“雙碳”背景下電站智能控制課程設計教學實踐

劉代飛，謝又成，馮磊華，李介明

（長沙理工大學能源與動力工程學院 湖南 長沙 410114）

我國“雙碳”目標的提出為能源電力相關專業的新工科人才培養確定了新方向和新目標。新工科是我國工程教育發展的全新階段，是國家大戰略創新人才培養模式的新方向[1-2]。新工科倡議通過“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等綱領性文件體現了我國工程教育對“互聯網+”“中國制造2025”“一帶一路”等國家重大戰略的積極響應。2020 年9 月我國明確提出2030 年“碳達峰”與2060 年“碳中和”目標，并將“雙碳”目標納入生態文明建設整體布局，構建以新能源為主體的新型電力系統成為我國能源電力轉型發展的方向[3-4]。因此，“雙碳”目標背景下順應行業發展的新業態和領域對人才的新需求，培養面向未來能源電力格局的專業創新人才，是貫徹新工科理念、開展教學改革的重要途徑。

長沙理工大學能源動力類專業人才培養的基本定位是：服務國家和地方經濟發展戰略，面向能源動力工程大領域，緊緊依托發電行業，彰顯發電工程以及“熱、電、冷、儲”分布式能源工程方面的學術特色和優勢，秉承“德育為先、知識為本、能力為重、全面發展”的人才培養理念，培養具備熱學、力學、電學、自動控制、系統工程等寬厚理論基礎，能從事清潔能源生產、智慧能源、新能源開發、制冷與空調、儲能等專業的科學研究、工程設計、優化運行與生產管理的具有創新意識的高素質復合型專門人才和行業精英。學校在能源電力方面的人才培養始于1956 年，即當時的電力工業部創辦的長沙水力發電學校。經過六十余年的辦學歷程，逐步發展和形成了具有長沙理工特色的能源電力人才培養模式。目前，能源動力類本科專業中的電站智能控制方向學分構成為：總學分170，理論教學環節127.5 學分，占75%，實踐教學環節42.5 學分，占25%。以能源過程及系統與信息技術為主體，實現能源系統與信息技術與電氣工程的融合。圍繞發電過程智能控制的課程設計主要有：發電過程檢測技術、發電過程控制系統、發電過程計算機控制技術、運行及仿真實習等。“雙碳”背景下，如何圍繞發電生產過程，以電站智能控制為切入點，夯實學生的專業基礎知識、提升創新創業意識和強化實踐動手能力，是長沙理工能源動力類專業人才培養中深化課程設計教學改革的重要任務。

1 面向“雙碳”的“人工智能+新能源”課程設計內容體系構建

“雙碳”目標下能源與電力相關專業本科教學的主要任務之一是為新能源為主體的新型電力系統培養人才。在能源電力行業中，傳統常規的發電形式主要是火力、水電和核電。新能源發電主要聚焦太陽能、風能、波浪能等。新能源發電的區域性、季節性和隨機性導致發電過程的間歇不連續和電能質量的不穩定，儲能成為新能源實現“雙碳”目標的重要保障措施。“雙碳”目標導向下，“常規能源―新能源―儲能”聯合的源網荷儲大系統是新型電力系統的基本架構方式。我國能源電力行業發展迅速，能源電力行業的智能制造迫切需要創新型的電站智能控制專業化人才。特別是“新一代人工智能”與專門人才的復合培養符合國家人才戰略需求，已納入國家發展規劃[5-6]。正如2018年10 月31 日，習近平總書記在“推動我國新一代人工智能健康發展”中指出的那樣：“人工智能是引領這一輪科技革命和產業變革的戰略性技術，具有頭雁效應。加快發展新一代人工智能是我們贏得全球科技競爭主動權的重要戰略抓手，是推動我國科技跨越發展、產業優化升級、生產力整體躍升的重要戰略資源。”[7]當前，人工智能與新能源產業的深度融合形成的新業態使得發電領域對電站智能控制專門人才的需求更加迫切。新工科理念下的能源與電力專業人才培養必須結合行業和產業發展趨勢，創新課程教學內容體系。因此，應結合“雙碳”發展基本目標，積極建設以“人工智能+新能源”為主線的電站智能控制課程設計內容體系。

