水電站運行仿真實驗教學方法探究

趙辛欣

【摘要】本文結合大學學習和電氣工程及其自動化專業的特點，闡述了進行水電站運行仿真實驗的必要性。在分析水電站運行仿真課程內容的特點的基礎上，有針對性的采用應用式教學、啟發式教學、案例式教學方式。并利用水電站運行仿真實驗教學中的實例說明了如何利用這三種教學方法提升該課程的教學效果。

【關鍵詞】水電站運行仿真實驗 應用式教學 啟發式教學 案例式教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）06-0220-02

一、水電站運行仿真實驗

大學本科學習有其特殊的特點：首先，分專業學習涉及到的專業知識和交叉學科知識眾多，學生在學習專業知識時往往很困惑：自己所學習的專業知識與實際工作的聯系在哪里？其次，大學學習中的理論課程均以課程結業考試或考查的方式來檢驗學習效果，所以學生在學習的過程中往往在學習后續課程的時候，前修課程的知識已經部分遺忘。考慮到這些特點，在學生走上工作崗位之前，如果能創造機會，讓他們將所有專業知識融會貫通，理論聯系實際，對他們在工作后能快速適應工作是非常有利的。

電氣工程及其自動化專業的許多學生在畢業后會從事電力系統相關工作，成為電力系統的工作人員。他們工作的對象電力系統具有下列特點[1]：

1.電能的生產與消費具有同時性。

2.電能與國民經濟和人民日常生活關系密切。

3.電力系統的過渡過程非常短暫。

上述電力系統的特點也對從事電力系統相關工作的人員提出了特殊的要求：1.在系統處于正常工作狀態時，他們在工作中應保證其操作的正確性，因為一旦出現誤操作，可能危及人身、設備安全或在短時間內造成巨大的損失。2.若電力系統出現不正常工作狀態、故障狀態，電力系統的工作人員應迅速做出處理措施，讓系統盡快恢復正常狀態，或是防止事故的擴大。考慮到這些要求，如果能有一個模擬的電力系統供學員進行正常操作的練習，并能模擬電力系統的不正常和故障狀態以提高學員的事故分析處理能力，就能在短時間內讓學員的工作能力有很大的提升，這對提高整個電力系統運行的安全性、穩定性和經濟性有非常重大的意義。

水電站運行仿真實驗是三峽大學（后稱“我校”）電氣工程及其自動化專業學生的必修的實踐環節。在我校的人才培養計劃中，水電站運行仿真實驗通常安排四年級的第一學期，16學時，通過我校自主開發的水電站運行仿真培訓系統完成。水電站運行仿真培訓系統利用計算機仿真模擬一個水電站所有設備協同工作，并將發電機發出的電能輸送給外部電力系統的完整過程。該培訓系統在計算機上給參與該實踐環節的學生模擬水電站運行人員的工作環境，提供上位機操作和現地操作的兩種方式，讓他們完成一個水電站運行人員的日常工作。通過該課程的學習，能夠讓學生明白自己在專業學習中學到的知識在實際生產中是什么、怎么用，所以，課程采用的教學理念和教學方法對學生能否迅速的勝任相關工作有著重要的作用。

二、應用式教學

應用式教學強調理論聯系實際，重視學以致用。水電站運行仿真實驗需要學生綜合運用《發電廠動力部分》、《發電廠電氣部分》、《電力系統分析》、《電力系統繼電保護》、《電力系統自動化》等課程的知識，來完成相應的實驗任務。

表1中列出了水電站運行仿真實驗課的主要實驗任務和各實驗任務中涉及到的專業知識。在教學中可以著重引導學生回顧相應的重要知識點，通過完成相應的實驗任務，學生就可以知道理論知識是如何用于實際工作的。

以水電站的認識實驗為例，這一實驗項目是通過記錄仿真系統模擬的水電站內各設備的運行工況，讓學生了解水電站的基本情況，為后續操作項目打下基礎。在理論課程的教學過程中，開關設備、電氣主接線、發電機、變壓器、輸電線路、母線、自動裝置、廠用電、水輪機及輔助設備等都是分配在不同的課程或章節中來講解的，而在水電站運行仿真實驗課程中，通過仿真軟件將它們按照固有的規律結合在一起，形成模擬的水電站。學生會看到水輪機輔助系統（技術供水、油、壓縮空氣）的概況、發電機和變壓器的連接形式、升壓站的接線形式、發電機出口互感器的數量、各段廠用電之間的備用電源自投入裝置；也會知道調速器、勵磁調節器、輔助設備控制柜等是位于水電站的廠房的不同層里；更能明確，即便是在現地操作時的盤柜上操作開關設備，也應該牢記水電站中各設備的連接方式，遵循開關操作的基本原則，才能避免誤操作。在完成這一部分的實驗過程中，雖然只是讓學生記錄了設備的運行工況，但能驗證他們在理論課程上學過的知識，也能讓他們熟悉水電站各種設備的運行工況和安裝位置。

注重理論知識的應用還應體現在分析問題的方法上，在理論課程的學習中的計算和分析常采用向量圖分析的方法，而在實際的水電站中，往往需要分析的電氣量不是向量圖，而是波形圖。在教學的工作中，也應注意思維方式的轉換，將波形圖轉化為向量圖再進行分析，幫助學生適應實際工作中的思維方式。

