电气工程及其自动化专业科教融合实践训练平台
“电气工程科教融合实践训练课程”是以电气工程领域的实际应用的科研项目取得的成果为基础，经过缩小、简化后，做成适合本科生高年级的实践训练平台。实践训练课程以此为背景，分析该系统的组成结构、部件和装置的功能要求，掌握系统的设计方法；在此基础上，针对系统的某个模块开展理论分析、设计、开发（仿真、软件开发、硬件开发）、测试或实验。
通过集中教学、自主分析设计、开发、测试或实验等形式，帮助学生建立一类电气工程应用系统设计和开发的基本概念和基本流程，掌握一类电气工程应用系统及其模块构建的一般方法、步骤、原则；系统分析、系统设计、系统开发，以及文献查阅与综述、动手开发、科技报告撰写等方面的技能。课程的教学成果体现为模块开发的成果，如软件或硬件或软硬件；包含系统分析、系统设计和模块开发过程的实训报告。
通过本课程的学习，使学生初步掌握一类电气工程应用系统理论分析、设计、开发（仿真、软件开发、硬件开发）、测试或实验的基本过程、方法和技能，以及严谨规范的技术报告写作能力，为专业设计打下良好的基础。
“电气工程科教融合实践训练课程”共包含6个方向：新能源方向、电力电子方向、电机及其控制方向、电力系统方向、电气信息与控制方向、铁道牵引电气化方向。实践训练课程组由20多位教师组成，他们都是电气工程方向的资深教授或学术新锐，在科研中有不少斩获。课程总负责人是张和生教授。
1新能源方向实践训练课程简介
新能源科教融合实践训练课程充分发挥研发中心产、学、研、用的协同创新作用，将新能源发电、储能、智能电网等科技前沿以及研究成果及时转化成实践训练内容，实现科教融合。实践训练题目来源于国家重点研发计划项目《净零能耗建筑适宜技术研究与集成示范》、《与可再生能源发电相融合的充电设施网络关键技术研究与示范》、国家自然基金“重点”项目《车载锂离子动力电池安全管理与高效利用的基础理论与关键技术》以及国家电网重点科技项目《百兆瓦级电池储能站集成与协调控制及量管理的关键技术研究》等重大课题的项目成果转化。
新能源方向实训平台基于科研项目投资数百万建设的半实物仿真平台，以项目成果为背景，涵盖新能源发电系统中电力电子设备或储能元件建模及运行原理等理论研究、新能源发电系统设计、Matlab仿真技巧、实时仿真软件dSPACE与RT-Lab操作与使用、监控界面设计、实际变流器硬件或储能元件的实验调试与测试，以及常用测量仪器的使用方法，最后撰写报告。通过集中教学和演示、方案设计与开发、实践训练、实验调试，使学生及时了解电气工程新能源方向前沿技术和科技成果，初步掌握电气工程新能源方向应用系统理论分析、设计、硬软件开发、模型仿真、测试或实验的基本过程、基本方法和基本技能；帮助学生掌握如何分析实际问题，并将复杂工程问题抽象出问题模型，通过文献调研结合所学知识解决实际问题，并综合利用现代工具对解决方案进行仿真或实验验证，在完成研究后对整个过程归纳总结及结果评价。为毕业设计和继续深造奠定坚实基础。
通过实训课程，绝大多数学生表示，以往只注重只是知识的学习，对专业领域，知识的应用基本无从了解，通过这门课的学习，对本专业内容和前沿科学问题有了更深刻的了解，明白了所学知识对社会发展的作用，增强了责任感。通过课程里的问题研究与建模仿真，大大提高了自己分析问题的能力和理论水平，对自己的毕业设计甚至是研究生期间的工作都有帮助。通过在实训平台上的实际操作，接触到了最先进的科研仪器设备，锻炼了动手操作能力。完成实训后的总结，对收集资料、归纳总结、团队协作、表述能力有很大的帮助。
新能源方向实践训练平台主要分为以下3个：
实训平台1：基于dSPACE半实物仿真平台的新能源发电系统平台
以光伏发电系统和风力发电系统为例，系统讲述新能源发电系统中DC/AC变流器的运行和控制、实时仿真软件dSPACE的操作和使用，并通过方案设计、离线仿真、Controldesk监控界面设计、半实物仿真平台实际调试与操作，使学生掌握新能源发电系统的工作原理，了解DC/AC变流器运行与控制策略、硬件装置设计原则，掌握Matlab建模、dSPACE使用、Controldesk监控界面设计方法，以及常用测量仪器的使用方法。
学生首先对实训要求进行系统方案设计，选择电路拓扑与器件参数，并分析工作原理，设计控制方案，之后利用软件仿真工具验证方案设计的合理性，接下来在实训平台上进行实际操作和调试，最终完成实训报告。
