水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探究

趙辛欣

【摘要】本文結(jié)合大學(xué)學(xué)習(xí)和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的特點(diǎn)，闡述了進(jìn)行水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)的必要性。在分析水電站運(yùn)行仿真課程內(nèi)容的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的采用應(yīng)用式教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、案例式教學(xué)方式。并利用水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)例說(shuō)明了如何利用這三種教學(xué)方法提升該課程的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用式教學(xué) 啟發(fā)式教學(xué) 案例式教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）06-0220-02

一、水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)

大學(xué)本科學(xué)習(xí)有其特殊的特點(diǎn)：首先，分專業(yè)學(xué)習(xí)涉及到的專業(yè)知識(shí)和交叉學(xué)科知識(shí)眾多，學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)時(shí)往往很困惑：自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)與實(shí)際工作的聯(lián)系在哪里？其次，大學(xué)學(xué)習(xí)中的理論課程均以課程結(jié)業(yè)考試或考查的方式來(lái)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，所以學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中往往在學(xué)習(xí)后續(xù)課程的時(shí)候，前修課程的知識(shí)已經(jīng)部分遺忘。考慮到這些特點(diǎn)，在學(xué)生走上工作崗位之前，如果能創(chuàng)造機(jī)會(huì)，讓他們將所有專業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)他們?cè)诠ぷ骱竽芸焖龠m應(yīng)工作是非常有利的。

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的許多學(xué)生在畢業(yè)后會(huì)從事電力系統(tǒng)相關(guān)工作，成為電力系統(tǒng)的工作人員。他們工作的對(duì)象電力系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)[1]：

1.電能的生產(chǎn)與消費(fèi)具有同時(shí)性。

2.電能與國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民日常生活關(guān)系密切。

3.電力系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程非常短暫。

上述電力系統(tǒng)的特點(diǎn)也對(duì)從事電力系統(tǒng)相關(guān)工作的人員提出了特殊的要求：1.在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，他們?cè)诠ぷ髦袘?yīng)保證其操作的正確性，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)誤操作，可能危及人身、設(shè)備安全或在短時(shí)間內(nèi)造成巨大的損失。2.若電力系統(tǒng)出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)、故障狀態(tài)，電力系統(tǒng)的工作人員應(yīng)迅速做出處理措施，讓系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常狀態(tài)，或是防止事故的擴(kuò)大。考慮到這些要求，如果能有一個(gè)模擬的電力系統(tǒng)供學(xué)員進(jìn)行正常操作的練習(xí)，并能模擬電力系統(tǒng)的不正常和故障狀態(tài)以提高學(xué)員的事故分析處理能力，就能在短時(shí)間內(nèi)讓學(xué)員的工作能力有很大的提升，這對(duì)提高整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有非常重大的意義。

水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)是三峽大學(xué)（后稱“我校”）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的必修的實(shí)踐環(huán)節(jié)。在我校的人才培養(yǎng)計(jì)劃中，水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)通常安排四年級(jí)的第一學(xué)期，16學(xué)時(shí)，通過(guò)我校自主開發(fā)的水電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)完成。水電站運(yùn)行仿真培訓(xùn)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)仿真模擬一個(gè)水電站所有設(shè)備協(xié)同工作，并將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給外部電力系統(tǒng)的完整過(guò)程。該培訓(xùn)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上給參與該實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)生模擬水電站運(yùn)行人員的工作環(huán)境，提供上位機(jī)操作和現(xiàn)地操作的兩種方式，讓他們完成一個(gè)水電站運(yùn)行人員的日常工作。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生明白自己在專業(yè)學(xué)習(xí)中學(xué)到的知識(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中是什么、怎么用，所以，課程采用的教學(xué)理念和教學(xué)方法對(duì)學(xué)生能否迅速的勝任相關(guān)工作有著重要的作用。

二、應(yīng)用式教學(xué)

應(yīng)用式教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論聯(lián)系實(shí)際，重視學(xué)以致用。水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生綜合運(yùn)用《發(fā)電廠動(dòng)力部分》、《發(fā)電廠電氣部分》、《電力系統(tǒng)分析》、《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)》、《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》等課程的知識(shí)，來(lái)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

表1中列出了水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)課的主要實(shí)驗(yàn)任務(wù)和各實(shí)驗(yàn)任務(wù)中涉及到的專業(yè)知識(shí)。在教學(xué)中可以著重引導(dǎo)學(xué)生回顧相應(yīng)的重要知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生就可以知道理論知識(shí)是如何用于實(shí)際工作的。

