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摘要：本文介紹了沈陽工程學院電力學院在電氣專業虛擬仿真實驗基地的研究建設方面的經驗及做法。隨著教育的深刻變革，單一課程實驗已經不再適用于現代高校，急需探索和構建一種新型的仿真實驗平臺，使之能夠完成多門課程實驗，最終實現實驗室的資源整合。在這個大背景下，筆者學院研究建設了基于校園網的電氣專業虛擬仿真實驗基地。該基地實現硬件儀器資源共享，能夠完成了多門課程實驗，構建了三維虛擬實驗環境，可實現具有動畫效果的三維動態仿真，可以完成設計性實驗平臺，亦可以通過網絡讓學生遠程操作實驗，實現師生互動。沈陽工程學院電力學院建設的電氣專業虛擬仿真實驗基地投入運行后，效果極好。

關鍵詞：虛擬實驗室電氣仿真實驗電力系統分析三維動態仿真、

筆者學院的電氣工程及其自動化專業特點以電力系統為主，所學專業面對的是高電壓、大電流的環境。采用虛擬實驗室模擬仿真電力系統的實際環境，可以在實驗實訓中讓學生有效地完成專業實踐的同時，很好地保障學生的人身安全。因此筆者學院建立了以虛擬現實技術為基礎、以分析、遠程操作為目的電氣專業虛擬實驗基地。該基地可實現以學生為中心、以實驗教師為主導的開放性實驗教學，是一個集實驗儀器設備、實驗室環境、教務管理、實驗教學為一體的實驗管理和實驗設備同享系統。

一、虛擬實驗平臺的功能介紹

該虛擬實驗基地的實驗室儀器是可以通過校園網實現共享和遠程操作實驗，主要由5部分組成：數據采集通信、信號處理模塊、實驗選擇及相應實驗、網絡模塊、設計性實驗。

1.數據采集通信部分

實驗平臺的主要硬件儀器有AD-300實驗儀、電力系統分析實驗箱、繼電保護實驗箱、高電壓實驗箱、電力系統控制試驗箱、特高壓直流輸電實驗箱等。這些數據接口需通過硬件采集設備，比如自制的A/D實驗板、數據采集卡、Labjacku12、以太網接口模塊和串口模塊等完成數據連接通信?？梢允箤W生用戶通過選擇控件來選擇并切換不同的數據采集通信方式。

2.信號處理模塊

實驗硬件儀器由于使用率較高，使得其電路老化和實驗采集的信號噪聲會越來越嚴重。因此，如何對所采集到的實驗信號進行去噪聲處理就變得尤其重要。信號處理部分主要采用的去噪聲方法是引入隨機噪聲和工頻干擾噪聲，并根據不同的實驗硬件分析信號的不同加入不同的時頻域處理算法；針對開關量或布爾值量主要閾值進行判斷處理，再進行二次值判別，以保證獲得數據的正確可靠性。

3.實驗部分

虛擬實驗部分主要有五大類：電力系統分析實驗、繼電保護實驗、高電壓實驗、電力系統控制實驗、特高壓直流輸電實驗等。電力系統分析實驗是一門綜合性和研究型的實驗課。由學生操作物理模擬的一次設備，自己獨立動手完成發電機并列、有功無功調節、系統穩定運行、暫態運行、失磁等與理論課結合緊密的研究型實驗。而其他的繼電保護、高電壓、電力系統控制、特高壓直流輸電等仿真實驗亦是通過虛擬儀器Labview把硬件儀器軟件化，構建虛擬保護與控制等，虛擬儀器采用人機界面化，方便學生進行實驗操作。實驗內容不變，具體的操作在虛擬儀器平臺上完成。

4．網絡部分

該實驗基地通過校園網，利用虛擬儀器網絡通信等模塊實現網絡化，使學生隨時能夠進入實驗室平臺進行實驗的預習和操作。教師也可以在校園網公布實驗任務，并可以實現教師與學生的交互式實驗。

5.設計性實驗部分

設計性實驗是學生在掌握實驗原理后，根據實驗目的進行的創造性實驗活動。該模塊是通過預留數據傳輸端口，獨自設立了設計軟件平臺。在該平臺上，學生可以任意組建電力系統模型，再進行拓撲，也可以進行各種分析計算。該模塊在畢業設計環節中應用效果非常好。

二、虛擬實驗室在電力實驗教學中的應用及優勢

1.實驗功能完善,操作方便

筆者學院的電力專業虛擬實驗室驗界面具有可視化、功能強大的特點，同時實驗操作方便，結果直觀。每個實驗都有詳盡的配套實驗指導說明。進行基礎性、驗證性實驗操作時，實驗界面上會及時出現后續的操作步驟提示，操作錯誤時系統會給出警示。同時，該實驗基地具備的在線幫助功能，使得學生可以在實驗的操作過程中隨時查閱相關實驗的目的、內容和實驗步驟。實驗完成后，學生可在虛擬實驗平臺中撰寫、修改實驗報告，提供給教師隨時檢查、批改，教師并將實驗評價反饋給學生。

2.完成實驗內容的拓展，實現教學實驗、輔助學習和職業培訓為一體的功能

筆者學院的電氣專業虛擬實驗室可以完成電力系統有功功率分布及分析、電力系統無功功率分布及分析、電力系統對稱故障計算及分析、繼電保護動作特性分析等傳統實驗內容，還增加了電網調頻調壓，管理負荷，倒閘操作等模擬實驗，也能模擬各類故障及異常運行狀態下的繼電保護、自動裝置等二次設備及其動作情況，可以實現事故處理以及事故后恢復控制的訓練等電網仿真培訓功能。

3.構建具有三維動態仿真功能的三維虛擬實驗環境

筆者學院電氣專業虛擬實驗室構建了元件模型庫和零件庫，并且具有動畫效果。學生可以在實驗時隨時調用，觀察其運行狀態。圖2所示為間隔內的開關及各刀閘、地刀的操作把手及分合指示的三維立體圖。學員可在三維實驗環境中觀察其操作情況，或對其進行操作。這樣的三維虛擬實驗環境，實現三維動態仿真，使學生不僅可以對實驗產生感性認識，還能鍛煉動手能力，拓展了學生的創造性思維。

4.實驗基地的開放模式

筆者學院的虛擬實驗基地建設，實行網絡化教學管理，實現對象管理、開放管理、預約管理、審批管理和門禁管理，是真正具有開放特征的實驗室。開放的模式主要有三種：自由選題型、自主研究型、團隊培訓型。

（1）自由選題型：實驗題目由教師提供，學生進行自由選擇。

（2）自主研究型：實驗內容和步驟由學生自己設計，并自由申請機房。或者是平時課堂布置的實驗學生利用課后時間進行實驗。

（3）團隊培訓型：學生組成的科研社團或者興趣小組針對某個團隊成員感興趣的課題進行研究。實驗基地根據學生對實驗室的需求，將開放管理分為定時開放、全天開放、預約開放三種。

三、小結

綜上所述，筆者學院建設的該電氣專業虛擬實驗基地實現了多門課程硬件儀器資源的共享，并在學院的多門實驗課程教學中達到了預期的效果，促進了實驗教學的發展，實踐效果非常理想?？梢灶A見，隨著高校各學科的交叉發展，虛擬實驗室的應用勢在必行，必將在今后的實驗教學中占有越來越重要的地位，而筆者學院虛擬仿真實驗基地的實踐經驗無疑會在實驗室發展進程中起到借鑒作用，經驗值得推廣。

作者：張柳 高陽 鄒全平 單位：沈陽工程學院電力學院