新形勢(shì)下“水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革研究

李飛 陳鐵

摘 要：針對(duì)目前水電站仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的教學(xué)條件陳舊、教學(xué)內(nèi)容欠缺等問題，提出了新形勢(shì)下水電站仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要性。通過完善教學(xué)設(shè)施、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和課程考核辦法等措施改善教學(xué)效果，通過逼真的水電站仿真平臺(tái)激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生身臨其境地參與到水電站的運(yùn)行操作與維護(hù)中，切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：水電站仿真；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；改革；新形勢(shì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）12-0112-02

Abstract： Aiming at problems in the simulation experiment teaching of hydropower station， including outdated teaching conditions and a lack of teaching content， this paper proposes the importance of its teaching reform in new situation. By promoting teaching facilities， and enriching the content of experiment teaching and the ways of course assessment， the realistic simulation platform of hydropower station can inspire students' interest， and enable them to participate in the operation and maintenance of hydropower station， and improve their practical ability.

Keywords： hydropower station simulation； experiment teaching； reform； new situation

一、概述

水電站自動(dòng)化程度日益提高，對(duì)以操作能力培養(yǎng)為目標(biāo)的水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)提出了更高的要求。目前由于教學(xué)設(shè)施陳舊，教學(xué)方法單一，教學(xué)內(nèi)容不足導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課程尚不能滿足新形勢(shì)下工程教育對(duì)于人才培養(yǎng)的需求[1-2]。本文結(jié)合筆者多年水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和仿真系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，完善教學(xué)設(shè)施等諸多方面，探討了面向工程教育背景下以學(xué)生為中心的水電站仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思路。

二、目前水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

（一）實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件條件待完善

仿真實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有30臺(tái)培訓(xùn)站，4臺(tái)教練員站，僅有2臺(tái)服務(wù)器在工作。實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)畫面不穩(wěn)定或者數(shù)據(jù)延遲等問題，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)產(chǎn)生了一定的影響。同時(shí)服務(wù)器開設(shè)的進(jìn)程有限，存在多名學(xué)生共用一個(gè)進(jìn)程通過客戶端訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器，如果個(gè)別學(xué)生出現(xiàn)誤操作，可能導(dǎo)致該進(jìn)程不可用，常常需要重啟仿真系統(tǒng)，甚至重啟數(shù)據(jù)服務(wù)器，重新設(shè)置仿真系統(tǒng)工況，在解決這些系統(tǒng)問題和維護(hù)學(xué)員機(jī)的問題上往往耗費(fèi)比較多的時(shí)間，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度和課程質(zhì)量。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)性不足，體系不夠完善

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以龍灘水電站仿真系統(tǒng)為原型，模擬了實(shí)際的水電站生產(chǎn)過程，仿真對(duì)象包括了水電站廠房和壩區(qū)在內(nèi)的所有的運(yùn)行設(shè)備，模擬了龍灘水電站的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)地控制盤柜，現(xiàn)地開關(guān)柜和匯控柜等的監(jiān)視控制和操作，同時(shí)能模擬工況設(shè)置，故障重演及繼電保護(hù)系統(tǒng)的功能演示等。實(shí)驗(yàn)課程中僅僅對(duì)水電站中比較典型的運(yùn)行操作開展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括水電站仿真系統(tǒng)基本知識(shí)介紹、開關(guān)倒閘操作培訓(xùn)、機(jī)組開停機(jī)及功率調(diào)節(jié)和水電站電氣故障及繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中僅以個(gè)別典型電氣設(shè)備為例，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和過程相對(duì)簡(jiǎn)單。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，無法將水電站的各個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來，無法系統(tǒng)地理解水電站各系統(tǒng)的原理及功能。

三、水電站仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要性和可行性

（一）重要性

電氣設(shè)備的運(yùn)行控制和保護(hù)技術(shù)越來越成熟和先進(jìn)，水電站作為電力系統(tǒng)一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，擁有各種類型的電氣設(shè)備。在此背景下，相關(guān)高校利用水電站仿真系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)包括發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸電線路在內(nèi)的一次設(shè)備及其控制保護(hù)裝置的運(yùn)行操作開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生真實(shí)模擬實(shí)際電廠的運(yùn)行操作，這對(duì)于學(xué)生掌握和理解電氣設(shè)備運(yùn)行與控制原理具有重要作用。所以水電站仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對(duì)于人才培養(yǎng)具有非常重要的意義[3]。

