于鑫 朱金洋 戴佺民 陈惠荣 刘艳霞 刘丹阳 郭凯鑫
（北京联合大学 城市轨道交通与物流学院）
虚拟仿真技术是以高性能计算机系统作为后台运算支撑建立系统的数字化模型并进行仿真展示与分析；
通常以二维或三维图形方式显示该系统在真实状态与特性，便于我们优化系统设计方案，广泛应用于智能制造、医疗、航空、交通等领域。近年来，信息技术的快速发展使虚拟仿真技术也广泛应用于学校的教学过程。基于虚拟仿真技术教学过程可以真实地展示系统的结构和工作过程，使学生获得生动直观的感性认识，增强对抽象工作原理的理解；
同时，利用虚拟仿真的人机交互过程，使学生获得高度逼真的训练环境和操作过程。此外，与传统沙盘模型等教学资源相比，虚拟仿真训练系统可以大大减少实验成本、缩短搭建环境和获取训练环境的时间。互联网技术的发展拓展了虚拟仿真实验教学内容的广度和深度，学生可以在线上就能够完成实验过程，提升学生自主学习和碎片化时间管理的能力，并解决线下实验中难以实现的问题[1]。
地铁供电系统涉及升压、并网、传输、牵引变压、换流等多个环节，如何设定电压等参数是保证输电系统的安全稳定运行基础。高压交流电缆充电功率、变压器的电感等对城市电网造成功率因数低、无功功率反送等不利影响，所以通过无功补偿等措施控制地铁供电系统对城市供电网的影响至关重要，合理的无功补偿措施不仅能避免造成浪费,还能防止电压波动等因素带来的安全隐患，本文将利用虚拟仿真技术实现上述相关技术的实践教学过程。
（一）实验项目建设背景
2017 年教育部办公厅提出在普通高等学校开展示范性“虚拟仿真实验教学项目”建设工作[2]。高校虚拟仿真实验教学已初具规模并形成一定影响力，构建科学、系统的虚拟仿真实验教学体系有利于避免重复建设和资源浪费，促进虚拟仿真实验教学的可持续发展，推进工作开始进入“共建共享、联合推动”的发展阶段[3]。此外，新冠疫情客观上进一步加快了高校虚拟仿真实践教学的建设速度。
《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，高等院校积极探索将课程思政教育融入课程教学改革全过程，使思想政治教育润物无声。
本文以地铁供电系统安全输送及无功补偿实验为案例，通过在仿真平台互动使学生了解地铁供电系统基本知识，并能根据仿真结果选择合理的工程方案。在教学过程中，深入挖掘课程思政元素，注重知行合一，融合发展。
（二）实验内容教学设计
首先通过仿真操作搭建地铁供电系统原型，让学生了解从电能产生、升压、传输、主变电站到牵引变电站、直流牵引系统、低压变电站整个供电过程，通过给定的条件让学生设定、计算系统关键节点参数，完成并网、多电压等级电压设计等环节，保证供电系统安全输送，培养学生工程化思想。
搭建供电系统基础上进一步学习无功补偿相关知识，并通过给定测量的参数完成无功计算和补偿容量设计，使供电系统达到既定要求，保证供电系统的稳定运行和可靠性，使系统经济效益达到最优。
最后通过倒闸操作，使学生理解无功补偿操作过程中的设备安装、检修等环节的过程，提升学生对相关知识理解，使学生能够在确定故障范围和故障原因后，及时隔离故障设备的能力，确保电力系统的安全可靠运行。
图1 无功功率补偿方案设计
图2 倒闸操作错误产生电弧
（三）实验原理
1.并网
电力系统中的并网是指发电机组或发电厂的输电线路与输电网接通，并与电网调度系统建立调度关系，主要包括光伏并网方式和风电并网方式。
（1）光伏并网方式
光伏发电属于太阳能发电，是利用太阳能组件产生直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网，具有维护简单、功率可大可小、低排放等特点，对环保与社会经济发展起着重要作用。
光伏并网系统主要分为有逆流并网光伏发电系统和无逆流并网光伏发电系统：当光伏系统提供的电力不足时，二者都可由公共电网向负载供电；
