电力系统仿真教学建设与实践

王艳红，李 强

（河北师范大学职业技术学院，河北 石家庄 050000）

0 引言

电力系统是国民经济和社会发展的重要保障，具有覆盖面广、电压等级高、安全要求高等特点，电力系统的运行管理和维护是电力系统工作岗位的主要职责，也是学院电气工程及自动化专业的重点教学内容。在传统授课模式的基础上，安排学生以课程内容和企业需求构建虚拟仿真资源库，教师负责宏观指导，培养学生的创新思维和实验操作能力，激发学生参与课堂学习的积极性，实现师生共研，整合丰富的信息化教学资源，创造主动式、协同式、研究式的信息化学习环境，为学生个性化学习创造了条件，深化课堂教学改革，提升教学质量有重要作用。

1 研究的意义

传统电气工程及其自动化专业课程的实践教学依附于理论课程的教学体系，这种传统的教学方法存在的问题：①实践课仅仅是对理论的简单验证，缺乏对所学知识进行融会贯通，举一反三能力的培养。②实践内容重复，缺乏完整性，仅局限于本课程内容的实验，而与其他课程的横向联系较少。③缺乏对学生综合素质的培养，对实践课程的总体缺乏认识。电力系统仿真教学适合目前高校要求，具有传统实践课程不可比拟的优点：

（1）电力系统虚拟仿真平台的可扩展性。电力系统的电压等级一般都在10kV以上，对实验室的各项指标都要求很高，实验平台成本很大，传统实验室不具备实验条件，危险系数大，仿真技术可以实现电力系统的工作原理和控制的动作过程，尤其虚拟仿真实验平台能够覆盖较多类型的电力系统，火电、水电、风电、太阳能发电、分布式电源，既能够解决实验成本过高，危险系数过大的问题，还能够让学生对真实电力系统的变电所，发电厂有更深的理解认识[1]。

（2）电力系统仿真平台的科研性。针对学科学术型人才培养，鼓励学生结合仿真项目，设计可由学生独立开展研究的课题，不仅使学生了解学科优势和发展方向，同时使学生对自身能力的培养目标更加明确。逐步提高学生的英文读写能力，提升学生自主组织，管理和推动项目的能力，提高个人的科研素养，培养学生协调及与人交际能力，使学生的综合素质得到提升。

（3）电力系统仿真平台的多课程融合性。电气专业课程多并且难以理解，如果光通过理论讲解，部分学生不能很好地掌握，如果各个专业课程均建立仿真模型库，把课程中的知识点通过仿真软件演示出来，验证理论的准确性，这样学生通过剖析仿真案例进行理论教学，学生觉得书本上的理论知识与电网的实际对象紧密地联系起来了，觉得书本内容不是那么枯燥，而且很实用，有助于提高他们对该课程的兴趣和学好课程的信心。

2 平台建设存在的主要问题

目前，学院已经成功申请了《分布式能源配电虚拟仿真实验》和《工业机器人流水线虚拟仿真实验》这两项虚拟实验教学项目，依托学院《电力系统分析》《电气plc》《发电厂电气部分》《继电保护》等课程开展虚拟仿真教学项目建设，探索信息技术与电力实验实训教学相融合，体现了多学科交叉融合及新工科的特点，在2019、2020、2021年对电气工程及其自动化学生进行了实验实训，仍然存在着一些问题：

2.1 学生学习兴趣不持久，实训变成应付式

虚拟仿真软件将场景进行三维可视化模拟仿真，学生在实训过程可以通过键盘、鼠标等工具实现在虚拟场景中快速切换场景、自主行走、全方位任意交互漫游，实训犹如游戏。实训开始的确激起了学生浓厚的学习兴趣，但是随着实训的进行，学生发现仿真实训不等同于游戏，需要相关的理论知识支撑，还需要了解枯燥的规范条件，容易失去兴趣。

