基于VR技術和知識情景化的電力系統分析教學模式研究

吳偉麗

【摘 要】 隨著多媒體教學設備和網絡教學的普及，虛擬仿真技術在教學研究中也得到了逐步地推廣和應用：在概念抽象且難以理解的工科課程中，利用虛擬多媒體技術能夠模擬、仿真復雜的系統運行狀況，便于學生理解概念和原理。論文首先綜述了對比了虛擬仿真技術的特點與適用性，對虛擬仿真軟件加以分類與綜合；接著將虛擬仿真技術與知識情景理論相結合，研究了利用虛擬仿真技術實現知識單元情景化的模式；最后以《電力系統分析》課程為例，構建了電力系統知識情景化學習模型。實踐研究證明：在課堂上應用虛擬仿真構建知識情景，不但能夠使學生較快地獲得基礎理論知識，而且工程實踐能力顯著增強，取得了良好的教學效果。

【關鍵詞】 虛擬仿真技術；知識單元；情景化模型

Research on the teaching mode of power system analysis based on VR technology and knowledge scene model

Wu Weili

（YiLi Normal University， Xinjiang， Yining， 835000）

【Abstract】With the popularization of multimedia teaching equipment and network teaching， virtual reality simulation technology has been gradually generalized and applied in the teaching of engineering courses， which can be used to imitate and simulate the complex system. Firstly， this paper summarized the characteristics and applicability of the virtual reality simulation technology， and then the virtual simulation software were classified. Secondly， the virtual reality simulation technology and the knowledge scene theory were combined to study the mode of realizing knowledge scent units. Lastly， the practical research has proved that the application of virtual reality simulation in the classroom can not only make the students obtain the basic theory knowledge quickly， but also enhance their engineering practice ability.

【Key Words】Virtual Reality simulation technology； Knowledge unit； Scene model

【中圖分類號】G64.20 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）13-00-04

引言：

虛擬仿真（Virtual Reality，VR）又稱虛擬現實技術或模擬技術，即用一個虛擬的系統模仿一個真實系統的技術。隨著計算機技術的發展，VR技術逐步自成體系，成為繼數學推理、實際驗證之后的重要科學研究手段。

VR的基本思想是由計算機硬件、軟件以及各種傳感器構成的三維信息的人工環境——虛擬環境，逼真地模擬現實世界或系統，使人產生親臨其境的感覺，并可實現與虛擬環境的交互。VR技術主要有三方面的含義：第一，是借助于計算機生成的環境是虛幻的；第二，人對這種環境的感覺（視、聽、觸、嗅等）是逼真的；第三，人可以通過自然的方法（手動、眼動、口說、其他肢體動作等）與這個環境進行交互，虛擬環境還能夠實時地作出相應的反應?？梢?，VR技術具有沉浸性、虛幻性、交互性和逼真性等特性，這些特性使VR為教學研究提供工具和講解手段成為可能，也為構建知識情景化模型提供基礎。

情景認知與學習（Situated cognition and learning，SCL）理論是不同于信息加工理論的另一種學習理論[1-2]，與人工智能、神經科學、語言學和心理學等所有與個體心理直接有關的領域緊密結合，成為認知科學的一個重要分支，也是當代西方學習理論領域研究熱點[3-4]，可以說，情境是一切認知活動的基礎，而實現這一理論的基礎是知識情景的構造[5-7]。

目前已經有學者對虛擬仿真技術在教學中的應用進行了研究，對情景認知與學習理論的研究也逐漸開展，但將二者結合起來利用VR技術構建知識單元的情景[8-10]、從而構建情景認知與學習模式的研究就鮮見報道，鑒于二者結合可以提高教學質量與學習效率，論文研究了基于VR的知識單元情景化學習模式，并以《電力系統分析》課程為例，構建了電力系統知識情景化學習模型。實踐研究證明：在課堂上應用虛擬仿真構建知識情景，不但能夠使學生較快地獲得電力系統基礎理論知識，而且工程實踐能力顯著增強，取得了良好的教學效果。

