微电网数字孪生实验教学平台简介

发布时间:2021-03-02    来源:自动化学院       浏览次数:1043

平台的作用、功能:

2020年伊始,新冠疫情在全球范围内流行,使得大量的线下教学被迫转向线上教学。教育部发文要求高校必须按照线上线下教学对接、虚拟实体实验互补的思路调整完善现有实验教学计划。与此同时国家正积极推进新工科建设,以物联网和工业智能为核心创建实验教学新模式,改造升级传统工科专业,加快培养交叉领域工程科技人才。

能源是一个国家的支柱性产业,我国已经进入智能电网(及微电网)大规模发展和建设的阶段,对相关人才需求极为迫切,培养满足智能电网建设需求的电气工程及自动化人才成为高等高职院校的重要任务。

随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大,学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入现场实验教学的困境,实验室建设规模严重滞后于迅速膨胀的学生规模,而开展异地实验教学代价高昂。

在现代电力系统中,控制与转换电能的电力设施采用的都是高电压、大电流设备,针对毫无经验的学生而言难以直接操作真实系统,而虚拟仿真教学软件只是数学模型的可视化,无法全面真实反映实际设备的复杂运行工况。

总的来说,目前传统实验教学方法与设施存在教学内容滞后,学生感性认知度低,高校实验场地资源短缺,实验室设备

可及性和昂贵性问题突出,实验操作具有危险性、动手实践机会少、虚拟仿真实验真实性欠佳等诸多不足,大多数实验无法适应疫情下的远程教学需求,然而微电网数字孪生实验教学平台可以克服上述缺点,已然成为新工科实验教学的新方向。

本团队按照新能源微电网的电力架构设计了一款可折叠、可移动的微型智慧微电网系统,在多个关键位置布置多源传感器,融合物联网与云服务技术,实现微电网运行状态实时地上传到云端服务器。同时开发了微电网数字孪生实验教学软件平台,将线上虚拟模型和线下实体设备有机结合,在网络信息空间构建真实实验设备的数字孪生体。并面向电气工程及自动化、自动化和人工智能专业开设了《新能源发电与微电网技术》和《机器学习》实验课程。

针对传统实验教学中不可及、高危险和高价格的实验难以开展,微电网数字孪生实验教学平台是以真实的微电网场景为原型,采用云服务、物联网、智能传感器、数字孪生等先进技术,构建微电网实验教学仪器和配套教学软件,使其能够远程重现新能源微电网系统的离/并网运行情况,而且学生能够探索最大功率点跟踪等原理方法,用多种教学方法的融合,使得学生通过数字孪生教学软件的操作与练习,学习、理解和掌握微电网系统运行、控制以及分析预测原理。同时依靠配备的多组传感器可以为微电网智能分析与预测提供了真实可靠的数据来源,学生可自主选择机器学习方法进行实验设计。通过虚拟与现实混合式实验教学系统,学生可以远程自主安排和设计实验环节,培养学生的创新思维和创新设计能力,达到良好的教学效果与目的。该实验平台将传统实验台的操控界面拓展到虚拟空间,与多种虚拟仪表无缝对接,不受时间和空间限制,虚实结合的数字孪生实验催生了“翻转课堂”实验教学新模式,符合数字原住民学生群体的思维模式和学习习惯,同时解决了当前疫情“无接触”异地实验教学要求(20203-7月,实验教学平台为杭州电子科技大学学生全面开放实验环境,在家里、寝室等任何地方都可开展实验)。

