新形势下“水电站运行仿真实验”课程教学改革研究

李飞 陈铁

摘 要：针对目前水电站仿真实验教学中存在的教学条件陈旧、教学内容欠缺等问题，提出了新形势下水电站仿真实验教学改革的重要性。通过完善教学设施、丰富实验教学内容和课程考核办法等措施改善教学效果，通过逼真的水电站仿真平台激发学生的兴趣，让学生身临其境地参与到水电站的运行操作与维护中，切实提高学生的动手能力。

关键词：水电站仿真；实验教学；改革；新形势

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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Abstract： Aiming at problems in the simulation experiment teaching of hydropower station， including outdated teaching conditions and a lack of teaching content， this paper proposes the importance of its teaching reform in new situation.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

水电站自动化程度日益提高，对以操作能力培养为目标的水电站运行仿真实验提出了更高的要求。目前由于教学设施陈旧，教学方法单一，教学内容不足导致实验课程尚不能滿足新形势下工程教育对于人才培养的需求[1-2]。本文结合笔者多年水电站运行仿真实验的教学经验和仿真系统的开发经验，从扩充实验内容，优化实验教学模式，完善教学设施等诸多方面，探讨了面向工程教育背景下以学生为中心的水电站仿真实验教学改革的设计思路。

二、目前水电站运行仿真实验教学存在的问题

（一）实验教学硬件条件待完善

仿真实验室中现有30台培训站，4台教练员站，仅有2台服务器在工作。实验过程中经常出现画面不稳定或者数据延迟等问题，对实验课程的教学产生了一定的影响。同时服务器开设的进程有限，存在多名学生共用一个进程通过客户端访问数据服务器，如果个别学生出现误操作，可能导致该进程不可用，常常需要重启仿真系统，甚至重启数据服务器，重新设置仿真系统工况，在解决这些系统问题和维护学员机的问题上往往耗费比较多的时间，严重影响实验教学进度和课程质量。

（二）实验内容系统性不足，体系不够完善

本实验平台是以龙滩水电站仿真系统为原型，模拟了实际的水电站生产过程，仿真对象包括了水电站厂房和坝区在内的所有的运行设备，模拟了龙滩水电站的上位机监控系统，现地控制盘柜，现地开关柜和汇控柜等的监视控制和操作，同时能模拟工况设置，故障重演及继电保护系统的功能演示等。实验课程中仅仅对水电站中比较典型的运行操作开展了实验教学。实验内容主要包括水电站仿真系统基本知识介绍、开关倒闸操作培训、机组开停机及功率调节和水电站电气故障及继电保护实验。实验中仅以个别典型电气设备为例，实验内容和过程相对简单。学生在做实验的过程中，无法将水电站的各个系统联系起来，无法系统地理解水电站各系统的原理及功能。

三、水电站仿真实验教学改革的重要性和可行性

（一）重要性

电气设备的运行控制和保护技术越来越成熟和先进，水电站作为电力系统一个关键环节，拥有各种类型的电气设备。在此背景下，相关高校利用水电站仿真系统平台，对包括发电机、变压器、母线、输电线路在内的一次设备及其控制保护装置的运行操作开展实验教学，让学生真实模拟实际电厂的运行操作，这对于学生掌握和理解电气设备运行与控制原理具有重要作用。所以水电站仿真实验教学改革对于人才培养具有非常重要的意义[3]。

（二）可行性

实验室以国家级虚拟仿真实验教学平台为依托[4]，拥有专业的仿真系统开发团队，并已开发了多个水电站仿真系统。在硬件条件方面，通过增设数据服务器，每台培训站采用独立的线程，提高了实验的承载能力；在实验内容方面，将科研成果转化为教学资源，进一步扩充了教学内容；从硬件和软件两方面同时完成对实验资源的合理配置[5]。因而，扩充实验内容、完善实验环境，改进水电站运行仿真实验教学是完全可行的。

四、水电站运行仿真实验的教学改革

（一）建立完善的水电站运行仿真平台和实验教学体系[6]

首先利用实验室开发研究的水电站虚拟仿真实验教学平台，提供与现场效果一致的大型水电站仿真培训系统的实践教学环境，并定期对实验室的硬件设备进行维护，特别是数据服务器，维持实验平台的高效和稳定。

然后开展二维平面系统运行维护一体化仿真，对三维场景演示及漫游的多维仿真系统联合仿真，理论教学与实践教学紧密结合，研发典型教学案例，建立包含正常工况运行操作过程培训；异常工况运行操作过程培训；紧急事故工况处理操作培训的实验教学体系，并定期对学生在实验过程中出现的问题进行处理和完善。

最后利用先进灵活的教学手段，开展分组教学和单机模式等多种教学方式，分组教学时，每一组运行一套模型，对应一个进程，组内的用户均连接到该进程上，组员的画面状态一致，操作互相可见，简报信息共享，就像是同一個水电站中运行操作一样。单机模式时系统中有多套模型，每个学员独享一个仿真机。彼此之间互不干扰，就像自己一个人在操作一个独立的水电站，此模式适用个人学习训练和考核。通过“操作、观察、分析、记录、总结”，激发了学生的学习兴趣和主动参与的学习热情，提高了实践教学效果，并将嵌入学生技能考评系统，实现了以学生为中心的工程教育新形势下的教学模式改革。

