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摘要：本文介紹了沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院在電氣專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地的研究建設(shè)方面的經(jīng)驗(yàn)及做法。隨著教育的深刻變革，單一課程實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不再適用于現(xiàn)代高校，急需探索和構(gòu)建一種新型的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使之能夠完成多門課程實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的資源整合。在這個(gè)大背景下，筆者學(xué)院研究建設(shè)了基于校園網(wǎng)的電氣專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地。該基地實(shí)現(xiàn)硬件儀器資源共享，能夠完成了多門課程實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)具有動(dòng)畫效果的三維動(dòng)態(tài)仿真，可以完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，亦可以通過網(wǎng)絡(luò)讓學(xué)生遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)。沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院建設(shè)的電氣專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地投入運(yùn)行后，效果極好。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室電氣仿真實(shí)驗(yàn)電力系統(tǒng)分析三維動(dòng)態(tài)仿真、

筆者學(xué)院的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)特點(diǎn)以電力系統(tǒng)為主，所學(xué)專業(yè)面對的是高電壓、大電流的環(huán)境。采用虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬仿真電力系統(tǒng)的實(shí)際環(huán)境，可以在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中讓學(xué)生有效地完成專業(yè)實(shí)踐的同時(shí)，很好地保障學(xué)生的人身安全。因此筆者學(xué)院建立了以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)、以分析、遠(yuǎn)程操作為目的電氣專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)基地。該基地可實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心、以實(shí)驗(yàn)教師為主導(dǎo)的開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一個(gè)集實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、教務(wù)管理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)為一體的實(shí)驗(yàn)管理和實(shí)驗(yàn)設(shè)備同享系統(tǒng)。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能介紹

該虛擬實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)驗(yàn)室儀器是可以通過校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)共享和遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)，主要由5部分組成：數(shù)據(jù)采集通信、信號(hào)處理模塊、實(shí)驗(yàn)選擇及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)模塊、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1.數(shù)據(jù)采集通信部分

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要硬件儀器有AD-300實(shí)驗(yàn)儀、電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)箱、繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)箱、高電壓實(shí)驗(yàn)箱、電力系統(tǒng)控制試驗(yàn)箱、特高壓直流輸電實(shí)驗(yàn)箱等。這些數(shù)據(jù)接口需通過硬件采集設(shè)備，比如自制的A/D實(shí)驗(yàn)板、數(shù)據(jù)采集卡、Labjacku12、以太網(wǎng)接口模塊和串口模塊等完成數(shù)據(jù)連接通信?？梢允箤W(xué)生用戶通過選擇控件來選擇并切換不同的數(shù)據(jù)采集通信方式。

2.信號(hào)處理模塊

實(shí)驗(yàn)硬件儀器由于使用率較高，使得其電路老化和實(shí)驗(yàn)采集的信號(hào)噪聲會(huì)越來越嚴(yán)重。因此，如何對所采集到的實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行去噪聲處理就變得尤其重要。信號(hào)處理部分主要采用的去噪聲方法是引入隨機(jī)噪聲和工頻干擾噪聲，并根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)硬件分析信號(hào)的不同加入不同的時(shí)頻域處理算法；針對開關(guān)量或布爾值量主要閾值進(jìn)行判斷處理，再進(jìn)行二次值判別，以保證獲得數(shù)據(jù)的正確可靠性。

3.實(shí)驗(yàn)部分

虛擬實(shí)驗(yàn)部分主要有五大類：電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)、繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)、高電壓實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)、特高壓直流輸電實(shí)驗(yàn)等。電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)是一門綜合性和研究型的實(shí)驗(yàn)課。由學(xué)生操作物理模擬的一次設(shè)備，自己獨(dú)立動(dòng)手完成發(fā)電機(jī)并列、有功無功調(diào)節(jié)、系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、暫態(tài)運(yùn)行、失磁等與理論課結(jié)合緊密的研究型實(shí)驗(yàn)。而其他的繼電保護(hù)、高電壓、電力系統(tǒng)控制、特高壓直流輸電等仿真實(shí)驗(yàn)亦是通過虛擬儀器Labview把硬件儀器軟件化，構(gòu)建虛擬保護(hù)與控制等，虛擬儀器采用人機(jī)界面化，方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不變，具體的操作在虛擬儀器平臺(tái)上完成。

