中图分类号：G632

引言

电能质量优化治理是电气工程专业课程《配电网自动化》的一个重要教学内容，但是该部分教学内容较为抽象，无法在课堂重现，导致学生掌握起来存在着较大的困难[1]。如通过构建实验平台的方法进行教学，则存在着电压等级高，设备容量大，无法进行真实地负载模拟等问题，导致在实际教学中无法大规模、多层次的开展相关实验教学。虚拟仿真作为一种新型实验手段，以虚拟场景+仿真计算的技术为电能质量优化治理提供逼真的试验场景，并通过仿真计算为功率因数提升及谐波治理提供具体的效果验证，为高电压大电流操作环境下的电气专业实验提供了一种安全可靠的实验手段[2]。因此虚拟仿真作为电气工程专业实验教学的重要手段，成为高等院校电气信息类专业实验教学的发展方向[3]。

本文面向企业配电系统的电能质量优化，以电弧炉负载的无功功率补偿和谐波治理作为优化任务，通过虚拟场景的方式构建企业配电系统，并对以晶闸管控制电抗器和滤波补偿支路构建的静止无功补偿装置（SVC）的配置进行规律探究后[4][5]，通过仿真计算的方法对实验结果进行评价，从而构建电能质量优化治理虚拟仿真实验项目。在该虚拟仿真实验环境中，可以对不同的优化配置数据情况进行模拟计算，结合实验结果对学生的知识掌握情况进行综合评价。通过该虚拟仿真实验，可以提升学生的动手试验能力，可以培养电气工程专业人才的复杂工程问题的解决能力，提升人才培养质量。

1 设计理念和实验架构

电能质量优化治理虚拟仿真实验，以学生为中心，以育人目标为统领，知识和能力的掌握为途径，最终实现素质目标的达成[6]。本项目通过虚拟场景的构建与运用，促使学生掌握电气工程及其自动化专业的核心知识点，具备规律探究与验证，系统综合设计与优化的能力，在此基础上提升学生的工程应用能力。在教学过程中注重引导学生提高职业素养遵守科学伦理，培养学生精益求精的工匠精神和节能环保、绿色发展的意识。

1.1 实验设计理念

1）坚持虚实结合原则，构建自主探究的虚拟仿真实验教学体系

本项目本着“能实不虚、虚实结合”的原则，用4个课时完成企业配电系统电能质量优化治理的虚拟仿真实验教学，采用模块化结构， 通过实验预习、场景搭建、规律探究、SVC参数设计与校核、运行与评价五个模块紧密衔接，将无功补偿、谐波滤除、电能质量的评价等8个知识点有机嵌入到实验，通过数据、波形、声音、温度等多尺度的展现方式，借助虚拟仿真技术，通过引导式、场景式、交互式和递进式的设计与操作引导学生主动掌握知识，构建自主探究的虚拟仿真实验体系。

2）立足工程教育背景，提升应用型人才的培养质量

本项目突破传统实验教学的不足，将《配电网自动化》课程的知识点与企业配电系统的实际运行过程相结合，通过对无功补偿、谐波滤除等知识规律的探究，指导学生在参数设计、设备操作、实验评价与优化等方面建立工程应用意识，有利于提升面向未来的新时代“新工科”人才的培养质量。

3）坚持立德树人根本任务，打造虚拟仿真实验“金课”

本项目以学生为中心，将传统模式与现代信息化手段相结合，通过指导学生反复实验，在成本、效果、安全与可靠四个方面不断优化实验结果，培养学生的精益求精的工匠精神和职业品德，打造虚拟仿真实验“金课”，全面培养学生的综合能力与创新思维。

1.2 实验架构

本项目根据企业配电系统实际运行场景，通过3D仿真、动画、HTML5等虚拟仿真技术，构建了配电系统、电能优化装置等虚拟实验场景，采用仿真技术对实验规律进行在线仿真计算，实验要素仿真度高。按照学生知识、能力的训练要求循序渐进，学生可以开展滤波支路电容、电感参数、TCR支路电感参数及触发角自主设计；虚拟仿真实验采用先进行规律探究、再开展参数设计、然后进行效果验证，最后进行总体评价与优化的试验顺序。本实验系统的架构如下图1所示。

2 实验内容

本试验关注电气类学生的综合性、实践性学习需求，坚持问题导向，采用引导式、场景式、交互式和探究式的教学方法，围绕实验原理预习，模型搭建，规律探究，参数设计与校核，效果评估与优化，多维度拓展，实验报告生成等几个方面开展相关实验，具体实验内容如下：

