“雙碳”背景下電站智能控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐

劉代飛，謝又成，馮磊華，李介明

（長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖南 長沙 410114）

我國“雙碳”目標(biāo)的提出為能源電力相關(guān)專業(yè)的新工科人才培養(yǎng)確定了新方向和新目標(biāo)。新工科是我國工程教育發(fā)展的全新階段，是國家大戰(zhàn)略創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的新方向[1-2]。新工科倡議通過“復(fù)旦共識”“天大行動(dòng)”“北京指南”等綱領(lǐng)性文件體現(xiàn)了我國工程教育對“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”“一帶一路”等國家重大戰(zhàn)略的積極響應(yīng)。2020 年9 月我國明確提出2030 年“碳達(dá)峰”與2060 年“碳中和”目標(biāo)，并將“雙碳”目標(biāo)納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)成為我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展的方向[3-4]。因此，“雙碳”目標(biāo)背景下順應(yīng)行業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)和領(lǐng)域?qū)θ瞬诺男滦枨?，培養(yǎng)面向未來能源電力格局的專業(yè)創(chuàng)新人才，是貫徹新工科理念、開展教學(xué)改革的重要途徑。

長沙理工大學(xué)能源動(dòng)力類專業(yè)人才培養(yǎng)的基本定位是：服務(wù)國家和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，面向能源動(dòng)力工程大領(lǐng)域，緊緊依托發(fā)電行業(yè)，彰顯發(fā)電工程以及“熱、電、冷、儲(chǔ)”分布式能源工程方面的學(xué)術(shù)特色和優(yōu)勢，秉承“德育為先、知識為本、能力為重、全面發(fā)展”的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)具備熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、自動(dòng)控制、系統(tǒng)工程等寬厚理論基礎(chǔ)，能從事清潔能源生產(chǎn)、智慧能源、新能源開發(fā)、制冷與空調(diào)、儲(chǔ)能等專業(yè)的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行與生產(chǎn)管理的具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)復(fù)合型專門人才和行業(yè)精英。學(xué)校在能源電力方面的人才培養(yǎng)始于1956 年，即當(dāng)時(shí)的電力工業(yè)部創(chuàng)辦的長沙水力發(fā)電學(xué)校。經(jīng)過六十余年的辦學(xué)歷程，逐步發(fā)展和形成了具有長沙理工特色的能源電力人才培養(yǎng)模式。目前，能源動(dòng)力類本科專業(yè)中的電站智能控制方向?qū)W分構(gòu)成為：總學(xué)分170，理論教學(xué)環(huán)節(jié)127.5 學(xué)分，占75%，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)42.5 學(xué)分，占25%。以能源過程及系統(tǒng)與信息技術(shù)為主體，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)與信息技術(shù)與電氣工程的融合。圍繞發(fā)電過程智能控制的課程設(shè)計(jì)主要有：發(fā)電過程檢測技術(shù)、發(fā)電過程控制系統(tǒng)、發(fā)電過程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、運(yùn)行及仿真實(shí)習(xí)等。“雙碳”背景下，如何圍繞發(fā)電生產(chǎn)過程，以電站智能控制為切入點(diǎn)，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識、提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力，是長沙理工能源動(dòng)力類專業(yè)人才培養(yǎng)中深化課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革的重要任務(wù)。

