梯級水電站群預報調度虛擬仿真實驗教學研究

程雄 ，郭家力 ，劉冀 ，李英海

（1.水利與環境國家級實驗教學示范中心三峽大學，湖北 宜昌；2.水利與環境學院三峽大學，湖北 宜昌）

近年來，隨著我國水電規模急劇擴大，對水庫預報調度方向的人才需求變得非常強烈，然而水庫預報調度問題一直被公認是水資源領域最為復雜的問題之一[1]，對調度員的專業知識特別是實踐能力要求極高，需要進行針對性訓練才能成為一名合格的調度員。目前有關水電站虛擬仿真研究主要針對電氣工程專業[2]、水利工程專業[3-4]、能源與動力工程專業[5]、水環境專業[6]，或者以成績評價方法和科研項目為主[7]，鮮見針對知識體系比較薄弱的水文與水資源本科專業開展教學研究[8]。由于缺少相關平臺讓學生進行交叉學習及反復訓練，學生遇到復雜實際問題時不能將相關知識點有效串聯起來，從而使學生對未來水庫預報調度工作的實際動手與操作能力受到很大限制。

本文圍繞梯級水電站徑流預報和發電調度問題，運用B/S架構和WebGL輕量化技術聯合開發電站基本信息仿真、降雨徑流預報和發電調度方案制作三大功能場景，以達到以下目標：①了解典型大壩和水電站廠房類型及其關鍵特征；②掌握梯級水電站群徑流預報與發電調度的基本參數與運行原理；③提高學生動手實踐能力，培養具有水利與電力交叉的復合型人才。

一 虛擬仿真實驗教學基本思路

（一） 教學方法思路

采用虛擬仿真信息化教學平臺，推進沉浸式、自主式、交互式和反思式等“四式融合”實驗教學方法改革，解決了在真實環境中難以對水庫調度過程開設實驗的不足，并可通過網絡實現實驗資源的共享，極大地拓展了學生學習資源和空間，豐富了學生學習模式。

1.沉浸式三維漫游。學生進入虛擬的梯級水電站群和廠房內部結構實驗室，體驗氣勢宏大的三維水利樞紐、集控中心、廠房實驗室內各儀器設備和空間布局，了解實驗室各組成部分和設備名稱，使學生熟悉實驗環境，如臨其境開展實驗。

2.自主式實驗設計。在進行降雨預報和發電調度實驗時，學生可自主設置任意時段降雨量、暴雨中心位置、蒸發量、土壤前期含水量、日負荷以及電站水庫初始狀態等參數，自主設計實驗，做法相對靈活。還可自主設計非常規的極限參數組合，體驗“與眾不同”的后果，這種教學方式有助于鍛煉學生的科研能力和創新思維。

3.交互式實驗操作。在實驗系統中，學生需要根據所學核心知識及原理、提示，對實驗步驟和實驗結果進行分析、判斷與決策，系統具有錯誤提示和自動評價功能，學生通過人機交互，實現了邊學習、操作、邊考核，錯誤和不足之處可及時糾正。

4.反思式評價反饋。實驗操作結束后，通過填寫實驗報告和評價反饋，學生可以反思自己的全部操作及參數輸入情況，了解自己的知識能力缺陷。學生可根據評價結果和興趣，反復進行虛擬仿真實驗，進而提高學習效果。各模式關系如圖1所示。

圖1 實驗教學方法過程

（二） 實驗方法思路

分別采用了情境法、模型法和對比法展開虛擬仿真實驗，各實驗方法思路分別為：

1.情境法。本實驗為學生提供了與梯級水電站群預報調度系統全面交互的機會，學生沉浸在虛擬的環境中，不僅能夠立體感知超大型水利工程的結構布局和設備特征，還可以對照“虛擬的實物”快速、直觀和高效地理解和掌握水電站大壩、廠房和機組關鍵參數。在進行電站基礎信息設置時，系統有提示與糾錯功能，允許學生“試錯”。情境法有效解決了傳統案例教學中受場地與安全性限制，學生不被允許操作調度臺，只能隔著玻璃遠距離觀看等難題，提升了學生參與度與理解度。

2.模型法，本實驗中的降雨徑流預報模型，是通過預設日平均降雨信息，隨機生成24小時降雨量，然后采用單位線法預報龍頭電站的區間流量，最后采用面積比法預測下游電站的區間流量。本實驗發電調度模型，是模擬梯級水電站群集控中心在不同區間來水下，為響應電網調峰需求而制定出相應的發電調度方案，調度方案以單站和梯級聯調方式展示，方案制定完后，通過仿真運行的方式模擬電站水庫的調度運行過程。

3.對比法，本實驗為學生提供足夠多的預設參數，學生可以根據自己理解與偏好設置不同參數值，然后針對不同參數組合下的預報結果和調度方案對比分析，學生通過分析和反思自己的全部操作及參數輸入情況，了解自己的知識能力缺陷。學生可根據評價結果和興趣，反復進行虛擬仿真實驗，進而提高學習效果。詳細的實驗方法過程見圖2。

