虛擬仿真背景下《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革
——以南華大學(xué)為例

文娟

（南華大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》是電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程之一。該課程是一門綜合性很強(qiáng)、與實(shí)際工程應(yīng)用緊密聯(lián)系的專業(yè)課，在專業(yè)課程教學(xué)過程中占有重要地位，與電力系統(tǒng)分析、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等課程密切相關(guān)，內(nèi)容相互交叉[1]。

在開設(shè)《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》課程之前，學(xué)生通過對前續(xù)專業(yè)課如電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)分析等課程的學(xué)習(xí)，已基本掌握電機(jī)工作原理、電力系統(tǒng)運(yùn)行過程、電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算原理等內(nèi)容。《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》主要針對發(fā)電廠/變電站的電氣主系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，以訓(xùn)練學(xué)生分析和解決工程問題的能力，并使其樹立工程實(shí)踐觀點(diǎn)[2]。對于本課程的教學(xué)，大多數(shù)院校已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，如新疆工程學(xué)院依托220kV 變電站數(shù)字物理混合仿真實(shí)驗(yàn)室，模擬倒閘操作過程[3]；湖南工程學(xué)院基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對教學(xué)內(nèi)容、模式、方法等方面進(jìn)行改革[4]；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院依托校企協(xié)同育人機(jī)制，引入發(fā)電廠電氣真實(shí)設(shè)備實(shí)習(xí)實(shí)踐[5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施，讓學(xué)生掌握發(fā)電廠/變電站的基本知識和運(yùn)行原理，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

然而，南華大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)開設(shè)的《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》課程仍然以理論教學(xué)為主，教師通過多媒體課件和板書展示課程內(nèi)容。但由于課程的特殊性，部分課程內(nèi)容如母線倒閘操作、設(shè)備控制與接線等并不能做到生動形象，影響學(xué)生聽課的積極性和主動性。通過與學(xué)生交流學(xué)習(xí)心得體會，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為課程內(nèi)容復(fù)雜，不能親眼看到和動手操作實(shí)際生產(chǎn)的電氣設(shè)備，缺乏對電廠整體深入的認(rèn)識，導(dǎo)致他們在學(xué)習(xí)該課程時枯燥無味；特別是我校因?qū)嶒?yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的缺失，導(dǎo)致學(xué)生不能全面把握該課程的知識體系，在很大程度影響了他們的學(xué)習(xí)積極性。依據(jù)新工科建設(shè)要求，深化高等學(xué)校工程教育改革，提高教育質(zhì)量，注重高等教育產(chǎn)出[6]。且我校電氣工程及其自動化專業(yè)畢業(yè)的多數(shù)學(xué)生將進(jìn)入電網(wǎng)、電廠工作，應(yīng)側(cè)重對設(shè)備的認(rèn)知、電廠運(yùn)行特征及相關(guān)操作的理解，運(yùn)用所學(xué)知識去解決實(shí)際問題。因此，針對我校開設(shè)的《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失問題，依照新工科建設(shè)要求對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改革和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容相融合，對于提升學(xué)生從全局角度理解發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題等工程實(shí)踐能力具有重要意義。

1 《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)體系中重要的一個環(huán)節(jié)，教師通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生對課程的掌握程度和不足，為教師及時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度提供指導(dǎo)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可充分理解理論課上學(xué)習(xí)的基本原理，提升自己的工程實(shí)踐能力；并能幫助學(xué)生清楚認(rèn)識所掌握內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標(biāo)之間的差距，進(jìn)而讓學(xué)生能及時查漏補(bǔ)缺，調(diào)整學(xué)習(xí)策略和方法，提高學(xué)習(xí)效果。

基于我校目前教學(xué)模式下《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》課程理論與實(shí)踐脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺失、教學(xué)效果不佳的問題，筆者針對這一課程提出增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、實(shí)施教學(xué)改革，改革的主要內(nèi)容為：

首先，考慮到該門課程涉及很多電氣一次設(shè)備，因這些設(shè)備并不是生活中隨處可見的，學(xué)生對這些設(shè)備較為陌生。為了提高學(xué)生對電氣一次設(shè)備的實(shí)踐認(rèn)知，設(shè)計(jì)實(shí)際設(shè)備常規(guī)操作實(shí)驗(yàn)，如一次設(shè)備的拆卸和安裝，使得學(xué)生對主要電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作原理等有較為深刻的理解，提高學(xué)生的知識應(yīng)用能力，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