平台介绍：基于dSPACE半实物仿真平台，主要由DC/AC变流器与相应的dSPACE实时软件组成，其硬件核心为DC/AC变流器，通过接口板与半实物仿真装置dSPACE相连；dSPACE则与PC机相连。PC机的MATLAB中，建立各种控制策略和模型，形成控制变流器的PWM控制脉冲，通过dSPACE将控制脉冲输出，利用光纤信号转接板传递该脉冲，控制变流器。只需在Simulink中建立变换器的控制模型，运行无误之后按下载按钮即可以生成C代码并自动下载到dSPACE中，节省控制策略开发与验证。2021年3月15日，习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议，在研究实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措时提到，要构建以新能源为主体的新型电力系统，其典型特征为“高比例可再生能源”和“高比例电力电子装备”。基于dSPACE半实物仿真平台的教学和实践，是学生了解和研究新能源发电系统以及其电力电子设备DC/AC变流器运行和控制的重要手段，可以为学生奠定必需的专业基础知识和能力。
图1 基于dSPACE半实物仿真平台的新能源发电系统实训平台
实训平台2：基于RT-LAB半实物仿真平台的DC/DC变换器研究与实践
以新能源发电系统中的DC/DC变换装置为对象，训练学生的实际操作及装置调试的能力。课程背景为诸如光伏、储能等新能源发电系统接入直流微网时，系统的控制。让学生独立设计双向DC/DC变换器及其控制方法，并将其应用在新能源发电装置上，完成能量传输变换的功能。学生首先对系统进行设计，选择电路拓扑与器件参数，并分析工作原理，设计控制方案，之后利用软件仿真工具验证方案设计的合理性，接下来在实训平台上进行实际操作和调试，最终完成设计报告。
平台介绍：整套半实物仿真系统由三部分组成，分别是上位机，RT-LAB和Buck变换器，其中上位机主要用于将搭建好的MATLAB模型生成代码和观测部分波形，RT-LAB主要用于计算，上位机和RT-LAB通过TCP/IP协议交换信息，模拟量信号输入RT-LAB后，根据模型生成的代码，内部会进行一个计算，算出我们需要的PWM波，最后通过数字量将该信号输出。
基于RT-LAB的DC/DC变换器实训平台，是了解和研究光伏发电系统、风力发电系统等新能源发电系统的重要手段。实际DC/DC变换器与实时仿真系统构成的半实物平台，这些新技术的应用，使学生既能够提高动手能力，又对我国电气工程领域的新技术、新方法、新技能有所了解。
图2 基于RT-LAB半实物仿真平台的DC/DC变换器的原理图和拓扑图
实训平台3：新能源储能元件性能仿真及控制系统平台
2020年2月，教育部、国家发展改革委、国家能源局联合发布了《储能技术专业学科发展行动计划（2020—2024年）》，行动计划提出了初步的“储能科学与技术”专业的本科生培养计划，这对于我国发展储能科学与技术，培养优秀专业人才具有里程碑意义。“储能元件性能仿真及控制系统平台”是基于dSPACE系统的半实物仿真平台，通过本平台的教学和实践，使学生系统地了解储能元件的工作原理、建模仿真、以及性能测试等相关知识。为学生今后从事电力储能系统储能元件选型、设计、运用及试验等打下必需的专业基础知识。
基于dSPACE系统的半实物仿真平台示意图如图3所示，该平台的组成有：充放电设备，测试样品电池，恒温箱，电压、电流和温度采样设备，dSPACE硬件设备，以及安装Matlab和dspace的上位机，按照图3示的信息流向和连接关系搭建台架试验台。首先要进行的是仿真模型的嵌入，将上位机中的Matlab/Simulink模型通过dSPACE的软件编译成C语音并刷写到dSPACE内，接下来把充放电设备通道接到电池上并放入设定温度的恒温箱内，通过充放电设备对样品电池进行电流激励并获取电池端电压的响应，这里采用外设的采样设备进行数据采集，并输入到dSPACE中，为微控制器输入实时的采样数据进行实时硬件仿真输出。
图3 新能源储能元件性能仿真及控制系统平台
利用储能元件（动力电池、超级电容等）测试数据，建立数学模型并在Matlab平台上实现，在此基础上基于半实物仿真平台进行仿真精度验证和充电策略验证。主要内容如下：
(1) 储能元件（动力电池、超级电容）的工作原理及其在电力系统中的应用，储能元件仿真模型介绍及参数辨识原理介绍，课堂目标：学生理解和掌握储能电池和超级电容的工作原理及主要性能指标；
(2) 储能元件充放电测试设备软硬件功能和基本操作（教师讲解演示、学生实际操作），课堂目标：学生掌握储能元件测试方法，独立完成充放电设备的使用操作，掌握电池参数辨识实验设计方法；
(3) MATLAB/Simulink软件的编程方法（教师讲解演示、学生理解并进行实际操作和练习），熟悉通过matlab编程实现对excel文件的数据调用和提取，掌握一阶RC模型的参数辨识方法，课堂目标：熟悉Matlab/Simulink编程方法，能够进行电池模型参数辨识程序编写；