（二）可行性

實(shí)驗(yàn)室以國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為依托[4]，擁有專業(yè)的仿真系統(tǒng)開發(fā)團(tuán)隊(duì)，并已開發(fā)了多個(gè)水電站仿真系統(tǒng)。在硬件條件方面，通過增設(shè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，每臺(tái)培訓(xùn)站采用獨(dú)立的線程，提高了實(shí)驗(yàn)的承載能力；在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方面，將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，進(jìn)一步擴(kuò)充了教學(xué)內(nèi)容；從硬件和軟件兩方面同時(shí)完成對(duì)實(shí)驗(yàn)資源的合理配置[5]。因而，擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、完善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，改進(jìn)水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是完全可行的。

四、水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

（一）建立完善的水電站運(yùn)行仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[6]

首先利用實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研究的水電站虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，提供與現(xiàn)場(chǎng)效果一致的大型水電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，并定期對(duì)實(shí)驗(yàn)室的硬件設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，特別是數(shù)據(jù)服務(wù)器，維持實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高效和穩(wěn)定。

然后開展二維平面系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)一體化仿真，對(duì)三維場(chǎng)景演示及漫游的多維仿真系統(tǒng)聯(lián)合仿真，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，研發(fā)典型教學(xué)案例，建立包含正常工況運(yùn)行操作過程培訓(xùn)；異常工況運(yùn)行操作過程培訓(xùn)；緊急事故工況處理操作培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并定期對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理和完善。

最后利用先進(jìn)靈活的教學(xué)手段，開展分組教學(xué)和單機(jī)模式等多種教學(xué)方式，分組教學(xué)時(shí)，每一組運(yùn)行一套模型，對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)程，組內(nèi)的用戶均連接到該進(jìn)程上，組員的畫面狀態(tài)一致，操作互相可見，簡(jiǎn)報(bào)信息共享，就像是同一個(gè)水電站中運(yùn)行操作一樣。單機(jī)模式時(shí)系統(tǒng)中有多套模型，每個(gè)學(xué)員獨(dú)享一個(gè)仿真機(jī)。彼此之間互不干擾，就像自己一個(gè)人在操作一個(gè)獨(dú)立的水電站，此模式適用個(gè)人學(xué)習(xí)訓(xùn)練和考核。通過“操作、觀察、分析、記錄、總結(jié)”，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)參與的學(xué)習(xí)熱情，提高了實(shí)踐教學(xué)效果，并將嵌入學(xué)生技能考評(píng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的工程教育新形勢(shì)下的教學(xué)模式改革。

（二）完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

目前教學(xué)內(nèi)容比較欠缺，僅對(duì)水電站的開停機(jī)，功率調(diào)節(jié)，開關(guān)倒閘操作和繼電保護(hù)等內(nèi)容進(jìn)行了講解[7]。學(xué)生無法在短期對(duì)水電站的運(yùn)行操作知識(shí)形成體系。所以完善教學(xué)內(nèi)容變得尤為重要，在課程內(nèi)容的組織上，主要從以下6次課程開展教學(xué)與課程考試，每次課程兩個(gè)學(xué)時(shí)。

1. 介紹水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)課程的重要性和基本概念，包括水電站的基本結(jié)構(gòu)、水電站各建筑物等。學(xué)生在了解水電站基本概念的基礎(chǔ)上，再進(jìn)一步學(xué)習(xí)水電站的引水發(fā)電系統(tǒng)及其輔助設(shè)備、電氣一次、電氣二次、水力機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等設(shè)備的功能，各設(shè)備之前的聯(lián)系等等。

2. 介紹水電站的開關(guān)倒閘操作，開關(guān)倒閘操作的結(jié)果直接影響水電站電氣系統(tǒng)的運(yùn)行方式，而水電站運(yùn)行方式因受到電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變而不斷做出調(diào)整，所以開關(guān)倒閘操作在水電站運(yùn)行操作中是非常頻繁和重要的內(nèi)容。學(xué)生在培訓(xùn)時(shí)需要掌握主要電氣設(shè)備的開關(guān)倒閘操作流程，包括輸電線路、500kV母線、斷路器等等。在操作過程中，需要考慮相應(yīng)設(shè)備繼電保護(hù)的投退情況。