其次，考慮到發(fā)電廠/變電站的特殊性，學(xué)生不能做出一個完整的系統(tǒng)。但為了讓學(xué)生能熟練掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程、各類設(shè)備的功能及控制等原理，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可自行制定電廠運(yùn)行的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方案，通過調(diào)整不同設(shè)備、部件的參數(shù)，模擬電廠生產(chǎn)運(yùn)行的實(shí)際過程，從而培養(yǎng)學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性，為學(xué)生以后從事研究性工作打下良好的基礎(chǔ)。

再者，為了讓學(xué)生了解發(fā)電廠/變電站的發(fā)展趨勢，熟練掌握發(fā)電廠/變電站的計(jì)算原理，通過MATLAB、PSCAD 等仿真實(shí)驗(yàn)軟件搭建電力系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)多類仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對仿真結(jié)果、手動計(jì)算結(jié)果、實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對比分析，檢驗(yàn)自己對設(shè)計(jì)方案、計(jì)算原理的掌握情況，有利于學(xué)生對電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中各種現(xiàn)象的理解和認(rèn)識，并提高學(xué)生的設(shè)計(jì)分析能力。

2 發(fā)電廠實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革路徑

2.1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》的教學(xué)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)和提高學(xué)生對課程相關(guān)理論知識的理解和掌握的主要手段，由于學(xué)生缺乏發(fā)電廠/變電站工程知識背景，且發(fā)電廠/變電站的電能產(chǎn)生、傳輸與使用的實(shí)際過程比較抽象，例如發(fā)電廠在生產(chǎn)運(yùn)行過程中涉及能源的傳輸及轉(zhuǎn)換、電壓等級的變換、各類電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)原理和執(zhí)行的功能[7]，大多數(shù)學(xué)生在生活中很少接觸到這些內(nèi)容。因此，課程的常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)主要從理解電力系統(tǒng)運(yùn)行特征和熟悉各類電氣設(shè)備的原理兩個方面開展。

我校電氣工程與信息學(xué)院配備了多臺THLZD-2型電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)平臺，該實(shí)驗(yàn)平臺帶有簡單的電網(wǎng)主接線和潮流分析功能，可用于分析發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。學(xué)生基于該平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況，對電力系統(tǒng)中能源的轉(zhuǎn)化、發(fā)電機(jī)的啟動和并網(wǎng)、系統(tǒng)狀態(tài)有更深入的理解；并基于潮流分析平臺對簡單電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，可加深學(xué)生對潮流計(jì)算原理的掌握，訓(xùn)練學(xué)生的計(jì)算分析能力。

針對學(xué)生不熟悉各類電氣設(shè)備、不能完全掌握設(shè)備的原理及其功能等問題，開設(shè)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)。我校將與實(shí)習(xí)基地耒陽電廠、衡陽市特變電等部門合作，計(jì)劃采購一部分發(fā)電廠/變電站所用的設(shè)備如斷路器、隔離開關(guān)等，作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并利用本院已有的發(fā)電廠模型及變壓器模型，設(shè)計(jì)對電氣設(shè)備拆卸、安裝和調(diào)試等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生動手完成各類設(shè)備的安裝和拆卸，并對互感器等設(shè)備的控制回路接線進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此將理論課中電氣設(shè)備的相關(guān)知識點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容結(jié)合起來，讓學(xué)生更為深刻地了解各類電氣設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)的功能及運(yùn)行的原理，同時也訓(xùn)練了學(xué)生的動手能力，為學(xué)生以后從事電力相關(guān)專業(yè)工作打下一定的實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》這一課程主要面向高壓部分，直接讓學(xué)生參加發(fā)電廠/變電站內(nèi)的各類操作，顯然不太可能。為了解決這一問題，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺模擬發(fā)電廠/變電站內(nèi)的各類操作，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐水平。我校已建好核電虛擬仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋嚓P(guān)數(shù)據(jù)主要來源于大亞灣核電廠多年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。該平臺能夠模擬核、電轉(zhuǎn)化過程、傳輸過程以及自動控制過程，基于該平臺為學(xué)生增加多個仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，模擬核電廠運(yùn)行過程，讓學(xué)生充分理解核能發(fā)電過程，如表1所示。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

