基于新工科下的虚拟仿真软件实践教学体系建设

［摘 要］ 实践教学是提升学生全面创新能力的根本方法，因此提出了新工科背景下虚拟仿真软件实践教学体系建设，解决本校电气专业实验教学中的关于实验过程创新能力提升慢的问题。围绕现阶段本校电气专业实践教学存在的问题及虚拟仿真实践教学的意义，开展虚拟仿真软件实践教学体系建设、电力系统仿真应用软件的辅助应用。实践表明，虚拟仿真实践教学方式，能大幅提升电气专业学生解决实际问题的创新能力，为新工科提出的应用人才培养奠定了基础。

［关键词］ 新工科；创新能力；虚拟仿真；应用人才

［基金项目］ 2019年度校级教研项目“基于虚拟仿真系统的多种教学方法研究”

［作者简介］ 毛 涛（1986—），女，湖北黄冈人，工学硕士，武汉东湖学院机电工程学院讲师，主要从事电气专业教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）17-0169-04 ［收稿日期］ 2023-12-06

一、目前我校电气专业实践教学存在的问题

电气工程及其自动化专业是融强电与弱电于一体，软硬件结合较强的专业［1-3］。该专业毕业生就业前景大好，学生可入职到国家电网公司与南方电网公司所属的供电公司，也可以入职到与电气相关的任何公司，社会需求量一直居高不下，是各高校的热门专业。该专业要求毕业生入职时，具备较强的实际操作能力，对综合素质要求极高［4-5］。

我校电气专业培养人才的宗旨在于响应国家培养应用型人才的目标。其研究方向主要有电力电子传动、电力系统及其自动化。学院深刻认识到实践教学是提高学生实际动手能力、提升学生创新能力的重要手段，建设了一大批相关的实验室，目前学院对应的实验室有：智能电网综合实验室、电力系统自动化实验室、电力系统继电保护实验室、电力电子技术实验室、电机实验室、单片机实验室、创新工艺设计等本科实践基地。

因为电气专业的电力系统方向的相关课程以及实验全部是涉及强电方向，具备高电压、大电流的特征，对应的电力系统设备类目非常多，价格又居高不下，使得我们学校电气专业的实验室很难建设成与实际工作现场同比例复制的场景［6］。即使学生能够通过专业认知实习以及专业生产实习对电力系统的协调控制及工作原理有一定的了解，但是也仅限于表面的理解，无法真正接触岗位工作，到毕业时不会具备用人单位要求的实际操作能力和经验。同时现在学校因为场地和上课时间的限制，学生不能随时进出实验室进行实践动手操作。

综合以上的各种因素，导致我们学院的学生在毕业求职时具备的能力与实际社会需求存在一定的差距。因此，在新工业革命的大背景下，积极推行虚拟仿真软件实践教学在电气专业的应用，建立针对不同专业课程的虚拟仿真软件，并推行电力系统仿真应用软件的辅助应用，积极响应落实国家培养应用型人才的要求，是目前我校电气专业未来的发展方向。

二、虚拟仿真软件实践教学体系建设成效

（一）智能变电站虚拟仿真软件

我校的智能变电站虚拟仿真软件主要是为了让电气专业的学生及早适应变电站的实景巡检操作、变电站故障显示、变电站检修实景开操作票等，其核心知识是围绕智能电网技术、配电网自动化技术、新能源发电技术三个课程内容的变电站一次及二次设备的异常巡视、配电网故障诊断、隔离、恢复内容展开，目的在于使得学生掌握110 kV母线故障导致的事故现象及处理方式、110 kV侧设备日常例行巡视及不同类型异常的处理方式、掌握110 kV负荷线路及开关由运行转检修倒闸操作。既能开展电气专业的课程实践，也能用于认知实习实践。

