水电站运行仿真实验教学方法探究

赵辛欣

【摘要】本文结合大学学习和电气工程及其自动化专业的特点，阐述了进行水电站运行仿真实验的必要性。在分析水电站运行仿真课程内容的特点的基础上，有针对性的采用应用式教学、启发式教学、案例式教学方式。并利用水电站运行仿真实验教学中的实例说明了如何利用这三种教学方法提升该课程的教学效果。

【关键词】水电站运行仿真实验 应用式教学 启发式教学 案例式教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0220-02

一、水电站运行仿真实验

大学本科学习有其特殊的特点：首先，分专业学习涉及到的专业知识和交叉学科知识众多，学生在学习专业知识时往往很困惑：自己所学习的专业知识与实际工作的联系在哪里？其次，大学学习中的理论课程均以课程结业考试或考查的方式来检验学习效果，所以学生在学习的过程中往往在学习后续课程的时候，前修课程的知识已经部分遗忘。考虑到这些特点，在学生走上工作岗位之前，如果能创造机会，让他们将所有专业知识融会贯通，理论联系实际，对他们在工作后能快速适应工作是非常有利的。

电气工程及其自动化专业的许多学生在毕业后会从事电力系统相关工作，成为电力系统的工作人员。他们工作的对象电力系统具有下列特点[1]：

1.电能的生产与消费具有同时性。

2.电能与国民经济和人民日常生活关系密切。

3.电力系统的过渡过程非常短暂。

上述电力系统的特点也对从事电力系统相关工作的人员提出了特殊的要求：1.在系统处于正常工作状态时，他们在工作中应保证其操作的正确性，因为一旦出现误操作，可能危及人身、设备安全或在短时间内造成巨大的损失。2.若电力系统出现不正常工作状态、故障状态，电力系统的工作人员应迅速做出处理措施，让系统尽快恢复正常状态，或是防止事故的扩大。考虑到这些要求，如果能有一个模拟的电力系统供学员进行正常操作的练习，并能模拟电力系统的不正常和故障状态以提高学员的事故分析处理能力，就能在短时间内让学员的工作能力有很大的提升，这对提高整个电力系统运行的安全性、稳定性和经济性有非常重大的意义。

水电站运行仿真实验是三峡大学（后称“我校”）电气工程及其自动化专业学生的必修的实践环节。在我校的人才培养计划中，水电站运行仿真实验通常安排四年级的第一学期，16学时，通过我校自主开发的水电站运行仿真培训系统完成。水电站运行仿真培训系统利用计算机仿真模拟一个水电站所有设备协同工作，并将发电机发出的电能输送给外部电力系统的完整过程。该培训系统在计算机上给参与该实践环节的学生模拟水电站运行人员的工作环境，提供上位机操作和现地操作的两种方式，让他们完成一个水电站运行人员的日常工作。通过该课程的学习，能够让学生明白自己在专业学习中学到的知识在实际生产中是什么、怎么用，所以，课程采用的教学理念和教学方法对学生能否迅速的胜任相关工作有着重要的作用。

二、应用式教学

应用式教学强调理论联系实际，重视学以致用。水电站运行仿真实验需要学生综合运用《发电厂动力部分》、《发电厂电气部分》、《电力系统分析》、《电力系统继电保护》、《电力系统自动化》等课程的知识，来完成相应的实验任务。

表1中列出了水电站运行仿真实验课的主要实验任务和各实验任务中涉及到的专业知识。在教学中可以着重引导学生回顾相应的重要知识点，通过完成相应的实验任务，学生就可以知道理论知识是如何用于实际工作的。

以水电站的认识实验为例，这一实验项目是通过记录仿真系统模拟的水电站内各设备的运行工况，让学生了解水电站的基本情况，为后续操作项目打下基础。在理论课程的教学过程中，开关设备、电气主接线、发电机、变压器、输电线路、母线、自动装置、厂用电、水轮机及辅助设备等都是分配在不同的课程或章节中来讲解的，而在水电站运行仿真实验课程中，通过仿真软件将它们按照固有的规律结合在一起，形成模拟的水电站。学生会看到水轮机辅助系统（技术供水、油、压缩空气）的概况、发电机和变压器的连接形式、升压站的接线形式、发电机出口互感器的数量、各段厂用电之间的备用电源自投入装置；也会知道调速器、励磁调节器、辅助设备控制柜等是位于水电站的厂房的不同层里；更能明确，即便是在现地操作时的盘柜上操作开关设备，也应该牢记水电站中各设备的连接方式，遵循开关操作的基本原则，才能避免误操作。在完成这一部分的实验过程中，虽然只是让学生记录了设备的运行工况，但能验证他们在理论课程上学过的知识，也能让他们熟悉水电站各种设备的运行工况和安装位置。

注重理论知识的应用还应体现在分析问题的方法上，在理论课程的学习中的计算和分析常采用向量图分析的方法，而在实际的水电站中，往往需要分析的电气量不是向量图，而是波形图。在教学的工作中，也应注意思维方式的转换，将波形图转化为向量图再进行分析，帮助学生适应实际工作中的思维方式。