(4) 储能元件的等效电路仿真模型搭建和调试（教师讲解演示、学生理解并进行实际操作和练习），基于Simulink仿真环境，验证模型精度，能够通过优化模型参数提高仿真精度；课堂目标：掌握储能元件等效电路模型的在Simulink环境的搭建方法，以及模型的改进方法；
(5) 基于半实物仿真平台的模型搭建和充电控制操作（实物讲解和演示，学生实际操作并取得预期的实验结果），课堂目标：掌握半实物仿真平台的模型调整，完成模型精度验证，基于dSPACE和在线充电控制模块，熟悉不同电流对电池充电性能的影响。
2电力电子方向实践训练课程简介
电力电子方向的实践训练课程内容来源于国家自然科学基金、重点研发计划、中车集团、国家重点实验室开放基金等项目成果，将电力电子功率半导体器件、电力电子功率变换系统、数字控制等领域的研究成果和前沿技术引入课堂，实现科教融合。目前开设的电力电子方向实践训练课程平台四个：功率半导体器件开关行为测试与分析、无线电能传输技术、轨道交通高性能变流器系统功率器件与电路拓扑特性分析、基于TI-MCU的异步电机数字控制系统。电力电子方向的实践训练侧重理论和实践的有机结合，旨在提升学生未来解决电力电子方向实际工程问题所需要的基本研究技能和科学素养。通过集中理论教学、方案设计、“仿真+实践”的交互式实践训练，掌握常用测量仪器使用方法、数据处理和总结报告的能力。
电力电子方向实践训练课程所采取的科教融合实践教学模式已在2届本科生中加以实践，取得了很好的教学效果。作为学生综合运用已有知识解决一类实际工程问题的一次实践之旅，选课学生的匿名调查问卷显示了其对此电力电子方向实践训练课程强调硬件调试模式的高度认可和浓厚兴趣。接下来依次介绍四个电力电子方向实践训练课程平台：
实训平台1功率半导体器件开关行为测试与分析平台
面向电力电子变换中的功率半导体器件，在介绍IGBT等功率半导体器件的工作原理及其基本开关特性的基础上，学习主流功率半导体器件开关行为测试方法，并通过分析测试结果，掌握基本的器件损耗计算方法，获得主流功率半导体器件选型的相关知识。课程注重“理论-仿真-动手实践”的研讨式教学，激发学生对所学知识的思考。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
图4功率半导体器件开关行为测试与分析平台
实训平台2无线电能传输技术平台
面向用于有轨电车、电动汽车的磁耦合感应式无线电能传输系统，建立了3.3.kW原理模型平台。平台由能量发射端和能量接收端组成，其中能量发射端包括整流电路、高频逆变电路、谐振补偿电路、原边耦合线圈，能量接收端包括副边线圈、谐振补偿电路、整流电路、输出调节电路组成，负载形式多样。通过原理讲解、系统参数测试实训、性能测试实训、系统补偿电路设计与系统仿真等课程内容，同学们能够掌握无线电能传输基本原理、主电路关键参数测试方法、补偿电路设计方法、系统性能测试方法。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
图5无线电能传输平台
实训平台3 轨道交通高性能变流器系统功率器件与电路拓扑特性分析平台
基于车载辅助电源系统开展电路拓扑工作特性分析比对，功率器件特性测试与分析相关内容。具体内容包含文献查阅和综述，电路拓扑分析和建模仿真，电路参数计算和器件选型，焊接调试与测试分析，撰写实训报告。课程旨在培养学生文献查阅能力，了解DC/DC变换器电路拓扑的分析方法，学会Matlab软件电路建模仿真，电路参数计算选型，示波器使用，试验大纲准备，测试联调记录方法等。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
图6专业实训流程和电路原理框图
实训平台4 基于TI-MCU的异步电机数字控制系统平台
面向异步电机驱动的数字控制系统，以TI-MCU为例介绍数字控制器的基本设计，功率主回路、电机对拖实验平台的基本原理，通过学习要求学生掌握数字控制器的定时器以及中断和保护、I/O原理和编程方法、AD采样、EPWM工作原理和编程方法。课程考核由实训过程考核和实训报告组成。
图7专业实训流程和电路原理框图
3电机及其控制方向实践训练课程简介
电机及其控制方向专业实训课程，将电机设计、控制、超导交流损耗测量及失超检测等科技前沿以及研究成果及时转化成实践训练内容，实现科教融合。实践训练题目来源于国家重点研发计划项目《应用于高速列车的大容量超导变压器的研发》、《基于多场融合的机器人电机高性能轻量化协同技术研究》，基本科研业务费重点项目《新一代轨道交通列车永磁牵引系统健康管理理论与方法研究》，基本科研业务费科研学术活动资助项目《高性能伺服电机振动和噪声控制关键技术研究》等重大课题的项目成果转化。
