陈亮　李耕　叶志浩

[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。

[关键词] 继电保护;虚拟仿真;实验教学

[作者简介] 陈 亮（1982—），男，江西湖口人，工学博士，讲师，研究方向为船舶电力系统安全运行;叶志浩（1975—），男，湖北孝感人，工学博士，教授（通信作者），研究方向为电力系统设计、分析与保护。

[中图分类号] G642.0      [文献标识码] A     [文章编号] 1674-9324（2021）06-0117-04    [收稿日期] 2020-04-30

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[1]。

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，现实中相应的继電保护实验资源匮乏，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[2]。

（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[3]，教学内容滞后，电力系统新技术难以在教学内容中体现，学生实验教学效果较差。

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[4]。为此，需要以船舶综合电力系统应用为背景，通过构建虚拟仿真实验环境，帮助学员掌握综合电力系统继电保护的基本概念、原理和整定方法，锻炼学员获取知识、运用知识的能力和创新能力。

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[5]，本实验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，采用数字化、信息化、多媒体、虚拟现实等先进技术，选取传统实验教学中难以开展的实验内容，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典型故障现象及保护装置的行为。

（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）主要特色

1.针对船舶综合电力系统继电保护的教学，通过虚拟仿真实验教学的设计，可形成“虚拟交互—方案推演—考核评估”相互融合的教学模式，有效提高虚拟仿真与装备现地教学的效果。

2.针对全系统综合操演流程及程序类教学，通过虚拟仿真的应用，可形成基于“场景—案例—角色—交互”综合集成的沉浸式综合电力继电保护教学设计方法。

3.通过引入任务流程背景，结合联网仿真推演手段的应用，可以形成多人协同式综合作业的教学设计，有效体现综合设计理念和全要素效果。

四、融合式实验教学方法的探索

本实验教学项目坚持“学生中心、问题导向、自主探索、创新实践”的实验教学理念，依托我校综合电力技术国防科技重点实验室的优势教学资源，利用现代信息技术等手段，大力推进实验教学改革，结合学校的实际教学情况，自主研究并实行了情景式、参与式、探究式、案例式相融合的实验教学方法，致力于培养学生的问题意识、创新精神、主动学习和自我反思的能力。本实验教学项目将各知识点分解到1个演示性实验、1个认知性实验和2个设计性实验模块中，结合真实案例数据，通过虚拟场景的实验操作，观察和分析实验现象，使学生理解和掌握综合电力系统继电保护理论，满足教学目标的要求。

（一）情景式教学：模拟船舶综合电力系统真实设备

在认知性实验过程中，其实验系统基于真实的综合电力系统主要设备，实验中所涉及的主发电机、断路器、配电装置、变流器等都与真实系统一致，学生置身于虚拟场景中，操作也与真实场景一致，实现情景式的教与学。

（二）参与式教学：学生参与综合电力系统监控

在演示性实验过程中，学生实际可作为类似综合电力系统运行监控人员的角色，直接参与到系统运行与控制的工作中，可以观察系统中与实验相关的设备运行状态（电压、电流、功率、断路器分合闸状态），并进行控制（保护参数设置与复位、断路器分合闸等操作），通过故障实验现象观察与操作，理解保护设备工作原理。学生在实验过程中遇到问题可以及时得到老师帮助，大幅提高师生参与度，提升教学效果。

（三）探究式教学：学生自主开展继电保护实验设计及验证

在设计性实验过程中，不同工况、不同设备的操作顺序并非固定，实验仿真模型是基于真实综合电力系统构建的，因此，学生可充分利用实验系统选取不同运行工况、故障类型、故障位置、不同保护装置定值，对保护装置动作行为和效果进行探究，从而理解和掌握保护装置工作原理，培养学生的自主創新能力。

（四）案例式教学：实验大量应用真实案例

本实验系统采用典型网络结构作为实验对象，故障参数取自真实系统参数。学生在实验过程中，先完成理论计算，然后进行实验测试，观察实验现象，分析计算值和实测值存在误差的原因，理解继电保护装置动作原理。

五、实验考核模式的优化

本实验项目以学生对船舶综合电力系统继电保护综合应用能力培养为目标，以信息化教学管理共享平台为载体，采用多维度、多元化的考核方法对学生进行全方位、系统的考核与评价。实验项目分为练习模式和考核模式。

在练习环节，操作错误时系统会自动提示和纠错。自主设计实验时，系统全程自动记录实验过程与操作步骤，学生能够追溯回看自己的操作记录，促使学生养成规范练习和主动思考的学习习惯。

在考核环节，系统根据练习模式成绩（30%）、考核模式成绩（60%）和实验报告成绩（10%）综合加权得到实验成绩。实验系统根据学生的实验操作、综合设计等情况客观评定实验分数，教师根据学生实验创新点及实验报告进行主观评价，形成客观与主观相结合、过程性和终结性评价相融合的综合评价体系。

六、实施效果

（一）提高人才培养质量

本项目的开发突破了时间和空间的限制，学生可以随时随地进行实验。同时，软件中设有纠错和提示功能，学生可以反复进行练习。虚拟仿真实验解决了真实系统实验不可逆的问题。在虚拟环境中，学生可以针对不同工况类型、不同故障位置的虚拟故障进行反复实验，大量虚拟实验环境里对虚拟实验对象的“试误”，练就了学生的继电保护定值计算和整定配置能力。学生也可选择自主设计实验，这种灵活的方式既能够激发学生养成主动掌握知识和不断反思的习惯，又能推动学生将理论知识应用于实践。本项目的应用，大大提升了实验教学效果，有效提高了人才培养质量。