1 虛擬仿真技術在教學中的應用

利用虛擬仿真平臺可以很好地豐富教學手段：如在虛擬仿真環境中，學生可以直觀理解系統或設備的運行原理及特性，再如，允許學生進行動態交互，便于學生的實際操作能力的鍛煉；又如，學生可以創新設計并實踐探索，而不會損壞設備，等。

1.1 VR技術

VR構造的“虛擬環境”，目前已經在工業生產、建筑設計與施工、軍事訓練、水利電力和汽車仿真等領域中得到廣泛的應用。如：利用報警管理系統、操作管理系統和OTS仿真系統，能應用于工業生產，進而有效規避和減少企業安全問題；又如，使用VR技術對施工過程進行模擬，可令施工人員提前了解各種構件在實際結構中的相對位置及相互關系，實驗多種施工方法，并對方案進行優化。再如，能夠利用聯合作戰仿真系統（Joint Warfare Simulation，JwSim），可支持兵力評估、戰役評估、裝備效能評估、作戰概念與條令的開發與評估，也可以支撐指揮參謀人員教學及推演分析，等。

1.2 VR技術在教學中的應用

隨著多媒體教學的普及，VR在教學中的到廣泛的應用：如，醫療設施屬于世界上最復雜的模擬對象之一。影響其整體效率和工作流程的因素有很多，包括：看病流程、人員利用率、資源管理。Flexsim HC 醫療仿真軟件可以使學生在3D環境中創建仿真并且與之進行交互。在三維環境中查看仿真可以讓用戶真實理解系統、其系統因素間的相互以及得出優化結論，學生可以在設備模型中測試新的“假設”方案，即在不承擔風險的情況下，找到問題的答案——而不需要對現實中的設備進行反復實驗以免造成的損壞，利用仿真找到最合適的解決方案，還可以提前確保方案的實施結果。

又如，Flo-2D為二維洪水與土石流數值模擬套裝軟件，可用來模擬洪水災害，適用于都市淹水、洪水平原管理、工程風險設計、不規則形狀河道水理演算、橋梁涵洞水利演算，可以處理都市水文，泥石流。學生利用Flo-2D可以驗證計算正確性，也可以模擬河流、沖積扇、城市和海岸洪水演進等情況，還可以模擬處理等河流漫灘洪水、都市淹水，水流堵塞和存儲損失、泥石流和土石流等洪災問題，進而進行防洪減災設計。

再如，PROTEL是電子信息專業的首選軟件，包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數字電路混合信號仿真、多層印制電路板設計（包含印制電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客戶/服務器）體系結構為學生提供良好的交互式學習界面，等。

1.3電力系統VR技術及其在教學中的應用

電力系統仿真軟件在電力規劃、調度和運行方面，為保證電網的安全可靠運行方面提供了強大的技術支持，目前國內獲得廣泛應用的電力仿真軟件有一下幾大類：

1、機電暫態仿真，如中國電力科學研究院自主研發的PSASP、BPA和PSS/A等；

2、電磁暫態仿真，如EMTP、ATP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等；

3、數?；旌蠈崟r仿真，如RTDS、ARENE和Matlab等；

4、可視化仿真，如Power World Simulator（PWS）等；

電力系統VR軟件可為電力部門調度或試驗中心進行事故編輯、反演提供演練平臺，還可以為科學研究人員為研發新裝置、開發新技術和調整系統參數提供模擬。

電力系統分析作為與電力工業緊密聯系的課程，具有概念、計算和公式繁多且復雜的特點，學生往往不容易理解其中抽象概念，也難以想象電網的運行過程和故障情況，而虛擬仿真技術針對電力系統的設計、分析計算、運行與控制方法與原理的學習研究，提供相關計算軟件平臺，幫助學生理解和研究電力傳輸系統和發電機的穩態和動態功能，綜合運用所學專業知識處理潮流計算、故障分析、網絡等值、動態仿真和安全運行優化等問題，進而提高對發電廠、變電站以及電網的設計、分析計算以及運行與控制的能力。

