王智東 楊 玲 鄧豐強(qiáng) 周懷欣 廖中熙

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣州 510640)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為知識(shí)與實(shí)踐的橋梁，能讓學(xué)生順利地理解知識(shí)，并且印象深刻，是工科教學(xué)中的一種至關(guān)重要的手段。相較于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)多依賴于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)手段[1]。當(dāng)前本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方式為基礎(chǔ)，由于物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能較為固定，容易受限于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身的約束，實(shí)驗(yàn)教學(xué)只能開(kāi)設(shè)平臺(tái)事先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革帶來(lái)了新的發(fā)展空間。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，引入仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅能彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足，而且能夠幫助學(xué)生加深對(duì)電力系統(tǒng)以及電氣設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理的理解和掌握，是對(duì)電氣專業(yè)理論教學(xué)的一個(gè)有力補(bǔ)充[2]。同時(shí)，虛擬仿真教學(xué)具有較高的靈活性和開(kāi)發(fā)性，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于引導(dǎo)學(xué)生將仿真技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，提高學(xué)生分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

在分析當(dāng)前工科主要的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段基礎(chǔ)上，提出“物理平臺(tái)+虛擬仿真”的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，充分利用物理平臺(tái)具有的生動(dòng)直觀優(yōu)點(diǎn)和虛擬仿真具有的靈活易擴(kuò)展優(yōu)點(diǎn)，協(xié)同發(fā)展更好為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。并以電氣工程專業(yè)的繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)課程為例，說(shuō)明構(gòu)建“物理平臺(tái)+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)挑戰(zhàn)與對(duì)策

各高校在將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于電氣專業(yè)教學(xué)的探索過(guò)程中，可主要分為兩種技術(shù)方法[3]：①物理仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)(VR)與軟件仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)形成的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；②虛擬現(xiàn)實(shí)。

仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用“以個(gè)人計(jì)算機(jī)為載體，以應(yīng)用軟件為后臺(tái)支撐”的軟件仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，該方法具有實(shí)驗(yàn)環(huán)境建設(shè)經(jīng)費(fèi)投入少、建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，軟件系統(tǒng)可長(zhǎng)期使用并可升級(jí)；每名學(xué)生可獨(dú)自用一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間不受課程進(jìn)度影響。采用仿真軟件開(kāi)展電氣工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)的綜合效益較高。但也有不足：①仿真軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)為計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，若學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力不強(qiáng)，則實(shí)驗(yàn)操作困難；②仿真軟件仍采用簡(jiǎn)化的二維圖形表示電力系統(tǒng)裝置或器件，建立的系統(tǒng)模型不直觀，學(xué)生缺少對(duì)電機(jī)等電氣設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)；③仿真實(shí)驗(yàn)中是用簡(jiǎn)單的圖形表示元件，無(wú)從了解設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造。

虛擬現(xiàn)實(shí)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，綜合運(yùn)用系統(tǒng)仿真技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)等先進(jìn)科技生成的具有沉浸感、可進(jìn)行人機(jī)交互的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)具備靈活性好、擴(kuò)展性強(qiáng)很多優(yōu)點(diǎn)，但是目前虛擬現(xiàn)實(shí)還處于起步階段，面臨著諸多挑戰(zhàn)：①VR技術(shù)仿真計(jì)算能力缺失或者不足。VR實(shí)驗(yàn)即虛擬現(xiàn)實(shí)不具備Matlab等仿真軟件的計(jì)算能力，較難實(shí)現(xiàn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量、分析、建立模型等深層次內(nèi)容。有高校給VR平臺(tái)建立C++語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)VR計(jì)算能力，但是跟成熟的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件的計(jì)算能力差距很大。②VR技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在沉浸式的觀看體驗(yàn)上，注重設(shè)備外觀等直觀體驗(yàn)，較少涉及機(jī)理性內(nèi)容。③VR建模需要較高的人力成本和精力，一般的課程難以實(shí)現(xiàn)。

上述的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)和常見(jiàn)的實(shí)物試驗(yàn)臺(tái)教學(xué)方法，是目前高校中電氣工程專業(yè)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程的三種主要方式，如圖1所示。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，就以教學(xué)效果而言，還期望能同時(shí)充分融合三種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法優(yōu)點(diǎn)、發(fā)揮各種方法長(zhǎng)處的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選擇了主要利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方法進(jìn)行后續(xù)研究。

圖1 當(dāng)前主要實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段

2 半虛擬全景式電氣實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前高校中電氣工程專業(yè)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課程的三種方式“實(shí)物化試驗(yàn)臺(tái)教學(xué)”“仿真軟件平臺(tái)教學(xué)”“虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)”各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在系統(tǒng)分析當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段基礎(chǔ)上，提出一種“設(shè)備平臺(tái)+虛擬仿真”半虛擬全景式教學(xué)實(shí)驗(yàn)方式兼具實(shí)物平臺(tái)和仿真平臺(tái)的“設(shè)備平臺(tái)+虛擬仿真” 半虛擬全景式教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，綜合各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電氣學(xué)科特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“24小時(shí)”全方位實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。同時(shí)，也滿足教師和學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究工作的需求。該方法針對(duì)不同電氣實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)融合了實(shí)物型實(shí)驗(yàn)和虛擬平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，既具備實(shí)物實(shí)驗(yàn)直觀方便的優(yōu)點(diǎn)，又具備虛擬仿真的靈活性和豐富性，設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 電氣學(xué)科產(chǎn)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案

