基于虛擬仿真技術(shù)的《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》教學(xué)改革研究

呼夢穎　段建東　姬軍鵬　王建華　李潔

摘 要：作者針對《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程中高電壓、高危險、故障不可逆的新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以開展的問題，在采集分散式風(fēng)電場現(xiàn)場數(shù)據(jù)和場景的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了現(xiàn)場數(shù)據(jù)與場景驅(qū)動的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。將此實(shí)驗(yàn)引入電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不但能彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的不足，有助于學(xué)生感性直觀地理解和掌握新能源電力系統(tǒng)的控制原理，同時加強(qiáng)學(xué)生的綜合設(shè)計分析能力和自主創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)效果，具有良好的推廣性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐;實(shí)驗(yàn)教學(xué);虛擬仿真實(shí)驗(yàn);分散式風(fēng)電

中圖分類號：G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）10-0038-04

一、引言

《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》是西安理工大學(xué)電氣工程及其自動化和智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)實(shí)踐課，該課程內(nèi)容主要包括電力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、潮流計算及仿真分析，使學(xué)生更好地掌握電力系統(tǒng)基本知識，掌握潮流計算、故障計算和穩(wěn)定計算方法，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力。

目前大部分高校的相關(guān)課程實(shí)踐一般以PSS/E軟件對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計算，利用Matlab軟件進(jìn)行仿真分析或傳統(tǒng)教學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)為主[1]。一些高校引入了新能源發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)內(nèi)容，但由于發(fā)電系統(tǒng)高電壓、高危險特征和實(shí)驗(yàn)室條件限制，難以開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能進(jìn)行Matlab仿真[2][3]，不能進(jìn)行新能源發(fā)電整體系統(tǒng)級的實(shí)踐學(xué)習(xí)，與當(dāng)前發(fā)展迅速的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)實(shí)際脫節(jié)，學(xué)生很難掌握行業(yè)前沿技術(shù)，難以培養(yǎng)滿足新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的創(chuàng)新型電氣工程人才。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是新時代教育背景下的新型教學(xué)模式[4][5]，借助3D虛擬技術(shù)和專業(yè)仿真分析，可解決高電壓、高危險、大功率、故障不可逆的新能源發(fā)電系統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以開展的問題，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享。將風(fēng)電場與配電網(wǎng)現(xiàn)場采集的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障暫態(tài)場景融合，在電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐的教學(xué)中構(gòu)建了風(fēng)電分散式并入配電網(wǎng)漫游認(rèn)知、風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中并網(wǎng)功率預(yù)測、風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制三位一體的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)施了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法。教學(xué)結(jié)果表明，該教學(xué)方法有助于學(xué)生感性直觀地理解和掌握新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析設(shè)計能力和解決復(fù)雜工程問題能力，具有良好的教學(xué)效果。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)需求

1.提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量需求

2017年7月，教育部辦公廳印發(fā)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目建設(shè)的通知》[6]，提出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目是拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度、延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)時間和空間、提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和水平而采取的重要舉措。開展電氣專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，順應(yīng)教育信息化發(fā)展需求，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題，將高電壓、高危險、大功率等實(shí)驗(yàn)“搬”進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)課堂，對于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐、創(chuàng)新能力具有重要意義。

2.新能源革命帶來的沖擊較大

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)受新能源發(fā)電、全球能源互聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的影響越來越明顯，新能源技術(shù)的變革是傳統(tǒng)電力行業(yè)轉(zhuǎn)型的必然趨勢[7][8]，其中風(fēng)力發(fā)電因其清潔性和可再生利用等優(yōu)勢已成為新能源發(fā)電的重要部分，我國2018年開啟了風(fēng)電分散接入配網(wǎng)的建設(shè)新高潮。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐教學(xué)模式已不能滿足新能源產(chǎn)業(yè)革命對人才的需求。改革教學(xué)模式，采用網(wǎng)絡(luò)版虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)可更感性、直觀地展示新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的新技術(shù)和新方法，有助于學(xué)生掌握前沿技術(shù)，為新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展輸送人才。