2 基于VR技術的知識情景化模型構造

2.1虛擬仿真技術構造知識情景化模型原則

利用VR技術與軟件知識情景化模型，要與不同的研究和學習實際需求相適應?？傮w來說，建立情景化模型可通過以下環節：

1、明確模擬對象

確定模擬對象也是知識問題化的過程：首先劃定知識單元的概念框架，接著在概念框架中確立知識支點。知識支點以問題的形式出現，概念框架圍繞它進行解釋和化疑，二者合起來構成模擬對象，便于學生在概念框架中逐步構建對知識理解與認知。

2、選擇虛擬仿真平臺

根據知識單元所在的專業領域，選擇虛擬仿真平臺需要堅持以下原則：

1、真實性原則

按照專業需求，創設相應知識單元的的逼真情境，情景必須如實反映知識支點。

2、適應性原則

根據實際教學需求，虛擬仿真平臺不僅幫助學生熟悉和了解與專業相關的技術和技能，也能使學生獲得綜合技能和能力、職業綜合素質。

3、先進性原則

虛擬仿真軟件需與時俱進，把握技術發展前沿，運用現代通信、網絡技術，集成先進技術手段，在建設上做到適當超前并留有可發展空間。

4、開放性原則

開放性的概念可以從兩個方面進行理解：一是時間的開放性，二是空間的開放性。時間的開放性是針對軟件平臺及其規范化而言，以保證平臺具有適應新技術的發展和升級的能力，包括可擴展性和可移植性兩方面?？臻g的開放性是針對系統接口及其規范化而言的，能夠與其他類的仿真軟件相兼容，并保留數據通訊接口。

2.2虛擬仿真技術構造知識情景化模型方法和流程

利用虛擬仿真平臺構建情景化模型，首選仿真軟件中自帶的元器件資源庫或模塊，有時還需要用戶自己編程實現創建模型。結合情景認知與學習理論，通過元件庫資源建設和虛擬實驗平臺的資源整合，將知識情景化模型形成系統的專業知識體系，使虛擬仿真技術既可演示復雜系統的未知運行結果，又可改變系統參數，演示系統隨參數變化的變化結果或變化趨勢，幫助學生對抽象理論的理解，提高教學效果，進而彌補實驗手段的不足，有利于學生創新能力的培養及提高。構造模型的流程如下：

圖1 基于虛擬仿真技術的知識情景化構造流程

3 實例研究

論文以電力系統分析課程為例，說明建立模型的方法。

電力系統分析是一門綜合了電力系統基礎知識、電力系統暫態（包括電磁暫態、機電暫態）、電力系統故障（包括對稱故障和不對稱故障）和電力系統運行與控制等方面，從知識內容上看，所包含的知識單元較多，近選用單一的虛擬仿真軟件不足以充分展示所有單元的特性和本質，因此需要選擇多種軟件平臺構造知識單元情景化模型。

1、電力系統基礎知識單元

此部分內容需要向學生展示實際的電力系統基本器件構造、原理和參數，強化學生對現實元件的認識，還需要從系統上展示電力工業的輸配電分布、結構等情況，因而可采用可視化軟件，如PowerWorld Simulator和PSASP等。以發電機為例，利用PSASP展示參數設置：

圖2 PSASP軟件圖形方式下的發電機參數展示

2、電力系統電磁暫態

此部分內容需要展示電力系統故障瞬時發電機、變壓器兩端和輸電線路中的參數，如有功功率、無功功率和電壓變化的情況，是電力系統分析課程的難點與重點內容，可利用ATP/EMTP、EMTDC/PSCAD和ADPSS等軟件實現。利用ATP/EMTP模擬電力系統三相故障的電磁暫態過程見圖3：