图1为该软件运行总控面板界面，该软件的功能包括潮流运算服务器、教练台（课件编辑器）、就地站、综自软件、保护盘和三维虚拟场景等单元，适用于1000 kV及以下电压等级，具有单机培训和联合培训两种运行模式。其中，单机培训模式为仿真系统的单机版，每台计算机可以启动全套的电网仿真系统，由于集控站只配置两台学员机，这两台学员机可以供两人同时使用而互不影响，从而提高仿真机的利用效率。联合培训模式为学员机和总教练机作为仿真服务器的客户端，这些计算机通过网络联机，总教练台通过教练台对仿真系统设置故障及异常，在学员机上可以看到相应的故障及异常，从而各方面配合进行反事故演练，教练台平时也可以单个对集控站学员机设置故障。

图2为该软件综自监控系统界面，综自主接线软件模拟变电站综合自动化软件，如CSC2100，提供给学员与变电站综自相类似的可操作界面，完成学员在变电站综合自动化软件上的操作步骤。综自报警软件为提供给学员报警信息，如CSC2100。运行综自软件之前保证实时数据分中心已经正常启动运行。主接线启动后自动打开主画面，并且自动启动报警软件和控制台软件。

图3为该软件三维场景主界面。变电站仿真系统三维虚拟场景单元使用先进的计算机三维技术在计算机中再现真实变电站现场，显示设备缺陷、仿真变电站就地操作和操作结果。三维场景分为“巡视”“操作”和“验电”三种模式。巡视模式中，用户通过鼠标键盘的配合，在变电站虚拟场景中巡视，发现设备异常和缺陷，操作模式是对设备进行正常就地操作，如就地分合开关，就地分合刀闸、分合地刀等。验电模式将要验电的设备进行带电核实，此验电点是否有电将如实显示，红色有电、绿色无电。

（二）220 kV降压变电站设计虚拟仿真软件

我校的220 kV降压变电站虚拟仿真软件主要是为了让电气专业的学生加深对220 kV降压变电站的设备认知、设备参数整定、地区重要变电站地位的认知，其涉及的核心知识包括电气工程基础，电气专业课程设计课程内容的变电站一次、二次设备设计与配置等。其主要参照某城郊220 kV变电站，以其配电系统认知、设计与配置、启动、运维流程为主线。实验交互友好、难度适中，既涵盖《电气工程基础》中主接线方式、潮流计算、短路计算等重点内容，又紧密联系实际工程应用。实验设计具有开放性，在可考核评价的范围内，允许学生自由设置数据，充分发挥学生的主观能动性，依据自己的思路和判断完成实验，增加了学生的挑战度。虚拟仿真实验平台依托互联网，通过计算机的浏览器完成实验，克服了实验场地、经费、实际设备的安全性等限制，同时实现实验的开放性和设计性，可激发学生的学习兴趣，提高学生自主学习与探究的能力，培养学生发现问题和解决问题的能力。

该软件的功能主要包括变电站设计、变电站配置两个功能。学生可通过学校校园网链接、象新力服务器链接登录进行软件操作，访问次数及时间不受限制。由以上的内容可知，智能变电站虚拟仿真软件能够真实地还原220 kV变电站的一、二次设备及实景操作，学生通过该虚拟仿真软件直观感受进出变电站的规范操作、巡检操作、操作票操作，实践操作互动性好、易于上手、随时开放，能够提升电气专业学生的综合素质。

220 kV降压变电站设计虚拟仿真软件情景真实，学生能够通过登录、启动实验、实验记录三个过程完整地进行电气一次设计以及变电站的配置工作，有助于提升学生掌握电力系统三相短路实用计算方法及输入阻抗、转移阻抗、计算阻抗等物理概念，熟悉等值网络化简及标幺值计算方法。掌握变压器、断路器、隔离刀闸、避雷器等电力系统主设备的物理特性，熟悉配电设备的典型参数及型号选择方法，使学生对相关电气工程问题有较系统的认识和了解。熟悉电力系统经典潮流计算的基本方法，了解变电站配电系统及设备的组成和运行特性，训练电气工程计算能力。掌握典型的电气主接线形式、特点及应用范围，了解变电站的运维管理流程，掌握电气“五防”逻辑，熟悉变电站倒闸操作方法及注意事项。培养分析和解决电力系统问题的能力，掌握变电站电气设计的基本原理和方法，为深入研究电气工程规划、设计、安装、启动与运维等工作打下良好的基础。学生在实验过程中既熟悉了变电站的主要设备，也进一步加深了变电站中继保参数整定的相关知识的印象，强化了学生对电气专业的继电保护以及电力系统稳定分析的相关知识的掌握。