除此之外，在教學的過程中，只要涉及到學生操作的內容，可以讓學生每兩人一組，一位同學扮演操作人，另一位同學扮演監護人，按照實際工作中的操作規范來完成。同樣，在形成實驗報告的時候都按照電力系統標準操作票的形式記錄。

通過應用式教學，學生不僅能夠將書本上的理論知識聯系到實際工作，而且能熟悉實際工作中的思維和處理問題的方式。

三、啟發式教學

啟發式的教學方法需要教師在指導實驗的過程中，根據專業知識之間的聯系，引導學生積極主動掌握相關知識。

在運行方式的切換和倒閘操作實驗任務中，需要學生完成三分之四斷路器接線形式下的輸電線路的停、送電操作。學生起初可能會感覺很茫然，因為他們并不熟悉這種接線形式。但是在發電廠電氣部分的課本上一定講過另一種供電可靠性很高的接線形式——二分之三斷路器接線（一臺半斷路器接線）。在指導這一個實驗項目時，可以先從二分之三斷路器接線的命名原因引導學生去思考三分之四斷路器接線名稱的來由；然后提示學生類比這兩種接線形式的可靠性和操作方法；最后聯系繼電保護選擇性的要求，讓學生分析出輸電線路停、送電操作時具體需要操作的開關設備。這樣學生就能很快掌握這種平時不太熟悉的主接線形式中的線路停、送電操作。

除了完成實驗任務外，也可以運用啟發式的教學方法來讓學生掌握更多的專業知識。在輸電線路的操作中，學生會觀察到超高壓輸電線路的并聯電抗器。并聯電壓器是為了防止高壓輸電線路輕載或空載時，線路末端出現過電壓，根據實際需要而配置的。并聯電抗器能夠防止輸電線路末端過電壓的原因是因為它的實質是電感，可以吸收系統多余的感性無功功率。另外，電力系統中用來保證電能質量和電力系統運行經濟性的還有很多其它的措施。從并聯電抗器入手，可以從上述兩方面來啟發學生思考更多電力系統的原理。圖1表示的是由并聯電抗器出發，讓學生聯想的相關知識點。

在實驗過程中，通過教師的啟發，學生不僅能學習到與水電站相關的知識，更能通過自覺思考掌握更多與專業相關的知識。

四、案例式教學

案例式教學需要教師根據仿真培訓系統模擬的水電站的運行工況，設計相應的案例，鼓勵學生積極思考，完成實驗任務。

電氣故障和事故處理是通過教師利用仿真培訓系統，在模擬的水電站中設置各種設備發生故障，讓學生分析故障現象，進行故障處理。案例教學法在這一部分的實驗教學中運用較多。

案例1：1號輸電線路短路故障（電力系統常見的四種短路三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相短路接地之一），需要學生記錄、分析故障現象，判斷故障類型，完成故障后的處理。

通過仿真培訓系統設置模擬水電站1號輸電線路發生短路故障后，學生可以從仿真培訓系統中看到故障有關信息，包括：斷路器跳閘信息、各種微機保護裝置動作于發信號或跳閘的信息、自動重合閘裝置信息等。相應的，在課堂上可以先不公布故障設備（1號輸電線路）以及該設備上發生故障的具體類型，提示學生根據繼電保護選擇性的要求，結合已跳閘的斷路器可以判斷故障設備；聯系微機保護裝置提示已動作的保護，回顧課本上這些保護的工作原理，區分故障設備的具體故障類型；依據自動重合閘是否啟動和斷路器最終是否跳閘來判斷所發生的故障性質是瞬時性的或永久性的。最后，要求學生通過分析和討論判斷故障設備和故障類型；在故障發生后是否存在斷路器、保護誤動或拒動；根據分析的結論，完成故障后的處理，涉及到的具體操作，按標準操作票規范形成實驗報告。

案例2： 1號水輪發電機組水輪機推力軸承瓦溫升高現象，需要學生排除故障，使水輪發電機組恢復正常運行。

通過仿真培訓系統設置推力軸承冷卻水故障后，出現推力軸承瓦溫升高現象。仿真培訓系統設定，瓦溫高于60℃時，發報警信號，當瓦溫高于70℃，發電機事故停機。所以，當學生看到系統提示推力軸承瓦溫過高的報警信息時，留給他們排除故障的時間也是有限的。所以，這就要求學生在看到溫度報警信號后，保持頭腦冷靜，迅速在溫度監視中確認發生異常的設備，并在技術供水系統中逐一排查進水口閥門、加壓泵、濾過器、推力軸承冷卻水閥門是否存在故障，若存在故障，應迅速倒換相應的備用設備，監視技術供水系統恢復正常，推力軸承瓦溫下降，恢復正常，故障排除。

案例教學法，讓學生完成實驗任務的同時更能身臨其境的感受到一個水電站運行人員的責任。

五、結語

水電站運行仿真實驗課程涉及到水電站的實際設備和電氣工程及其自動化專業的許多專業知識。在教學的過程中，教師應不斷探索提升該課程教學效果的方法。注重理論聯系實際，用啟發式教學法引導學生自主學習思考，靠案例教學法讓學生感受實際工作的氛圍，這些教學方法都能豐富課程內容，增加學習的趣味，讓教學效果更佳。

參考文獻：

[1]孟祥萍，高嬿.電力系統分析（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社.2010