除此之外，在教学的过程中，只要涉及到学生操作的内容，可以让学生每两人一组，一位同学扮演操作人，另一位同学扮演监护人，按照实际工作中的操作规范来完成。同样，在形成实验报告的时候都按照电力系统标准操作票的形式记录。

通过应用式教学，学生不仅能够将书本上的理论知识联系到实际工作，而且能熟悉实际工作中的思维和处理问题的方式。

三、启发式教学

启发式的教学方法需要教师在指导实验的过程中，根据专业知识之间的联系，引导学生积极主动掌握相关知识。

在运行方式的切换和倒闸操作实验任务中，需要学生完成三分之四断路器接线形式下的输电线路的停、送电操作。学生起初可能会感觉很茫然，因为他们并不熟悉这种接线形式。但是在发电厂电气部分的课本上一定讲过另一种供电可靠性很高的接线形式——二分之三断路器接线（一台半断路器接线）。在指导这一个实验项目时，可以先从二分之三断路器接线的命名原因引导学生去思考三分之四断路器接线名称的来由；然后提示学生类比这两种接线形式的可靠性和操作方法；最后联系继电保护选择性的要求，让学生分析出输电线路停、送电操作时具体需要操作的开关设备。这样学生就能很快掌握这种平时不太熟悉的主接线形式中的线路停、送电操作。

除了完成实验任务外，也可以运用启发式的教学方法来让学生掌握更多的专业知识。在输电线路的操作中，学生会观察到超高压输电线路的并联电抗器。并联电压器是为了防止高压输电线路轻载或空载时，线路末端出现过电压，根据实际需要而配置的。并联电抗器能够防止输电线路末端过电压的原因是因为它的实质是电感，可以吸收系统多余的感性无功功率。另外，电力系统中用来保证电能质量和电力系统运行经济性的还有很多其它的措施。从并联电抗器入手，可以从上述两方面来启发学生思考更多电力系统的原理。图1表示的是由并联电抗器出发，让学生联想的相关知识点。

在实验过程中，通过教师的启发，学生不仅能学习到与水电站相关的知识，更能通过自觉思考掌握更多与专业相关的知识。

四、案例式教学

案例式教学需要教师根据仿真培训系统模拟的水电站的运行工况，设计相应的案例，鼓励学生积极思考，完成实验任务。

电气故障和事故处理是通过教师利用仿真培训系统，在模拟的水电站中设置各种设备发生故障，让学生分析故障现象，进行故障处理。案例教学法在这一部分的实验教学中运用较多。

案例1：1号输电线路短路故障（电力系统常见的四种短路三相短路、两相短路、单相接地短路、两相短路接地之一），需要学生记录、分析故障现象，判断故障类型，完成故障后的处理。

通过仿真培训系统设置模拟水电站1号输电线路发生短路故障后，学生可以从仿真培训系统中看到故障有关信息，包括：断路器跳闸信息、各种微机保护装置动作于发信号或跳闸的信息、自动重合闸装置信息等。相应的，在课堂上可以先不公布故障设备（1号输电线路）以及该设备上发生故障的具体类型，提示学生根据继电保护选择性的要求，结合已跳闸的断路器可以判断故障设备；联系微机保护装置提示已动作的保护，回顾课本上这些保护的工作原理，区分故障设备的具体故障类型；依据自动重合闸是否启动和断路器最终是否跳闸来判断所发生的故障性质是瞬时性的或永久性的。最后，要求学生通过分析和讨论判断故障设备和故障类型；在故障发生后是否存在断路器、保护误动或拒动；根据分析的结论，完成故障后的处理，涉及到的具体操作，按标准操作票规范形成实验报告。

案例2： 1号水轮发电机组水轮机推力轴承瓦温升高现象，需要学生排除故障，使水轮发电机组恢复正常运行。

通过仿真培训系统设置推力轴承冷却水故障后，出现推力轴承瓦温升高现象。仿真培训系统设定，瓦温高于60℃时，发报警信号，当瓦温高于70℃，发电机事故停机。所以，当学生看到系统提示推力轴承瓦温过高的报警信息时，留给他们排除故障的时间也是有限的。所以，这就要求学生在看到温度报警信号后，保持头脑冷静，迅速在温度监视中确认发生异常的设备，并在技术供水系统中逐一排查进水口阀门、加压泵、滤过器、推力轴承冷却水阀门是否存在故障，若存在故障，应迅速倒换相应的备用设备，监视技术供水系统恢复正常，推力轴承瓦温下降，恢复正常，故障排除。

案例教学法，让学生完成实验任务的同时更能身临其境的感受到一个水电站运行人员的责任。

五、结语

水电站运行仿真实验课程涉及到水电站的实际设备和电气工程及其自动化专业的许多专业知识。在教学的过程中，教师应不断探索提升该课程教学效果的方法。注重理论联系实际，用启发式教学法引导学生自主学习思考，靠案例教学法让学生感受实际工作的氛围，这些教学方法都能丰富课程内容，增加学习的趣味，让教学效果更佳。

参考文献：

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