（二）提升教学效率

本项目建构了一个类真实环境，目前支持并发访问高达100人，解决了现实综合电力船舶中无法接收高频次、大批量的学生参与见习或实习的难题;也解决了学生无法用真实系统进行反复练习及现实中实践短路等各种破坏性故障的问题。在虚拟仿真实验中，学生与虚拟设备、虚拟场景、虚拟故障和运行工况进行互动，不仅能把线下课堂中所学的知识应用于线上实验中，而且激发了学生对专业的热情和兴趣，大大提升了教学效果。

（三）降低教学成本

本项目使学生足不出校就能观摩和体验综合电力船舶继电保护的主要功能、组成和保护方法，节省了学生往返见习、实习单位的时间和交通成本。不仅如此，学生通过与虚拟的实验对象和实验材料进行互动，大大节省了实验硬件设备与材料的购置费用。

（四）共享教学资源

该项目可通过互联网访问使用，能够方便地开展大范围班级实验并向社会开放。目前，该虚拟仿真教学资源不仅惠及本专业的师生，也支持了我校其他相近专业的虚拟仿真实验教学。本项目实施后，可对高校和企业开放，实现教学资源共享，带动和支持其他高校的虚拟仿真实验教学。

（五）服务社会效果明显

本项目在培养综合电力技术与管理人才上具有显著优势，可吸引了社会人员主动接受该项目的培训，可将虚拟仿真实验教学课件应用于企业技术人员培训，服务社会的效果显著。

七、結语

实验系统建构的虚拟仿真实验环境，全方位实现了船舶综合电力系统继电保护涉及的所有知识点的实验探究，将难以呈现的电力系统故障过程和继电保护处理结果，以图形和应用场景直观呈现，极具可观性和吸引力。解决了实装实验难以组织实施，也无法承受大批学员同时实验的难题。有效地拓展了实验内容的深度和广度，凸显了虚拟仿真实验的优势。

（一）延伸了实验内容的深度、广度与实验空间

该项目为学生提供了高度仿真的虚拟实验环境，解决了真实中压直流综合电力系统实验具有一定危险性、实验成本高、实验资源缺乏、实验效果受限等问题;有效解决了真实系统实验中难以看到实际故障现象的困难，提高了学生的感性认知度;将传统的实验室、固定的上课时间延伸为泛在化的网络虚拟实验室和24小时在线的“空中课堂”。本项目利用现代信息技术延伸了实验内容的深度与广度。

（二）拓展了以虚补实的实验教学方法

采用情景式、参与式、探究式、案例式相融合的实验教学方法，通过“双手”的操作，学生与虚拟设备、虚拟故障场景和运行工况互动。学生在线下完成短路电流计算、保护装置定值计算，在线上进行实验验证，线下线上互动，实现了以虚补实、虚实结合的实验原则。项目中设置了综合设计实验，学生可以自主设计实验步骤和故障参数，探究综合电力系统故障机理及继电保护设备工作原理，大幅开放了学生实验的自由度，有效提高了学生自主设计与创新能力。

（三）拓展了共享与辐射的范式

该项目不仅供本校学生使用，还与军地高校及企业开放共享，为整体提升综合电力技术专业人才培养提供了丰富的资源。面向社会开放运行，为国内科研院所、相关企业员工培训，提供了平台、创造了条件，也辐射带动了船舶综合电力行业的发展，最终实现全面服务社会的功能。

参考文献

[1]杨自春，张磊，陈国兵.浅析虚拟仿真技术在海军院校教学中的应用[J].继续教育，2016，252（11）：45-48.

[2]覃方君，查峰.军队院校实战化案例实验研究[J].继续教育，2017，258（5）：65-66.

[3]滕克难，王成学.新装备训练模拟器建设与实战化教学改革[J].实验技术与管理，2017，34（S1）：131-133.

[4]司徒莹.电气工程教育现状及改革探索[J].大学教育，2016（2）：46-47.

[5]蒋文胜，王志希.“一条主线，五个子系统”实践教学体系的构建与实施[J].柳州职业技术学院学报，2013，13（2）：89-94.

Abstract： This experiment teaching project is based on the integrated ship power system. It is also based on the main equipment， network structure and operation control of the typical 1kV DC zonal electric distribution system. Aiming at the knowledge points of relay protection experiment， a virtual simulation experiment environment based on the operation scene of real integrated ship power system is constructed. It simulates all kinds of fault phenomena and the behaviors of protective devices in the operation of power system. We have adopted the teaching method which combines situational， participatory， inquiry and case-based teaching. Through interactive preview， virtual experiment， comprehensive design and other teaching links， students can master the fault mechanism of integrated power system， basic knowledge of protective device， device setting calculation and setting method. Through the self-designed experiments， students' innovative thinking and innovative design ability are cultivated， the law of experiment teaching method is explored， and the experiment teaching effect is improved.

Key words： relay protection; virtual simulation; experiment teaching