電力工程全過程虛擬仿真實驗教學中心建設

翟永杰,紀蓬勃,王秀梅,馬 進,馬良玉

(華北電力大學，河北 保定 071003)

我國中長期教育發展規劃綱要中指出：要“把促進人的全面發展、適應社會需要作為衡量教育質量的根本標準”[1]。“人的全面發展”和“適應社會需要”兩者的交集之一就是學生的實踐與創新能力培養。其一，實踐能力是學生綜合素質中的重要組成部分；其二，適應社會需求，首先是就業需求，其次是職業發展需求，這些需求更強調了實踐能力。因此，要提高教學質量，當前重要的是要加強學生的實踐能力乃至創新能力培養。如何培養學生的實踐能力，需要從理論到實踐上加強系統研究和探索[2]。

華北電力大學是一所電力特色鮮明的多科性大學，一貫重視實踐教學。電力工業全過程包含發電(火力、水力、風力、核能、生物質等)、輸電、配電諸環節，大多是高溫度、高壓力、高電壓等極端和危險的環境。對電力生產過程的干預要求極高的安全性，且電能不能存儲，發輸配瞬間完成，過程不可逆。真實的實驗存在高風險、高能耗、高成本的問題而無法開展，相關專業學生的運行實踐環節不可能全部在實際生產設備上進行，即使企業的生產人員也要依賴仿真培訓提升操作技能，所以虛擬仿真實踐教學對培養學生的實際操作能力、解決學生學習實踐與電力安全生產之間的矛盾具有不可替代的作用。

1 仿真技術的引進和仿真中心的建設歷程

華北電力大學是我國最早開展電力生產仿真教學的單位之一。20世紀80年代，執行聯合國開發計劃署(UNDP)項目，學校引進火電機組仿真機，開始仿真研究及教學。20世紀90年代，開發出具有完全自主知識產權的300 MW火電機組全仿真機，并榮獲1992年“全國十大科技成就獎”，實現了自研仿真機替代進口機，榮獲1993年電力部科技一等獎。學校將這一科研成果應用于本科實踐教學，開創了電力系統仿真教學的歷史，是科研服務教學的成功范例。1996年由原電力部批準成立部級重點實驗室——工業過程仿真與控制實驗室，2010年成立河北省發電過程仿真與優化控制工程研究中心，由河北省科技廳直接管理，重點從事仿真技術、控制技術，以及電力工業過程生產與運行等相關的技術研究與教學工作。

學校的仿真技術除在電力行業廣泛應用外，還成功應用于神舟系列載人飛船的仿真研究與模擬器開發，用以訓練航天員梯隊，為我國航天事業做出了重要貢獻。

2 “大電力”視角下建設虛擬仿真實驗教學中心

學校制定了構建“大電力”學科體系的學科發展戰略，從“大電力”視角開展電力工業全過程的教學和科研工作[3-5]。學校密切結合人才培養的實際，著重加強電力特色、仿真特色建設，按照“大電力”學科體系共享全校資源的思想，構建了完整的包含發電、輸電、配電所有環節的電力工業全過程仿真實驗系統，包括傳統的火力發電及新能源發電，提供了一整套可靠、安全和經濟的實驗項目，并開展了開放運行和創新實踐教學活動，推進了虛擬仿真實驗教學中心(下稱仿真中心)的建設。

仿真中心分為兩大實驗教學平臺：發電過程虛擬仿真實驗教學平臺和電網運行虛擬仿真實驗教學平臺，總體結構見圖1。

圖1 虛擬仿真實驗教學中心總體結構

發電過程虛擬仿真實驗教學平臺針對火力發電、風力發電、光伏發電、風力發電、核能發電、生物質發電等電力生產過程。

電網運行虛擬仿真實驗教學平臺包括電力系統與繼電保護、電網調度、變電站等電網運行過程。

在仿真中心建設中，仿真教學資源建設充分體現了虛實結合、相互補充、能實不虛的原則：整體過程虛擬仿真、局部裝置物理模擬、虛擬數據三維可視、關鍵設備三維多媒體動畫、軟件盤臺完全實物，虛實搭配構成多種平臺。

整體的機組模型和電力系統模型，不可能完全以實物搭建，因此，以完全虛擬的仿真技術進行機理建模，以軟件的形式實現實際系統的特性，達到教學目的。

對其中的局部環節，如控制柜、工頻電液調節裝置、調速器、勵磁調節器、軸系扭振、蓄電池儲能裝置、動態無功補償裝置等進行物理模擬仿真，起到以實補虛的作用。對于高風險的核電環境，進行了廠房輻射劑量的三維可視化；對于大型的關鍵設備，如汽輪機、電動機等以三維動畫的形式進行仿真模擬和教學，起到以虛補實的作用。

監控軟件及裝置，則完全采用現場真實的軟件和裝置，控制盤臺包括按鈕，都與現場完全一致，體現了能實不虛的原則。

同時，使用局域網互聯技術，實現網絡數據通信和信息共享；通過配置、連接、調整完成不同的實驗功能，不同的物理模擬裝置和仿真軟件結合，實現不同的組合形式及不同程度的仿真范圍，構成了多種形式的仿真環境，具有創新性和先進性。