3. 介紹機(jī)組開停機(jī)。水電站的開停機(jī)操作是最典型的一項(xiàng)運(yùn)行操作，它關(guān)系到機(jī)組的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。機(jī)組從停機(jī)到發(fā)電經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，涉及到輔助設(shè)備，水輪機(jī)調(diào)速器，勵(lì)磁系統(tǒng)，同期裝置等的操作。學(xué)生開展開停機(jī)實(shí)驗(yàn)可以更深入的學(xué)習(xí)水電站各設(shè)備的原理和功能。

4. 學(xué)習(xí)水電站功率調(diào)節(jié)和電壓控制。為了適應(yīng)電網(wǎng)中樞點(diǎn)的電壓水平和負(fù)荷水平，水電站常常需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)和電壓控制，水電站功率調(diào)節(jié)包括遠(yuǎn)方和現(xiàn)地控制，控制方式包括手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。現(xiàn)地有功功率和頻率調(diào)節(jié)在調(diào)速器柜上操作完成，現(xiàn)地?zé)o功功率調(diào)節(jié)和電壓控制在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器柜上完成。遠(yuǎn)方的手動(dòng)功率調(diào)節(jié)和電壓控制在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的PQ調(diào)節(jié)界面或者機(jī)組LCU上面完成，遠(yuǎn)方的自動(dòng)頻率或電壓控制分別在監(jiān)控系統(tǒng)上的AGC或AVC操作界面上完成。

5. 水電站故障重演和繼電保護(hù)操作培訓(xùn)，水電站的故障是多種多樣的，包括電氣故障和非電氣故障，每一種故障都是有可能發(fā)生的，故障發(fā)生后對(duì)于水電站生產(chǎn)過程造成了嚴(yán)重影響，如何減少這種危害，水電站的繼電保護(hù)應(yīng)運(yùn)而生，學(xué)習(xí)水電站繼電保護(hù)一方面可以熟悉各種故障現(xiàn)象，通過保護(hù)裝置動(dòng)作情況和簡(jiǎn)報(bào)顯示確定故障位置和嚴(yán)重程度，從而進(jìn)一步完成故障隔離措施，實(shí)現(xiàn)了非故障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

6. 課程考試，課程考試分為兩種類型，離線理論考試和在線操作題考試。統(tǒng)一在技能考評(píng)系統(tǒng)上完成答題。理論考試的題型主要有選擇題、填空題、判斷題、簡(jiǎn)答題和作圖題。理論考試主要考察學(xué)生在水電站運(yùn)行方面的基本概念和嘗試，包括與水電站相關(guān)的電氣專業(yè)知識(shí)等，在線考試則直接在仿真系統(tǒng)上面完成，考察學(xué)生對(duì)于水電站基本操作的掌握和熟練程度。

五、結(jié)束語

從“水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)方面存在的問題入手，為適應(yīng)新形勢(shì)下工程教育對(duì)人才培養(yǎng)的要求，本文對(duì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了深入研究，并提出了以下改進(jìn)設(shè)想：

1. 水電站運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先要構(gòu)建完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，依托國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建系統(tǒng)功能完備和參數(shù)畫面穩(wěn)定的水電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上，開展二維系統(tǒng)運(yùn)行操作、三維系統(tǒng)同步演示等多維多媒體實(shí)驗(yàn)教學(xué)，采用分組教學(xué)和單機(jī)模式相結(jié)合的教學(xué)方式，讓學(xué)生身臨其境的參與到水電站的運(yùn)行控制中來，有效的激發(fā)學(xué)生的興趣。

2. 補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容的編排上，做到循序漸進(jìn)，由淺入深，將水電站的主要運(yùn)行操作安排到每一次課程，并在最后利用仿真系統(tǒng)自帶的技能考評(píng)系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核，讓學(xué)生實(shí)實(shí)在在的學(xué)到水電站運(yùn)行等相關(guān)知識(shí)。

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