圖3a 單相（A相）接地故障模擬仿真電路

圖3b A相電壓波形

圖3c B、C相電壓波形

圖3d 中性點O電壓波形

圖3 ATP/EMTP模擬電力系統暫態

圖3可見，ATP/EMTP能夠展示故障后瞬時電力系統的各種參數的狀態。

3、機電暫態仿真

電力系統故障瞬時后到電力系統穩態之間的情況稱為機電暫態，需要提取故障斷面和故障錄波，也是電力系統分析課程的難點與重點內容，需要向學生仿真故障后發電機的出力變化、機械性能以及系統的參數變化過程，可利用PSASP、Matlab、BPA和PSS/A等軟件實現。

以IEEE3機9節點模型為例，對其在pt時刻7號節點發生三相短路故障，并在ct時刻將故障切除（斷開5號節點和7號節點之間的線路）進行仿真，最后利用Matlab模擬，繪出2號和1號發電機的功角差（δ21）與時間的關系曲線。系統故障在t=pt時刻加入，故障是7號節點三相短路，在ct時刻將故障切除，斷開5號和7號節點之間的支路。Matlab仿真結果如下：

圖4 當pt=0.05s，ct=0.167s時2號和3號發電機分別

與1號發電機之間的功角差曲線

由圖可知，在0～2.4s的時間內，任何一個功角差均沒有超過180，系統是暫態穩定的；但2.4s以后就失去穩定了。

圖5 pt=0.05s，ct=0.168s時2號和3號發電機分別

與1號發電機之間的功角差曲線

圖5可見，系統在2s內就失去了穩定。

圖4、5可見，通過軟件仿真，可以清晰地展示電力系統故障后一段時間內各種參數的狀態變化過程。

4 數?；旌蠈崟r仿真

這部分內容需要模擬電力系統運行、控制和參數變化后系統的運行調度等情況，需要提取系統運行狀態參數，監測系統運行狀況，包括修改設備運行參數，這部分知識單元既包括元器件的模擬，也包括電網層面的仿真，對虛擬仿真軟件的要求較高，可采用PSASP、RTDS、ARENE、Matlab和Powerworld Simulator等實現。圖6為基于PowerWorld Simulator的多電壓等級的電網運行模擬仿真圖，圖7為利用PSASP軟件模擬電力系統潮流分布情況。

圖6 基于PowerWorld Simulator的多電壓等級的電網運行情景化模型

圖7 基于PSASP的電力系統潮流分布情景化模型

5 故障層面模擬

電力系統發生故障是一個多層次的問題，既包括電力設備的故障特征，也包括系統層面多元件的故障參數，對不同對象的模擬，需要結合對象的本質特征和性能選定仿真軟件，如變壓器故障可選擇PSCAD軟件模擬其運行狀況和出口參數，系統層面的故障可選擇PowerWorld Simulator軟件監測系統電壓的分布和線路過載的情況，也可以選擇PSASP軟件模擬系統故障斷面，提取故障后系統的各項運行指標。

以多電壓等級的GIC Benchmark模型為例，利用PowerWorld Simulator軟件進行擾動故障仿真（圖8）及其故障斷面信息展示結果見圖9、圖10.

圖8 基于PowerWorld Simulator的GIC Benchmark系統單相接線圖

圖9 發電機無功出力變化曲線，

不同顏色的曲線代表不同發電機的無功出力

圖10 部分節點電壓曲線，不同顏色曲線代表不同節點電壓

針對上述知識單元構造情景化模型后，還需要形成知識情景化模型體系：即將建立好的電力系統情景化模型集合有機整合，先按照課程講授的順序體系構成電力系統分析情景化教學的模式，再按照知識支點的先后順序組合為一個電力系統學習體系，并最終其實施到課程教學中，以學生課堂反映、期末成績和實踐動手能力為考核標準，檢驗模型的有效性。在新疆某高校中實施近3年，收到了良好的教學效果。

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