1.广东技术师范大学天河学院 广东省广州市 510540
2国网新乡供电公司 河南省新乡市 453000
摘要：电气工程及其自动化专业实验多为物模实验和动模实验，但动模实验不可体现网络结构实时改变的特性、物模实验不能避免高压电力的危险性。半实物综合仿真实验平台支持图形化建模，支持电网或系统结构的灵活改变，支持对各种电力设备和系统的建模，学生的想象力和创意不受束缚，可以使实践教学水平大幅度提升。
关键词：物模实验；动模实验；创新教学平台；半实物仿真
1引言
“十三五”期间，我国应用型本科教育基础设施建设的主要任务是强化实践教学环节，加强专业实验室和综合实验训练中心建设，为培养高质量、具有创新能力的本科生提供先进的教学实践手段。
当前，教育部正在大力推进“工程教育认证”和“卓越工程师培养计划”等本科教学改革工程，其中的主要内容就是增加学生开展工程实践活动的机会和学时，让学生真正做到理论联系实际，彻底改变眼高手低、实践水平低下的局面；工程教育注重通过项目化教学培养研究型、创新型、能够解决复杂工程问题的高级技术人才。因此根据教育部关于工程教育的改革思路，电气类专业半实物综合仿真实验平台可以提供新形势下电气类专业高素质人才培养所需的现代教学实验手段。在当今工程教育改革背景下，传统的教学手段和实验平台已经不能适应现代工程教育的需要。在工程教育认证标准中，明确要求本科生应具备复杂工程问题解决能力，应具有工程抽象、建模和整体方案设计与验证能力。现有本科实验室尚不能满足上述工程教育认证标准要求的实践教学要求。
常规的电力物模实验室是由实物形式的电源、变压器、电机、负荷等设备组成，对于认知电力系统和电力装备运行的物理过程和现象是必要的。但是，纯粹的物模实验平台有很大的局限性，对于开展自由探索的创新实验效率非常低下。常规电力动模实验室不能支持系统结构灵活改变，也不支持控制策略的任意改变。作为创新教学实验平台，常规电力动模实验室不适合做高频修改、也不是适合对跨课程复杂电力工程问题的实验教学和综合训练。
电气类专业半实物综合仿真实验平台旨在巩固学生理论知识，着力培养能力，提供电气工程领域多门核心专业课程的半实物教学手段。该平台支持《电力系统分析》、《电力电子技术》、《微机保护》、《自动控制原理》等课程的实时仿真实验与创新教学。基于该平台，本科生、研究生和教师可以开展多个方向、不同层次的创新课题，快速抓住学科发展的先机，推动实验室建设水平和专业建设水平的综合提升。
2半实物仿真平台适用内容
2.1建设目标
紧紧围绕国家工程教育改革的方向和战略目标，依据本专业建设规划，制定“电气类专业半实物综合仿真实验平台”建设方案，实现对教学科研发展目标的有力支撑。该实验平台技术目标包括以下方面：（1）能满足电机与电力系统分析领域的半实物仿真实践教学；（2）能满足电力电子技术课程的半实物仿真实践教学；；（3）能满足电力系统微机保护的半实物仿真实践教学；；（4）能满足自动控制原理课程的半实物仿真实践教学；（5）能满足电气领域跨课程综合半实物仿真实践教学。
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2.2 半实物仿真课程教学实验
在Matlab/Simulink环境下建立控制对象的数学模型，经代码转换为C代码后，编译下载到目标机内，此时目标机即为这些控制对象的实时模型。仅从反应动态行为的状态变量上看，实时目标机就和实际运行的控制对象完全相同。目标机通过其I/O板卡和真实的控制器连接组成闭环系统，这种实验模式称为硬件在环实验，在该系统平台上开展各种教学实验和科学研究，即为半实物仿真。
（1）《自动控制原理》半实物仿真平台