1.1 課程設計的能力培養

電站智能控制課程設計的基本任務是依據能源電力行業對發電過程控制專門人才的實際需求，明確本科生的能力與素質要求。本課程設計通過若干教學環節，主要培養學生如下五個方面的能力。①問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，通過文獻研究，識別、表達和分析能源電力領域的復雜工程問題，并獲得有效結論。②方案設計：能夠設計和開發滿足能源電力工程特定需求的系統、設備或自動控制方案，并能綜合考慮社會、安全、法律、文化及環境等因素，體現一定的創新意識。③工程研究：能夠基于科學原理、采用科學方法對能源電力中的復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、收集、處理、分析與解釋數據，通過信息綜合得到合理有效的結論并應用于工程實踐。④現代工具使用：能夠針對復雜工程問題，開發、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，實現對復雜工程問題的預測與模擬，理解其局限性。⑤項目管理學習：在與能源與動力工程專業相關的多學科環境中理解、掌握、應用工程管理原理與經濟決策方法，具有一定的組織、管理和領導能力。

以“人工智能+新能源”為基準，強化電站智能控制課程設計教學中的系列環節。如圖1 所示，通過課程設計使學生能夠評價能源與動力工程項目的設計、施工、調試與運行方案，能夠理解和評價工程實踐對環境、社會可持續發展的影響，能夠在工程實踐中理解并遵守工程職業道德和行為規范，能夠在設計任務課題小組中承擔個體、團隊成員或負責人的角色，實施有效溝通和交流。由此，學生就具備一定的國際視野，具有自主學習和終身學習的意識，具有提高自主學習和適應能源與動力工程新發展趨勢的能力。

圖1 課程設計的能力要求

1.2 課程設計的內容與知識結構

電站智能控制課程設計以發電過程為中心，體現發電過程、過程控制、智能優化三個層次和建模、仿真、控制與優化四個方面的結構內容。如圖2 所示，課程設計具體過程主要包括選題、分組、設計和答辯。課程設計選課背景為發電過程，包括傳統常規發電、新能源發電、電力儲能。常規發電有火力發電、水力發電、核能發電，新能源發電有太陽能光伏發電、太陽能光熱發電、風力發電、波浪能發電等，電力儲能包括抽水蓄能、電池儲能、相變儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等。過程控制的模塊內容包括：過程辨識、參數估計、控制器設計、順序控制邏輯設計、協調控制邏輯設計等。智能優化的模塊內容包括：深度學習、多目標優化、工況分析、故障診斷、技術經濟性分析等。課程設計的整個過程對學生使用現代工具和軟件有具體的要求，基本的工具包括：文獻整理工具（如endnote、zotero），繪圖制表工具（如AutoCAD、visio）、公式圖表工具（如mathtype、origin）、建模仿真與虛擬現實工具（如MATLAB、Ansys、VR）、優化計算與編程工具（如PLC、DCS、pytorch、QT、CFD）。

