電力系統(tǒng)仿真教學(xué)建設(shè)與實(shí)踐

王艷紅，李 強(qiáng)

（河北師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

0 引言

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要保障，具有覆蓋面廣、電壓等級高、安全要求高等特點(diǎn)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理和維護(hù)是電力系統(tǒng)工作崗位的主要職責(zé)，也是學(xué)院電氣工程及自動化專業(yè)的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。在傳統(tǒng)授課模式的基礎(chǔ)上，安排學(xué)生以課程內(nèi)容和企業(yè)需求構(gòu)建虛擬仿真資源庫，教師負(fù)責(zé)宏觀指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)操作能力，激發(fā)學(xué)生參與課堂學(xué)習(xí)的積極性，實(shí)現(xiàn)師生共研，整合豐富的信息化教學(xué)資源，創(chuàng)造主動式、協(xié)同式、研究式的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)生個性化學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件，深化課堂教學(xué)改革，提升教學(xué)質(zhì)量有重要作用。

1 研究的意義

傳統(tǒng)電氣工程及其自動化專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)依附于理論課程的教學(xué)體系，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法存在的問題：①實(shí)踐課僅僅是對理論的簡單驗(yàn)證，缺乏對所學(xué)知識進(jìn)行融會貫通，舉一反三能力的培養(yǎng)。②實(shí)踐內(nèi)容重復(fù)，缺乏完整性，僅局限于本課程內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，而與其他課程的橫向聯(lián)系較少。③缺乏對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，對實(shí)踐課程的總體缺乏認(rèn)識。電力系統(tǒng)仿真教學(xué)適合目前高校要求，具有傳統(tǒng)實(shí)踐課程不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：

（1）電力系統(tǒng)虛擬仿真平臺的可擴(kuò)展性。電力系統(tǒng)的電壓等級一般都在10kV以上，對實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)指標(biāo)都要求很高，實(shí)驗(yàn)平臺成本很大，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室不具備實(shí)驗(yàn)條件，危險系數(shù)大，仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的工作原理和控制的動作過程，尤其虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺能夠覆蓋較多類型的電力系統(tǒng)，火電、水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電、分布式電源，既能夠解決實(shí)驗(yàn)成本過高，危險系數(shù)過大的問題，還能夠讓學(xué)生對真實(shí)電力系統(tǒng)的變電所，發(fā)電廠有更深的理解認(rèn)識[1]。

（2）電力系統(tǒng)仿真平臺的科研性。針對學(xué)科學(xué)術(shù)型人才培養(yǎng)，鼓勵學(xué)生結(jié)合仿真項(xiàng)目，設(shè)計(jì)可由學(xué)生獨(dú)立開展研究的課題，不僅使學(xué)生了解學(xué)科優(yōu)勢和發(fā)展方向，同時使學(xué)生對自身能力的培養(yǎng)目標(biāo)更加明確。逐步提高學(xué)生的英文讀寫能力，提升學(xué)生自主組織，管理和推動項(xiàng)目的能力，提高個人的科研素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生協(xié)調(diào)及與人交際能力，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到提升。

（3）電力系統(tǒng)仿真平臺的多課程融合性。電氣專業(yè)課程多并且難以理解，如果光通過理論講解，部分學(xué)生不能很好地掌握，如果各個專業(yè)課程均建立仿真模型庫，把課程中的知識點(diǎn)通過仿真軟件演示出來，驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性，這樣學(xué)生通過剖析仿真案例進(jìn)行理論教學(xué)，學(xué)生覺得書本上的理論知識與電網(wǎng)的實(shí)際對象緊密地聯(lián)系起來了，覺得書本內(nèi)容不是那么枯燥，而且很實(shí)用，有助于提高他們對該課程的興趣和學(xué)好課程的信心。

2 平臺建設(shè)存在的主要問題

目前，學(xué)院已經(jīng)成功申請了《分布式能源配電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》和《工業(yè)機(jī)器人流水線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》這兩項(xiàng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，依托學(xué)院《電力系統(tǒng)分析》《電氣plc》《發(fā)電廠電氣部分》《繼電保護(hù)》等課程開展虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)，探索信息技術(shù)與電力實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)相融合，體現(xiàn)了多學(xué)科交叉融合及新工科的特點(diǎn)，在2019、2020、2021年對電氣工程及其自動化學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，仍然存在著一些問題：

2.1 學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不持久，實(shí)訓(xùn)變成應(yīng)付式

虛擬仿真軟件將場景進(jìn)行三維可視化模擬仿真，學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程可以通過鍵盤、鼠標(biāo)等工具實(shí)現(xiàn)在虛擬場景中快速切換場景、自主行走、全方位任意交互漫游，實(shí)訓(xùn)猶如游戲。實(shí)訓(xùn)開始的確激起了學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，但是隨著實(shí)訓(xùn)的進(jìn)行，學(xué)生發(fā)現(xiàn)仿真實(shí)訓(xùn)不等同于游戲，需要相關(guān)的理論知識支撐，還需要了解枯燥的規(guī)范條件，容易失去興趣。