以立德树人为导向,为适应新工科人才培养要求和高校学生成长新特点,同时适应智能化与信息化时代实验教学新规律,项目采用了教学科研一体式、互动式、个性化教学方法,倡导学生进行自主式、合作式、探究式学习。1)教学科研—体式:通过实验课程的“任务介绍”与“实验指导”,引导学生感性认知光伏微电网系统的基本结构和工作原理。通过对实验结果进行分析解释,并与理论教学内容有机联系,深化教学内容的认识。此外,本平台中所使用的场景、架构、数据及实验内容均来源科研成果,能使学生在虚实结合的实验教学中接触到前沿技术,有助于开拓视野和培养科研能力,学生可尝试自行使用实验设备做简单的科研实验,从教学到科研一体式培养学生工程实践能力。2)互动式教学:本平台不仅拓展了实验教学内容广度和深度、延伸了实验教学的时间和空间,又充分考虑到传统实验教学在互动性教学方面的不足之处。学生在指导或提醒条件下开展各种培训、实验操作或真实测量,软件进行综合打分给出实验操作成绩,基于后台管理可记录用户操作过程、在线时间等,便于学生总结经验教训,加深对实验目标、知识点等的理解。3)个性化教学:常规的实验教学软件,如虚拟仿真软件已经程序化,学生只需要根据相应的实验步骤即可完成,并不能启发学生的发散型思维。本平台为了加强学生的思维与探索能力,添加了自定义参数调节功能,通过不断地实验探究,深刻理解微电网工作原理与运行机制。与人工智能课程相结合,通过海量数据挖掘微电网运行故障特征与预测发电功率,通过交叉实验培养学生的创新思考能力,激发学习兴趣,培养学生的创新精神和创新意识,引导学生进行主动科研探索;打破时间和空间的限制,实现全方位向学生开放的教学模式。


主要性能及特色:


  1.电气工程及其自动化专业以强弱电结合、电工技术与电子技术结合、软件与硬件结合、元件与系统结合为特点,目标是培养具备从事电力系统及电气设备运行、研发及管理能力的复合型高素质创新型应用技术人才和创新型拔尖人才。微电网数字孪生实验教学平台为此设置了演示实验能使学生对微电网系统有一个初步的宏观认知。我们从长期的实践教学中发现,学生从理论学习到实践操作之间往往不能自由切换,而本实验教学平台可以为此搭建一座桥梁,与传统实验台教学形成优势互补。充分发挥实践教学的作用,将实践教学贯穿于教学全过程。微电网系统具备发电、变电、输电、储电和用电单元,是一座完整的微型化的小型电力系统,借助数字孪生技术将真实设备映射至数字空间,学生可以在课堂中轻松地了解和学习到真实发电和用电场景,在实践动手之前加深感性认知,课中学生自主操作实验设备,课后分析解释实验结果,在课下业余时间可随时多次重复做实验,加深理解,倡导学生自主式、合作式、探究式学习。

  2.微电网数字孪生实验教学平台从2018年开始已为杭州电子科技大学自动化学院和信息工程学院电气系的电气工程及自动化专业开设《新能源发电及微电网技术》实验课程。2019年  为杭州电子科技大学自动化专业、浙江财经大学信息管理与人工智能学院软件工程专业的学生开设《机器学习》专业实验课。《机器学习》是一门交叉性和实践性强的课程,但是一直没有设置实验课,学生在课后作业中往往采用标准数据集作为学习案例。凭借本平台拥有强大的数据采集能力,与多个学校的人工智能课程老师合作开发了《机器学习》实验课程,学生将采集到的电力数据预处理后可以用于训练、挖掘和预测,将人工智能方法应用于真实工业场景,提升学生的工程应用能力。

  3.本团队与相关任课教师合作开发了与实验教学内容相配套的实验指导书,根据线上线下混合式教学方法,分别提供电子和纸质版本,电子版配套跟随在实验平台的每个实验中,作为纸质版本的一个补充。实验内容与理论教学联系紧密,电子实验指导书富有设计感,有利于学生增加对相关课程的学习兴趣及对理论知识的理解。《新能源发电及微电网技术》实验课程涉及8个实验,共16个学时。《机器学习》实验课程开设6个实验,共12个学时。

  4.本作品依托国家自然科学基金等项目产生的科学技术成果,采用工业智慧化微电网系统基本架构,自行研制全套电能生产与供给系统,其中包含发电、输电、变电、配电和用电等环节,该系统可自由切换两种工作模式(独立光伏电站工作模式和并网光伏电站工作模式)以及四种光伏阵列拓扑结构。借助物联网和云服务技术,在各环节上加装智能传感器,以此建立数据驱动的“数字孪生体”模型,使学生线上实验有如操作真实设备的感觉。

  微电网数字孪生实验教学平台积极推进“新工科”建设,重视人工智能与电气工程及自动化学科专业的交叉与融合,形成了“人工智能+电力”复合专业培养新模式,推进素质教育,提升学生创新精神和实践能力,培养电气工程和人工智能复合型应用技术人才。