电力系统综合自动化虚拟仿真实验室

《电力系统动态模拟综合实验》实验报告实验名称发电机及系统短路故障影响实验姓名XXX 学号XXX日期XXX 地点XXX成绩教师电气工程学院东南大学1.实验目的：（1）了解动模实验室的构成，主要设备及其功能。

（2）熟悉和掌握发电机的启动，调压，调速，并网，解列，停机等操作。

（3）通过单机---无穷大系统中不同点的短路故障实验，理解发电机在短路时的电磁暂态过程，分析和掌握短路起始相角及回路阻抗对发电机运行状态的影响。

2.实验内容：在单机----无穷大主接线模拟实验系统中，通过实验操作，熟悉实验室环境及实验设备，掌握发电机的启动，调压，调速，并列，解列及停机操作方法，选择不同的短路点进行短路故障实验，录取短路时刻的电压，电流波形，然后，根据所学知识，分析求取发电机或系统的状态参数，理解和掌握短路故障对发电机及系统运行状态的影响。

3.实验原理（实验的理论基础）：根据《电力系统暂态分析》相关理论，可知在三相短路时，发电机定子绕组电流中含有以下四个分量图1.发电机短路电流波形图i w(∞)为强制分量，不衰减∆i w为按此时励磁绕组的时间常数T d’衰减的分量∆i w2为按直轴阻尼绕组的时间常数T d’’衰减的分量iα和i2w为按定子绕组的时间常数T a衰减的分量根据发电机三相短路时电流波形图，由短路电流波形图绘制其包络线。

包络线中分线即直流分量。

将短路电流减去直流分量，则可以认为是基频交流分量。

根据发电机参数，T d’和T d’’都较小，在短路后0.5s，可以认为基频电流中只含有稳态分量，读出此时电流幅值i w(∞)。

在此时刻前找两处幅值I1，I2及对应时刻T1，T2，则可得方程组：11'''22'''21()22()d d d d T T T T w w w T T T T w w w i e i e i i e i e i --∞--∞⎧+=I -⎪⎪⎨⎪+=I -⎪⎩由此可以求出∆i w ，∆i w2。

机电综合实训虚拟仿真教学平台建设实践近年来，随着虚拟仿真技术的不断发展，机电综合实训虚拟仿真教学平台逐渐成为了机电类专业教学中的重要工具。

该平台可以通过虚拟仿真技术模拟真实的机电设备和操作环境，将实际操作与理论知识相结合，为学生提供更加真实、实用的学习体验。

基于此背景，本文将结合我校机电综合实训虚拟仿真教学平台的建设实践，探讨如何有效地建设和利用这样一种虚拟仿真平台。

机电综合实训虚拟仿真教学平台的建设需要充分考虑教学目标和学生需求。

教师团队应对教学目标进行详细分析，明确学生需要掌握的知识和技能。

然后，结合实际情况，确定虚拟仿真教学平台的功能模块和教学内容。

可以包括机械结构设计与分析、电气控制与配电、自动化控制与编程等模块，针对不同层次和专业方向的学生设置不同的教学内容和难度。

虚拟仿真教学平台的建设需要充分利用现有的技术和资源。

可以利用三维建模软件进行机械结构的建模与设计，利用电路仿真软件进行电气控制与配电的模拟，利用PLC编程软件进行自动化控制的编程等。

可以利用云计算和大数据技术，将平台与实验室设备、教学资源等进行集成，实现资源共享和教学数据的收集与分析，为教学过程提供更多的支持和辅助。

机电综合实训虚拟仿真教学平台的有效利用是关键。

教师可以通过虚拟仿真技术展示实际操作过程，帮助学生理解和掌握操作要点。

学生可以通过虚拟仿真平台进行自主学习和实践，提高自主学习能力和实际操作能力。

在教学过程中，教师还可以通过平台对学生的学习过程和结果进行监控和评估，及时发现和帮助学生解决问题。

机电综合实训虚拟仿真教学平台的建设实践需要教师团队的共同努力和合理安排。

通过充分考虑教学目标和学生需求，利用现有的技术和资源，有效利用虚拟仿真平台，可以提高机电类专业教学的效果，培养学生的实践能力和创新精神，为他们的职业发展打下坚实的基础。