1 面向“雙碳”的“人工智能+新能源”課程設(shè)計(jì)內(nèi)容體系構(gòu)建

“雙碳”目標(biāo)下能源與電力相關(guān)專業(yè)本科教學(xué)的主要任務(wù)之一是為新能源為主體的新型電力系統(tǒng)培養(yǎng)人才。在能源電力行業(yè)中，傳統(tǒng)常規(guī)的發(fā)電形式主要是火力、水電和核電。新能源發(fā)電主要聚焦太陽能、風(fēng)能、波浪能等。新能源發(fā)電的區(qū)域性、季節(jié)性和隨機(jī)性導(dǎo)致發(fā)電過程的間歇不連續(xù)和電能質(zhì)量的不穩(wěn)定，儲(chǔ)能成為新能源實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要保障措施。“雙碳”目標(biāo)導(dǎo)向下，“常規(guī)能源―新能源―儲(chǔ)能”聯(lián)合的源網(wǎng)荷儲(chǔ)大系統(tǒng)是新型電力系統(tǒng)的基本架構(gòu)方式。我國能源電力行業(yè)發(fā)展迅速，能源電力行業(yè)的智能制造迫切需要?jiǎng)?chuàng)新型的電站智能控制專業(yè)化人才。特別是“新一代人工智能”與專門人才的復(fù)合培養(yǎng)符合國家人才戰(zhàn)略需求，已納入國家發(fā)展規(guī)劃[5-6]。正如2018年10 月31 日，習(xí)近平總書記在“推動(dòng)我國新一代人工智能健康發(fā)展”中指出的那樣：“人工智能是引領(lǐng)這一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略性技術(shù)，具有頭雁效應(yīng)。加快發(fā)展新一代人工智能是我們贏得全球科技競爭主動(dòng)權(quán)的重要戰(zhàn)略抓手，是推動(dòng)我國科技跨越發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級、生產(chǎn)力整體躍升的重要戰(zhàn)略資源。”[7]當(dāng)前，人工智能與新能源產(chǎn)業(yè)的深度融合形成的新業(yè)態(tài)使得發(fā)電領(lǐng)域?qū)﹄娬局悄芸刂茖ｉT人才的需求更加迫切。新工科理念下的能源與電力專業(yè)人才培養(yǎng)必須結(jié)合行業(yè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，創(chuàng)新課程教學(xué)內(nèi)容體系。因此，應(yīng)結(jié)合“雙碳”發(fā)展基本目標(biāo)，積極建設(shè)以“人工智能+新能源”為主線的電站智能控制課程設(shè)計(jì)內(nèi)容體系。

1.1 課程設(shè)計(jì)的能力培養(yǎng)

電站智能控制課程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是依據(jù)能源電力行業(yè)對發(fā)電過程控制專門人才的實(shí)際需求，明確本科生的能力與素質(zhì)要求。本課程設(shè)計(jì)通過若干教學(xué)環(huán)節(jié)，主要培養(yǎng)學(xué)生如下五個(gè)方面的能力。①問題分析：能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，通過文獻(xiàn)研究，識別、表達(dá)和分析能源電力領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，并獲得有效結(jié)論。②方案設(shè)計(jì)：能夠設(shè)計(jì)和開發(fā)滿足能源電力工程特定需求的系統(tǒng)、設(shè)備或自動(dòng)控制方案，并能綜合考慮社會(huì)、安全、法律、文化及環(huán)境等因素，體現(xiàn)一定的創(chuàng)新意識。③工程研究：能夠基于科學(xué)原理、采用科學(xué)方法對能源電力中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集、處理、分析與解釋數(shù)據(jù)，通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論并應(yīng)用于工程實(shí)踐。④現(xiàn)代工具使用：能夠針對復(fù)雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，理解其局限性。⑤項(xiàng)目管理學(xué)習(xí)：在與能源與動(dòng)力工程專業(yè)相關(guān)的多學(xué)科環(huán)境中理解、掌握、應(yīng)用工程管理原理與經(jīng)濟(jì)決策方法，具有一定的組織、管理和領(lǐng)導(dǎo)能力。

以“人工智能+新能源”為基準(zhǔn)，強(qiáng)化電站智能控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)中的系列環(huán)節(jié)。如圖1 所示，通過課程設(shè)計(jì)使學(xué)生能夠評價(jià)能源與動(dòng)力工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試與運(yùn)行方案，能夠理解和評價(jià)工程實(shí)踐對環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響，能夠在工程實(shí)踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和行為規(guī)范，能夠在設(shè)計(jì)任務(wù)課題小組中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員或負(fù)責(zé)人的角色，實(shí)施有效溝通和交流。由此，學(xué)生就具備一定的國際視野，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，具有提高自主學(xué)習(xí)和適應(yīng)能源與動(dòng)力工程新發(fā)展趨勢的能力。