半虛擬全景式教學(xué)實(shí)驗(yàn)方式的教學(xué)手段具有三種主要的方式：①利用現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置完成基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)。這一點(diǎn)在充分利用了現(xiàn)有的實(shí)物型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上彌補(bǔ)了仿真實(shí)驗(yàn)不夠直觀的缺點(diǎn)。②基于PSCAD、Simulink等仿真軟件開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)充分利用了仿真軟件靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，大大豐富了可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的類型。這一特點(diǎn)彌補(bǔ)了實(shí)物型實(shí)驗(yàn)不夠靈活的缺點(diǎn)。③結(jié)合高壓、繼保、電機(jī)等電氣學(xué)科不同課程的特點(diǎn)，因“課程”制宜地發(fā)揮實(shí)物設(shè)備和虛擬仿真方法各自的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的虛擬仿真軟件，實(shí)現(xiàn)完備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能。

3 實(shí)例

華南理工大學(xué)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)室配備了多臺(tái)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，現(xiàn)有繼保實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由8套DJZ型實(shí)驗(yàn)臺(tái)和1個(gè)控制臺(tái)工控機(jī)組成，可以完成電磁式繼電器特性、三段電流保護(hù)、距離保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)等經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[4]，可做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)固定。

為了適應(yīng)繼電保護(hù)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，在物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，以硬件設(shè)備“軟化”方式，擴(kuò)展了過(guò)程總線、虛擬智能電子設(shè)備(IED)等功能[5]，以仿真方式與原有硬件平臺(tái)“交互”，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真與物理平臺(tái)相結(jié)合的新型本科實(shí)驗(yàn)。

實(shí)物型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)過(guò)程總線進(jìn)行電氣量的傳輸、交換，物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集學(xué)生所操作的機(jī)器的電氣量，通過(guò)過(guò)程總線輸進(jìn)虛擬平臺(tái)，需要進(jìn)行回傳的數(shù)據(jù)也需通過(guò)過(guò)程總線。也就是說(shuō)過(guò)程總線所在的分層結(jié)構(gòu)最接近電力一次系統(tǒng)，是整個(gè)電力系統(tǒng)電氣量采集和開(kāi)關(guān)動(dòng)作的基礎(chǔ)。過(guò)程總線以通信網(wǎng)絡(luò)形式取代了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的“硬接線”，用于傳遞電力系統(tǒng)電氣量值和開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及命令等重要信息。

通過(guò)微機(jī)裝置中的RS485總線與控制臺(tái)的工控機(jī)相連，形成一個(gè)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)可信息交換的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)。微機(jī)裝置通過(guò)自定義的報(bào)文格式與工控機(jī)交換信息，實(shí)現(xiàn)電流和電壓等模擬量的具體數(shù)值信息，以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)和操作等簡(jiǎn)單信息在二者之間的傳遞。

充分利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)完整的電力一次系統(tǒng)功能，以及RS485通信功能擴(kuò)展教學(xué)實(shí)驗(yàn)。若是較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，如直接調(diào)整變量觀測(cè)結(jié)果等，則直接在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行操作，若是普通實(shí)驗(yàn)臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜操作，如需要復(fù)雜算法或者編程等實(shí)現(xiàn)的，可以將物理平臺(tái)上由學(xué)生操作所采集到的數(shù)據(jù)量傳至虛擬平臺(tái)，由虛擬平臺(tái)進(jìn)行模擬和計(jì)算之后，將產(chǎn)生的結(jié)果傳送到模擬軟件中或是回傳到物理平臺(tái)，使其顯現(xiàn)于軟件界面或者物理平臺(tái)上。通過(guò)這種方式，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以讓學(xué)生體驗(yàn)到的實(shí)驗(yàn)種類會(huì)大大增加，一些難以單靠物理實(shí)驗(yàn)臺(tái)解決的實(shí)驗(yàn)也能通過(guò)虛擬平臺(tái)得到更高質(zhì)量的教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)的工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)軟件編程使其實(shí)現(xiàn)過(guò)程總線適配器的功能，如圖3所示。由學(xué)生操控的物理平臺(tái)和虛擬平臺(tái)通過(guò)過(guò)程總線進(jìn)行電氣量的交換。通過(guò)這些數(shù)據(jù)的交換，虛擬系統(tǒng)可以給物理平臺(tái)以輔助，實(shí)現(xiàn)一些物理平臺(tái)難以實(shí)現(xiàn)的操作或者運(yùn)算，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和拓展。

圖3 物理平臺(tái)+虛擬仿真繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

上述內(nèi)容所提到的這種半虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式集物理平臺(tái)和虛擬平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)于一身，大大提升了教學(xué)質(zhì)量，且成本不高，安全性好。在條件允許的情況下，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有望大量普及。

4 結(jié)語(yǔ)

為了進(jìn)一步擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，提出“物理平臺(tái)+虛擬仿真”的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，既能充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的直觀、生動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)虛擬仿真方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能的擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)上進(jìn)行了物理繼保裝置和虛擬過(guò)程總線相結(jié)合的探索，取得較好的教學(xué)效果。