希望今后能继续深化机电综合实训虚拟仿真教学平台的建设，推广应用，为机电类专业的教学提供更好的支持和服务。

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第15期·39·文章编号：2095-6835（2023）15-0039-03集成电路虚拟仿真实验室建设方案设计赵芳1，孙越1，李阳1，李阁1，李岳鹏2（1.齐齐哈尔工程学院信息工程系，黑龙江齐齐哈尔161005；2.大庆广播电视台技术中心，黑龙江大庆163311）摘要：集成电路实体实验室建设耗资较大、周期长、工艺线陈旧、后期维护需要较大支出且安全性得不到保障；集成电路虚拟仿真实验室功能齐全、项目完备，包含集成电路生产制造全过程，建设成本较低，易维护和管理，安全性有保障，不受场地和时间限制，既可满足集成电路设计与集成系统专业本科阶段实验教学要求，又可提升实验教学质量。

关键词：集成电路；虚拟实验；仿真技术；资源共享中图分类号：TP391文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.15.011计算机网络技术日益成熟，与虚拟仿真技术相结合建设集成电路虚拟仿真实验室开展实验教学，不仅可以满足集成电路专业实验教学需要，而且方便开展实验，具备快捷、可靠、安全、环保、易管理等优势。

与实体实验室相比，虚拟仿真实验室优势日渐突显。

1建设背景本科教育是高等教育发展的核心部分。

当前，教学资源难以及时更新，学生学习环境封闭，教学模式停滞不前且偏向理论教学，大部分本科院校仍停留在单向教学模式上，不利于学生的自我完善和发展，学生的学习情况不能及时反馈，信息不全或信息滞后，教师无法及时引导和帮助学生解决问题，这些问题对应用型本科校院人才培养产生了具大的挑战。

集成电路作为新兴行业，具有广阔的发展前景，当前，中国集成电路行业人才需求缺口较大。

高校是人才培养的主阵地，部分院校因资金不足等原因无法为学生提供集成电路实验实训完备的实体实验室，实验和实习计划不能有效开展，学生的实践动手能力得不到锻炼，制约了人才培养进度。

基于虚拟仿真和混合式教学的《电力系统自动化》课程教学改革1.引言1.1 概述电力系统自动化是电气工程领域中的一门重要课程，它主要研究电力系统在自动化控制下的运行与管理。

随着信息技术的快速发展和社会的进步，电力系统自动化课程在教学中亦需与时俱进。

因此在本文中，我们将探讨基于虚拟仿真和混合式教学的电力系统自动化课程教学改革。

虚拟仿真这一概念指的是利用计算机技术对真实系统进行模拟，从而在虚拟环境中进行实验与演练。

在电力系统自动化课程中，虚拟仿真技术可以被应用于模拟电力系统的运行情况、故障和优化等方面。

通过虚拟仿真，学生可以在安全的环境下进行实践操作，加深对电力系统自动化原理的理解。

混合式教学则是指传统的面对面授课与网络教育的结合。

在电力系统自动化课程中，混合式教学可以通过网络教学平台提供课件、视频讲解和在线作业等资源，方便学生随时随地进行学习。

同时，面对面授课则可以提供实验操作、讨论和研讨的机会，加强与教师和同学之间的互动与交流。

本文的目的是讨论如何将虚拟仿真和混合式教学方法应用于电力系统自动化课程中，以期提升学生对课程内容的理解和掌握。

在接下来的章节中，我们将重点介绍虚拟仿真在电力系统自动化课程中的应用以及混合式教学在电力系统自动化课程中的应用，并对教学改革的展望进行探讨。

通过本文的研究，我们希望能够对电力系统自动化课程的教学改革提供一定的理论支持和实践经验。

同时，我们也期待本文的内容能够为相关领域的教师和研究人员提供一些启示，从而不断推动电力系统自动化课程教学的发展和创新。

1.2文章结构1.2 文章结构本文共分为引言、正文和结论三个部分。

具体结构如下：引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节。

在概述部分，将介绍《电力系统自动化》课程的背景和重要性，以及该课程在电力工程专业中的地位。

在文章结构部分，将简要介绍本文的内容和各个部分的主要内容。

在目的部分，将明确本文撰写的目的，即探讨基于虚拟仿真和混合式教学的《电力系统自动化》课程教学改革的可行性和优势。

虚拟仿真实训室建设⽅案详细⼀、概述（⼀）建设意义1、现有实训条件分析机电技术应⽤专业现有基础实验室、专业实训室共计9个，可开设《维修电⼯》、《电⼯电⼦技术与技能》、《电⽓及PLC控制技术》、《车⼯⼯艺》等课程的相关实训项⽬。