实训平台基于科研项目投资数百万建设的半实物仿真平台，以项目成果为背景，涵盖电机设计及控制过程中各部分建模及运行原理等理论研究，有限元软件COMSOL、ANSYS仿真技巧，Labview界面设计，及其光纤光栅测量系统等实际工程中常用的测量仪器使用方法，最后撰写报告。通过集中教学和演示、方案设计与开发、实践训练、实验调试，使学生及时了解电气工程新能源方向前沿技术和科技成果，初步掌握电气工程新能源方向应用系统理论分析、设计、硬软件开发、模型仿真、测试或实验的基本过程、基本方法和基本技能；帮助学生掌握如何分析实际问题，并将复杂工程问题抽象出问题模型，通过文献调研结合所学知识解决实际问题，并综合利用现代工具对解决方案进行仿真或实验验证，在完成研究后对整个过程归纳总结及结果评价。为毕业设计和继续深造奠定坚实基础。
通过实训课程，许多同学表示，之前在课本上学到的知识有些抽象，在实训课程上能很好地将书本知识转化成工程实践中的具体应用，并且能够切实的感受到学科前沿发展，清楚地感受到自己所学能够为为社会发展做贡献，推动学科更好进步发展。并且在课堂上通过自己动手，极大的提高了动手实践操作能力，团队协作能力，解决问题的能力。对自己以后工作或者科研都有很大的帮助。
电机及其控制方向实践训练平台主要分为以下4个：
实训平台1：基于光纤光栅传感测量系统
基于光纤光栅传感系统的铜导线损耗测量系统，其原理是利用标定过的光纤光栅温度传感器测量通电损耗导致的光纤传感器波长改变，进而利用波长改变间接推导出铜导线的损耗。除了能测量导线损耗外，本系统还能实时监测导线运行温度。传统的损耗测量方法是通过测量通电导线两端的电压与通电电流，并对两者进行乘积。由于电测法是通过电信号进行测量，所以其易受到电磁干扰，不适于强磁场环境。基于此提出了基于光纤光栅传感系统的损耗测量方法，本方法和传统的电测法相比，具有测量可靠、精确不受电磁干扰等特点，而且还能够实时在线监测导线运行温度。
本实训系统组成如图1所示，主要包括三部分，第一个部分为电测量部分，包括用于该样本通电的安捷伦6680A直流电源以及用于采集电压的安捷伦34420A多功能万用表，电测量部分通过采集样本的电压和电流信号为光纤光栅传感测量系统提供参考；第二部分为光纤光栅传感测量部分，主要由光纤光栅解调仪组成，用于采集实验中的光纤光栅传感器反射波长信号并对其进行解调；第三部分为热脉冲触发部分，主要由NI USB 6125、9216以及6000数据采集卡和快速固态继电器组成，用于温测法传感器的波长和损耗之间的标定。
本实训内容对应的知识主要有磁体的损耗测量、损耗与温度的关系、温度测量、以及光纤光栅传感技术。通过实验原理讲解及亲身实验操作，基于实训平台，可以使学生掌握基本光纤检测技术以及基于温测法的磁体损耗测量技术，掌握损耗产生的机理。同时，提高学生参与实验环节的积极性，巩固同学对所学知识的理解，使生动形象的展现一些抽象理论知识，使学生学到真正用于实践的相关知识与技能。此外，本实训平台主要用到Labview软件进行各个设备的控制及通讯，因此，通过本实训课程，还可以让学生掌握Labview软件的基本编程原理及思想。
本实训系统主要是面向电气工程电厂、变电站、输电线路等的电力设备运行状态在线监测及损耗测量领域。该系统对应的本科生课程有电机学、电磁场、电路原理、计算机技术、控制理论以及电力电子技术等课程。本系统需要同学具有对磁体损耗产生机理的一定的认识，以及基本的自动控制和实验操作基础。
图8平台组成图示意图和实物图
实训平台2：电极放电的信号测试与分析
本项目采用基本的科研手段训练学生，即通过试验的设计实现、数据分析找出相关结论，主要内容是探索电极放电的规律，即针对不同电极形状和不同电压进行放电信号的测试，根据测试信号的不同特征进行识别。完成项目安排的实训之后，学生可具备基本的高压试验操作基础，了解放电的基本过程，掌握和应用相关信号采集、特征提取和模式识别的知识，初步掌握对高压电气设备绝缘故障的识别能力。
高电压试验是电力工程中的一类重要现场任务，本项目的首先培训学生的高电压试验基本素质。要求学生了解基本操作，建立安全常识，能够理解和掌握高电压试验的级别组织形式，包括设备放置、过程控制、接线、接地和保护措施等。绝缘材料在一定的外在条件下会出现放电，放电的特征与电极形状、电场强弱和分布有关，培训学生掌握放电相关理论知识，设计和完成相关试验。要求学生认知工程实践中的测试设备和方法，根据理论分析，对一定形状的电极设计不同的距离和加压值，并完成系列试验。在试验结果的处理上，研究分析放电信号特征，识别放电机理和表现形式。要求学生通过相应信号分析和处理方法的训练，培养从信号中提取典型信息的能力，即信号的哪些特征对反映本质最为敏感。得到能够识别出放电类型和等级的方法。
