新形勢下“水電站運行仿真實驗”課程教學改革研究

李飛 陳鐵

摘 要：針對目前水電站仿真實驗教學中存在的教學條件陳舊、教學內容欠缺等問題，提出了新形勢下水電站仿真實驗教學改革的重要性。通過完善教學設施、豐富實驗教學內容和課程考核辦法等措施改善教學效果，通過逼真的水電站仿真平臺激發學生的興趣，讓學生身臨其境地參與到水電站的運行操作與維護中，切實提高學生的動手能力。

關鍵詞：水電站仿真；實驗教學；改革；新形勢

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）12-0112-02

Abstract： Aiming at problems in the simulation experiment teaching of hydropower station， including outdated teaching conditions and a lack of teaching content， this paper proposes the importance of its teaching reform in new situation. By promoting teaching facilities， and enriching the content of experiment teaching and the ways of course assessment， the realistic simulation platform of hydropower station can inspire students' interest， and enable them to participate in the operation and maintenance of hydropower station， and improve their practical ability.

Keywords： hydropower station simulation； experiment teaching； reform； new situation

一、概述

水電站自動化程度日益提高，對以操作能力培養為目標的水電站運行仿真實驗提出了更高的要求。目前由于教學設施陳舊，教學方法單一，教學內容不足導致實驗課程尚不能滿足新形勢下工程教育對于人才培養的需求[1-2]。本文結合筆者多年水電站運行仿真實驗的教學經驗和仿真系統的開發經驗，從擴充實驗內容，優化實驗教學模式，完善教學設施等諸多方面，探討了面向工程教育背景下以學生為中心的水電站仿真實驗教學改革的設計思路。

二、目前水電站運行仿真實驗教學存在的問題

（一）實驗教學硬件條件待完善

仿真實驗室中現有30臺培訓站，4臺教練員站，僅有2臺服務器在工作。實驗過程中經常出現畫面不穩定或者數據延遲等問題，對實驗課程的教學產生了一定的影響。同時服務器開設的進程有限，存在多名學生共用一個進程通過客戶端訪問數據服務器，如果個別學生出現誤操作，可能導致該進程不可用，常常需要重啟仿真系統，甚至重啟數據服務器，重新設置仿真系統工況，在解決這些系統問題和維護學員機的問題上往往耗費比較多的時間，嚴重影響實驗教學進度和課程質量。

（二）實驗內容系統性不足，體系不夠完善

本實驗平臺是以龍灘水電站仿真系統為原型，模擬了實際的水電站生產過程，仿真對象包括了水電站廠房和壩區在內的所有的運行設備，模擬了龍灘水電站的上位機監控系統，現地控制盤柜，現地開關柜和匯控柜等的監視控制和操作，同時能模擬工況設置，故障重演及繼電保護系統的功能演示等。實驗課程中僅僅對水電站中比較典型的運行操作開展了實驗教學。實驗內容主要包括水電站仿真系統基本知識介紹、開關倒閘操作培訓、機組開停機及功率調節和水電站電氣故障及繼電保護實驗。實驗中僅以個別典型電氣設備為例，實驗內容和過程相對簡單。學生在做實驗的過程中，無法將水電站的各個系統聯系起來，無法系統地理解水電站各系統的原理及功能。

三、水電站仿真實驗教學改革的重要性和可行性

（一）重要性

電氣設備的運行控制和保護技術越來越成熟和先進，水電站作為電力系統一個關鍵環節，擁有各種類型的電氣設備。在此背景下，相關高校利用水電站仿真系統平臺，對包括發電機、變壓器、母線、輸電線路在內的一次設備及其控制保護裝置的運行操作開展實驗教學，讓學生真實模擬實際電廠的運行操作，這對于學生掌握和理解電氣設備運行與控制原理具有重要作用。所以水電站仿真實驗教學改革對于人才培養具有非常重要的意義[3]。

（二）可行性

實驗室以國家級虛擬仿真實驗教學平臺為依托[4]，擁有專業的仿真系統開發團隊，并已開發了多個水電站仿真系統。在硬件條件方面，通過增設數據服務器，每臺培訓站采用獨立的線程，提高了實驗的承載能力；在實驗內容方面，將科研成果轉化為教學資源，進一步擴充了教學內容；從硬件和軟件兩方面同時完成對實驗資源的合理配置[5]。因而，擴充實驗內容、完善實驗環境，改進水電站運行仿真實驗教學是完全可行的。

四、水電站運行仿真實驗的教學改革

（一）建立完善的水電站運行仿真平臺和實驗教學體系[6]

首先利用實驗室開發研究的水電站虛擬仿真實驗教學平臺，提供與現場效果一致的大型水電站仿真培訓系統的實踐教學環境，并定期對實驗室的硬件設備進行維護，特別是數據服務器，維持實驗平臺的高效和穩定。

然后開展二維平面系統運行維護一體化仿真，對三維場景演示及漫游的多維仿真系統聯合仿真，理論教學與實踐教學緊密結合，研發典型教學案例，建立包含正常工況運行操作過程培訓；異常工況運行操作過程培訓；緊急事故工況處理操作培訓的實驗教學體系，并定期對學生在實驗過程中出現的問題進行處理和完善。