2.2 仿真实训操作简单化，不能激励学生创新意识

经实训两个仿真实验发现，仿真操作简单，例如《分布式能源配电虚拟仿真实验》进行倒闸操作的二维动画界面，电气主接线形式不能改变，只能对其中的4条线路进行倒闸操作，结构形式单一，不能随时改变发电厂或变电站的进线和出线数目，不能改变母线的运行方式，导致倒闸操作步骤固定，不灵活。变电所的三维界面与实际变电所的配置存在一定差异，在进行倒闸操作的过程中，只有一人进行操作，与实际倒闸操作至少2人的原则有出入，会对学生有一定的误导。另外虚拟仿真实验存在着课程对应知识点少的问题，一门课的知识点可以达到近百个，但是我们的虚拟仿真实验里涉及的知识点仅有十几个，不能充分的与理论联系在一起。

2.3 考核评价过于死板，不能反映学生真实水平

仿真实训是在电脑上操作，使用键盘、鼠标便可开展实训。大部分仿真实训软件能开展模拟训练、模拟考核，考核评价方式都比较单一，与仿真实训操作存在相同的问题：学生在不懂任何相关理论知识、操作规范、工艺流程的情形下，也能顺利通过考核，并且能获得不错的成绩，甚至有些仿真实训软件，可以同时进行模拟训练与模拟考试，仿真实训教材容易实施“作弊”，考核形同虚设，考核成绩根本无法反映学生真实水平[2]。

3 平台建设措施

3.1 开发搭建多元化、多层次的电力系统仿真平台

电力系统涉及很多相关学科，是由各个相关的知识群构成的，仿真实践教学平台中的知识结构应是多课程融合的知识体现，因此需要搭建多元化、多层次的仿真平台，一是基于现有教学知识体系，搭建涵盖专业基础课、专业课、实习实验课的仿真平台，体现教学内容的实用性、教学手段的形象性、教学情境的仿真性；二是平台覆盖面广，面向常见电力系统岗位技能要求，充分利用虚拟仿真技术，真实地再现真实的现场工作情境，例如水电、火电、风电等电力系统的运行维护岗位，整合、序化课程的教学内容，精心设计教学过程，满足理论学习与技能培训需求[3]。

3.2 根据课程内容和企业需求构建仿真资源库

详细分析课程内容和企业需求，确定课程所需要开设的验证性实验、综合性实验、创新性实验等。采用准企业实践模式，将课程实验的内容进行整合，以生产项目或案例形式确定综合实验和创新型实验，并在此基础上构建仿真模型库。采用模块化思想进行设计，将电力系统多门主要课程以知识点模块的形式，通过PSCAD软件和MATLAB软件为计算平台，建立相关模型，搭建仿真资源库，用于后期仿真演示及验证主要课程的相关理论。另外通过基础仿真软件搭建的仿真库，可以充分利用课程设计、生产实习、毕业设计等实践教学环节，理论联系实际、学用结合，培养学生分析问题、解除问题的实践能力。让学生积极参与与专业课程相关的课外科研活动，更全面有效地培养学生的科研创新能力和综合素质本领，加快培养出高素质人才。

3.3 基于仿真平台的考核评价研究

虚拟仿真实训能有效节约教学成本，容易实施长久反复训练，能形象、立体呈现庞大、复杂的电力系统，但仅以虚拟系统考核作为技能掌握的评判依据具有一定的片面性，特别是在培养学生的安全、认真、严谨等工作意识方面，需结合一定的实操考评，能更好地培养学生团队合作、分析问题、解决问题等能力。

将虚拟平台，基础仿真软件和实验设备的应用使用贯穿于理论学习和实验操作的学习过程，研究分阶段、多维度的过程化考核机制，从知识学习、技能掌握、职业意识、课程思政等方面考核学生，提高教学质量。

4 结语

电力系统虚拟仿真和基础仿真软件相结合的平台建设，形成了虚实结合的教学体系，采用“理论+虚拟+实践”一体化的教学模式，将理论知识分块融入实践操作过程中，本着以学生为主的原则，增加仿真体验，着重训练学生的实际操作技能。并且采用任务驱动教学法，教师通过布置课程仿真模块搭建任务，逐渐提升学生的问题分析和处理能力，适合目前高校广泛采用的过程化考核方案需要，增大平时成绩比例，弱化期末考试成绩的比重，形成了一套全方位的、分阶段、多元化的过程化考核机制。