平台设施包括：1高电压试验基础设备：调压器、试验升压变压器（25kV）及相关保护装置。2放电电极模型，可模拟高压电力设备中各种基础类型的放电，学生可自主设计模型的相关参数。3采集装置，包括高速示波器和高频局部放电检测仪，用于数字化采集放电产生的相关信号。
图9平台实物图
通过实践训练，达到以下训练目的：1）建立高压试验的认知，掌握高压试验的一般要求和操作。2）对电压升高后绝缘材料（典型如空气）会击穿造成设备故障的情况进行实际的了解，掌握一定的检测方法。3）掌握一些数据分析和特征提取的方法，对绝缘击穿的现象和规律进行分析
实训平台3：机器人高速电机性能分析与测试实训平台
以工业机器人用伺服系统的高速电机和控制器为研究对象，训练学生开展电机模型分析、数值仿真、系统测试平台搭建和测试的能力，让学生独立建立高速电机的物理模型，完成电磁场数值仿真计算，分析不同运行工况时电机系统输出性能的变化曲线，设计对应的电机系统测试方案，搭建对应的测试平台，并完成对应的工况性能测试，根据试验测试据与仿真计算结果对比，修正仿真模型或测试方案，完成理论分析与试验数据的对比分析，完成实训报告。
平台主要由三部分组成，分别是电机、控制器和涡流测功机，其中电机与涡流测功机直接机械连接，控制器与电机为线缆连接，可以通过控制器改变电机的输入电压、涡流测功机改变电机输出的转速和负载大小，进而模拟不同运行工况下电机输出性能的变化，并通过对应的转矩转速仪、示波器记录对应的数据。
意义：基于机器人高速电机性能分析与测试实训平台，可以分析机器人、机床、无人机等伺服系统高速电机的运行模式和性能，是学生掌握高速电机系统的建模、数值分析方法，提升结构的认知和电机系统设计能力，同时使学生掌握电机系统的测试平台组成和测试方法，动手能力和数据的分析能力得到大幅度提高，对我国电气工程领域的新技术、新方法、新技能有所了解。
图10实训平台流程图和实物图
实训平台4：高铁牵引电机线圈散热能力测试实训平台
以高速列车牵引电机的线圈为研究对象，训练学生建立线圈物理模型、数值仿真分析、加热测试平台搭建和测试数据的能力。学生通过三维绘图软件建立线圈的三维物理模型，并导入Ansys温度场仿真模块，在仿真软件上完成高铁牵引电机线圈的温度场仿真分析，搭建高铁牵引电机线圈散热能力测试平台，完成不同条件下线圈的温度测试，对比测试结果和仿真数据，进行数据分析，完成最终的实训报告。
系统平台主要由三部分组成，分别是线圈、加热系统和数据记录仪，其中线圈与加热系统连接，通过加热系统的电流输入调节控制线圈的温度上升趋势和温升，数据记录系统中的温度传感器固定在线圈的不同位置，用于监测线圈不同点的温度变化曲线，与进而模拟不同运行工况下线圈的温度上升曲线，同时自然冷却到环境温度的温度下降曲线，并通过对应的记录仪记录对应的数据。
基于高铁牵引电机线圈散热能力测试实训平台，可以分析线圈的温度升高和下降的变化曲线，并借此曲线数据分析线圈外层绝缘的散热系数，使学生学生掌握高铁电机线圈的建模、数值分析方法，提升结构的认知和线圈温度测试系统设计能力，同时使学生掌握线圈温度的测试平台组成和测试方法，动手能力和数据的分析能力得到大幅度提高，对我国电气工程领域的新技术、新方法、新技能有所了解。
图11实训过程的流程图和实物图
4电力系统方向实践训练课程简介
电力系统方向专业实训课题来自多项国家级（国家重点研发计划、国家自然科学基金等）和省部级实际科研项目，包括电力系统继电保护、电力系统广域控制、铁路与地铁电能质量分析等。实训课程的目的是将电气专业理论知识与实践紧密地结合起来，培养学生运用电力系统理论知识，模拟在电力系统的发电厂、变电站、调度中心等运行现场实际问题并通过实际动手操作解决问题，主动思考开拓创新，提高学生实践技能和增强动手能力，更好地适应毕业后的实践工作环境。学生学习该课程后，应达到如下要求：
（1）掌握电力系统领域的理论知识；
（2）认识电力工业现场遇到的实际问题，分析工程需求和约束条件；
（3）根据已有专业知识提出系统化解决方案，并充分考虑技术、经济、环境等因素；
（4）按照解决方案进行系统设计，完成系统的软件仿真或硬件开发调试；
（5）对设计的系统进行功能测试，系统达到设计要求；
（6）撰写实训报告对整个过程进行总结和分析。