①实验原理预习

进入虚拟仿真实验平台后，可通过三维的方式进行企业配电系统的场景预览，并进行实验原理预习，该部分主要对企业配电系统组成，电能质量的概念，无功补偿和谐波滤除的原理进行分析，对电弧炉的负荷特性和SVC装置工作原理进行说明，并对实验目的和实验步骤进行介绍，学生学习完该部分完成相应的预习答题，得分超过8分以上才会进行后续实验。

图1  实验系统架构

②系统模型搭建

在实验室场景中，学生根据配电系统结构进行模型搭建，首先根据预习内容给定的电网侧运行参数、负荷侧运行参数，到左侧配件区模型库中选择变压器、断路器、电弧炉、滤波支路、TCR电抗器、晶闸管阀串、SVC控制柜等设备，放入虚拟实验室相应位置，然后选择导线将所选的设备依次连接。学生完成系统模型搭建后，点击负荷运行按键，通过表头指针、波形窗口、柱状图等形式将电能质量数据呈现，同时设备主体颜色、声音等也对电能质量进行呈现，根据运行数据分析结果，判断当前配电系统功率因数与谐波畸变率是否达到规定参数范围。

③规律探究

采用固定变量法，分别对补偿后功率因数和补偿电容器容值及额定电压的变化规律、TCR触发角α与功率因数规律、谐振系数kn与滤波效果规律进行探究，首先以固定容值的补偿电容器，分析其额定电压在22000V-31000V范围内变化时功率因数变化情况；再取电容额定电压为26270V，容值20uF-65uF变化时，分析功率因数变化的情况；然后以固定的容性补偿无功容量和负载容量，通过对TCR部分中触发角α从100︒到165︒的范围变化，绘制对应的功率因数变化曲线；最后在负载和无源滤波器其它参数不变的情况下以二次滤波回路为例研究谐振系数kn在1.8-2.5范围内变化时，总谐波畸变率THD的变化规律。上述的规律探究过程分别在坐标系中以函数曲线的形式进行呈现，可让学生方便地对功率因数与电容器额定电压和容值的变化规律、TCR触发角α与功率因数规律、谐振系数kn与滤波效果规律进行掌握，为后续实验的参数设计提供理论基础。

④参数设计

以规律探究为基础，学生针对实际的电弧炉运行数据，分别2、3、4、5次滤波支路的电容器额定电压，容值、谐振系数Kn进行设计，并同步计算出滤波电抗器的电感值和工作电流，进而完成滤波支路的参数设计，在此基础上，结合系统运行参数，对TCR触发角参数进行设计计算，在TCR触发角参数选择界面，通过拖动条选择相应触发角度。在进行SVC装置的参数设计的基础上，同时开展校核与保护设定实验。为了让SVC系统安全稳定运行，需要设置SVC系统运行保护参数，系统运行过压保护参数设置为45kV，过流保护参数设置为2400A，当学生在前面步骤中的FC及TCR参数选择不合理的时候出现过压、过流故障时，线路出现断路器跳闸、切断设备，设备线路变红、出现烟雾现象，同时报警系统通过声光报警提示出现保护跳闸。保护实验通过后，学生需对所设计的SVC装置进行参数校核。该部分实验主要开展滤波补偿电容额定电压与实际电容电压10%的裕度校核、电感的额定电流与实际电流10%的裕度校核以及系统并联谐振频率和实际谐波频率10%的裕度校核。

⑤效果评估

在对SVC装置进行参数设计和校核后，学生按照安全操作规程的要求，对SVC装置中TCR和各次滤波补偿支路顺序投入与切除，观察装置投入前后配电系统的功率因数和THD的变化情况。同时，学生也可以采用自动运行模式，系统自动按照最优的补偿滤波参数，投入补偿滤波支路，对系统电能质量进行优化，当投入补偿装置后，采用多种形式呈现电能质量优化效果，此时变压器颜色变淡，变压器噪音降低、能效曲线升高，并且以数据表格和波形图等形式将功率因数及THD的数据进行比对呈现。

根据前面步骤SVC系统运行参数的设置和补偿效果，主要包括2、3、4、5次主要谐波的抑制效果以及功率因数等是否达到预设的补偿标准，以此综合评估该次实验方案可行性和有效性。如图2所示，通过运行参数评价本次实验电能优化的效果。

图2 实验效果图

当评价显示功率因数为0.92—0.97之间时且THD小于6%，判定结果为通过，显示绿色字体，否则，没有达到优化要求的参数范围，本次实验显示不通过，并指出是因为功率因数或THD不达标的原因。然后提示进入FC参数优化设计模块对滤波参数以及触发角α重新优化设计，再重复相关步骤。

