虚拟实验的相关应用

4．4．2　虚拟实验的相关应用

本节将讨论虚拟实验在电工学教学及其后续课程——电力职工培训以及电厂一线生产中的应用，引入相关的案例分析，阐述虚拟实验的重要性和可行性。

1）教学应用研究与案例分析

第3章从系统原理、系统结构、系统组成几个方面分析了虚拟实验系统在教学应用上的技术特点——先进性和精确性、灵活性和开放性、时间和空间的可扩展性以及方法特点——开放创新型实验方法、共享协作型实验模式。在这里，将针对电工学教学和电厂电力职工培训课程的特色，讨论将虚拟实验引入教学应用的可行性与必要性，并根据虚拟实验系统在教学应用上的技术特点和方法特点，进行虚拟实验应用于电工学教学和电厂电力职工培训课程的具体案例分析。

（1）教学应用研究

在电工学教学中，为了满足社会发展和科技进步，实验课程需要介绍在理论课程中由于课时等原因没能讲授的新技术，同时促进理论课程的发展。由于现有实验设备条件的限制，并且随着教学方式的不断改革和推进，特别是网络教学的发展，“电工学实验”课程亟待改革。目前，电工学的实验教学仍然保持传统的实验室教学方式，特别是在网络上，电工学的实验教学仅仅是简单放置了一些实验课件、教学录像和仪器设备的图片等，这与教学安排在时间（学生自主学习）和空间（网络学习方式）的不断发展是不相适应的。在探索中，尝试着将虚拟仪器技术应用于电工学实验，开设电工学虚拟实验为实践教学走出一条新路。

在电厂电力职工培训课程中，虚拟实验的重要性和可行性主要体现在以下几个方面：

①虚拟实验的易操作性与职工培训对象的特殊性

虚拟实验的技术特点之一是以系统的先进性与精确性代替了传统仪器单一固定、系统设置相对落后的特点。具体表现在：采用计算机进行过程控制，简单明了；前面板设计人性化、易于操作、界面友好；数据采集、传输和保存精确有效。在电厂职工培训课程中，培训对象基本是电厂一线职工，实践经验比较丰富，理论知识相对薄弱，因此在课程中多开设实验课程，尤其是形象直观、易于操作的实验类型，有利于提高培训课程的教学质量，加强对理论知识的深入学习，并为推动现代化技术在实际生产实践中的应用做好准备。

②虚拟实验在解决职工培训实验设备缺乏中的重要作用

虚拟实验的技术特点之二是以系统配置的灵活性和开放性保证了仪器设备易于重组重构。具体表现在：以计算机作为系统的控制终端，基于模块化和层次化设计思想，以软件作为仪器控制的灵魂，同时控制多台设备，并方便地进行重新配置和构建。职工培训课程区别于正规教学，在实验设备配给上相对不足，而职工参与培训的时间又不多。为了帮助参与培训的职工多接触实验、多动手实践，实验设备的数量和质量都必须有大的提高。使虚拟实验的灵活性和开放性在设备条件有限的情况下，发挥最大的重组重构能力，保证实验课程中仪器设备的正常配给，从而保证教学质量。

③虚拟实验的网络化与职工培训课程设置的分散化

虚拟实验的技术特点之三是基于网络技术，以时间和空间的可扩展性突破了传统实验在时间和场地上的限制，在前文中对虚拟实验系统的网络部分进行的分析和描述中，虚拟实验系统的网络化从技术上来说，主要有多通道同步数据获取、分布式数据分析与处理、远距离多点仪器控制三个方面，从形式上来说，主要有本地协作型虚拟实验室、局域网资源共享型虚拟实验室和Internet远程控制型虚拟实验室三种类型。无论从技术角度的分析，还是从形式角度的描述，可以分析得出，虚拟实验系统网络功能的突出特点主要集中在以下三个方面：实验任务分担、实验资源共享、实验过程异地实时控制，使得整个实验系统得到了优化和完善。针对职工培训课程设置相对分散的特征，虚拟实验的网络化功能从以上三个方面改善了职工课程设置的有效性和合理性。参加培训的职工可以根据自己在工作和学习上的安排，以计算机为终端，通过网络选择合适的时间和场地进行实验课程培训，从而给职工参与学习、提高业务知识、掌握实验技能提供了最有效的方式方法。