实训内容包括如下三个课题：
课题1——电力系统继电保护：通过DDRTS系统进行典型电力系统仿真，模拟电力系统发生故障后的电压电流信号，编写算法程序，完成继电保护功能。
课题2——电能质量检测与分析：使用NI控制器采集三相电压和电流信号，使用LabVIEW图形化编程软件，计算电能质量指标，开发电能质量检测与分析系统。
课题3——同步相量测量技术：使用NI控制器和LabVIEW软件，采集同步对时信号和给定正弦信号，编程实现同步相量算法。
学生通过专业实训，了解电力系统相关领域的保护与控制基本原理和工作流程，掌握先进的软件编程和科研仪器使用方法，通过独立完成分析问题、提出方案、软硬件实现、完善与总结等完整的解决问题与项目开发流程，对本专业基本知识和前沿热点问题由来更深刻的认识，提高学生分析和解决实际问题的能力。
该课程面向电气工程及其自动化专业四年级学生，学过电力系统方向专业课，包括《电力系统分析》、《电力系统继电保护》等。学生从本课程的三个课题中选择一个，在老师指导下学习相关理论知识和算法，熟悉使用课程所用的软件和硬件。针对要解决的具体问题，先进行总体方案设计，然后进行软件仿真或硬件开发调试，最后撰写实训报告，由老师进行验收与考核。
实训平台1 电力系统继电保护平台
平台主要软硬件系统包括：电力系统仿真软件系统DDRTS（数字动态实时仿真系统，Digital Dynamic Real Time Simulator，简称DDRTS）、高速通信系统、信号转换与输入输出系统、功率放大器、数据采集模块、LabVIEW软件、嵌入式系统NI myRIO控制器等，如图1所示。
DDRTS软件系统通过图像方式选用各种电力系统元件模型，可方便地组建典型电力系统，进行电力系统的短路故障的仿真。通过搭建典型电力系统模型，可针对某一电力设备进行故障仿真，输出的电压电流故障信号通过高速通信卡，经信号转换模块转换成低电压模拟信号，再经功率放大器可转换成和实际电压互感器、电流互感器输出相同的电压、电流信号，真实再现故障场景。基于LabVIEW的微机继电保护仿真系统，通过外接数据采集模块对故障电压、故障电流进行数据采集，在嵌入式系统开发平台NI myRIO进行保护算法程序的编写，保护动作信号经高速通信卡、信号转换模块反馈回DDRTS系统，实现微机继电保护仿真系统的闭环测试。
图12 电力系统继电保护课题平台
实训平台2电能质量检测与分析平台
平台主要软硬件系统包括：电能质量实验仪、信号接口模块、NI myRIO控制器、图形化编程LabVIEW软件等。
图13 电能质量检测与分析平台
使用电能质量实验仪发出多种电能质量信号，通过信号接口模块送入NI控制器，实现三相电压和电流信号的采集，然后学习使用编程软件（美国国家仪器公司的LabVIEW图形化编程软件），开发电能质量检测与分析系统。要求该系统能够实时显示采集的三相电压与电流波形，并参考我国电能质量标准，计算和显示电能质量指标。具体电能质量指标可从电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡等指标中选择。通过该实训课程，学生学会使用软硬件工具来采集实际电压/电流信号，并结合所学电力知识和国家/行业标准，进行电力参数计算和分析。
实训平台3同步相量测量技术平台
平台主要软硬件系统包括：图形化编程LabVIEW软件、信号接口模块、NI myRIO控制器、示波器等，如图14所示。
图14同步相量测量技术课题
平台围绕电力系统中“相量”这一核心概念展开，目的是让学生深入理解、掌握在实际电力系统中相量的定义、测量方法、计算方法，并在此基础上，通过LabView试验环境配合NI数据卡，实现分别从独立的两个NI数据卡中输出同步对时信号与给定正弦信号，采集同步对时信号和给定正弦信号；在此基础上在LabView平台上独立编程实现同步相量算法，并对比多路同步相量的动态测量性能。
5电气信息与控制方向实践训练课程简介
“电气信息与控制方向专业实训”课程是电气工程及其自动化专业本科生选修课程，总学时16（理论教学内容6学时+实践教学内容10学时）。平台源自多项国家级（国家支撑计划、国家863项目、国家自然科学基金）和省部级（中国国家铁路集团公司、教育部、北京市、中国中车等）实际科研项目：包括高速列车监测与控制、列车安全设备、列车定位设备等。
“电气信息与控制方向专业实训”课程开设的目的有以下几点：
通过课程的实践训练，了解电气信息与控制方向在国家的轨道交通、电力系统、工业企业、国防军工的实际应用。
通过课程的实践训练，掌握电气信息与控制系统中系统结构、传感与调理、控制与算法等模块的设计和实现方法。