以水電站的認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)為例，這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是通過(guò)記錄仿真系統(tǒng)模擬的水電站內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行工況，讓學(xué)生了解水電站的基本情況，為后續(xù)操作項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。在理論課程的教學(xué)過(guò)程中，開關(guān)設(shè)備、電氣主接線、發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、母線、自動(dòng)裝置、廠用電、水輪機(jī)及輔助設(shè)備等都是分配在不同的課程或章節(jié)中來(lái)講解的，而在水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)課程中，通過(guò)仿真軟件將它們按照固有的規(guī)律結(jié)合在一起，形成模擬的水電站。學(xué)生會(huì)看到水輪機(jī)輔助系統(tǒng)（技術(shù)供水、油、壓縮空氣）的概況、發(fā)電機(jī)和變壓器的連接形式、升壓站的接線形式、發(fā)電機(jī)出口互感器的數(shù)量、各段廠用電之間的備用電源自投入裝置；也會(huì)知道調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、輔助設(shè)備控制柜等是位于水電站的廠房的不同層里；更能明確，即便是在現(xiàn)地操作時(shí)的盤柜上操作開關(guān)設(shè)備，也應(yīng)該牢記水電站中各設(shè)備的連接方式，遵循開關(guān)操作的基本原則，才能避免誤操作。在完成這一部分的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，雖然只是讓學(xué)生記錄了設(shè)備的運(yùn)行工況，但能驗(yàn)證他們?cè)诶碚撜n程上學(xué)過(guò)的知識(shí)，也能讓他們熟悉水電站各種設(shè)備的運(yùn)行工況和安裝位置。

注重理論知識(shí)的應(yīng)用還應(yīng)體現(xiàn)在分析問(wèn)題的方法上，在理論課程的學(xué)習(xí)中的計(jì)算和分析常采用向量圖分析的方法，而在實(shí)際的水電站中，往往需要分析的電氣量不是向量圖，而是波形圖。在教學(xué)的工作中，也應(yīng)注意思維方式的轉(zhuǎn)換，將波形圖轉(zhuǎn)化為向量圖再進(jìn)行分析，幫助學(xué)生適應(yīng)實(shí)際工作中的思維方式。

除此之外，在教學(xué)的過(guò)程中，只要涉及到學(xué)生操作的內(nèi)容，可以讓學(xué)生每?jī)扇艘唤M，一位同學(xué)扮演操作人，另一位同學(xué)扮演監(jiān)護(hù)人，按照實(shí)際工作中的操作規(guī)范來(lái)完成。同樣，在形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的時(shí)候都按照電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)操作票的形式記錄。

通過(guò)應(yīng)用式教學(xué)，學(xué)生不僅能夠?qū)旧系睦碚撝R(shí)聯(lián)系到實(shí)際工作，而且能熟悉實(shí)際工作中的思維和處理問(wèn)題的方式。

三、啟發(fā)式教學(xué)

啟發(fā)式的教學(xué)方法需要教師在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，根據(jù)專業(yè)知識(shí)之間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)掌握相關(guān)知識(shí)。

在運(yùn)行方式的切換和倒閘操作實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，需要學(xué)生完成三分之四斷路器接線形式下的輸電線路的停、送電操作。學(xué)生起初可能會(huì)感覺(jué)很茫然，因?yàn)樗麄儾⒉皇煜み@種接線形式。但是在發(fā)電廠電氣部分的課本上一定講過(guò)另一種供電可靠性很高的接線形式——二分之三斷路器接線（一臺(tái)半斷路器接線）。在指導(dǎo)這一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，可以先從二分之三斷路器接線的命名原因引導(dǎo)學(xué)生去思考三分之四斷路器接線名稱的來(lái)由；然后提示學(xué)生類比這兩種接線形式的可靠性和操作方法；最后聯(lián)系繼電保護(hù)選擇性的要求，讓學(xué)生分析出輸電線路停、送電操作時(shí)具體需要操作的開關(guān)設(shè)備。這樣學(xué)生就能很快掌握這種平時(shí)不太熟悉的主接線形式中的線路停、送電操作。

除了完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)外，也可以運(yùn)用啟發(fā)式的教學(xué)方法來(lái)讓學(xué)生掌握更多的專業(yè)知識(shí)。在輸電線路的操作中，學(xué)生會(huì)觀察到超高壓輸電線路的并聯(lián)電抗器。并聯(lián)電壓器是為了防止高壓輸電線路輕載或空載時(shí)，線路末端出現(xiàn)過(guò)電壓，根據(jù)實(shí)際需要而配置的。并聯(lián)電抗器能夠防止輸電線路末端過(guò)電壓的原因是因?yàn)樗膶?shí)質(zhì)是電感，可以吸收系統(tǒng)多余的感性無(wú)功功率。另外，電力系統(tǒng)中用來(lái)保證電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的還有很多其它的措施。從并聯(lián)電抗器入手，可以從上述兩方面來(lái)啟發(fā)學(xué)生思考更多電力系統(tǒng)的原理。圖1表示的是由并聯(lián)電抗器出發(fā)，讓學(xué)生聯(lián)想的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)教師的啟發(fā)，學(xué)生不僅能學(xué)習(xí)到與水電站相關(guān)的知識(shí)，更能通過(guò)自覺(jué)思考掌握更多與專業(yè)相關(guān)的知識(shí)。