圖2 實驗方法過程

二 擬仿真實驗實施過程

（一） 實驗模塊內容

本實驗設置了水文知識問答、電站信息設置、徑流預報流程和發電調度計算四個模塊，各模塊功能如下：

1.水文知識問答模塊，該模塊共有20道隨機抽取的選擇題（單選和多選各10道）和3道問答題，選擇題來源于50道題庫，學生做完選擇題后，系統自動判分，60分以上為及格；問答題需要做完實驗后，利用實驗數據撰寫實驗報告，然后將實驗報告上傳到平臺，由老師批閱給分。

2.電站信息設置模塊，水電站水庫的基礎資料非常多，涉及水工和水文方面的內容，水工專業或水文專業的學生僅對自己專業知識比較熟悉，對非本專業概念比較模糊，采用三維仿真技術形象介紹了水電站水庫的基礎知識，并且預留了部分填空，學生需要詳細閱讀電站簡介后，填寫正確答案才能進行下一步，通過此模塊可以加深學生對電站簡介和基礎知識的了解。

3.降雨徑流預報模塊，通過降雨信息預報電站的區間流量，首先是采用經典單位線法預報龍頭電站，然后采用面積比法預報其它電站區間流量。

4.發電調度計算模塊，模擬梯級水電站群集控中心在不同區間來水下，為響應電網調峰需求而制定出相應的發電調度方案，調度方案可以以單站和梯級聯調方式展示，方案制定完后，學生可將多組方案進行比較，并將實驗報告提交給老師評閱。

（二） 實驗課時內容

第一課時，教師提前1周布置理論課預習任務，學生需要重點掌握水文預報和水庫調度相關知識，然后學生通過網絡登錄虛擬仿真平臺，預習本實驗的實驗目的、實驗原理、實驗設備和實驗預設參數，并完成水文知識問答，答題不合格的同學給予反饋信息，并要求再次答題，直到合格；第二課時實驗包括電站信息設置、降雨徑流預報參數敏感性實驗分析；第三課時，當學生設置好電站信息后，需要對發電調度相關參數敏感性實驗分析：第四課時，比較不同降雨預報方案的區間流量大小、洪峰流量特點和洪水漲退規律，以及不同發電調度方案的調峰電量、出力特點和棄水情況等，分析說明在不同的實驗條件和操作下可能產生的實驗結果與結論，最后撰寫實驗報告。

三 虛擬仿真實驗特色

（一） 實驗設計的特色

梯級水電站預報調度是水文與水資源工程專業的核心內容，是三峽大學水電特色的集中體現，該虛擬仿真實驗運用了專業課程中所學習的水文水資源“測、報、算”全套知識內容，本實驗利用宜昌世界水電之都的地理優勢，將虛擬仿真與實踐教學進行深度融合，以實際巨型水電站群為對象建設虛擬仿真實驗，訓練和培養學生作為水電調度人員的日常運行操作能力，不但解決了專業在實踐教學中存在的瓶頸，還拓寬了實驗的廣度和深度，促使學生的知識、能力和素質全面提高。

（二） 教學方法的特色

在水庫預報調度教學中，采用課堂理論教學、集控中心現場實習、虛擬實驗操作體驗緊密結合的教學方法，實現了傳統教學與現代信息技術的有效融合。在虛擬實驗的教學中進一步采用“講解-示范-實踐-考核”遞進模式，具體包括：教師對相關理論知識進行講解、老師對虛擬仿真實驗進行示范操作、學生在線實踐操作、老師答疑解惑、學生完成實驗操作和實驗報告、老師綜合評分等多個環節。

（三） 評價體系的特色

在水庫預報調度實驗教學中，系統可以為每位學生提供個性化的訓練場景，學生能夠針對不同參數進行自主設定，并采取不同參數組合的形式對降雨徑流預報和發電調度實驗進行敏感性分析，以便逐漸加深對不同參數含意的理解，這為學生的個性化評價提供了條件?？己藘热萦扇糠纸M成：客觀選擇題、客觀操作步驟和主觀實驗報告，分數占比權重分別是40%、30%和30%，其中客觀選擇題主要考查學生理論知識學習水平，內容涵蓋了水庫預報調度相關知識，系統根據學生提交的答案能夠自動判分；客觀操作步驟主要考查學生能否按正確實驗操作規范完成所有實驗，系統可以自動判分；主觀實驗報告主要考查對實驗數據分析處理的能力，可以提高學生動手和思考能力，這種主客觀相結合的評價體系能全方位考查學生對實驗的掌握情況。

四 典型界面

本實驗通過三維仿真及虛擬現實技術演示拱壩、重力壩和閘壩的形狀及樞紐平面布置圖，以及地下式、壩后式和河床式廠房的橫剖結構圖，如圖3-圖5所示：

圖3 廠房及輸水系統布置圖

圖4 地下式廠房橫剖圖

圖5 水文循環認知實驗界面

五 結語

本文構建的虛擬仿真實驗環境，全方位實現了電站信息管理、徑流預報和發電調度涉及的大部分知識點的實驗探究，將抽象難懂的電站基礎信息和預報調度結果以圖表和應用場景直觀呈現，解決了傳統實習中受場地與安全性限制，學生不被允許操作調度臺，只能隔著玻璃遠距離觀看等難題，提升了學生在教學過程中的參與度與理解度，切實拓展了以自主探究為主要形式的實驗教學方法，增強了學生應用實驗手段解決實際復雜問題的動手能力，為畢業后適應電網和流域集控中心的實際要求打下基礎。