通过课程的实践训练，掌握基础的文献查阅与综述、撰写综合报告、工作展示的基本技能。
“电气信息与控制方向专业实训”课程开设的意义包括：
了解信息与控制相关课程内容在国家和行业重大项目中的应用；
打通多门课程内容并能够综合应用；
掌握解决一个实际问题的思路并实现从设计到开发到展示和总结的全过程技能。
“电气信息与控制方向专业实训”课程共有三个课堂：
利用ARM微处理（STM32F407）实现的多机通讯与控制平台
利用GPS和惯导等多传感器融合的组合导航系统平台
利用多传感器融合系统的列车牵引传动设备状态监测平台
三个课堂有区别也有联系，区别是不同的应用场景，联系是系统中信息的获取与处理、对象的建模与控制。
三个课堂对学生作统一要求：根据问题查阅文献检索，深入思考问题原因及提出解决问题方案；针对具体问题具体分析；通过仿真实验和软硬件开发分析和解决问题，并对方案和结果进行答辩展示；最后，过撰写报告对实训的全过程进行总结。实际授课效果良好，学生全面深入接触了先进的高速动车组、机车、电动汽车等牵引传动系统研究项目的各个方面，为其从事相关专业的工作或继续开展深入研究提供了有力的知识体系保障。
电气工程及其自动化专业三年级学生，在专业必修课学习后，选学过《传感与检测技术》、《计算机网络》、《现场总线与工业控制》、《嵌入式系统》等课程。
实训平台1利用ARM微处理（STM32F407）实现的多机通讯与控制平台
硬件平台为课程组独立开发的实训平台。核心CPU为Cordex-M系列ARM微处理的STM32F407。此硬件平台实时采集多种传感器数据和提供多种输出方式，并且具有串口、USB、以太网以及CAN总线等通信接口。实训平台为每位学生提供基于每种通信接口的通信协议的学习机会。学生可以任选自己熟悉或者自学的计算机平台(或者智能手机平台)的编程方法（C、C++、C#、Java、Python或者其他软件）实现和硬件平台的通信，完成数据采集、显示和远程控制。本实验的硬件平台由若干个独立的实验箱构成，实验箱之间可以通过网络进行扩展。
图15平台的系统结构和实验箱
每个实验箱具有独立的实验功能，其中可以进行AD采集、DA输出、开关量输入、开关量输出以及传感器输入等多种功能。其中传感器暂时提供温度、湿度和照度三种常用的传感器。同时每个实验箱还提供USB、以太网、CAN总线、232串口以及485串口的通信功能。
共提供六个供学生参考的实验题目，这六个题目涵盖不同的通信方式和尽可能不同的编程软件，让学生能够从自己相对熟悉的开发方式入手完成本设计。各个题目的名称和难度信息请见下表
|
序号
|
题目名称
|
题目难度
|
选题建议
|
|
1
|
多路电压监视软件
|
★★★★★
|
|
|
2
|
DA信号发生器
|
★★★★★
|
|
|
3
|
开关量监测与报警
|
★★★★
|
|
|
4
|
开关输出控制
|
★★★
|
与题目3进行综合设计
|
|
5
|
温度采集显示
|
★★★★
|
与题目3进行综合设计
|
|
6
|
照度采集显示
|
★★★
|
与题目3进行综合设计
|
实训平台2利用GPS和惯导等多传感器融合的组合导航系统平台
组合导航系统平台总体框图和实验平台如下图16所示。平台CPU选用STM32F407，配有GPS模块，惯导MPU-6050模块，光敏传感器模块，温湿度传感器等模块，可实现位置信息、光的亮度信息、温湿度信息的采集，并将采集信息显示在显示屏上，也可将采集信息通过以太网接口传给PC，在PC上开发软件显示采集信息。STM32407为系统CPU，用于处理传感器信息，并将信息显示到LCD屏幕，并将信息通过以太网传送给PC显示。TFT LCD模块，即薄膜晶体液晶显示器，在实验中用于显示采集信息，图中为2.8寸TFT LCD模块，显示分辨率为320*240，接口为16位的80并口，为触摸屏。另外平台中包含GPS模块，MPU6050模块，温湿度信息传感器以及光敏信息传感器等，可采集位置信息以及环境信息。
通过该平台学生可学习掌握温湿度以及光敏传感器的使用，GPS报文信息GPRMC报文等的解析，以太网接口的软硬件设计，以及上位机显控软件的设计等。
图16基于GPS与惯导的组合导航系统及开发平台
实训平台3 利用多传感器融合的列车牵引传动设备状态监测平台
列车牵引传动设备的正常运行与列车的安全性息息相关，对列车牵引传动设备的在线检测和诊断具有重要意义。随着传感器和嵌入式技术的发展，列车牵引传动设备监测方式也由以人工和单一的信号为主向多传感器融合的综合状态检测方向发展。
