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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)虛擬仿真實驗基地的研究建設(shè)方面的經(jīng)驗及做法。隨著教育的深刻變革，單一課程實驗已經(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驗平臺，使之能夠完成多門課程實驗，最終實現(xiàn)實驗室的資源整合。在這個大背景下，筆者學(xué)院研究建設(shè)了基于校園網(wǎng)的電氣專業(yè)虛擬仿真實驗基地。該基地實現(xiàn)硬件儀器資源共享，能夠完成了多門課程實驗，構(gòu)建了三維虛擬實驗環(huán)境，可實現(xiàn)具有動畫效果的三維動態(tài)仿真，可以完成設(shè)計性實驗平臺，亦可以通過網(wǎng)絡(luò)讓學(xué)生遠(yuǎn)程操作實驗，實現(xiàn)師生互動。沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院建設(shè)的電氣專業(yè)虛擬仿真實驗基地投入運行后，效果極好。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室電氣仿真實驗電力系統(tǒng)分析三維動態(tài)仿真、

筆者學(xué)院的電氣工程及其自動化專業(yè)特點以電力系統(tǒng)為主，所學(xué)專業(yè)面對的是高電壓、大電流的環(huán)境。采用虛擬實驗室模擬仿真電力系統(tǒng)的實際環(huán)境，可以在實驗實訓(xùn)中讓學(xué)生有效地完成專業(yè)實踐的同時，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)虛擬實驗基地。該基地可實現(xiàn)以學(xué)生為中心、以實驗教師為主導(dǎo)的開放性實驗教學(xué)，是一個集實驗儀器設(shè)備、實驗室環(huán)境、教務(wù)管理、實驗教學(xué)為一體的實驗管理和實驗設(shè)備同享系統(tǒng)。

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(wǎng)實現(xiàn)共享和遠(yuǎn)程操作實驗，主要由5部分組成：數(shù)據(jù)采集通信、信號處理模塊、實驗選擇及相應(yīng)實驗、網(wǎng)絡(luò)模塊、設(shè)計性實驗。

1.數(shù)據(jù)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(tǒng)分析實驗箱、繼電保護(hù)實驗箱、高電壓實驗箱、電力系統(tǒng)控制試驗箱、特高壓直流輸電實驗箱等。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實驗板、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(yán)重。因此，如何對所采集到的實驗信號進(jìn)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(jù)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(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.實驗部分

虛擬實驗部分主要有五大類：電力系統(tǒng)分析實驗、繼電保護(hù)實驗、高電壓實驗、電力系統(tǒng)控制實驗、特高壓直流輸電實驗等。電力系統(tǒng)分析實驗是一門綜合性和研究型的實驗課。由學(xué)生操作物理模擬的一次設(shè)備，自己獨立動手完成發(fā)電機并列、有功無功調(diào)節(jié)、系統(tǒng)穩(wěn)定運行、暫態(tài)運行、失磁等與理論課結(jié)合緊密的研究型實驗。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驗亦是通過虛擬儀器Labview把硬件儀器軟件化，構(gòu)建虛擬保護(hù)與控制等，虛擬儀器采用人機界面化，方便學(xué)生進(jìn)行實驗操作。實驗內(nèi)容不變，具體的操作在虛擬儀器平臺上完成。

4．網(wǎng)絡(luò)部分

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

5.設(shè)計性實驗部分

設(shè)計性實驗是學(xué)生在掌握實驗原理后，根據(jù)實驗?zāi)康倪M(jìn)行的創(chuàng)造性實驗活動。該模塊是通過預(yù)留數(shù)據(jù)傳輸端口，獨自設(shè)立了設(shè)計軟件平臺。在該平臺上，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)行各種分析計算。該模塊在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)中應(yīng)用效果非常好。

二、虛擬實驗室在電力實驗教學(xué)中的應(yīng)用及優(yōu)勢

1.實驗功能完善,操作方便

筆者學(xué)院的電力專業(yè)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(jié)果直觀。每個實驗都有詳盡的配套實驗指導(dǎo)說明。進(jìn)行基礎(chǔ)性、驗證性實驗操作時，實驗界面上會及時出現(xiàn)后續(xù)的操作步驟提示，操作錯誤時系統(tǒng)會給出警示。同時，該實驗基地具備的在線幫助功能，使得學(xué)生可以在實驗的操作過程中隨時查閱相關(guān)實驗的目的、內(nèi)容和實驗步驟。實驗完成后，學(xué)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(xué)生。

2.完成實驗內(nèi)容的拓展，實現(xiàn)教學(xué)實驗、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)虛擬實驗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)對稱故障計算及分析、繼電保護(hù)動作特性分析等傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，還增加了電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)壓，管理負(fù)荷，倒閘操作等模擬實驗，也能模擬各類故障及異常運行狀態(tài)下的繼電保護(hù)、自動裝置等二次設(shè)備及其動作情況，可以實現(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)建具有三維動態(tài)仿真功能的三維虛擬實驗環(huán)境

筆者學(xué)院電氣專業(yè)虛擬實驗室構(gòu)建了元件模型庫和零件庫，并且具有動畫效果。學(xué)生可以在實驗時隨時調(diào)用，觀察其運行狀態(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)員可在三維實驗環(huán)境中觀察其操作情況，或?qū)ζ溥M(jìn)行操作。這樣的三維虛擬實驗環(huán)境，實現(xiàn)三維動態(tài)仿真，使學(xué)生不僅可以對實驗產(chǎn)生感性認(rèn)識，還能鍛煉動手能力，拓展了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

4.實驗基地的開放模式

筆者學(xué)院的虛擬實驗基地建設(shè)，實行網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)管理，實現(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驗室。開放的模式主要有三種：自由選題型、自主研究型、團(tuán)隊培訓(xùn)型。

（1）自由選題型：實驗題目由教師提供，學(xué)生進(jìn)行自由選擇。

（2）自主研究型：實驗內(nèi)容和步驟由學(xué)生自己設(shè)計，并自由申請機房?；蛘呤瞧綍r課堂布置的實驗學(xué)生利用課后時間進(jìn)行實驗。

（3）團(tuán)隊培訓(xùn)型：學(xué)生組成的科研社團(tuán)或者興趣小組針對某個團(tuán)隊成員感興趣的課題進(jìn)行研究。實驗基地根據(jù)學(xué)生對實驗室的需求，將開放管理分為定時開放、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)虛擬實驗基地實現(xiàn)了多門課程硬件儀器資源的共享，并在學(xué)院的多門實驗課程教學(xué)中達(dá)到了預(yù)期的效果，促進(jìn)了實驗教學(xué)的發(fā)展，實踐效果非常理想?？梢灶A(yù)見，隨著高校各學(xué)科的交叉發(fā)展，虛擬實驗室的應(yīng)用勢在必行，必將在今后的實驗教學(xué)中占有越來越重要的地位，而筆者學(xué)院虛擬仿真實驗基地的實踐經(jīng)驗無疑會在實驗室發(fā)展進(jìn)程中起到借鑒作用，經(jīng)驗值得推廣。

作者：張柳 高陽 鄒全平 單位：沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院