为满⾜机电专业⼈才培养⽬标和社会培训的需要，需进⼀步加强专业建设，拓展专业领域，增加实训开出项⽬，提升实习实训教学环境条件。

2、必要性和可⾏性（1）必要性通过对多家电⽓⾃动化企业及IT企业进⾏了职业群与岗位群调研，确定其培养⽬标：从事机电⼀体化产品及⾃动⽣产系统的设计制造与开发，从事处理重要数据、熟练应⽤各种专业设计软件。

并根据对机电技术专业岗位群的职业能⼒和知识技能要求的分析，构建了“阶梯递进式⼯学交替”的⼈才培养模式，搭建了基于⼯作过程导向的“模块化”专业课程体系，增加《虚拟仿真》课程。

这就需要新建虚拟仿真实训室，使其具备在虚拟终端对⾃动化设备及⽣产线调试与维护、维修电⼯等虚拟实训项⽬的条件，所以需采购虚拟化服务器1台，虚拟化桌⾯终端48台，虚拟化软件Citrix48套，满⾜⼀个班的实训需求。

（2）可⾏性天津市基础能⼒建设校实训基地投资中的部分资⾦将⽤于虚拟仿真实训室的建设，建设后的实训室集教、学、做为⼀体，新增虚拟仿真终端实训设备，可以满⾜56⼈的《虚拟仿真》课程的实训教学的需求。

实现了学⽣专业基本能⼒、专业核⼼能⼒和职业⾏为能⼒的提升。

3、建设依据依据确定的“阶梯递进式⼯学交替”的⼈才培养模式，校实训应贴近企业的实际⽣产，有助于提升学⽣的专业基本能⼒、专业核⼼能⼒和职业⾏为能⼒，便于学⽣在校学习与企业岗位实践能够顺利衔接。

（⼆）建设思路和建设⽬标1、建设思路虚拟仿真实训室的建设本着建成集“教、学、做”为⼀体的教学环境和专业综合性实训基地的理念，从演⽰实践教学、基本技能实训教学和项⽬综合实训教学三个层⾯，为《虚拟仿真》课程的实践教学提供保障。

虚拟仿真实训室需要符合以下要求：（1）满⾜于综合性实践教学的要求建成后的实训室可以实现四种形式的教学与培训⽅式，极⼤丰富了教学容和教法。

虚拟仿真实训室配置清单及技术参数虚拟仿真系统要求一、技术指标1.输入电源：AC 220V±10% 50HZ2.输入功率：W3 kw3．工作环境：1）温度：-10℃―+40℃2）相对湿度：W90% （+20℃）3）海拔高度：W4000m4）空气清洁，无腐蚀性及爆炸性气体，无导电及能破坏绝缘的尘埃4.设备重量：单台设备约250kg5.整体设备外形尺寸（长宽高）：1900mmX1200mmX2000mm （±5%）6．本质安全：具有接地保护、漏电保护功能，安全性符合相关的国家标准。

采用高绝缘的安全型插座及带绝缘护套的高强度安全型实验导线。

二、教学资源针对考核标准与实训功能，要求配备详尽的多媒体课件（PPT格式）、实训指导书、电气图纸、机械图纸、程序、仿真源文件、案例视频等教学资源，至少包含标准课程及初级、中级、课程资源包。

课程内容至少包括以下部分：三、模块要求投标文件内须提供各个模块的实物图。

1、装调实训台用于安装装调机器人模块，并在实训台上进行装调机器人实训，实训台内装有工具存放抽屉可存放装调所需工具。

1.实验台尺寸（mm）： 590X1200X900mm （±5%）2.主电源：单相 AC220V2、装调机器人模块机器人拆装实训台主体应由工业铝型材框架和工业冷轧钢板构成，桌面能放置装调机器人和装调工具，应配置旋转装置，能够对机器人本体进行360度的装调操作。

桌体下部要求安装工业机器人电控柜内部元器件挂板，可进行机器人控制柜的安装与接线。

机器人控制柜背面抽屉内应装有工业机器人外部控制元器件和专门存放工具的挂板。

参数要求如下：轴数：6；有效载荷三3Kg；重复定位精度：±0.02mm；安装方式：任意角度；本体重量W30Kg；最大臂展三590mm；能耗：1KW；本体防护等级：IP40；电柜防护等级：IP20 3、标准实训台实训台承重主体应为铝型材构成，侧封板为工业冷轧钢板；实训台能够为机器人、示教器、功能模块的安装提供标准的安装接口。