目前许多控制系统、电气与电子系统的实验与设计方法仍然是基于软件仿真或物理仿真两种方法。软件仿真只能用于学习和检验基本原理和算法，无法考虑样机硬件系统如何实现，也无法模拟对象运行真实场景，背离了工科教学和工程科学实践的目标。而完全基于实物的物理仿真，因缺失模型改变的灵活性，限制了自由想象的空间。半实物仿真技术的出现改变了传统实验教学和科研手段，在常规实验和创新实验中引入实时软/硬件环境，并贯穿于整个实验及研发过程，满足现代控制系统、电气及电子系统高效、精确、快速的设计要求，从而最大限度的提高研究效率并利于激发学生的灵感和创新意识。将半实物仿真的先进理念和方法用于《自动控制原理》的课程实验将大大提升该课程的教学效果。
（2）《电力系统分析》实时仿真平台
开放型《电力系统分析》实时仿真平台用于常规电网、微电网系统、分布式电源、控制设备等层面的实验教学。该系统由上位机和实时仿真机组成，是发电、输电、配电和用电各环节实验教学的理想平台。
（3）《电力电子技术》课程半实物仿真平台
电力电子技术是电力、电子、控制三大电气控制工程技术领域之间的交叉学科，而电力电子技术实验是构造、设计自动控制系统的重要手段。电力电子器件特性、变流电路的测试与波形分析控制理论的运用是电力电子技术的基础。加强电力电子技术实验可以使学生灵活运用仪器设备，提高分析问题的能力，从而使其具有较高的解决实际问题的能力。采用半实物仿真手段开展电力电子实验创新性教改革举措，具有方便性和先进性的特点。
（4）《电力系统微机保护》课程半实物仿真平台
面向高校电气工程及其自动化专业教学和科研需要，建设微机保护半实物仿真平台。用于讲解和分析电网各种故障特性，研究各种微机保护策略和算法，适用于本科生微机保护实验、课程设计、毕业设计，也适用于微机保护方向研究生开展新型保护策略研究和装置研发。
2.2 创新项目综合实验
新工科强调以需求为导向，以工程为主线，设计理论课程体系和实践教学体系。在实践教学体系方面，国家教育部相关专家建议以工程为主线，以1~2个实际工程项目贯穿所有课程设计、课程实验、项目实训，强化工程理念，并以此为中心设计实践教学课程体系。基于上述思想和教改导向，半实物实验室建设项目优先考虑结合电力前沿课题或示范工程，开展实践教学平台建设。
2.3 半实物仿真实验室建设可行性
本学科长期以来建立了一套完整的实验设备管理、实验室开放制度。各功能实验室设置专门的管理人员，保证本实验室的正常运行。
（1）专业负责人作为项目建设负责人。
（2）项目组成员由实验室人员和教师组成，均有学科带头人及中青年学术骨干参加。项目组是一支知识、年龄、学历和学缘结构相对合理的学科专业梯队，可为项目的顺利完成奠定良好的基础。
（3）学校保证对实验室运转经费投入，确保设备的维修、维护和耗材经费开支。
3、半实物仿真平台建成效益分析
项目建成后，本科生的学习和科研条件显著改善，可以大幅度提高本科生培养质量；教师的研究方向可以更好的跟踪学科前沿，显著提高教学科研团队的实践水平；可以吸引更多高水平人才加入本学科，促进学科上台阶。（1）本科生解决复杂电气工程问题能力显著提升，就业竞争力显著增大；（2）学校教师和学生发表高水平期刊论文数量提升一倍以上；（3）教师科研条件改善，项目申报质量和科研成果水平明显提升。
（资金支持：校级重点教研2019JZ004 半实物仿真平台在实践教学中的应用研究）
参考文献：
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[2]竺炜,陈艳.电力系统综合仿真实验室的新模式[J].实验室研究与探索,1998(01):91-94.
[3]杨晴,陈晶.云南电网电力系统动态模型仿真实验室建设可行性研究[J].云南电力技术,2008(05):1-4.
论文作者:李 凯1, 程汉湘1,,丁文龙2,,常静2
论文发表刊物:《教育学文摘》2019年第07期
论文发表时间:2019/10/15
标签：实物论文; 电力论文; 平台论文; 工程论文; 实验室论文; 课程论文; 微机论文; 《教育学文摘》2019年第07期论文;