實(shí)驗(yàn)一，要求學(xué)生在理論學(xué)習(xí)過程中掌握核電生產(chǎn)過程及其原理，學(xué)生自主拼接反應(yīng)堆模塊、蒸汽模塊、發(fā)電模塊等構(gòu)建核電系統(tǒng)，模擬核電機(jī)組的啟停操作，觀察生產(chǎn)過程中各類現(xiàn)象及參數(shù)變化。

實(shí)驗(yàn)二，考查學(xué)生對發(fā)電廠/變電站二次系統(tǒng)設(shè)備的使用和控制。實(shí)際電力系統(tǒng)配備有控制系統(tǒng)的智能設(shè)備，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，學(xué)生導(dǎo)入核電廠的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行工況，深入理解運(yùn)行過程中的復(fù)雜現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)三，考查學(xué)生對核電功率產(chǎn)生原理的掌握，學(xué)生可以設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案，模擬系統(tǒng)內(nèi)功率的產(chǎn)生，通過調(diào)整相關(guān)的設(shè)備參數(shù)調(diào)節(jié)核電功率，監(jiān)測因功率調(diào)節(jié)引起的系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，提高學(xué)生綜合分析問題的能力。

在實(shí)驗(yàn)過程中，讓學(xué)生把自己當(dāng)作設(shè)計(jì)人員，要求他們思考如何合理設(shè)計(jì)、運(yùn)行發(fā)電廠，通過仿真實(shí)驗(yàn)平臺修改參數(shù)模塊、設(shè)計(jì)不同的參數(shù)，獲得相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間和條件，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

2.3 軟件仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

基于發(fā)電廠/變電站的結(jié)構(gòu)和潮流復(fù)雜的特征，當(dāng)大量可再生能源接入到現(xiàn)代電網(wǎng)中，會引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和潮流發(fā)生改變，導(dǎo)致學(xué)生不能正確理解潮流計(jì)算原理，計(jì)算出現(xiàn)紕漏。為了提高學(xué)生的計(jì)算能力和設(shè)計(jì)水平，讓學(xué)生了解多類電源接入后系統(tǒng)的運(yùn)行特征，基于MATLAB、PSCAD 等仿真軟件，設(shè)計(jì)多能源發(fā)電的電廠模型，如可以設(shè)計(jì)風(fēng)電、光伏等可再生能源接入的發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部潮流特征；學(xué)生通過仿真軟件計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)、支路的電流電壓值，與自己手動計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，可以找出自己在計(jì)算方面的不足，從而有針對性地進(jìn)行改進(jìn)。并且學(xué)生可根據(jù)自己的要求設(shè)計(jì)仿真模型，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和自主學(xué)習(xí)能力。

為了保證這些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的順利進(jìn)行，取得應(yīng)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，針對實(shí)驗(yàn)教師、我校學(xué)生特點(diǎn)制定相關(guān)的管理措施。如：實(shí)驗(yàn)教師必須做好實(shí)驗(yàn)相關(guān)的準(zhǔn)備工作，提前給學(xué)生提出相關(guān)的實(shí)驗(yàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生去查找資料，帶著問題完成實(shí)驗(yàn)；對學(xué)生展示設(shè)備的拆卸和安裝、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)等過程應(yīng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，引入課程思政內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)識和對課程的興趣；加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的考核，將實(shí)驗(yàn)考核成績與實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程中的自主動手能力、討論問題情況、實(shí)驗(yàn)完成結(jié)果等聯(lián)系起來，并且規(guī)定實(shí)驗(yàn)成績?yōu)楸菊n程成績中一部分，設(shè)置10%-30%的比例，從而激發(fā)學(xué)生的主動性和積極性。

3 結(jié)語

《發(fā)電廠電氣主系統(tǒng)》是一門實(shí)踐性很強(qiáng)、工程背景要求高的課程，針對我校開設(shè)這一門課程的缺陷及電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，筆者提出將常規(guī)實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真平臺實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)穿插到課程教學(xué)過程中，提升課程的教學(xué)質(zhì)量，豐富課程的教學(xué)內(nèi)容。并且，通過這些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能極大提高和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力，培養(yǎng)學(xué)生自主將所學(xué)的理論知識融入實(shí)際問題的意識，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題、解決問題等綜合應(yīng)用能力。