3 “四模塊、三層次”實踐教學體系

基于對學生實踐與創新能力的基本規律認識，華北電力大學結合學校人才培養特色，構建了以“四模塊、三層次”為框架、以仿真實踐教學為特色、以校內外實踐基地為支撐、以開放管理為保障的實驗與實踐教學體系[6]。

(1) 實踐教學體系構筑4個教學模塊。“四模塊”包括基本實驗教學模塊、校內工程實踐教學模塊、綜合仿真實踐教學模塊、校外工程實踐教學模塊[7]。仿真實踐模塊為學校“四模塊”實踐教學體系中的一個重要模塊，在電力工業教學體系中占有重要地位。

(2) 仿真中心的仿真實驗教學遵循“三層次”結構連貫進行。仿真實驗教學劃分為三個層次，第一個層次為“基本實踐”，主要培養學生的基本動手能力和儀器設備使用能力，包括原理級仿真實驗，主要為驗證性實驗，如基礎的自動控制原理仿真實驗，由自主開發的CAE2000仿真軟件、自主開發的控制對象模擬機組成，連接真實的執行結構，完成本科教學實驗，能夠很好地驗證教學內容；第二個層次為“綜合性實踐”，主要培養學生的專項實踐能力，著重培養學生獨立解決實際問題的能力，包括基于仿真平臺的獨立課程設計和畢業設計環節；第三個層次為“真實性實踐”、“ 研究創新性實踐”，主要培養學生在真實情境中解決實際問題的能力和創新能力，主要包括研究性的實驗，面向對象的仿真實踐職業工作領域的真實性實踐等，如在仿真環境或實際現場的參觀與實習和創新實踐。

(3) 仿真實驗教學方法的具體實施按照基本原理、裝置實現、局部運行與控制、整體運行與控制劃分，仿真系統分為4級：原理級、裝置級、過程級、系統級，從仿真規模上逐步擴展，從局部仿真開始，最終實現整體仿真實驗，一方面保持仿真實驗的連貫性，另一方面保證各環節的細致性。實驗教學體系圍繞自動化、測控、電力工程、動力工程研究內容，構成從鍋爐、汽機、發電機到電網的電力工業全過程仿真系統，實現對自動化、測控技術與儀器、電力工程、熱能動力工程專業的教學與仿真實驗。

(4) 在創新課題研究方面，學生可以利用仿真教學平臺提供的資源，靈活自主地設計和搭建實驗項目，從而提升學生的知識綜合應用能力，拓展視野，培養學生的綜合能力和創新能力。仿真中心有一批創新實驗課題對學生開放，學生可以自由申請并自主完成，同時也鼓勵學生自主選定創新課題，利用中心的仿真資源開展實驗研究。

在構建“大電力”特色學科體系的指導方針下，仿真中心將先進的仿真技術還延伸到相關專業的主干課程，增加各類課程的仿真實踐教學內容，進一步豐富了仿真實踐教學模塊的內涵，將教學思想落到實處。同時將科研成果應用于教學，開闊了學生視野，提升了學生的知識結構，豐富了虛擬仿真實驗教學內容。

4 結束語

實踐教學不僅是理論教學的延伸,設置的高層次實踐環節也是理論教學的深入和升華[8]。虛擬仿真實驗教學中心是高等教育信息化建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物。

經過多年的建設和發展，仿真中心已形成較為完善的虛擬仿真實驗教學平臺體系，進一步豐富了學校“四模塊、三層次”實踐教學體系的內涵，成為學校的特色和亮點，是校內重要的實踐教學基地和交流平臺。

學生在校期間即能在與生產現場十分接近的虛擬環境中進行全過程的實踐鍛煉，掌握復雜電力系統操控技術，實現了學校培養與生產現場的“無縫連接”，實踐操作達到實際生產操作規范和技術標準要求，保證了人才培養與社會需求的緊密銜接。

同時，鑒于仿真實驗教學中心的開發與仿真教學能力在行業中的廣泛影響，經原國家勞動部認可，并經過中國電力企業聯合會認證，仿真實驗教學中心成為我國電力行業唯一的仿真培訓指導教師培訓基地，擔負全國電力行業仿真教師的培養和認證任務。

[1] 教育部.關于印發《國家教育事業發展第十二個五年規劃》的通知[Z].教發[2012]9號，2012-06-14.

[2] 王秀梅.以學生為本構建全方位開放的實踐教學體系[J].實驗技術與管理，2013，30(2)：1-4.

[3] 劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉向:工程化的視角[J].高等工程教育研究,2006(4):42-45.

[4] 安連鎖,王秀梅,楊紅霞,等.將工程訓練中心建成大學生創新實踐的樂園[J].實驗技術與管理,2010,27(3):1-4，18.

[5] 王秀梅,安連鎖,米增強,等.為學生創新能力培養筑平臺 拓通道建舞臺[J].中國大學教學,2012(1):68-70.

[6] Wang Xiumei.Research and Explorion into the Develoment of students’ Practcal and Inovative Abilities in Engineering Colleges[J].Journal of Internation Education Studies,2008,1(4):24-27.

[7] 王秀梅，孫萍茹，安連鎖.構建“四模塊”實踐教學體系彰顯人才培養特色[J].中國高教研究，2009(2)：85-86.

[8] 肖偉才.理論教學與實踐教學一體化教學模式的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):81-84.