三、电力系统仿真应用软件的辅助应用

除了以上虚拟仿真软件的实践教学，还有很多专业教师开发了其他配套专业课程的仿真应用软件进行配套教学，目的在于全面提升学生面向社会的实际应用操作能力。如配电网自动化技术这门课程，相关专业课教师辅助以PSASP进行教学指导，该软件是融合电力系统稳定分析和暂态分析的综合程序，能够进行电力系统潮流计算、短路电流计算、暂态分析，能够通过图模一体化的仿真软件模型加深电气工程基础有关潮流计算数学原理、故障引起的系统波动原理的理解，最重要的是能够实时显示相应状态的潮流结果、短路计算结果、暂态状态波形，易于学生上手操作，能够跟课本上的基础理论相贴合，使得学生更容易吃透教材。该软件不仅能够用于平时的实验教学，还常用于毕业设计的指导中。图4为基于PSASP的学生毕业设计仿真图。

结论

本文重点围绕现阶段本校电气专业实践教学存在的问题及虚拟仿真实践教学的意义、虚拟仿真软件实践教学体系建设成效、电力系统仿真应用软件的辅助应用展开论述。虚拟仿真软件具备情景真实、互动性好、开放性强的实践教学特点，教学过程充分遵循“先实后虚、虚实结合、以虚扩实”的原则。电力系统仿真应用软件辅助应用不仅能提升学生的动手能力，更能提升学生的理论理解水平，大幅提升电气专业学生解决实际问题的创新能力，有助于培养新工科提出的应用型人才。

参考文献

［1］尚丽莎，贾亚娟.论虚拟仿真技术在电气类专业教学中的重要性［J］.中外企业家，2020（15）：204.

［2］张志宾，刘云海，谢宗波，等.“新工科”建设背景下地方普通高校化工虚拟仿真实验教学体系的探讨［J］.教育现代化，2019，7（55）：97-98.

［3］孙雯，叶爱芹，徐朝胜，等.强电类课程虚拟仿真实践教学平台建设［J］.科技经济导刊，2019，27（36）：117-118．

［4］房俊龙，周跃佳，倪品，等.电气工程专业虚实互补的实践教学新模式探索［J］.中国现代教育装备，2021（3）：35-36+48.

［5］赵凯辉，童玲，李祥飞.电气工程虚拟仿真实验教学平台的设计与实现［J］.科技创新导报，2018（1）：202-204.

［6］马双蓉.新工科背景下电气工程及其自动化专业学生实践创新能力培养［J］.中国设备工程，2021（4）：235-236.

Construction of Practical Teaching System of Virtual Simulation Software based on Emerging Engineering Education

MAO Tao

（Wuhan Donghu University， School of Mechanical and Electronicl Engineering， Wuhan，

Hubei 430212， China）

Abstract： Practical teaching is the fundamental method to improve students’ overall innovation ability. Therefore， this paper puts forward the construction of virtual simulation software practice teaching system under the background of emerging engineering education to solve the problem of slow improvement of innovation ability in experimental teaching of electrical major in our university. This method focuses on the problems existing in the practical teaching of electrical major in our university at the present stage， the significance of virtual simulation practical teaching， the effectiveness of virtual simulation software practical teaching system construction， and the auxiliary application of power system simulation application software. The practice shows that the virtual simulation practice teaching method can greatly improve the innovative ability of electrical students to solve practical problems， and lays a foundation for the training of applied talents proposed by the emerging engineering education.

Key words： emerging engineering education; innovation ability; virtual simulation; applied talents