以上分析了在电工学教学及其后续课程——电力职工培训课程中引入虚拟实验的重要性和可行性，下面结合具体的案例进行分析。

（2）案例分析

据有关统计，80%的微电子仪器设备和计算机系统的故障，是由于供电质量问题引起的。特别是发电厂因其特殊原因，其交流电源并不稳定，在恶劣条件下还会超出规定范围，造成供电质量恶劣。影响发电厂电力电子设备电源质量主要因素包括多个方面，其中最主要的因素之一就是噪声干扰，噪声源于电磁波或高频波感应，它是一种高频率变化，在正常电力50Hz频率上产生介于15%～100%电位扰动。电动机运行、广播发射、微波辐射及电气风暴都会造成噪声，这对于电厂生产和电力系统都产生了重大影响。因此，运用先进精确的虚拟实验设备帮助进行噪声干扰统计，进而进行相应的噪声调幅和抑制是非常必要的和有效的。在这里，引用LabVIEW软件中自带的一个例子——噪声干扰统计，以分析虚拟实验在噪声干扰统计方面的应用。

首先来看图4-10中所示是“噪声干扰统计”虚拟实验程序框图，程序框图是面向开发人员的图形化LabVIEW程序源代码，它类似仪器内部的零器件，通过表示数据传输和链接方式的连接线相连，表达了实验的顺序、逻辑以及功能。这个部分由实验开发者和设计者完成，是整个虚拟实验系统的基础。

图4-10　“噪声干扰统计”虚拟实验程序框图

以上程序框图的设计思想是将系统接收到的信号通过一个选择结构（Case Structure）对50Hz以上的噪声信号进行统计和分析，获得平均值、标准值、方差值、模量、偏差值和峰度值，并根据选择，取国际单位或高斯单位，显示噪声值的点状分布图和柱状分布图。图4-11和图4-12就是面向实验者的前面板，面板设计一目了然，可以运用鼠标和键盘进行轻松的使用和操作。其中图4-11是取国际单位的各值和显示图，图4-12是取高斯单位的各值和显示图。

图4-11　“噪声干扰统计”虚拟实验前面板（国际单位）

图4-12　“噪声干扰统计”虚拟实验前面板（高斯单位）

2）虚拟仪器设备在电力系统中的应用

虚拟仪器设备在电力系统中的广泛应用是电力系统的规模和技术水平飞速发展的必然结果。与其他领域相比，电力系统中有许多需要考虑的问题，例如在电力系统的测量工作中，面临的特殊问题主要有以下几点。

（1）被测量的信息量变化快。电力系统的周波是50Hz，周期为20ms。根据采样定理，采样频率最少为被测量信号频率的2倍以上才能保证真实的反映被测量信号。与热工、化工等领域的被测参数比较，这已经是较高的变化速率了。而为了分析电力系统的某些参数从正常运行状态进入故障状态的过渡过程以及为了分析高次谐波分量对系统的影响，还需要采用更高的采样频率。

（2）现场环境干扰较大。对测量仪器来说，电力系统的环境是比较恶劣的。各类电气设备运行期间都会产生强磁场和强电场干扰，一些电气设备启动和关停瞬间还会产生较大的尖峰噪声干扰。因而应用在电力系统的测量仪器除了要保证可靠、稳定的运行之外还必须对采集的信号进行数字滤波，以保证测量的准确性。

（3）测量的参数种类较多，对各参数之间的同步性要求较高。例如，一台通用的三相交流功率测量仪表就需要同步采集U_a、U_b、U_c三相电压和I_a、I_b、I_c三相电流以及电网频率等若干参数^[31]。