圖2 課程設計的內容構建

根據電站智能控制相關課程的進度，開展課程設計模塊化的組合與選配。結合自主學習、實踐動手和創新三能力設置模塊配組為：基本配組、提升配組、拓展配組。其中，基本配組是相應章節內容對應的基礎內容、知識及能力要求，提升配組是在基本能力之上強化自主學習和實踐動手能力，拓展配組重點強化實踐動手和創新能力。例一，當進入發電過程介紹這一部分內容時，可以按如下模式配組。基本配組：①火力發電+過程辨識+工況分析；②水力發電+過程辨識+工況分析；③核能發電+過程辨識+工況分析；④風力發電+過程辨識+工況分析；⑤太陽能光熱發電+過程辨識+工況分析；⑥太陽能光伏發電+過程辨識+工況分析；⑦波浪能發電+過程辨識+工況分析。提升配組：①火力發電+過程辨識+智能優化；②水力發電+過程辨識+智能優化；③核能發電+過程辨識+智能優化；④風力發電+過程辨識+智能優化；⑤太陽能光熱發電+過程辨識+智能優化；⑥太陽能光伏發電+過程辨識+智能優化；⑦波浪能發電+過程辨識+智能優化。拓展配組：①火力發電+智能過程辨識+深度學習；②水力發電+智能過程辨識+深度學習；③核能發電+智能過程辨識+深度學習；④風力發電+智能過程辨識+深度學習；⑤太陽能光熱發電+智能過程辨識+深度學習；⑥太陽能光伏發電+智能過程辨識+深度學習；⑦波浪能發電+智能過程辨識+深度學習。例二，當進入PID 控制器設計這一部分時，可以按如下模塊化配組：基本配組：①過程辨識+PID 控制+仿真；②過程辨識+PID控制+仿真；③過程辨識+PID控制+仿真。④過程辨識+PID控制（工程整定法）+仿真；⑤過程辨識+PID 控制（粒子群優化整定）+仿真；⑥過程辨識+PID 控制（遺傳算法優化整定+仿真）。提升配組：①火力發電+PID 控制+智能優化；②水力發電+PID 控制+智能優化；③核能發電+PID 控制+智能優化；④風力發電+PID 控制+智能優化；⑤太陽能光熱發電+PID控制+智能優化；⑥太陽能光伏發電+PID控制+智能優化；⑦波浪能發電+PID 控制+智能優化。拓展配組：①風力發電+儲能+PID 控制+多目標優化；⑤太陽能光熱發電+儲能+PID 控制+多目標優化；⑥太陽能光伏發電+儲能+PID控制+多目標優化；⑦波浪能發電+儲能+PID控制+多目標優化。

2 電站智能控制課程設計的教學實踐

2.1 拓展課設選題與突出智慧能源相結合

以“雙碳”戰略為背景，立足能源電力行業，開展電站智能控制課程設計教學實踐，首先在課程設計的選題上拓展學生的知識面。結合發電過程的多樣性，設計覆蓋傳統能源發電、新能源發電、電力儲能的模塊化題目。模塊化的題目以“人工智能+新能源”為主線，突出智慧能源對發電過程、過程控制、智能優化基本環節的訓練要求。

2.2 強化過程指導與信息評價反饋相結合

抓實抓牢課程設計的分組、答疑、研討和答辯等環節。階段化管理和檢查學生的報告撰寫和設計文稿，全流程指導答疑和啟發式研討，綜合檢測答辯過程等。充分運用“先進化、體系化、現代化”的教育教學手段，融合“家國情懷、工匠精神、科技強國”等思政元素，通過實踐能力、創新能力評價和信息反饋機制，著力培養學生的學習能力、實踐動手能力和創新能力。

2.3 深化平臺建設與教師能力提升相結合

通過“雙碳”目標和新工科對電站智能控制人才的能力和素質需求，充分挖掘平臺資源、深化平臺建設，為學生的課程設計提供設備和平臺保障。長沙理工大學的能源動力類專業擁有“電力生產與控制”國家級虛擬仿真實驗教學中心、“基于分布式光儲的能源互聯網運行與規劃”教育部國際合作聯合實驗室、“可再生能源電力技術”湖南省重點實驗室、“能源高效清潔利用”湖南省高校重點實驗室、“清潔能源與智能電網”湖南省2011 協同創新中心等國家和省部級教學與科研平臺。合理規劃和開展課設指導教師的工程化實踐，例如派教師到國家電網、南方電網、國家能源集團、國家電投、華能、華電、大唐等能源電力企業，或是聘請相關企業中具有豐富實踐經驗的工程師開展校內講座、輔導和培訓。

3 結語

對能源電力行業而言，“雙碳”的提出是新機遇和新挑戰。不斷深化能源革命，全面持續推進“雙碳”階段性任務的實施，需要具有創新意識的高素質復合型專門人才做支撐。新工科要求能源電力領域的人才培養聚焦自主學習能力、實踐動手能力和創新能力三大基本能力。電站智能控制課程設計是能源動力類本科學生專業能力訓練和綜合素質提升的一個重要環節，本課程設計在內容上實現了三個層次和四個方面的優化架構，教學實踐突出了三個結合，為專業特色人才的實習和實訓奠定了基礎。