圖1 課程設(shè)計(jì)的能力要求

1.2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與知識結(jié)構(gòu)

電站智能控制課程設(shè)計(jì)以發(fā)電過程為中心，體現(xiàn)發(fā)電過程、過程控制、智能優(yōu)化三個(gè)層次和建模、仿真、控制與優(yōu)化四個(gè)方面的結(jié)構(gòu)內(nèi)容。如圖2 所示，課程設(shè)計(jì)具體過程主要包括選題、分組、設(shè)計(jì)和答辯。課程設(shè)計(jì)選課背景為發(fā)電過程，包括傳統(tǒng)常規(guī)發(fā)電、新能源發(fā)電、電力儲(chǔ)能。常規(guī)發(fā)電有火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電，新能源發(fā)電有太陽能光伏發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電等，電力儲(chǔ)能包括抽水蓄能、電池儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。過程控制的模塊內(nèi)容包括：過程辨識、參數(shù)估計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、順序控制邏輯設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)控制邏輯設(shè)計(jì)等。智能優(yōu)化的模塊內(nèi)容包括：深度學(xué)習(xí)、多目標(biāo)優(yōu)化、工況分析、故障診斷、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析等。課程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程對學(xué)生使用現(xiàn)代工具和軟件有具體的要求，基本的工具包括：文獻(xiàn)整理工具（如endnote、zotero），繪圖制表工具（如AutoCAD、visio）、公式圖表工具（如mathtype、origin）、建模仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)工具（如MATLAB、Ansys、VR）、優(yōu)化計(jì)算與編程工具（如PLC、DCS、pytorch、QT、CFD）。

圖2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容構(gòu)建

根據(jù)電站智能控制相關(guān)課程的進(jìn)度，開展課程設(shè)計(jì)模塊化的組合與選配。結(jié)合自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新三能力設(shè)置模塊配組為：基本配組、提升配組、拓展配組。其中，基本配組是相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容對應(yīng)的基礎(chǔ)內(nèi)容、知識及能力要求，提升配組是在基本能力之上強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力，拓展配組重點(diǎn)強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力。例一，當(dāng)進(jìn)入發(fā)電過程介紹這一部分內(nèi)容時(shí)，可以按如下模式配組。基本配組：①火力發(fā)電+過程辨識+工況分析；②水力發(fā)電+過程辨識+工況分析；③核能發(fā)電+過程辨識+工況分析；④風(fēng)力發(fā)電+過程辨識+工況分析；⑤太陽能光熱發(fā)電+過程辨識+工況分析；⑥太陽能光伏發(fā)電+過程辨識+工況分析；⑦波浪能發(fā)電+過程辨識+工況分析。提升配組：①火力發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；②水力發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；③核能發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；④風(fēng)力發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；⑤太陽能光熱發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；⑥太陽能光伏發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化；⑦波浪能發(fā)電+過程辨識+智能優(yōu)化。拓展配組：①火力發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；②水力發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；③核能發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；④風(fēng)力發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；⑤太陽能光熱發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；⑥太陽能光伏發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)；⑦波浪能發(fā)電+智能過程辨識+深度學(xué)習(xí)。例二，當(dāng)進(jìn)入PID 控制器設(shè)計(jì)這一部分時(shí)，可以按如下模塊化配組：基本配組：①過程辨識+PID 控制+仿真；②過程辨識+PID控制+仿真；③過程辨識+PID控制+仿真。④過程辨識+PID控制（工程整定法）+仿真；⑤過程辨識+PID 控制（粒子群優(yōu)化整定）+仿真；⑥過程辨識+PID 控制（遺傳算法優(yōu)化整定+仿真）。提升配組：①火力發(fā)電+PID 控制+智能優(yōu)化；②水力發(fā)電+PID 控制+智能優(yōu)化；③核能發(fā)電+PID 控制+智能優(yōu)化；④風(fēng)力發(fā)電+PID 控制+智能優(yōu)化；⑤太陽能光熱發(fā)電+PID控制+智能優(yōu)化；⑥太陽能光伏發(fā)電+PID控制+智能優(yōu)化；⑦波浪能發(fā)電+PID 控制+智能優(yōu)化。拓展配組：①風(fēng)力發(fā)電+儲(chǔ)能+PID 控制+多目標(biāo)優(yōu)化；⑤太陽能光熱發(fā)電+儲(chǔ)能+PID 控制+多目標(biāo)優(yōu)化；⑥太陽能光伏發(fā)電+儲(chǔ)能+PID控制+多目標(biāo)優(yōu)化；⑦波浪能發(fā)電+儲(chǔ)能+PID控制+多目標(biāo)優(yōu)化。

