SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘 要：为了解决特高压换流站工程现场的实践教学难以开展问题，对换流变压器绕组绝缘及套管绝缘试验进行虚拟仿真设计，搭建换流变压器设备的绝缘试验的虚拟场景，构建换流站换流变压器设备绝缘实验的虚拟教学实验系统，使其能够重现换流变压器设备绝缘检测试验及缺陷诊断、故障处理过程，具有理论学习、设备认知学习、实验操作练习、错误提示、实验评分、实验考核、系统设置等功能；采用虚拟现实、人机交互、多种教学方法融合等先进技术，使得学生通过交互式的虚拟仿真教学系统，掌握换流变压器设备绝缘实验方法，培养学生的创新思维和实践能力。虚拟仿真教学具有低成本、内容丰富逼真、操作安全高效等优势，将虚拟仿真教学与现实教学相结合有助于提高实践教学效果，对于提高电气工程及其自动化专业学生实践能力具有重要作用。
关键词：换流变压器；虚拟仿真；虚拟现实；仿真教学
本文引用格式：戴佺民，刘艳霞，于鑫，等 . 换流变压器绝缘诊断实验的实践教学虚拟仿真研究 [J]. 教育现代化 ,2021,8(35):1-5.
Practice Teaching Design and Implementation Research of Virtual Simulation Teaching for Insulation Test in Converter TransformerDAI Quanmin, LIU Yanxia, YU Xin, CHEN Huirong, GENG Ruifang(College of Urban Rail transit and Logistics, Beijing Union University, Beijing)
Abstract: In order to solve the problem that it is difficult to carry out the practical teaching in the engineering field of UHV converter station, based on unity3d technology, the virtual simulation design of winding insulation and bushing insulation test of converter transformer is carried out, the virtual 3D scene of insulation test of converter transformer equipment is built, and the virtual teaching experiment system of converter transformer equipment insulation test in converter station is constructed, so that it can reproduce the insulation test, defect diagnosis and fault treatment process of converter transformer equipment, with theoretical knowledge learning, equipment cognitive learning, experiment operation practice, error prompt, experiment score, experiment assessment, system setting and other functions; using advanced technologies such as virtual reality, human-computer interaction, and integration of various teaching methods, students can master the insulation experiment method of converter transformer equipment through interactive virtual simulation teaching system, and cultivate their innovative thinking and design ability to improve application ability of the insulation strength of high-voltage equipment. Virtual simulation teaching has the advantages of low cost, rich and realistic content, safe and efficient operation, etc. Combining virtual simulation teaching with real teaching is helpful to improve the effect of practical teaching, which plays an important role in improving the practical ability of students majoring in electrical engineering and automation.