•建设背景与目标•平台架构与功能设计•关键技术实现•平台应用与管理•建设方案实施与规划目•效益评估与可持续发展•风险评估与对策建议录建设背景2. 实验资源浪费严重1. 实验室管理效率低下4. 信息化技术发展3. 实验室安全问题实验室管理缺乏有效的监控手段，存在一定的安全隐患。

1. 提高实验室管理效率建设目标2. 优化实验资源配置3. 加强实验室安全保障4. 推动实验室信息化建设平台架构服务器端负责管理虚拟仿真实验资源，包括软件资源、数据存储、计算处理等，为客户端提供支持和保障。

网络通信通过校园网或互联网，实现客户端与服务器端的数据传输和通信，保障实验过程的顺畅进行。

客户端硬件标、键盘）等，用于提供虚拟仿真实验的操作界面和交互体验。

功能设计实验操作与控制实验模拟实验资源管理实验评估与反馈实验过程监控虚拟仿真技术基于3D建模和仿真算法的虚拟实验室通过3D建模技术，建立实验设备和实验场景的数字模型，再结合仿真算法，模拟实验过程和实验现象，让学生获得直观、真实的实验体验。

虚拟实验与真实实验的交互通过虚拟仿真技术，实现虚拟实验与真实实验的交互，让学生在虚拟环境中进行实验操作，同时不影响真实实验的进行。

物联网技术设备连接与数据采集远程监控与管理利用大数据技术，对实验室产生的海量数据进行存储和处理，包括设备数据、实验数据、人员数据等。

数据挖掘与决策支持通过大数据分析技术，挖掘数据背后的规律和趋势，为实验室管理提供数据支持和决策依据。

数据存储与处理大数据分析技术VS自动化管理利用人工智能技术，实现实验室的自动化管理，包括设备自动控制、实验自动安排、安全自动监控等。

要点一要点二智能化决策通过人工智能技术，对实验室数据进行深度学习，预测实验结果、优化实验方案等，提高实验效率和准确性。

AI智能管理技术实验室设备管理设备维护与保养设备申购与报废管理设备实时监控与报警学生管理学生信息录入收集并录入学生基本信息，如学号、姓名、性别、联系方式等，方便教师进行学生管理。

1 电力系统动模数字化实验平台简介1.1 电力系统动态模拟实验室基本情况电力系统动态模拟实验室（简称为动模实验室）自1958年筹建以来，经过40多年的不断建设、改造和几代人的艰苦努力，已经从单一的交流系统的物理模拟发展到具有交直流混合系统的物理模拟及数字仿真、数模混合等的综合大型模拟实验室。

现在，动态模拟实验室是电力系统国家重点实验室的最重要分室。

实验室现有5台发电机、2台无穷大系统、6组负荷（具有电阻、电感、电机及整流型等负荷）、24组模拟线路（可模拟10kV、110kV、220kV、330kV、500kV线路）、全数字非线性励磁控制器、微机调速器、直流输电模拟系统、可控硅串联补偿器（TCSC）系统、静止无功补偿器（ASVG）及统一潮流控制器（UPFC）等电气设备。

由这些电气设备可组成不同拓扑结构的电力系统，可逼真模拟实际电力系统的动态过程。

电力系统实验课是在该动模实验室完成，每届上课的本科生约120人，实验课每组5人，每届实验持续时间约500小时。

1.2电力系统动模大型数字化实验平台简介最初建成的动模实验室是一个纯物理的模拟实验室。

随着电力系统规模的扩大和数字化，原有的纯物理的动模实验平台已经无法满足现代电力系统实验的要求。

从2001年开始，对物理动模实验室进行了数字化改造。

经过近2年的刻苦攻关，2003年3月建成了自主知识产权的电力系统动模大型数字化实验平台，实现了物理动模从稳态到暂态的数字化、可视化和自动化，实验能力和效率发生了质的飞跃。

自主研制成功的电力系统动模大型数字化实验平台是一项庞大的系统工程，属于国际首创，工作量大且挑战性强。

为了增强对该成果的感性认识，现采用图文结合的方式加以扼要介绍。

1.2.1物理动模从设备级到系统级的完整的数字监控系统（1）总体结构图1是物理动模数字监控系统的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，网络式RTU（远方终端单元）和主站之间的通信规约遵循了国际标准。

