲和实验指导书，推进实现学分转换和互通机制，实现实验课程的资源共享，共同提高电气类专业学生的工程实践能力和综合创新能力。

五、结语

本文分析了当前虚拟仿真技术在电气类专业实验教学应用中的问题，针对这些问题，结合学校电力系统省级虚拟仿真实验中心在虚拟仿真实验建设方面的探索和国家级虚拟仿真实验教学一流课程的建设经验，总结提出了“立足专业教学、融合专业仿真”“贯穿理论讲解、共享实验资料”“面向行业发展、引入前沿技术”的虚拟仿真实验课程构建思路，并结合课程使用反馈，提出了虚拟仿真实验课程的持续改进措施。实践表明，虚拟仿真实验课程的构建思路和持续改进措施具有良好的推广性和示范性，对高校虚拟仿真实验课程建设具有借鉴意义。

将虚拟仿真技术应用于电气类专业实验教学，对解决高电压、高危险、高消耗、故障不可逆的传统实验环节遇到的教学难题，增强学生的综合实践能力和探索创新能力，为电气、新能源等行业的发展输送复合型电气类人才具有积极作用。

参考文献：

[1]教高[2019]8号.教育部关于一流本科课程建设的实施意见[Z].

[2]高等教育出版社实验空间运营工作组.2020年春季学期虚拟仿真实验教学项目使用情况与分析思考[J].中国大学教学，2020（11）：81-84.

[3]呼梦颖，段建东，姬军鹏，等.基于虚拟仿真技术的《电力系统综合实践》教学改革研究[J].中国教育信息化，2020（10）：38-41.

[4]张良力，代林刚，柴琳.电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（7）：125-127， 135.

[5]郑晓丹，罗云霞，彭学虎，等.虚实结合的仿真变电站实训平台建设[J].实验技术与管理，2019，36（12）：201-205.

[6]涂继亮，陶秋香，刘辉.综合航空电子与控制虚拟仿真实验教学系统设计与开发[J].实验技术与管理，2019（8）：106-110.

[7]陈金强，赵丽平，解绍锋，等.高铁牵引供电系统虚拟仿真实验教学设计与实践[J].高等工程教育研究，2021（1）：67-71， 107.

[8]张剑葳，吴煜楠.虚拟仿真技术在文物建筑教学中的应用探索[J].中国大学教学，2019（11）：66-69.

[9]王晓敏，高志强，闫晋文.国内高校材料学科虚拟仿真实验教学的发展探究[J].中国大学教学，2021（3）：78-85.

[10]张晓瑜，唐黎伟，陈玖圣.基于虚拟仿真的多层次模块化专业教学素材体系研究[J].中国教育信息化，2021（8）：51-55.

[11]阎西康，梁栋，张静娟，等.虚拟仿真在土木工程类实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2021（3）：207-209，218.

作者简介：

呼梦颖，西安理工大学电气工程学院助理工程师;

段建东，工学博士，西安理工大学电气工程学院教授、博士生导师，通讯作者，邮箱：duanjd@xaut.edu.cn;

袁钥，西安西驰电气股份有限公司电能质量产品线总监;

高翔，工学博士，西安理工大学电气工程学院讲师;

姬军鹏，西安理工大学电气工程学院高级工程师。

The Application and Thinking of Virtual Simulation Technology

in Experiment Teaching of Electrical Majors

Mengying HU1，2， Jiandong DUAN1*， Yue YUAN3， Xiang GAO1，  Junpeng JI1

（1.School of Electrical Engineering， Xi’an University of Technology， Xi’an Shanxi 710048;

2.National Demonstration Center for Experimental Engineering Training Education， Xi’an University of Technology，

Xi’an Shanxi 710048;

3.Xi’an Xichi Electrical Co.， LTD， Xi’an Shanxi 710311）

Abstract： Virtual simulation experiment teaching is an important part of the experimental teaching reform in colleges and universities under the background of educational informatization. This paper analyzes the problems in the application of the current virtual simulation technology in the experimental teaching of electrical majors. In view of the problems in the application， this paper summarized the construction ideas and improvement measures of virtual simulation experiment courses based on first-class course of “Virtual Simulation of Field Data and Scene-driven Distributed Wind Power Grid-connected Operation Control”. It has good generalization and demonstration， and can be used for reference to the construction of virtual simulation experiment course in colleges and universities.

Keywords： Educational informationization; Virtual simulation; Electrical majors; Experiment teaching

編辑：王天鹏    校对：王晓明