最后利用先進靈活的教學手段，開展分組教學和單機模式等多種教學方式，分組教學時，每一組運行一套模型，對應一個進程，組內的用戶均連接到該進程上，組員的畫面狀態一致，操作互相可見，簡報信息共享，就像是同一個水電站中運行操作一樣。單機模式時系統中有多套模型，每個學員獨享一個仿真機。彼此之間互不干擾，就像自己一個人在操作一個獨立的水電站，此模式適用個人學習訓練和考核。通過“操作、觀察、分析、記錄、總結”，激發了學生的學習興趣和主動參與的學習熱情，提高了實踐教學效果，并將嵌入學生技能考評系統，實現了以學生為中心的工程教育新形勢下的教學模式改革。

（二）完善實驗教學內容

目前教學內容比較欠缺，僅對水電站的開停機，功率調節，開關倒閘操作和繼電保護等內容進行了講解[7]。學生無法在短期對水電站的運行操作知識形成體系。所以完善教學內容變得尤為重要，在課程內容的組織上，主要從以下6次課程開展教學與課程考試，每次課程兩個學時。

1. 介紹水電站運行仿真實驗課程的重要性和基本概念，包括水電站的基本結構、水電站各建筑物等。學生在了解水電站基本概念的基礎上，再進一步學習水電站的引水發電系統及其輔助設備、電氣一次、電氣二次、水力機械、金屬結構等設備的功能，各設備之前的聯系等等。

2. 介紹水電站的開關倒閘操作，開關倒閘操作的結果直接影響水電站電氣系統的運行方式，而水電站運行方式因受到電網運行方式的改變而不斷做出調整，所以開關倒閘操作在水電站運行操作中是非常頻繁和重要的內容。學生在培訓時需要掌握主要電氣設備的開關倒閘操作流程，包括輸電線路、500kV母線、斷路器等等。在操作過程中，需要考慮相應設備繼電保護的投退情況。

3. 介紹機組開停機。水電站的開停機操作是最典型的一項運行操作，它關系到機組的各個運行狀態之間的轉換。機組從停機到發電經歷了一個相當復雜的過程，涉及到輔助設備，水輪機調速器，勵磁系統，同期裝置等的操作。學生開展開停機實驗可以更深入的學習水電站各設備的原理和功能。

4. 學習水電站功率調節和電壓控制。為了適應電網中樞點的電壓水平和負荷水平，水電站常常需要進行功率調節和電壓控制，水電站功率調節包括遠方和現地控制，控制方式包括手動和自動控制兩種方式。現地有功功率和頻率調節在調速器柜上操作完成，現地無功功率調節和電壓控制在勵磁調節器柜上完成。遠方的手動功率調節和電壓控制在上位機監控系統的PQ調節界面或者機組LCU上面完成，遠方的自動頻率或電壓控制分別在監控系統上的AGC或AVC操作界面上完成。

5. 水電站故障重演和繼電保護操作培訓，水電站的故障是多種多樣的，包括電氣故障和非電氣故障，每一種故障都是有可能發生的，故障發生后對于水電站生產過程造成了嚴重影響，如何減少這種危害，水電站的繼電保護應運而生，學習水電站繼電保護一方面可以熟悉各種故障現象，通過保護裝置動作情況和簡報顯示確定故障位置和嚴重程度，從而進一步完成故障隔離措施，實現了非故障設備穩定運行。

6. 課程考試，課程考試分為兩種類型，離線理論考試和在線操作題考試。統一在技能考評系統上完成答題。理論考試的題型主要有選擇題、填空題、判斷題、簡答題和作圖題。理論考試主要考察學生在水電站運行方面的基本概念和嘗試，包括與水電站相關的電氣專業知識等，在線考試則直接在仿真系統上面完成，考察學生對于水電站基本操作的掌握和熟練程度。

五、結束語

從“水電站運行仿真實驗”課程教學方面存在的問題入手，為適應新形勢下工程教育對人才培養的要求，本文對課程實驗教學改革進行了深入研究，并提出了以下改進設想：

1. 水電站運行仿真實驗教學首先要構建完善的實驗教學體系，依托國家級虛擬仿真實驗教學平臺，構建系統功能完備和參數畫面穩定的水電站仿真培訓系統，在此系統上，開展二維系統運行操作、三維系統同步演示等多維多媒體實驗教學，采用分組教學和單機模式相結合的教學方式，讓學生身臨其境的參與到水電站的運行控制中來，有效的激發學生的興趣。

2. 補充教學內容，教學內容的編排上，做到循序漸進，由淺入深，將水電站的主要運行操作安排到每一次課程，并在最后利用仿真系統自帶的技能考評系統完成實驗教學的考核，讓學生實實在在的學到水電站運行等相關知識。

參考文獻

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[3]李咸善，胡翔勇，向學軍，等.電氣工程及其自動化專業水電特色實踐教學體系探索[A].第四屆全國高校電氣工程及其自動化專業教學改革研討會論文集[C].2007：588-592.

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[5]南海鵬，余向陽，吳羅長.水電站綜合實驗平臺建設[J].陜西水利，2013（2）：114-115.

[6]危雪.高校電氣類實踐課程精英化教學模式設計[J].新課程研究，2015（6）：62-64.

[7]李咸善，吳成明，胡翔勇.大型水電站全范圍仿真培訓系統建模特點[A].全國仿真技術學術會議[C].1999：11-13.