電力工程全過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)

翟永杰,紀(jì)蓬勃,王秀梅,馬 進(jìn),馬良玉

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

我國(guó)中長(zhǎng)期教育發(fā)展規(guī)劃綱要中指出：要“把促進(jìn)人的全面發(fā)展、適應(yīng)社會(huì)需要作為衡量教育質(zhì)量的根本標(biāo)準(zhǔn)”[1]?！叭说娜姘l(fā)展”和“適應(yīng)社會(huì)需要”兩者的交集之一就是學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。其一，實(shí)踐能力是學(xué)生綜合素質(zhì)中的重要組成部分；其二，適應(yīng)社會(huì)需求，首先是就業(yè)需求，其次是職業(yè)發(fā)展需求，這些需求更強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐能力。因此，要提高教學(xué)質(zhì)量，當(dāng)前重要的是要加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力乃至創(chuàng)新能力培養(yǎng)。如何培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，需要從理論到實(shí)踐上加強(qiáng)系統(tǒng)研究和探索[2]。

華北電力大學(xué)是一所電力特色鮮明的多科性大學(xué)，一貫重視實(shí)踐教學(xué)。電力工業(yè)全過(guò)程包含發(fā)電(火力、水力、風(fēng)力、核能、生物質(zhì)等)、輸電、配電諸環(huán)節(jié)，大多是高溫度、高壓力、高電壓等極端和危險(xiǎn)的環(huán)境。對(duì)電力生產(chǎn)過(guò)程的干預(yù)要求極高的安全性，且電能不能存儲(chǔ)，發(fā)輸配瞬間完成，過(guò)程不可逆。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)存在高風(fēng)險(xiǎn)、高能耗、高成本的問(wèn)題而無(wú)法開展，相關(guān)專業(yè)學(xué)生的運(yùn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)不可能全部在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行，即使企業(yè)的生產(chǎn)人員也要依賴仿真培訓(xùn)提升操作技能，所以虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力、解決學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)踐與電力安全生產(chǎn)之間的矛盾具有不可替代的作用。

1 仿真技術(shù)的引進(jìn)和仿真中心的建設(shè)歷程

華北電力大學(xué)是我國(guó)最早開展電力生產(chǎn)仿真教學(xué)的單位之一。20世紀(jì)80年代，執(zhí)行聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署(UNDP)項(xiàng)目，學(xué)校引進(jìn)火電機(jī)組仿真機(jī)，開始仿真研究及教學(xué)。20世紀(jì)90年代，開發(fā)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的300 MW火電機(jī)組全仿真機(jī)，并榮獲1992年“全國(guó)十大科技成就獎(jiǎng)”，實(shí)現(xiàn)了自研仿真機(jī)替代進(jìn)口機(jī)，榮獲1993年電力部科技一等獎(jiǎng)。學(xué)校將這一科研成果應(yīng)用于本科實(shí)踐教學(xué)，開創(chuàng)了電力系統(tǒng)仿真教學(xué)的歷史，是科研服務(wù)教學(xué)的成功范例。1996年由原電力部批準(zhǔn)成立部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——工業(yè)過(guò)程仿真與控制實(shí)驗(yàn)室，2010年成立河北省發(fā)電過(guò)程仿真與優(yōu)化控制工程研究中心，由河北省科技廳直接管理，重點(diǎn)從事仿真技術(shù)、控制技術(shù)，以及電力工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)與運(yùn)行等相關(guān)的技術(shù)研究與教學(xué)工作。

學(xué)校的仿真技術(shù)除在電力行業(yè)廣泛應(yīng)用外，還成功應(yīng)用于神舟系列載人飛船的仿真研究與模擬器開發(fā)，用以訓(xùn)練航天員梯隊(duì)，為我國(guó)航天事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。

2 “大電力”視角下建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

學(xué)校制定了構(gòu)建“大電力”學(xué)科體系的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略，從“大電力”視角開展電力工業(yè)全過(guò)程的教學(xué)和科研工作[3-5]。學(xué)校密切結(jié)合人才培養(yǎng)的實(shí)際，著重加強(qiáng)電力特色、仿真特色建設(shè)，按照“大電力”學(xué)科體系共享全校資源的思想，構(gòu)建了完整的包含發(fā)電、輸電、配電所有環(huán)節(jié)的電力工業(yè)全過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括傳統(tǒng)的火力發(fā)電及新能源發(fā)電，提供了一整套可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并開展了開放運(yùn)行和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，推進(jìn)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(下稱仿真中心)的建設(shè)。