3.高危高壓的風(fēng)電系統(tǒng)難以開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓等級通常在10kV以上，塔筒高度為50m以上，機(jī)艙狹窄，變流器具備故障不可逆性，所以這類實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建成本高，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備實(shí)驗(yàn)條件;風(fēng)電場現(xiàn)場實(shí)習(xí)危險系數(shù)大，學(xué)生可以查看風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和暫態(tài)控制的效果，但是無法看到其中的運(yùn)行方法和控制策略。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可復(fù)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和控制策略，并將涉及課程的理論知識結(jié)合起來，形成綜合性的實(shí)踐平臺。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)踐教學(xué)示例

分散式風(fēng)電是位于負(fù)荷中心附近，不以大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送電力為目的，所產(chǎn)生的電力就近接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)進(jìn)行消納的風(fēng)電項目[9]，因此分散式風(fēng)電是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行與控制系統(tǒng)是保障風(fēng)電安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備。筆者選取分散式風(fēng)電場作為實(shí)驗(yàn)對象，將3D虛擬技術(shù)和專業(yè)仿真軟件的定量仿真分析結(jié)合，構(gòu)建分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐課程需求，設(shè)計了風(fēng)電分散式并入配電網(wǎng)漫游認(rèn)知、風(fēng)電場穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中并網(wǎng)功率預(yù)測、風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.風(fēng)電分散式并入配電網(wǎng)漫游認(rèn)知

學(xué)生根據(jù)線路或箭頭提示，身臨其境地在風(fēng)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行各設(shè)備自主巡游，學(xué)習(xí)路線包括塔筒底部、機(jī)艙內(nèi)部、主控室以及從透視角度觀看風(fēng)機(jī)，塔筒底部漫游界面如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穿插某風(fēng)電場現(xiàn)場采集的場景（見圖2），并配備知識講解，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容不僅有虛擬內(nèi)容，還包括風(fēng)電場現(xiàn)場場景及理論知識，這種學(xué)習(xí)方式可以幫助學(xué)生加深對理論知識的理解，并可以感性、直觀地掌握分散式風(fēng)電場的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制原理。

2.風(fēng)電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中并網(wǎng)功率預(yù)測

風(fēng)電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并網(wǎng)功率預(yù)測實(shí)驗(yàn)融合了風(fēng)電場現(xiàn)場采集的2012—2019年穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機(jī)功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)向?qū)崟r值、風(fēng)速和機(jī)艙外溫度等，這些數(shù)據(jù)為學(xué)生后續(xù)進(jìn)行風(fēng)電功率預(yù)測課題研究提供數(shù)據(jù)支撐。該模塊風(fēng)電功率預(yù)測算法包括時間序列法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法和極限學(xué)習(xí)機(jī)法，這4種方法涵蓋了傳統(tǒng)方法和新型方法。學(xué)生自主選擇4種功率預(yù)測算法，首先學(xué)習(xí)預(yù)測原理及預(yù)測流程，在每種算法中完成答題，考察學(xué)生對預(yù)測算法的掌握程度，鞏固學(xué)生對理論知識的理解。學(xué)生自行設(shè)計預(yù)測參數(shù)，如隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)、參數(shù)尋優(yōu)步長等，觀測不同參數(shù)對預(yù)測精度的影響，并記錄于圖3的表中。通過學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)?zāi)K，學(xué)生對比不同預(yù)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合設(shè)計能力。

3.風(fēng)電機(jī)組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制

考慮到變流器的安全性和暫態(tài)故障不可逆性，風(fēng)電場現(xiàn)場無法進(jìn)行實(shí)際極端短路故障模擬。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合了風(fēng)電場現(xiàn)場的極端故障暫態(tài)場景，如風(fēng)機(jī)著火、塔筒倒塌等，通過3D虛擬技術(shù)和低電壓穿越控制仿真的定量化分析，為學(xué)生提供風(fēng)電機(jī)組短路故障模擬實(shí)驗(yàn)條件。

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)低電壓穿越控制仿真模型、勵磁控制和Crowbar電路控制原理并設(shè)計參數(shù)，幫助學(xué)生掌握低電壓穿越控制算法。學(xué)生自主選擇不同的電壓跌落工況，對比雷擊引起電壓不同程度跌落下風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流、有功功率和無功功率波形，提示學(xué)生觀測風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、Crowbar裝置和變流器電流變化。在每個工況實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生完成答題，考察學(xué)生對該工況下控制原理和控制策略的掌握程度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及答題如圖4所示。