列车牵引传动设备状态监测平台是以变频器和感应电动机为主构成可实现双向对拖和节能运行的交流电动发电机组为检测和监测对象，采用多个温度、电压、电流、转速等传感器构成检测装置，并通过 RS485 总线，ModBus、Ethernet网等进行组网，通过网络向变频器发布命令，实现能量的双向流动，构成分布式状态检测与组网、节能运行状态监测与分析平台。由以下几部分组成：变频器、感应电机、 各类传感器、 数据采集装置、 采集传输控制器和上位机软件。数据采集装置和各类传感器相结合完成对电机多处温度和三相电流的采集， 通过RS485 总线将检测的数据传输到采集传输控制装置。采集传输控制装置与上位机之间采用以太网通信的方式，主要完成以下四方面的功能：一是根据上位机发出的控制指令控制变频器驱动电机的运行。二是完成电机转矩、 转速的采集。三是通过 RS485 总线控制各类采集节点完成对电机各类参数的采集，同时将所有采集到的电机参数进行汇总，通过以太网传输到上位机。
利用多传感器融合系统的列车牵引传动设备状态监测平台，是验证多传感器数据融合技术检测设备状态的重要途径。通过设计不同的测试方案，提高了学生的设计能力和分析能力，也打开了学生的视野和眼界，快速向我国电气工程领域的新技术、新方法靠拢。该平台已经在轨道交通控制与安全国家重点实验室使用。
图17列车牵引传动设备状态监测平台实物图和逻辑图
5轨道牵引电气化方向实践训练课程简介
轨道牵引电气化方向专业实训课程是电气工程轨道方向本科生必修课程，内容包括高速铁路牵引变压器故障诊断、高速铁路谐波分析与治理、高速铁路绝缘状态监测、高速铁路故障测距4个方面。这四个课堂依托牵引供电研究所实际科研平台和成果分别就高铁牵引供电系统关键设备和电气绝缘的监测诊断、电能质量治理及故障定位几方面开展实验训练。目的是通过实训，让学生对高铁牵引供电系统和设备及其状态监测、故障诊断进行较深入全面的认知和了解，用先进前沿的技术应对甚至预测故障，确保高铁运营的安全可靠。依托高铁供电虚拟仿真实验室、高铁牵引供电实验室和牵引网动模实验台，学生们通过方案设计、硬软件开发和实验操作，全面深入地认知系统，通过理论分析和实验验证掌握分析问题、解决问题的能力，成为中国高铁发展需求的高级工程人才。
四个课堂有交叉和联系。首先，高铁供电虚拟仿真实验室和高铁牵引供电实验室提供了人机交互的三维虚拟场景和关键设备实物，学生们通过基础内容训练，不仅如亲临现场，还对设备内部结构和功能能全面认知。讲解牵引供电系统仿真建模方法，便于学生后续的问题分析。这一部分全部的学生作统一要求；其次，根据高铁供电系统中出现的几方面故障，通过问题导向，让学生结合文献检索，深入思考问题原因及提出解决问题方案。这一部分及后续部分，分四个课堂，针对具体问题具体分析；然后，通过仿真和实验的手段分析和解决问题，并对方案和结果进行答辩展示；最后，通过撰写报告对实训的全过程进行总结。
实际授课效果良好，学生全面深入接触了先进的高速铁路牵引供电系统研究项目的各个方面，为其从事相关专业的工作或继续开展深入研究提供了有力的知识体系保障。
借助两个实验平台，课程首先让全体同学基于虚拟仿真实验进行牵引供电系统及关键设备认知；然后基于牵引供电实验平台让学生了解弓网受流及测量、保护装置的功能及特性，作为后续实训实验的支撑。
实训平台1：高铁供电虚拟仿真平台
利用虚拟仿真技术通过人机交互模拟牵引供电系统的设计和运行过程，再现工程场景，模拟工程中涉及的方案、设备和主要技术参数选择，实现理论知识和工程实践之间的有效衔接，有利于学生掌握相关概念和知识点，理解关键技术参数对供电性能的影响规律，提升解决复杂工程问题的能力。实训课程首先利用平台使学生能够直接看到高铁牵引供电系统的三维场景，并对系统和设备进行深入的认知和了解，如同亲临牵引变电所的现场，了解电力机车如何从牵引供电系统获取电能，及关键设备的结构机理和功能。
图18 高铁虚拟仿真实验平台
实训平台2高铁牵引供电实训平台
利用牵引供电系统动模实验平台及断路器智能控制实验平台进行断路器、隔离开关等联合操作，可以验证保护和测距装置在不同故障下的功能及特性；同时，学生可以通过弓网状态监测实验平台实物全面了解牵引网接触网刚性和柔性悬挂、分段绝缘器、棘轮、受电弓等器件和设备，了解受电弓如何从牵引网取流。
图19 高铁牵引供电实验平台
实训平台3牵引网动模试验平台
进行故障测距的学生可选此平台搭建高铁牵引供电系统，并模拟不同类型故障，用以验证测距算法。本实训平台为轨道电气化专业方向的学生的必修课，其它方向学生也可选，但要求学生在进行实训之前，对高铁牵引供电系统较了解，上过“牵引供电系统”、“牵引变电所及其自动化”等专业课程，并了解MATLAB simulink仿真软件。
图20 高铁牵引网动模试验平台