2.2 仿真實(shí)訓(xùn)操作簡單化，不能激勵學(xué)生創(chuàng)新意識

經(jīng)實(shí)訓(xùn)兩個仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，仿真操作簡單，例如《分布式能源配電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行倒閘操作的二維動畫界面，電氣主接線形式不能改變，只能對其中的4條線路進(jìn)行倒閘操作，結(jié)構(gòu)形式單一，不能隨時改變發(fā)電廠或變電站的進(jìn)線和出線數(shù)目，不能改變母線的運(yùn)行方式，導(dǎo)致倒閘操作步驟固定，不靈活。變電所的三維界面與實(shí)際變電所的配置存在一定差異，在進(jìn)行倒閘操作的過程中，只有一人進(jìn)行操作，與實(shí)際倒閘操作至少2人的原則有出入，會對學(xué)生有一定的誤導(dǎo)。另外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)存在著課程對應(yīng)知識點(diǎn)少的問題，一門課的知識點(diǎn)可以達(dá)到近百個，但是我們的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)里涉及的知識點(diǎn)僅有十幾個，不能充分的與理論聯(lián)系在一起。

2.3 考核評價過于死板，不能反映學(xué)生真實(shí)水平

仿真實(shí)訓(xùn)是在電腦上操作，使用鍵盤、鼠標(biāo)便可開展實(shí)訓(xùn)。大部分仿真實(shí)訓(xùn)軟件能開展模擬訓(xùn)練、模擬考核，考核評價方式都比較單一，與仿真實(shí)訓(xùn)操作存在相同的問題：學(xué)生在不懂任何相關(guān)理論知識、操作規(guī)范、工藝流程的情形下，也能順利通過考核，并且能獲得不錯的成績，甚至有些仿真實(shí)訓(xùn)軟件，可以同時進(jìn)行模擬訓(xùn)練與模擬考試，仿真實(shí)訓(xùn)教材容易實(shí)施“作弊”，考核形同虛設(shè)，考核成績根本無法反映學(xué)生真實(shí)水平[2]。

3 平臺建設(shè)措施

3.1 開發(fā)搭建多元化、多層次的電力系統(tǒng)仿真平臺

電力系統(tǒng)涉及很多相關(guān)學(xué)科，是由各個相關(guān)的知識群構(gòu)成的，仿真實(shí)踐教學(xué)平臺中的知識結(jié)構(gòu)應(yīng)是多課程融合的知識體現(xiàn)，因此需要搭建多元化、多層次的仿真平臺，一是基于現(xiàn)有教學(xué)知識體系，搭建涵蓋專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課、實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)課的仿真平臺，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性、教學(xué)手段的形象性、教學(xué)情境的仿真性；二是平臺覆蓋面廣，面向常見電力系統(tǒng)崗位技能要求，充分利用虛擬仿真技術(shù)，真實(shí)地再現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)場工作情境，例如水電、火電、風(fēng)電等電力系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)崗位，整合、序化課程的教學(xué)內(nèi)容，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，滿足理論學(xué)習(xí)與技能培訓(xùn)需求[3]。

3.2 根據(jù)課程內(nèi)容和企業(yè)需求構(gòu)建仿真資源庫

詳細(xì)分析課程內(nèi)容和企業(yè)需求，確定課程所需要開設(shè)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)等。采用準(zhǔn)企業(yè)實(shí)踐模式，將課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行整合，以生產(chǎn)項(xiàng)目或案例形式確定綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建仿真模型庫。采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電力系統(tǒng)多門主要課程以知識點(diǎn)模塊的形式，通過PSCAD軟件和MATLAB軟件為計(jì)算平臺，建立相關(guān)模型，搭建仿真資源庫，用于后期仿真演示及驗(yàn)證主要課程的相關(guān)理論。另外通過基礎(chǔ)仿真軟件搭建的仿真庫，可以充分利用課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)用結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解除問題的實(shí)踐能力。讓學(xué)生積極參與與專業(yè)課程相關(guān)的課外科研活動，更全面有效地培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)本領(lǐng)，加快培養(yǎng)出高素質(zhì)人才。

3.3 基于仿真平臺的考核評價研究

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)能有效節(jié)約教學(xué)成本，容易實(shí)施長久反復(fù)訓(xùn)練，能形象、立體呈現(xiàn)龐大、復(fù)雜的電力系統(tǒng)，但僅以虛擬系統(tǒng)考核作為技能掌握的評判依據(jù)具有一定的片面性，特別是在培養(yǎng)學(xué)生的安全、認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)裙ぷ饕庾R方面，需結(jié)合一定的實(shí)操考評，能更好地培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、分析問題、解決問題等能力。

將虛擬平臺，基礎(chǔ)仿真軟件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用使用貫穿于理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)過程，研究分階段、多維度的過程化考核機(jī)制，從知識學(xué)習(xí)、技能掌握、職業(yè)意識、課程思政等方面考核學(xué)生，提高教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)虛擬仿真和基礎(chǔ)仿真軟件相結(jié)合的平臺建設(shè)，形成了虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)體系，采用“理論+虛擬+實(shí)踐”一體化的教學(xué)模式，將理論知識分塊融入實(shí)踐操作過程中，本著以學(xué)生為主的原則，增加仿真體驗(yàn)，著重訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)際操作技能。并且采用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，教師通過布置課程仿真模塊搭建任務(wù)，逐漸提升學(xué)生的問題分析和處理能力，適合目前高校廣泛采用的過程化考核方案需要，增大平時成績比例，弱化期末考試成績的比重，形成了一套全方位的、分階段、多元化的過程化考核機(jī)制。