YZFDZ-I虚拟电力自动化软件说明书湖南依中紫光电气科技有限公司2019年07月修订目录第1章系统简介 (3)1.1系统主要功能 (3)1.2系统主要部分简介 (3)1.3系统运行环境 (3)第2章软件界面基本介绍 (4)2.1系统的启动 (4)2.2系统的退出 (4)2.3软件界面说明 (4)第3章基本操作介绍 (6)3.1调速装置的基本操作 (6)3.2励磁装置的基本操作 (8)3.3同期装置的基本操作 (10)3.4负荷调节 (11)3.5无穷大系统 (12)3.6仿真速度调节 (13)3.7同期波形 (13)3.8数据记录 (14)第4章实验内容 (16)4.1发电机组的启动与运转实验 (16)4.1.1 调速装置及原动机控制 (17)4.1.2 励磁装置及简单励磁控制 (18)4.2准同期并列运行 (20)4.2.1 频差与压差的整定 (21)4.2.1 手动准同期并网 (24)4.2.2 半自动准同期并网 (27)4.2.3 自动准同期并网 (29)4.3同步发电机励磁控制 (32)4.3.1 同步发电机起励 (33)4.3.2 伏赫限制实验 (37)4.3.3 欠励限制实验 (38)4.3.4 调差特性实验 (42)4.3.5 过励限制实验 (48)4.4单机－无穷大系统稳态运行方式实验 (50)4.4.1 单回路稳态对称运行实验 (51)4.4.2 双回路对称运行与单回路对称运行比较实验 (52)4.5电力系统功率特性和功率极限实验 (53)4.5.1 无调节励磁时，功率特性和功率极限的测定 (54)4.5.2 手动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定 (57)4.5.3 自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定 (58)4.5.4 单回路、双回路输送功率与功角关系 (58)4.5.5 提高电力系统静态稳定性 (58)第1章系统简介本软件是一款专业的电力系统综合自动化仿真软件,是一套集多种功能于一体的综合型实验平台，目的在于使学生掌握系统运行的原理及特性，学会通过故障运行现象及相关数据分析故障原因，并排除故障。

试析具有特色的电网仿真实验室建设与运用的研究电网仿真实验室是为了模拟和研究电力系统运行、控制和保护等方面的问题而建立的一种实验平台。

电网仿真实验室通过搭建实质上和实际电力系统相同的模型，并在此基础上开展各种实验和研究，可以将电力系统各种运行状态和故障条件下的主要参数波形、继电保护方案、控制策略进行模拟和验证，有效提高电力系统的运行可靠性和自动化水平。

电网仿真实验室建设的关键是建立适应实验需求的模型。

模型的建立通常包括以下几个步骤：首先，了解实验目的和需求，根据要求确定模型的规模和复杂程度。

其次，采集与电力系统相关的各种数据，包括变电站、输电线路、发电机组等，以及继电保护设备、自动装置、控制设备等。

然后，根据采集到的数据进行模型建立和数据处理，将电力系统的各种元件和设备拟合为电路模型或数学模型。

最后，对模型进行验证，通过与实际运行数据对比，确保模型的准确性和可靠性。

在电网仿真实验室建设过程中，还需要配备先进的仿真软件和硬件设备。

常见的电网仿真软件有PSCAD、EMTP-RV、DIgSILENT等，可以用于模拟和分析各种电力系统运行状态和故障情况。

同时，还需要配备实际的电力元器件和设备，如变压器、断路器、隔离开关等，以便进行实际装置的调试和测试。

建设完成后，电网仿真实验室的运用主要包括以下几个方面：1. 电力系统故障分析和保护方案验证。

可以模拟各种故障模式，如线路短路、发电机失步、变压器故障等，验证继电保护装置的动作性能和保护方案的可靠性。

2. 功率系统稳定和动态响应的研究。

可以模拟电力系统的各种运行工况，分析电压稳定、频率稳定、功率分配等问题，验证发电机组的调节性能和稳定性。

3. 电力系统规划和优化。

可以根据电力系统的负荷需求和输电条件等，进行电网规划和配置优化研究，包括变电站选址、线路走向和容量、配电网布局等。

4. 新技术和设备的研究和应用。

可以用于评估新设备和技术的性能和适用性，如智能电网技术、分布式发电技术、储能设备等。