当光伏系统发出的电能充裕时，有逆流并网光伏发电系统可将多余电能馈入公共电网，而无逆流并网光伏发电系统则不向公共电网供电。
（2）风电并网方式
风力发电有两种不同的类型：能独立运行、规模较小的离网型和以风电场形式的大规模集中接入电力系统的并网型。风电并网的方式主要分为同步发电机、异步发电机和双馈发电机三种形式。
2.电力系统电压的选择
（1）电网（线路）、发电机的额定电压
主要根据需要、水平、技术、经济分析后确定。发电机的额定电压比同级电网电压高百分之五。
（2）用电设备的额定电压
用电设备的额定电压等于电网额定电压。变压器一次绕组的额定电压根据其连接对象不同而有差别。当与发电机相连时，其额定电压与发电机的额定电压相同；
当与电网相连时，其额定电压等于同级电网额定电压。变压器二次绕组的额定电压则根据二次侧供电线路长短不同，比其相联电网额定电压高百分之十或百分之五。当距离较短时，仅考虑补偿变压器满负荷运行时绕组内部5%的电压降，而不用补偿5%的线路上的电压损耗。
3.电力系统无功补偿
交流电源供给负载的电功率有两种：一是电设备正常运行（即电能转换为机械能、光能、热能等其他形式能量的电功率）所需有功功率，二是用来建立磁场，交换能量所需的无功功率。当输电线的无功功率不能满足需要，为了保证电设备在额定电压下工作，在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，这就是电力系统的无功补偿，如并联电容器与供电设备，可以补偿负荷所消耗的感性无功。
4.电力设备的倒闸操作
电气设备由一种工作状态或运行方式变换到另一种状态或工作方式所进行的一系列操作称作倒闸操作。
（四）实施过程
课前采用引导式教学：通过项目目标引导学生进行课前预习，提升学习效果。
教学过程采用互动式教学：在操作环节，老师与学生能够通过线上进行交流，学生可以通过人机交互的学习方式，在学习中随时提出问题，老师可以及时给出解决方法，提高学习效率。
教学课后的反馈与互动：利用信息系统的优势记录学生的操作步骤和教师的评价，强调学生课后的反馈，增加学生的自我提升能力。
（五）课程思政元素设计
为贯彻落实全国高校思想政治工作会议和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，牢记社会主义核心价值观，把立德树人作为教学过程的根本。在教授科学文化知识的同时，高度重视学生思想政治的发展。秉承立德授业的宗旨，将思想政治教育融入到专业知识课程里面，潜移默化中提高学生政治素养，实现思政教育和知识教授的结合，更好地将学生培养成德智全面发展的优秀人才。
1.引入我国相关的技术标准，培养工匠精神与职业道德
在并网原理教授过程中，引入国家电网公司《光伏电站接入电网技术规定》以及国家标准GB/Z19963—2005 等，培养学生工程能力以及在实施工程项目过程中的团队精神及工匠精神。
近几年，风电事业在快速的发展，由于其电压高，规模大，距离比较远，并且是集中接入，因此对于电网的渗透率不断攀升，为了让风电成为方便使用的优质电源，需要对旧标准进行升级改造，唤起学生对于新技术、新标准的求知欲。
2.引入中国特高压输电技术，提升民族自豪感
如今特高压输电技术分为两种，一种是特高压直流输电，标准是不小于800 千伏，第二种是特高压交流输电，标准是不小于1000 千伏。截止2019 年6月，中国的特高压输电线路已经投入运营的特高压线路累计达到27570 公里，中国成为世界上第一个也是唯一一个全面掌握特高压输电技术的国家，也是第一个将其投入商业运营的国家。
3.引入清洁能源概念，让学生深入理解环境保护和可持续生产对人类的重要性，培养学生社会责任和担当