根据以上描述，虚拟仪器设备应用于电力系统的重要意义主要体现在以下几个方面：

（1）促进生产现代化

为保障电力系统安全可靠的运行和获得更高的经济效益，在发电厂、变电所等生产部门中所要求监测的参数种类和项目也越来越多。而传统的测量仪器在对被测参数的综合分析、评估，信息交换和共享等方面存在着严重的缺陷。目前基于微机硬件平台的虚拟测量仪器已经在许多部门得到越来越广泛的应用。为了满足电力企业工业今后发展的需要，促进电力生产现代化，进一步加大开发研制电力系统专用虚拟仪器的工作力度是非常必要的。

（2）生产环境安全性

在生产第一线，尤其是电厂生产中，生产环境是涉及人身安全和生产效率的重要问题。在仪器设备不断现代化的今天，将虚拟仪器设备引入电厂生产第一线，能够运用虚拟仪器设备远程控制的特性，从危险设备远程控制和危险信号检测和报警两个方面对人身安全和危险工作的有效实施给予了充分的保障。

（3）节省设备资源

在电力生产中，设备资源的维护、更新和投入是电力生产成本的重要部分。虚拟实验基于模块化和层次化设计思想，具备灵活性和开放性。软硬件结合的方式使得仪器功能易于增减和修改，改变了以前仪器功能固化在硬件上，无法升级的缺点。从软件到硬件，以及软硬件的结合都是基于模块化和层次化的设计，用户可以根据需要重组和配置各种模块，自行配置和升级仪器设备，增加了仪器设备的重复利用率，节省了设备资源，有效地促进了电厂生产降本节支。

综上所述，将虚拟实验引入电工学实验教学及其后续课程——电力职工培训课程，包括虚拟仪器设备在电厂一线生产和电力系统中的应用对于提高教学质量，增加教学效果，提高电力职工业务素质，促进电力生产现代化和保障安全生产等方面具有重要意义。

第4章小结

本章以大学物理实验教学、电工学教学、电厂职工培训课程以及电厂一线生产为例，进行虚拟实验教学应用的案例分析。

对大学物理实验做相关介绍，阐述整个物理实验教学的发展过程和现状，分析了当前大学物理实验教学的新体系，包括层次化实验课程的设置和多学科相关性实验平台的建立等，总结了大学物理实验的教学改革目标：加强教学内容的前沿性、提高课程设置的综合性和推动远程教学的发展。通过对这些教学改革重点的分析，进一步完善了目前的开放型实验教学模式和创新型实验教学模式，提出了培养创造性人才和加强团队意识的培养目标。根据虚拟实验的教学应用特点和大学物理实验教学改革目标，分析大学物理实验教学与虚拟实验的结合点。选择具有代表性的大学物理实验教学项目——“温度传感器特性的研究”项目进行虚拟实验构建与开发，描述了总体设计方案，详细介绍了控制结构、数据采集、数据分析与处理、数据的图形显示、数据与图形的存储、程序中的模块分割以及分布式网络设置等关键技术。以“温度传感器特性的研究”虚拟实验项目为例进行虚拟实验教学应用问卷调查。从大学物理实验教学与虚拟实验的五个结合点对问卷调查的结果进行了详细的分析，认为虚拟实验的教学应用情况较好地符合了大学物理实验教学与虚拟实验应用的五个结合点，虚拟实验的技术特点和方法特点与传统实验教学方式结合起来，对于促进实验教学改革与发展是有帮助的。

另外，针对电工学实验课程以及后续课程——电厂职工培训课程的特点，以及在电厂一线生产和电力系统的特殊需要，结合具体的案例分析，阐述了虚拟实验的教学效果和应用特性。

【注释】

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[30]http://www.gov.cn中华人民共和国中央政府门户网站

[31]http://www.dzsc.com维库·中国电子市场网：利用虚拟仪器开发平台LabVIEW开发电力系统仪表