該實(shí)驗(yàn)采集了近三年某示范性工程的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生可以自主選擇不同年份的典型案例，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對比分析，總結(jié)真實(shí)分散式風(fēng)電場的低電壓穿越控制方法，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計和分析能力。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的創(chuàng)新性

1.情景式教學(xué)——融合風(fēng)場真實(shí)場景

在電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐教學(xué)中引入現(xiàn)場數(shù)據(jù)與場景驅(qū)動的風(fēng)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，打破了以潮流計算和仿真分析為主的教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)中涉及到的風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)等與真實(shí)風(fēng)電場一致，并穿插以某風(fēng)力發(fā)電場現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行圖片和視頻，學(xué)生置身于虛擬場景和真實(shí)場景之中，體驗(yàn)設(shè)備巡游和實(shí)際操作，實(shí)現(xiàn)情景式的教與學(xué)。

2.互動式教學(xué)——學(xué)生交互操作答題

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生以第一視角漫游風(fēng)電場，參與到風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行和故障處理中，同時學(xué)生在深入學(xué)習(xí)之后回答實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中設(shè)置的問題，實(shí)現(xiàn)深度互動式教學(xué)，鞏固對理論知識的理解，幫助學(xué)生掌握控制算法，提升教學(xué)效果。

3.案例式教學(xué)——大量真實(shí)案例應(yīng)用

低電壓穿越控制模塊中的現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)還原采用典型案例方式，故障及低電壓控制參數(shù)取自風(fēng)電場現(xiàn)場真實(shí)數(shù)據(jù)。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生自主選擇不同年份的典型案例，對比仿真結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)，分析風(fēng)電場現(xiàn)場并網(wǎng)系統(tǒng)采取的控制方法，展開討論、對比分析、歸納總結(jié)，同時修改仿真參數(shù)，觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生掌握低電壓穿越控制方法，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

4.開放式教學(xué)——鼓勵學(xué)生探索創(chuàng)新

風(fēng)電并網(wǎng)功率預(yù)測實(shí)驗(yàn)?zāi)K中，編程窗口和4種風(fēng)電功率預(yù)測算法的代碼完全開放，學(xué)生能夠自主編寫或改進(jìn)預(yù)測程序;低電壓穿越控制的仿真模型完全開放，學(xué)生能夠改進(jìn)模型，優(yōu)化控制策略，研究低電壓穿越的控制方法。通過開放式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生探索熱情，增強(qiáng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

5.科研反哺式教學(xué)——學(xué)生掌握前沿技術(shù)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中風(fēng)電并網(wǎng)功率預(yù)測和低電壓穿越控制模塊緊密結(jié)合風(fēng)電科研項目，由科研成果轉(zhuǎn)化而來，體現(xiàn)了科研反哺教學(xué)。這種教學(xué)方法能夠使學(xué)生了解風(fēng)電行業(yè)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，掌握行業(yè)前沿研究技術(shù)，為行業(yè)發(fā)展輸送人才。同時持續(xù)完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不斷融入新的科研成果，促進(jìn)教學(xué)深入改革。

五、結(jié)語

針對《電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐》課程中高電壓、高危險、故障不可逆的新能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以開展的問題，筆者緊密結(jié)合風(fēng)電科研項目，構(gòu)建了現(xiàn)場數(shù)據(jù)與場景驅(qū)動的分散式風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)施了基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的電力系統(tǒng)綜合實(shí)踐創(chuàng)新性教學(xué)方法。這種教學(xué)模式有助于學(xué)生感性直觀地掌握新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和探索創(chuàng)新能力，學(xué)生可以學(xué)習(xí)新能源行業(yè)前沿技術(shù)，為全球能源互聯(lián)網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高科技人才。實(shí)踐表明，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的新型教學(xué)方法具有較強(qiáng)的推廣性和示范性，對高校新能源發(fā)電類虛擬仿真資源建設(shè)和難以開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)的課程實(shí)踐教學(xué)改革具有借鑒意義。

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