（二）完善实验教学内容

目前教学内容比较欠缺，仅对水电站的开停机，功率调节，开关倒闸操作和继电保护等内容进行了讲解[7]。学生无法在短期对水电站的运行操作知识形成体系。所以完善教学内容变得尤为重要，在课程内容的组织上，主要从以下6次课程开展教学与课程考试，每次课程两个学时。

1. 介绍水电站运行仿真实验课程的重要性和基本概念，包括水电站的基本结构、水电站各建筑物等。学生在了解水电站基本概念的基础上，再进一步学习水电站的引水发电系统及其辅助设备、电气一次、电气二次、水力机械、金属结构等设备的功能，各设备之前的联系等等。

2. 介绍水电站的开关倒闸操作，开关倒闸操作的结果直接影响水电站电气系统的运行方式，而水电站运行方式因受到电网运行方式的改变而不断做出调整，所以开关倒闸操作在水电站运行操作中是非常频繁和重要的内容。学生在培训时需要掌握主要电气设备的开关倒闸操作流程，包括输电线路、500kV母线、断路器等等。在操作过程中，需要考虑相应设备继电保护的投退情况。

3. 介绍机组开停机。水电站的开停机操作是最典型的一项运行操作，它关系到机组的各个运行状态之间的转换。机组从停机到发电经历了一个相当复杂的过程，涉及到辅助设备，水轮机调速器，励磁系统，同期装置等的操作。学生开展开停机实验可以更深入的学习水电站各设备的原理和功能。

4. 学习水电站功率调节和电压控制。为了适应电网中枢点的电压水平和负荷水平，水电站常常需要进行功率调节和电压控制，水电站功率调节包括远方和现地控制，控制方式包括手动和自动控制两种方式。现地有功功率和频率调节在调速器柜上操作完成，现地无功功率调节和电压控制在励磁调节器柜上完成。远方的手动功率调节和电压控制在上位机监控系统的PQ调节界面或者机组LCU上面完成，远方的自动频率或电压控制分别在监控系统上的AGC或AVC操作界面上完成。

5. 水电站故障重演和继电保护操作培训，水电站的故障是多种多样的，包括电气故障和非电气故障，每一种故障都是有可能发生的，故障发生后对于水电站生产过程造成了严重影响，如何减少这种危害，水电站的继电保护应运而生，学习水电站继电保护一方面可以熟悉各种故障现象，通过保护装置动作情况和简报显示确定故障位置和严重程度，从而进一步完成故障隔离措施，实现了非故障设备稳定运行。

6. 课程考试，课程考试分为两种类型，离线理论考试和在线操作题考试。统一在技能考评系统上完成答题。理论考试的题型主要有选择题、填空题、判断题、简答题和作图题。理论考试主要考察学生在水电站运行方面的基本概念和尝试，包括与水电站相关的电气专业知识等，在线考试则直接在仿真系统上面完成，考察学生对于水电站基本操作的掌握和熟练程度。

五、结束语

从“水电站运行仿真实验”课程教学方面存在的问题入手，为适应新形势下工程教育对人才培养的要求，本文对课程实验教学改革进行了深入研究，并提出了以下改进设想：

1. 水电站运行仿真实验教学首先要构建完善的实验教学体系，依托国家级虚拟仿真实验教学平台，构建系统功能完备和参数画面稳定的水电站仿真培训系统，在此系统上，开展二维系统运行操作、三维系统同步演示等多维多媒体实验教学，采用分组教学和单机模式相结合的教学方式，让学生身临其境的参与到水电站的运行控制中来，有效的激发学生的兴趣。

2. 补充教学内容，教学内容的编排上，做到循序渐进，由浅入深，将水电站的主要运行操作安排到每一次课程，并在最后利用仿真系统自带的技能考评系统完成实验教学的考核，让学生实实在在的学到水电站运行等相关知识。

参考文献

[1]洪培培，王红利，陈洪伟，等.浅谈新形势下高校实验教学中的问题与对策[J].教育教学论坛，2016（9）：141-142.

[2]阎俊，闫永亮.基于工程教育思想的电路实验教学改进[J].中国电力教育，2014（35）：148-149.

[3]李咸善，胡翔勇，向学军，等.电气工程及其自动化专业水电特色实践教学体系探索[A].第四届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集[C].2007：588-592.

[4]鲁明芳，陈大伟，何博雅.基于虚拟仿真平台的电气工程实验教学改革研究[J].课程教育研究，2016（6）：251-252.

[5]南海鹏，余向阳，吴罗长.水电站综合实验平台建设[J].陕西水利，2013（2）：114-115.

[6]危雪.高校电气类实践课程精英化教学模式设计[J].新课程研究，2015（6）：62-64.

[7]李咸善，吴成明，胡翔勇.大型水电站全范围仿真培训系统建模特点[A].全国仿真技术学术会议[C].1999：11-13.