2 電站智能控制課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐

2.1 拓展課設(shè)選題與突出智慧能源相結(jié)合

以“雙碳”戰(zhàn)略為背景，立足能源電力行業(yè)，開展電站智能控制課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐，首先在課程設(shè)計(jì)的選題上拓展學(xué)生的知識面。結(jié)合發(fā)電過程的多樣性，設(shè)計(jì)覆蓋傳統(tǒng)能源發(fā)電、新能源發(fā)電、電力儲(chǔ)能的模塊化題目。模塊化的題目以“人工智能+新能源”為主線，突出智慧能源對發(fā)電過程、過程控制、智能優(yōu)化基本環(huán)節(jié)的訓(xùn)練要求。

2.2 強(qiáng)化過程指導(dǎo)與信息評價(jià)反饋相結(jié)合

抓實(shí)抓牢課程設(shè)計(jì)的分組、答疑、研討和答辯等環(huán)節(jié)。階段化管理和檢查學(xué)生的報(bào)告撰寫和設(shè)計(jì)文稿，全流程指導(dǎo)答疑和啟發(fā)式研討，綜合檢測答辯過程等。充分運(yùn)用“先進(jìn)化、體系化、現(xiàn)代化”的教育教學(xué)手段，融合“家國情懷、工匠精神、科技強(qiáng)國”等思政元素，通過實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力評價(jià)和信息反饋機(jī)制，著力培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

2.3 深化平臺(tái)建設(shè)與教師能力提升相結(jié)合

通過“雙碳”目標(biāo)和新工科對電站智能控制人才的能力和素質(zhì)需求，充分挖掘平臺(tái)資源、深化平臺(tái)建設(shè)，為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)提供設(shè)備和平臺(tái)保障。長沙理工大學(xué)的能源動(dòng)力類專業(yè)擁有“電力生產(chǎn)與控制”國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、“基于分布式光儲(chǔ)的能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與規(guī)劃”教育部國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、“可再生能源電力技術(shù)”湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“能源高效清潔利用”湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、“清潔能源與智能電網(wǎng)”湖南省2011 協(xié)同創(chuàng)新中心等國家和省部級教學(xué)與科研平臺(tái)。合理規(guī)劃和開展課設(shè)指導(dǎo)教師的工程化實(shí)踐，例如派教師到國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、國家能源集團(tuán)、國家電投、華能、華電、大唐等能源電力企業(yè)，或是聘請相關(guān)企業(yè)中具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師開展校內(nèi)講座、輔導(dǎo)和培訓(xùn)。

3 結(jié)語

對能源電力行業(yè)而言，“雙碳”的提出是新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)。不斷深化能源革命，全面持續(xù)推進(jìn)“雙碳”階段性任務(wù)的實(shí)施，需要具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)復(fù)合型專門人才做支撐。新工科要求能源電力領(lǐng)域的人才培養(yǎng)聚焦自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力三大基本能力。電站智能控制課程設(shè)計(jì)是能源動(dòng)力類本科學(xué)生專業(yè)能力訓(xùn)練和綜合素質(zhì)提升的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本課程設(shè)計(jì)在內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)了三個(gè)層次和四個(gè)方面的優(yōu)化架構(gòu)，教學(xué)實(shí)踐突出了三個(gè)結(jié)合，為專業(yè)特色人才的實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)奠定了基礎(chǔ)。