Keywords: converter transformer; virtual simulation; virtual reality; simulation teaching
一引言
换流变压器是特高压电力系统的关键设备 [1-2]。特高压换流变压器容量大，耐受电压水平高，内部电场分布复杂，代表了变压器油纸复合绝缘和出线装置设计和制造的最高水平 [3-4]。在电气工程相关专业教学实践活动中，学生难以接触实际电力系统设备，尤其特高压设备。换流变压器设备一旦投运后， 一般允许未经过专业培训的学生进行任何操作。在高电压技术、电机学教学中，换流变压器的高压绝缘试验内容在校内无法进行，学生难以到现场跟踪绝缘实验的全过程。引入虚拟仿真技术，促进电气工程本科教学改革，已经成为了研究热点 [5-8]。基于虚拟仿真的电气工程专业实践教学逐步获得了高校教师和学生的认可 [9-11]。
本文利用虚拟仿真技术 [12-13], 再现换流变压器工程实际场景，通过人机交互训练学生掌握换流变压器绝缘试验方法，并在线校验仿真试验方案及过程， 实现理论知识与工程实践的有效衔接。采用多种教学方法融合，使得学生掌握设备的绝缘试验原理及方法，掌握换流变压器设备内部缺陷对绝缘性能的影响规律，进而掌握换流变设备的绝缘实验方法及故障处理过程。学生通过交互式的虚拟仿真教学系统，自主设计实验环节的缺陷类型、缺陷程度，并实验验证绝缘诊断的正确性，培养学生的创新思维和设计能力，提升学生对高电压设备的绝缘强度的综合理解与应用能力。
二 虚拟仿真系统概述
为了更好地展示换流变压器设备绝缘实验及故障处理方法，使学生掌握高压设备的绝缘试验方法及原理，使学生掌握换流变压器设备绝缘劣化过程中各种绝缘参数的变化与现象，本项目对于换流变压器设计及选型、破坏性绝缘试验、非破坏性绝缘试验、绝缘缺陷诊断等核心要素进行仿真。
虚拟仿真实验的框架包含三大模块：换流变压器绕组绝缘实验、套管绝缘实验、绝缘缺陷诊断与故障处理。具体目的如下：
（1）提高学生高压绝缘试验能力，实现高压设备绝缘试验的系统化训练。上述三个模块相互紧密衔接、层层递进，全部依靠计算机仿真技术协助学生完成换流变压器绕组及套管设备认知、绝缘试验过程、缺陷诊断与故障处理过程等多个实验环节， 促进学生深入理解换流变压器设备的绝缘试验与故障内在关联性。
（2）基于缺陷数据的设备健康状态评估过程， 提高学生对电力设备的诊断能力。学生可以改变绝缘缺陷类型、缺陷程度等参数设置，仿真试验通过绕组绝缘实验、套管绝缘试验获得关键特征量，进而对设备进行缺陷的有效和评估，提高学生通过缺陷诊断进行故障处理的研究能力。
（3）提供个性化实验方案。在缺陷类型、温度、绝缘试验项目等多个环节体现差异化，在确保基本方法一致的前提下通过不同场景形成个性化实验方案，鼓励学生探讨更加独立的实验思路和观点，提高其创新能力。
（4）建设可视化实验服务系统，为学生提供更全面更直观的途径理解电力设备绝缘系统的设计方法、试验方法及诊断评估过程。
三 换流变压器虚拟仿真环境搭建
（一） 实验教学项目技术架构
换流变压器设备绝缘试验的虚拟仿真实验项目的技术构架包括五个组成部分：应用层、仿真层、通用服务层、支撑层、数据层，如图 1 所示，其中应用层直接面向学生服务虚拟仿真实验。
仿真层包括仿真分析器、建模与装配和可视化三个部分。建模与装配部分成为构建三维虚拟仿真模型的主体，包括场景的构建、组成件的建模、构建的装配。本虚拟仿真利用仿真层构建了换流变压器、阀侧套管、网侧套管、介电谱仪器等仿真模型。通用服务层属于开放式虚拟仿真教学管理平台，集成实验教务管理、实验教学管理、理论知识学习、实验结果自动批改等。通用服务层，具有较好的可移植性，不仅可以为本虚拟仿真实验服务，还可以根据服务对象要求调整和修改，服务更多的虚拟仿真教学平台。
支撑层包括安全管理、服务器、数据管理、域管理等三个部分，为整个虚拟仿真教学平台提供硬件支持、安全维护，保障虚拟仿真教学平台可靠开放运行。数据层包括用户信息、课程库、试题库、标准答案库、实验数据等。换流变压器设备的虚拟仿真实验项目涉及到多种类型虚拟实验数据均由数据层提供支持。
通过以上六大个性化底层设计与支撑服务，最终实现换流变压器设备的非破坏性检测虚拟仿真实验项目教学与开放共享。该虚拟仿真整体框架具有良好的扩展性。实际教学中可以根据教学需要，利用服务层提供的各种工具和仿真层提供的相应的器材模型，调整、修改和补充电力系统典型实验实例和实验数据，在学校实验教学中逐步提升教学水平。
（二） 基于 Unity3D 技术虚拟仿真建设
（1）编写换流变压器设备的绝缘实验虚拟仿真实验教学项目的实验脚本。本虚拟实验采用的对象是特高压换流站换流变压器，实验内容是换流变压器绕组及出线套管的频域介电谱绝缘诊断实验，包括介质损耗角正切值、电容量、极化电流测试。
（2）使用 Photoshop 平面设计制作技术定制换流变压器设备的虚拟仿真实验所需的实验界面 UI。亮度调节按钮，主要控制实验场景的亮度；色彩饱和度调节，主要控制实验场景和设备的色彩饱和度、明度；鼠标灵敏度设置，主要控制实验操作中鼠标旋转、点击等的灵敏程度；默认值均为 50%， 调节后点击“确认”即可设置成功。操作帮助：分别通过电脑键盘上的 W、A、S、D 控制人物的前、后、左、右移动，按住鼠标左键实现工具的选择、实验的触发，按住鼠标右键控制自身视角的旋转。实验提示：点击“实验提示”功能按钮，可以对实验操作下一步进行提示。
（3）使用 3D 建模技术搭建换流变压器设备的虚拟仿真实验的虚拟 3D 场景和虚拟仿真模型。
（4）使用 Unity3D 技术制作具有理论学习、设备认知学习、实验操作练习、错误提示、实验评分、实验考核、系统设置等功能的虚拟实验软件，知识点考核指标见表 1。
