船舶电力系统虚拟仿真实验教学的探索与实践.docx

船舶电力系统虚拟仿真实验教学的探索与实践 摘要：该实验教学项目以船舶综合电力系统为背景，以典型1KV直流区域配电系统主要设备、网络结构、运行控制为基础，针对继电保护实验的知识点，构建基于真实船舶综合电力系统运行场景的虚拟仿真实验环境，模拟电力系统运行中的各种故障现象及保护装置的行为。采用情景式、参与式、探究式、案例式等相融合的教学方法，通过交互式的预习、虚拟实验、综合设计等环节，让学生掌握综合电力系统故障机理、保护装置基础知识、装置定值计算与整定方法。通过自主设计实验，培养学生的创新思维和创新设计能力，探索实验教学方法规律，提升实验教学效果。 一、引言新型船舶综合电力系统将采用中压直流供电系统。“电力系统继电保护”是我校电气工程及其自动化专业、综合电力技术与管理专业本科学员以及轮培训学员的专业核心骨干课程。中压直流供电系统，不仅对我国，而且对于世界各国来说都是首次应用。目前现有实验室设备全部为低压电制，严重缺乏与中压电制匹配、与直流区域配电网络结构匹配、与推进系统匹配以及综合电力系统运行管理匹配的实验教学设备，亟待开展虚拟仿真实验项目的建设工作二、传统实验课程教学现状的分析综合电力系统控制与转换电能采用的都是高电压、大电流设备，针对基于中压直流综合电力系统保护与控制的科学实验，包括设备认知、故障演示、保护整定、故障重构等，由于安全性要求，难以在真实系统中进行，传统的硬件实验系统建设主要面临以下难题：（一）实验危险性高中压直流综合电力系统相关实验过程中必然涉及高电压、大电流的设备操作，学生操作具有较大的危险性，学生难以以真实的设备作为实验对象进行反复实践。（二）实验成本高昂中压直流实验设备配套复杂，环节较多，建设成本高，实现难度大，单次实验成本较高；在资源有限的情况下，学生实践机会较少，难以提高教学效果。（三）实验资源缺乏由于中压直流综合电力系统是全新系统，受研究水平和技术条件的限制，现实中相应的继电保护实验资源匮乏，缺乏系统化、完整性；真实设备实验形式单一，以认知性、技能操作性实验为主，缺乏设计性、验证性试验内容，探究性差（四）实验教学效果差船舶综合电力系统运行中的各种故障状态、应急工况难以在教学过程中完整体现，学生感性认知度低；同时传统实验教学方式单一上述问题的存在，客观上制约了与电力系统继电保护相关课程实验教学的开展三、虚拟仿真实验教学体系的构建为解决传统实验教学和人才培养过程中存在的问题，实现国家培养卓越人才和创新人才的战略目标（一）基本思路本着“虚实结合、能实不虚”的原则，通过逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到实装实验难以实现的教学效果。通过建立体现综合电力系统的综合性、系统性、设计性和创新性的实验模块和实验单元，将实验由教师示范讲解为主的被动模式转变为学生设计、动手、评估效果为主的主动模式。最终形成一个虚实结合的，课内课外、线上线下、教学一体的，具有基础性、集成性、先进性的实验教学体系。（二）实验原理实验系统的基本原理是：根据典型直流区域配电系统结构图，利用仿真计算软件构建模拟直流区域配电网模型，进行正常运行及故障情况下电压、电流与保护装置行为的数值仿真，模拟电网运行过程中的典型短路故障现象，以及保护阈值设定与保护动作行为，生成电网实时运行基础数据，存储于数据服务器，与VR(Virtual Reality，虚拟现实）虚拟仿真环境进行交互，通过保护装置整定设置，观察和分析故障点的电压、电流变化情况和保护装置的动作情况，理解短路故障保护的基本原则，并利用Web服务器实现基于B/S(Browser/Server，浏览器/服务器模式）结构的实验课程远程教学。（三）建设过程基于课程教学实践，“电力系统继电保护”课程组一直致力于相关教学实验资源的建设。为了弥补现有实验教学条件的不足，从2006年开始，区分“桌面交互”“虚拟沉浸”“协同交互”三种形式，课程组先后开展了新型船用电站模拟训练系统、大型复杂船舶电力系统训练模拟系统等模拟训练系统的开发，并于2006—2019年在电力系统及其自动化本科班次的实验课程中进行了应用，取得了良好效果。为了进一步提高目前船舶综合电力系统继电保护实验教学的全要素、全系统、全流程水平，使学员对继电保护基本原理、全系统综合继电保护整定有较为全面的理解和掌握，更好地培养学员浓烈的学习兴趣、锻炼学员动手能力，为学员提供创新实践的多样化、全尺度实验平台，2019年开展了船舶综合电力系统继电保护虚拟仿真实验项目建设工作。根据项目建设规划，后期将进一步拓展船舶综合电力系统继电保护的虚拟仿真实验内容，形成全功能版的船舶综合电力系统虚拟仿真实验系统。（四）主要特