4．網(wǎng)絡(luò)部分

該實(shí)驗(yàn)基地通過校園網(wǎng)，利用虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)通信等模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，使學(xué)生隨時(shí)能夠進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)和操作。教師也可以在校園網(wǎng)公布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并可以實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的交互式實(shí)驗(yàn)。

5.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)部分

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行的創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。該模塊是通過預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸端口，獨(dú)自設(shè)立了設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。在該平臺(tái)上，學(xué)生可以任意組建電力系統(tǒng)模型，再進(jìn)行拓?fù)?，也可以進(jìn)行各種分析計(jì)算。該模塊在畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中應(yīng)用效果非常好。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室在電力實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)勢

1.實(shí)驗(yàn)功能完善,操作方便

筆者學(xué)院的電力專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)界面具有可視化、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)操作方便，結(jié)果直觀。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有詳盡的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)說明。進(jìn)行基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)界面上會(huì)及時(shí)出現(xiàn)后續(xù)的操作步驟提示，操作錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)會(huì)給出警示。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)基地具備的在線幫助功能，使得學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)的操作過程中隨時(shí)查閱相關(guān)實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中撰寫、修改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提供給教師隨時(shí)檢查、批改，教師并將實(shí)驗(yàn)評價(jià)反饋給學(xué)生。

2.完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展，實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)、輔助學(xué)習(xí)和職業(yè)培訓(xùn)為一體的功能

筆者學(xué)院的電氣專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以完成電力系統(tǒng)有功功率分布及分析、電力系統(tǒng)無功功率分布及分析、電力系統(tǒng)對稱故障計(jì)算及分析、繼電保護(hù)動(dòng)作特性分析等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還增加了電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓，管理負(fù)荷，倒閘操作等模擬實(shí)驗(yàn)，也能模擬各類故障及異常運(yùn)行狀態(tài)下的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等二次設(shè)備及其動(dòng)作情況，可以實(shí)現(xiàn)事故處理以及事故后恢復(fù)控制的訓(xùn)練等電網(wǎng)仿真培訓(xùn)功能。

3.構(gòu)建具有三維動(dòng)態(tài)仿真功能的三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

筆者學(xué)院電氣專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了元件模型庫和零件庫，并且具有動(dòng)畫效果。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)隨時(shí)調(diào)用，觀察其運(yùn)行狀態(tài)。圖2所示為間隔內(nèi)的開關(guān)及各刀閘、地刀的操作把手及分合指示的三維立體圖。學(xué)員可在三維實(shí)驗(yàn)環(huán)境中觀察其操作情況，或?qū)ζ溥M(jìn)行操作。這樣的三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)仿真，使學(xué)生不僅可以對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，還能鍛煉動(dòng)手能力，拓展了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

4.實(shí)驗(yàn)基地的開放模式

筆者學(xué)院的虛擬實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)，實(shí)行網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)對象管理、開放管理、預(yù)約管理、審批管理和門禁管理，是真正具有開放特征的實(shí)驗(yàn)室。開放的模式主要有三種：自由選題型、自主研究型、團(tuán)隊(duì)培訓(xùn)型。

（1）自由選題型：實(shí)驗(yàn)題目由教師提供，學(xué)生進(jìn)行自由選擇。

（2）自主研究型：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟由學(xué)生自己設(shè)計(jì)，并自由申請機(jī)房。或者是平時(shí)課堂布置的實(shí)驗(yàn)學(xué)生利用課后時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（3）團(tuán)隊(duì)培訓(xùn)型：學(xué)生組成的科研社團(tuán)或者興趣小組針對某個(gè)團(tuán)隊(duì)成員感興趣的課題進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)基地根據(jù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)室的需求，將開放管理分為定時(shí)開放、全天開放、預(yù)約開放三種。

三、小結(jié)

綜上所述，筆者學(xué)院建設(shè)的該電氣專業(yè)虛擬實(shí)驗(yàn)基地實(shí)現(xiàn)了多門課程硬件儀器資源的共享，并在學(xué)院的多門實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中達(dá)到了預(yù)期的效果，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，實(shí)踐效果非常理想。可以預(yù)見，隨著高校各學(xué)科的交叉發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用勢在必行，必將在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有越來越重要的地位，而筆者學(xué)院虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)無疑會(huì)在實(shí)驗(yàn)室發(fā)展進(jìn)程中起到借鑒作用，經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

作者：張柳 高陽 鄒全平 單位：沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院