仿真中心分為兩大實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)：發(fā)電過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和電網(wǎng)運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心總體結(jié)構(gòu)

發(fā)電過(guò)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)針對(duì)火力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等電力生產(chǎn)過(guò)程。

電網(wǎng)運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包括電力系統(tǒng)與繼電保護(hù)、電網(wǎng)調(diào)度、變電站等電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程。

在仿真中心建設(shè)中，仿真教學(xué)資源建設(shè)充分體現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛的原則：整體過(guò)程虛擬仿真、局部裝置物理模擬、虛擬數(shù)據(jù)三維可視、關(guān)鍵設(shè)備三維多媒體動(dòng)畫、軟件盤臺(tái)完全實(shí)物，虛實(shí)搭配構(gòu)成多種平臺(tái)。

整體的機(jī)組模型和電力系統(tǒng)模型，不可能完全以實(shí)物搭建，因此，以完全虛擬的仿真技術(shù)進(jìn)行機(jī)理建模，以軟件的形式實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的特性，達(dá)到教學(xué)目的。

對(duì)其中的局部環(huán)節(jié)，如控制柜、工頻電液調(diào)節(jié)裝置、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、軸系扭振、蓄電池儲(chǔ)能裝置、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置等進(jìn)行物理模擬仿真，起到以實(shí)補(bǔ)虛的作用。對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)的核電環(huán)境，進(jìn)行了廠房輻射劑量的三維可視化；對(duì)于大型的關(guān)鍵設(shè)備，如汽輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)等以三維動(dòng)畫的形式進(jìn)行仿真模擬和教學(xué)，起到以虛補(bǔ)實(shí)的作用。

監(jiān)控軟件及裝置，則完全采用現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的軟件和裝置，控制盤臺(tái)包括按鈕，都與現(xiàn)場(chǎng)完全一致，體現(xiàn)了能實(shí)不虛的原則。

同時(shí)，使用局域網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和信息共享；通過(guò)配置、連接、調(diào)整完成不同的實(shí)驗(yàn)功能，不同的物理模擬裝置和仿真軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同的組合形式及不同程度的仿真范圍，構(gòu)成了多種形式的仿真環(huán)境，具有創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

3 “四模塊、三層次”實(shí)踐教學(xué)體系

基于對(duì)學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的基本規(guī)律認(rèn)識(shí)，華北電力大學(xué)結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)特色，構(gòu)建了以“四模塊、三層次”為框架、以仿真實(shí)踐教學(xué)為特色、以校內(nèi)外實(shí)踐基地為支撐、以開放管理為保障的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)體系[6]。

(1) 實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)筑4個(gè)教學(xué)模塊?！八哪K”包括基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊、校內(nèi)工程實(shí)踐教學(xué)模塊、綜合仿真實(shí)踐教學(xué)模塊、校外工程實(shí)踐教學(xué)模塊[7]。仿真實(shí)踐模塊為學(xué)?！八哪K”實(shí)踐教學(xué)體系中的一個(gè)重要模塊，在電力工業(yè)教學(xué)體系中占有重要地位。

(2) 仿真中心的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)遵循“三層次”結(jié)構(gòu)連貫進(jìn)行。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)劃分為三個(gè)層次，第一個(gè)層次為“基本實(shí)踐”，主要培養(yǎng)學(xué)生的基本動(dòng)手能力和儀器設(shè)備使用能力，包括原理級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)，主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如基礎(chǔ)的自動(dòng)控制原理仿真實(shí)驗(yàn)，由自主開發(fā)的CAE2000仿真軟件、自主開發(fā)的控制對(duì)象模擬機(jī)組成，連接真實(shí)的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，完成本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠很好地驗(yàn)證教學(xué)內(nèi)容；第二個(gè)層次為“綜合性實(shí)踐”，主要培養(yǎng)學(xué)生的專項(xiàng)實(shí)踐能力，著重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力，包括基于仿真平臺(tái)的獨(dú)立課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；第三個(gè)層次為“真實(shí)性實(shí)踐”、“ 研究創(chuàng)新性實(shí)踐”，主要培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力，主要包括研究性的實(shí)驗(yàn)，面向?qū)ο蟮姆抡鎸?shí)踐職業(yè)工作領(lǐng)域的真實(shí)性實(shí)踐等，如在仿真環(huán)境或?qū)嶋H現(xiàn)場(chǎng)的參觀與實(shí)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐。