四、案例式教學(xué)

案例式教學(xué)需要教師根據(jù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)模擬的水電站的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的案例，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

電氣故障和事故處理是通過(guò)教師利用仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在模擬的水電站中設(shè)置各種設(shè)備發(fā)生故障，讓學(xué)生分析故障現(xiàn)象，進(jìn)行故障處理。案例教學(xué)法在這一部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用較多。

案例1：1號(hào)輸電線路短路故障（電力系統(tǒng)常見(jiàn)的四種短路三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相短路接地之一），需要學(xué)生記錄、分析故障現(xiàn)象，判斷故障類型，完成故障后的處理。

通過(guò)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)置模擬水電站1號(hào)輸電線路發(fā)生短路故障后，學(xué)生可以從仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中看到故障有關(guān)信息，包括：斷路器跳閘信息、各種微機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作于發(fā)信號(hào)或跳閘的信息、自動(dòng)重合閘裝置信息等。相應(yīng)的，在課堂上可以先不公布故障設(shè)備（1號(hào)輸電線路）以及該設(shè)備上發(fā)生故障的具體類型，提示學(xué)生根據(jù)繼電保護(hù)選擇性的要求，結(jié)合已跳閘的斷路器可以判斷故障設(shè)備；聯(lián)系微機(jī)保護(hù)裝置提示已動(dòng)作的保護(hù)，回顧課本上這些保護(hù)的工作原理，區(qū)分故障設(shè)備的具體故障類型；依據(jù)自動(dòng)重合閘是否啟動(dòng)和斷路器最終是否跳閘來(lái)判斷所發(fā)生的故障性質(zhì)是瞬時(shí)性的或永久性的。最后，要求學(xué)生通過(guò)分析和討論判斷故障設(shè)備和故障類型；在故障發(fā)生后是否存在斷路器、保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)；根據(jù)分析的結(jié)論，完成故障后的處理，涉及到的具體操作，按標(biāo)準(zhǔn)操作票規(guī)范形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

案例2： 1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)推力軸承瓦溫升高現(xiàn)象，需要學(xué)生排除故障，使水輪發(fā)電機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

通過(guò)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)置推力軸承冷卻水故障后，出現(xiàn)推力軸承瓦溫升高現(xiàn)象。仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)定，瓦溫高于60℃時(shí)，發(fā)報(bào)警信號(hào)，當(dāng)瓦溫高于70℃，發(fā)電機(jī)事故停機(jī)。所以，當(dāng)學(xué)生看到系統(tǒng)提示推力軸承瓦溫過(guò)高的報(bào)警信息時(shí)，留給他們排除故障的時(shí)間也是有限的。所以，這就要求學(xué)生在看到溫度報(bào)警信號(hào)后，保持頭腦冷靜，迅速在溫度監(jiān)視中確認(rèn)發(fā)生異常的設(shè)備，并在技術(shù)供水系統(tǒng)中逐一排查進(jìn)水口閥門、加壓泵、濾過(guò)器、推力軸承冷卻水閥門是否存在故障，若存在故障，應(yīng)迅速倒換相應(yīng)的備用設(shè)備，監(jiān)視技術(shù)供水系統(tǒng)恢復(fù)正常，推力軸承瓦溫下降，恢復(fù)正常，故障排除。

案例教學(xué)法，讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)更能身臨其境的感受到一個(gè)水電站運(yùn)行人員的責(zé)任。

五、結(jié)語(yǔ)

水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)課程涉及到水電站的實(shí)際設(shè)備和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的許多專業(yè)知識(shí)。在教學(xué)的過(guò)程中，教師應(yīng)不斷探索提升該課程教學(xué)效果的方法。注重理論聯(lián)系實(shí)際，用啟發(fā)式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)思考，靠案例教學(xué)法讓學(xué)生感受實(shí)際工作的氛圍，這些教學(xué)方法都能豐富課程內(nèi)容，增加學(xué)習(xí)的趣味，讓教學(xué)效果更佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟祥萍，高嬿.電力系統(tǒng)分析（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社.2010