同时系统界面显示赋分表，学生对照赋分表评分标准，可以从THD优化、功率因数优化、滤波补偿电容的容值优化、滤波补偿电容电压四个参数中自主选择一个进一步优化，提高实验得分。赋分评价如图3所示。

图3. 实验赋分评价

3 创新特色与应用

电能质量优化治理虚拟仿真实验坚持“能实不虚、虚实结合”的原则，确定了“以学生为主体、以成果为导向”的OBE教学理念，突出学生对实验规律的自主探究和对实验参数的自主设计。实验内容由现实场景到建模仿真、由规律探究到参数优化设计。学生在了解电力系统无功补偿和谐波抑制原理的背景下，熟悉补偿装置特征，掌握设备电路连接方法；探究功率因数随主要参数变化的规律，计算滤波补偿电容的容值和TCR触发角；通过声、光、数据、图表等表现形式，呈现电能质量优化结果。提高学生对无功补偿和谐波抑制的理解，使学生得到全面的科学研究训练，培养科学研究的思维方法。该实验面向全日制大学本科电气工程及其自动化专业三年级学生，在开展《配电网自动化》或者《电力工程基础课程》课程教学时作为课内试验进行。目前已在淮阴工学院、中国矿业大学等高校取得应用。在应用过程中，教师和学生对于该项目以下几个方面充分肯定：

（1）情景体验式实验设计，声、光、数据、图表多种表现形式

通过构建实验虚拟场景，将不同背景数据下的补偿后功率因数、谐波畸变率的实验结果以图、表、声、光等形式显示。本项目的电气参数融入底层设备数据，具有极高的仿真度。

（2）任务驱动式教学方法，引入操作赋分表，明确优化方向

本实验引入操作赋分表，明确优化方向，不仅为学生专业知识的掌握提供了有效工具，而且能够支持学生进行变参数、新方案的设计，围绕优化目标，多次反复参数优化。对于学生创新能力的提升，提供了很好的手段和工具。

（3）容错探究式教学方法，提供自主探究实验环节

在实验操作过程中，引入容错机制，鼓励学生自主探究电能优化参数变化规律。如果操作有误连续3次，该步骤分扣除，为保证实验正常开展，系统将自动赋值运行。并从实验报告中体现操作流程、参数的设计、实验操作总体得分等。

（4）自主优化的综合评价体系，进一步培养学生学习的自主性

评价体系包括实验预习评价、实验过程评价和自主优化评价。在实验预习阶段设置了相关习题，紧扣实验涉及的关键知识点，考核评价学生对相关知识的掌握情况要求。实验过程评价制定了详尽的实验考核要求和评分标准，包括实验操作过程考核与实验目标达成度考核。自主优化评价为学生提供四个可选维度，探索电能质量优化方法，进一步培养学生学习的自主性。

4 总结

电能质量优化治理虚拟仿真项目通过对企业配电系统进行场景虚拟，采用仿真计算的方法，为学生提供了电弧炉负载的无功补偿和谐波治理的实验平台，学生通过该项目的实际操作，对于无功补偿装置的原理和参数设计方法有了更好的掌握，通过引入容错和纠错机制，并对学生的每一步操作引入帮助和赋分评价机制后，可以帮助学生在装置容量、额定电压，安全性和运行效果等几个方面进行反复实验，增强学生的工程意识。本项目的的实施对于《电力工程基础》和《配电网自动化》等课程教学起到了一定的帮助作用。下一步我们将继续增加补偿装置的种类以及典型负载的种类，以期取得更好的推广应用。

参考文献

[1]陈万，纪捷.应用电能质量优化虚拟仿真项目到电力工程基础课程的教学中[J].数码世界,2021:2(258-259).

[2]许少伦，徐青菁，齐文娟，等 . 虚实结合的电气类专业实验教学体系构建［J］. 实验室研究与探索，2022，41（4）：186-190+235.

[3]陈楚雄.以虚拟仿真平台为依托的电气工程实验教学改革探索［J］.数字通信世界，2018（10）：270.

[4]王永辉，宋广磊, 动态无功补偿装置的能力比较［J］,电力电容器与无功补偿，2022,43（5）：18-26.

[5]周蓓蓓;聂慧.电能质量检测仿真分析[J].内蒙古科技与经济,2021:4(91-94).

[6]柴博森, 王丽慧, 寇莹,等 .机械设计课程设计虚实融合的教学模式探究与实践［J］. 实验室研究与探索, 2023, 42( 5):247-250．

作者简介：丁祖军（1978.7-）男，江苏省淮安市人，汉族，博士，副教授，硕士生导师，就职于淮阴工学院，从事电气工程及其自动化专业教学科研相关工作。