(3) 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的具體實(shí)施按照基本原理、裝置實(shí)現(xiàn)、局部運(yùn)行與控制、整體運(yùn)行與控制劃分，仿真系統(tǒng)分為4級(jí)：原理級(jí)、裝置級(jí)、過(guò)程級(jí)、系統(tǒng)級(jí)，從仿真規(guī)模上逐步擴(kuò)展，從局部仿真開始，最終實(shí)現(xiàn)整體仿真實(shí)驗(yàn)，一方面保持仿真實(shí)驗(yàn)的連貫性，另一方面保證各環(huán)節(jié)的細(xì)致性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系圍繞自動(dòng)化、測(cè)控、電力工程、動(dòng)力工程研究?jī)?nèi)容，構(gòu)成從鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)到電網(wǎng)的電力工業(yè)全過(guò)程仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、電力工程、熱能動(dòng)力工程專業(yè)的教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)。

(4) 在創(chuàng)新課題研究方面，學(xué)生可以利用仿真教學(xué)平臺(tái)提供的資源，靈活自主地設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而提升學(xué)生的知識(shí)綜合應(yīng)用能力，拓展視野，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力。仿真中心有一批創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課題對(duì)學(xué)生開放，學(xué)生可以自由申請(qǐng)并自主完成，同時(shí)也鼓勵(lì)學(xué)生自主選定創(chuàng)新課題，利用中心的仿真資源開展實(shí)驗(yàn)研究。

在構(gòu)建“大電力”特色學(xué)科體系的指導(dǎo)方針下，仿真中心將先進(jìn)的仿真技術(shù)還延伸到相關(guān)專業(yè)的主干課程，增加各類課程的仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步豐富了仿真實(shí)踐教學(xué)模塊的內(nèi)涵，將教學(xué)思想落到實(shí)處。同時(shí)將科研成果應(yīng)用于教學(xué)，開闊了學(xué)生視野，提升了學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，豐富了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)不僅是理論教學(xué)的延伸,設(shè)置的高層次實(shí)踐環(huán)節(jié)也是理論教學(xué)的深入和升華[8]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是高等教育信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和發(fā)展，仿真中心已形成較為完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)體系，進(jìn)一步豐富了學(xué)?！八哪K、三層次”實(shí)踐教學(xué)體系的內(nèi)涵，成為學(xué)校的特色和亮點(diǎn)，是校內(nèi)重要的實(shí)踐教學(xué)基地和交流平臺(tái)。

學(xué)生在校期間即能在與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)十分接近的虛擬環(huán)境中進(jìn)行全過(guò)程的實(shí)踐鍛煉，掌握復(fù)雜電力系統(tǒng)操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校培養(yǎng)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的“無(wú)縫連接”，實(shí)踐操作達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)操作規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，保證了人才培養(yǎng)與社會(huì)需求的緊密銜接。

同時(shí)，鑒于仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的開發(fā)與仿真教學(xué)能力在行業(yè)中的廣泛影響，經(jīng)原國(guó)家勞動(dòng)部認(rèn)可，并經(jīng)過(guò)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)認(rèn)證，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成為我國(guó)電力行業(yè)唯一的仿真培訓(xùn)指導(dǎo)教師培訓(xùn)基地，擔(dān)負(fù)全國(guó)電力行業(yè)仿真教師的培養(yǎng)和認(rèn)證任務(wù)。

[1] 教育部.關(guān)于印發(fā)《國(guó)家教育事業(yè)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃》的通知[Z].教發(fā)[2012]9號(hào)，2012-06-14.

[2] 王秀梅.以學(xué)生為本構(gòu)建全方位開放的實(shí)踐教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(2)：1-4.

[3] 劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉(zhuǎn)向:工程化的視角[J].高等工程教育研究,2006(4):42-45.

[4] 安連鎖,王秀梅,楊紅霞,等.將工程訓(xùn)練中心建成大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的樂(lè)園[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(3):1-4，18.

[5] 王秀梅,安連鎖,米增強(qiáng),等.為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)筑平臺(tái) 拓通道建舞臺(tái)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2012(1):68-70.

[6] Wang Xiumei.Research and Explorion into the Develoment of students’ Practcal and Inovative Abilities in Engineering Colleges[J].Journal of Internation Education Studies,2008,1(4):24-27.

[7] 王秀梅，孫萍茹，安連鎖.構(gòu)建“四模塊”實(shí)踐教學(xué)體系彰顯人才培養(yǎng)特色[J].中國(guó)高教研究，2009(2)：85-86.

[8] 肖偉才.理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)一體化教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(4):81-84.