实验中，为保证实验操作的顺利进行，在实验过程中，可参考当前任务提示以及操作提示进行操作。实验中严格按照接线步骤接线及使用电脑进行测量和数据记录。接线完成后，即可在电脑上进行数据的测量和记录分析。
四 教学方法
（一） 教学特点
在实验教学过程中，坚持以学生中心、问题反思、自主探索的实验教学理念，通过虚拟仿真技术构建完整的换流变电站环境，学生可以身临其境般地沉浸在该环境中，体验和认知换流变电站的绝缘检测原理。
采用情景式教学方法，使学生亲身体验实验， 大幅提高电力设备实验感性认知度。采用探究式教学模式，学生自主缺陷设置，多途径探索换流变压器绝缘特性，探究绝缘性能评价方法，提升学生的自主创新能力，提高解决实际电力工程问题的能力。
采用客观评价为主，主观与客观评价相结合的方式，通过系统中所设置的实验引导学生、在线答疑、综合设计测试、实验操作判定、实验报告等环节。
通过构建的换流变电站的虚拟现实场景，能够真实再现电力设备中所发生的故障现象、绝缘参数变化，所有这些现象与实验是真实系统中难以看到的，大幅度提高学生的感性认知度。
实现在真实电力系统中无法开展的设备绝缘试验，通过虚拟仿真教学系统，可以反复进行换流变压器故障实验，避免了物理模拟所产生的高电压、大电流对实验室设备的冲击及所可能产生的危险， 延长了设备寿命，降低了实验费用。
（二） 实施过程
学生在虚拟环境中熟悉换流变压器、介电谱仪等仪器设备的操作，完成换流变压器绝缘关键状态特征量的实时测试，以及对不良工艺或缺陷进行设置调整，对绝缘状态进行有效诊断。
依靠计算机仿真技术协助学生完成设备认知、绝缘试验原理、实验接线方法、绝缘缺陷诊断与评估等多个实验环节，促进学生深入理解换流变压器设备的绝缘结构及试验原理。
改变绝缘缺陷类型、缺陷程度等参数设置，依次选择实验设备，并进行虚拟仿真接线，通过绕组绝缘试验、套管绝缘试验获得关键特征量，进而对设备进行缺陷的有效和评估。
设备选型、绝缘试验项目等多个环节体现差异化，在确保基本方法一致的前提下通过不同场景形成个性化实验方案。测试结果设置三种模式：正常数据、轻微缺陷、严重缺陷。学生选择根据测试数据进行判断选择，正常、轻微缺陷、严重缺陷。最后根据实验操作正确性、缺陷诊断准确性，进行综合评分。
五 总结
本文利用虚拟仿真教学系统构架，设计了换流变压器绝缘诊断实验虚拟仿真教学平台，平台具有
开放共享、实验内容逼真、实验操作安全高效等优势， 将电气工程中高危高成本的实验，通过网络虚拟仿真的方式开放共享，不仅有利于疫情之下网络实验教学，对于提高电气工程及其自动化专业学生实践能力同样具有重要作用。
本文结合电气工程及其自动化专业特点，利用虚拟仿真技术，再现换流变压器绕组及套管绝缘实验的实际场景，通过人机交互训练学生掌握换流变压器绝缘试验方法，并在线校验仿真试验方案及过程，解决了换流变实际教学中实验设备和仪器成本高、机会少、操作过程具有危险性、实验耗时长等问题。
采用情景式、自主式教学方法融合，使得学生熟悉设备的绝缘结构及绝缘试验原理。学生通过交互式的虚拟仿真教学系统，自主设计实验环节的缺陷类型、缺陷程度，并实验验证绝缘诊断的正确性， 培养学生的创新思维和设计能力，提升学生对高电压设备的绝缘强度的综合理解与应用能力。
参考文献
[1]刘振亚 , 张启平 , 董存 , 等 . 通过特高压直流实现大型能源基地风、光、火电力大规模高效率安全外送研究 [J]. 中国电机工程学报 ,2014,34(16):2513-2522.
[2]张燕秉 , 郑劲 , 汪德华 , 等 . 特高压直流换流变压器的研制 [J]. 高电压技术 ,2010,36(01):255-264.
[3]刘泽洪 , 郭贤珊 . 特高压变压器绝缘结构 [J]. 高电压技术 ,2010,36(01):7-12.
[4]刘泽洪 . 特高压直流输电工程换流站设备监造指南 [M]. 北京： 中国电力出版社 ,2017.
[5]程思宁 , 耿强 , 姜文波 , 等 . 虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践 [J]. 实验技术与管理 ,2013,30(07):94-97.
[6]张雪辉 , 刘素贞 , 李华 , 等 . 引入虚拟仿真技术 , 促进电工学改革 [J]. 电气电子教学学报 ,2010,32(S2):191-193.
[7]林雪冬 , 孙建 . 基于虚拟仿真技术的电气控制与 PLC 教学改革实践研究 [J]. 科技创新导报 ,2019,16(17):236-238.
[8]贺霞 . 电力系统继电保护原理虚拟仿真实验教学研究 [J]. 教育现代化 ,2018,5(51):242-243.
[9]陈丽霞 , 李敏 . 虚拟仿真技术在电气类实验教学中的应用 [J]. 中国现代教育装备 ,2018(07):49-50+54.
[10]赵凯辉 , 童玲 , 何静 , 等 . 基于虚拟仿真的电气工程专业实践教学改革探析 [J]. 当代教育理论与实践 ,2017,9(11):37-40.
[11]房朝晖 , 白瑞峰 , 韩洪洪 . 电气工程与自动化虚拟仿真实验教学体系构建 [J]. 实验室科学 ,2017,20(02):127-130.
[12]胡芳睿 , 赵梦 , 邱鹏 , 等 . 基于 Unity3D 的药用植物学实训虚拟仿真系统 [J]. 计算机系统应用 ,2020,29(01):266-270.
[13]谷学静 , 张彦鹏 , 郭宇承 , 等 . 连铸生产虚拟仿真系统设计及关键技术研究 [J]. 实验技术与管理 ,2020(01):122-125+140.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jiaoyulunwen/32482.html