在供电系统引入清洁能源，让学生理解“双碳”目标的提出和落实，有利于全社会加快推进社会高质量的产业结构、生产方式和生活方式。我国作为最大的发展中国家，有义务承担国际社会责任，一直以来重视可持续发展，多次提出绿水青山就是金山银山，重视生态环境保护。中国的举动，也为世界环境保护事业贡献出了中国理念和中国方案。
开放式虚拟仿真实验教学管理平台是基于计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术而设计的一种教学平台，目的是服务于教学。该平台集多功能于一体，包括实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果自动批改和教学管理等，具有良好的性能。
项目运行需要五层平台架构，相邻两层架构之间联系密切，下层为上层提供服务，最终五层相互配合来构建虚拟实验教学环境。
（一）数据层
数据层是模拟仿真实验的开端，清洁能源安全输送与地铁供电应用虚拟仿真实验都需要大量的数据，通过建立基础元件库、典型实验库，标准答案库等对相关的数据进行存放及管理。
（二）支撑层
支持层作为核心层级，是保证虚拟实验顺利运行的基础。其子模块包括安全管理、数据管理等。整个平台的运行、管理和维护都属于该层的管理范畴。
（三）通用服务层
通用服务层用来提供通用支持组件，保证虚拟仿真实验的顺利进行。该层包括实验教务管理、实验教学管理、实验资源管理等多个子模块，同时具有相应的集成接口工具，方便平台和第三方虚拟软件集成管理使用。
（四）仿真层
仿真层是对实验中的实物进行仿真建模，包括实验器材，实验场景。通过仿真来形成可以通用的仿真器。
（五）应用层
应用层作为最后一层，能够将实验仿真教学进行开放共享。由于该层所搭建的拓展性良好，亦适用于其他实验实例进行模拟仿真，根据具体的教学需要开展合适的实验教学应用。
（一）降低教学成本
电力系统对于工业、交通等多领域都很重要，电力系统的运行、维护、检修都需要专业的工作人员来进行操作。本实验项目构建了基于清洁能源供电城市轨道交通的仿真模型，解决了现实实验室中无法进行的实验操作，大大节省了实验设备的购置费用和维护成本。
（二）共享教学资源，服务社会效果明显
通过虚拟模拟仿真资源，可以模拟仿真不同情境下的真实情况，从而完成不同要求的教学任务。从多方面对电力系统的不同功能以及故障处理进行模拟，能够真切地让学生感受整个过程，也能顺利完成综合设计性实验，毕业设计等，实现校内资源的共享。
该实验项目可通过互联网访问使用，方便地开展大范围实验，向社会开放。虚拟仿真教学资源不仅可以面向本校学生，也支持其他高校学生学习和企业员工培训，是深化校企合作、人才合作培养的有效平台。
（三）减少传染病等突发事件对教学的响应
操作者可以利用互联网完成实验，这种B/S 模式的教学方式在本次疫情期间得到了各高校的重视，尤其对于中外合作办学专业的实践类课程，更是发挥了重要作用。
（四）开拓了课程思政教育的新路径
仿真平台引入我国特高压输电技术等内容，这些技术中国从无到有，从自主研发到领先世界，汇集了无数尖端人才的心血与汗水，并取得了世人瞩目的成绩，虚拟仿真实验平台成为展示我国电力系统成果的新载体，提升了学生民族自豪感，通过仿真实验平台，向学生展示了我国“碳达峰”“碳中和”战略目标，彰显中国绿色发展伟力。
利用虚拟实验平台实现了以教为主向以学为主、以课内为主向课内外结合、以知识能力培养向以工程实践能力培养的转变。教学过程中融入思政教育元素，完善虚拟仿真实验教学平台和教学模式顶层设计，让学生能够在掌握专业知识的同时，潜移默化地提升思想品德素养，对于学生理论知识学习和精神品格的提高有着重要的影响，也更能培养出有知识，懂技术，拥有爱国情怀的新时代学生，促进教育全面均衡发展。
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