水电运行虚拟仿真实验教学系统的研究与实践

陈 铁， 李咸善， 汪长林， 钟 浩， 鲁明芳

(三峡大学 电气工程国家级虚拟仿真实验教学中心， 湖北 宜昌 443002)

水电运行虚拟仿真实验教学系统的研究与实践

陈 铁， 李咸善， 汪长林， 钟 浩， 鲁明芳

(三峡大学 电气工程国家级虚拟仿真实验教学中心， 湖北 宜昌 443002)

为加强电气专业学生水电运行操作能力的培养，充分利用三峡大学的水电特色，从教学设计出发，提出了工程性、综合性和科学性的水电运行虚拟仿真实验教学系统的设计理念。设计建设了水电运行虚拟仿真实验教学系统的实验平台、实验资源和实验项目，改革了教学模式，为学生开设水电运行虚拟仿真实验，用可靠、安全和经济的实验项目替代了高危、不可逆操作的实验，取得了良好的教学效果。

虚拟仿真； 实验教学； 水电运行

实验教学在培养学生的实践能力、创新精神、探索新知识方面具有不可替代的作用[1-2]，但电力生产操作实物实验因高危险性、高能耗、高成本和不可逆而难以实施。虚拟仿真实验使实验项目变得可靠、安全和经济[3]，通过构建逼真的实验环境、实验对象和实验内容，使学生在逼真的虚拟环境中学习处理实际工程问题，学习原理、训练技能和培养能力，因此虚拟仿真实验在电气专业的实验教学中得到了快速的发展[4-6]。

目前虚拟仿真实验的重点是构建平台和资源整合，而对于利用资源开展教学研究、优化平台，系统地提升学生的工程实践能力等缺乏深入探讨[7]。三峡大学电气工程国家级虚拟仿真实验教学中心充分利用本校水电专业的优势，以典型水电站为对象，从实验的工程性、综合性和科学性原则出发，将仿真平台、实验资源、教学内容、教学模式集成为虚拟水电仿真实验教学系统，取得了良好的教学效果。

1 水电运行虚拟仿真实验教学系统设计原则

水电运行是电力系统运行的重要环节，其知识体系涵盖电气专业几乎所有的基础理论和专业技术。建设虚拟水电运行仿真实验教学系统，不但能突破实物实验的局限性、增加实验的广度和深度，还能帮助学生建立完整的知识体系，培养学生的工程实践能力。虚拟水电运行仿真实验需要遵循以下原则。

1.1 满足实验教学的基本要求

水电运行虚拟仿真实验应该提供相似的实验平台，实验平台能提供与水电站真实设备的原理、结构和性能一致虚拟设备，这些虚拟设备具有更加灵活的操作形式，可以按照教学需要进行分组和组合，而且操作方式、内容与真实设备一致。

1.2 具有明确的工程背景

具有工程背景的实验是培养学生工程实践能力的基础。构建与现场真实环境相似的工程情境是虚拟仿真实验的亮点之一。但工程背景不应只是工程情境，而应该是工程情境、工程问题、工程知识和工程经验的系统集成，是在工程情境中利用工程经验、工程知识解决工程问题的环境或框架[8]。虚拟水电运行仿真实验不但要构建与水电生产现场环境相似的工程情境，还要提供水电运行操作的现实途径，并建立起基于运行规程和技术标准的实验框架体系。

1.3 应是综合性实验

综合性实验是培养学生工程实践能力的重要途径。综合性实验涉及本专业多门核心课程的基础理论和专业技术，学生需要综合运用这些知识才能完成实验[9-10]。水电站运行所涉及的知识体系不但涵盖电气专业几乎所有的核心理论和技术，还包括自动化、计算机科学与技术、水利水电工程、机械工程等专业知识。因此，工程背景下的虚拟水电运行仿真实验必然涉及更多类型的设备、更加复杂的原理和更加综合的技术，具有复合的实验内容和多元实验手段。

1.4 能培养学生的科研能力

科研能力是工程实践能力培养的核心目标。源于工程实际的水电运行虚拟仿真实验既要提供科学的实验内容，在教学中更要强调对实验现象和实验结果的思考与质疑，体现出对科研能力的培养，使学生在获得知识和掌握技能的同时，掌握科学研究的基本方法，并培养学生解决实际工程问题的素质和能力。

2 水电运行虚拟仿真实验教学系统的建设

实验教学系统的设计必须为教学服务。在满足实验教学基本要求的前提下，围绕实验的工程性、综合性和研究性，从平台设计、资源建设和教学组织3方面建设水电运行虚拟仿真实验教学系统，形成有效集成实验平台、实验资源、教学内容和教学模式的教学实体。

2.1 按照工作情景建设实验平台

实验平台包括硬件操作平台和软件支撑平台。

硬件操作平台是客户端(教练员台和实验站)、服务器和大屏幕投影组成的开放式计算机系统，采用与水电站中央控制室相同的布局。软件支撑平台由实验支撑软件、水电站仿真模型软件、客户端管理和监控软件构成。服务器运行水电站仿真模型程序，提供虚拟水电站的运行工况数据。实验站通过客户端界面呈现虚拟水电站的实时数据和操作接口，供学生实验。教练员台供教师使用，除具备实验站的全部功能外，还负责管理学员、启动仿真、加载工况、设置虚拟故障以及对系统实施全面控制。支撑平台软件运行于服务器和客户端，管理实验数据、进行实时通信，通过“一机多模”技术实现分组实验和组合实验。

学生在客户端模拟上位机监控系统、现地设备和盘柜的操作。这些设备在客户端界面中的布局与现场的实际摆放位置相同，其中上位机监控系统与真实系统的画面、风格、功能、操作完全一致，现地设备和盘柜通过二维画面展示结构，提供与真实操作相似、内容和原理相同的模拟操作方法。

实验平台与真实情景保持环境一致、风格一致、形式一致、原理一致，给学生以身临其境的体验，充分地调动了学生学习的主动性和积极性。

2.2 将实际工程转化为实验资源

将工程问题转化成实验资源(见图1)，实验资源的综合性和科学性决定了实验还原工程的深度和广度。水电运行是在水电能源从生产到分配的整个流通环节中，通过操作设备来优化运行方式，确保系统处于安全、稳定的状态，包括电能的生产、分配、使用和转化及其测量、监视、控制、保护等一系列生产过程。每一次运行方式的调整，都需要一次设备、二次设备和辅助设备协同参与才能完成。而实验资源的核心是水电站仿真系统模型，只有模型具备足够的综合性和科学性，能涵盖水电运行的全部设备、全部过程和全部现象[11]，才能最大限度地还原实际工程。

对水电运行中的典型问题进行综合、分析和归纳，将其分解为运行体系的基础知识点，令这些知识点既能够支撑起电气设备运行的专业知识体系，又能够通过建模仿真，最大限度地还原工程。围绕基础知识点建立的仿真模型，包括设备模型、子系统模型和系统模型的模型体系[12]。

首先，依据真实设备的工作原理建模，仿真设备的响应机理、响应过程和响应结果。设备的响应既包括来自客户端学员的操作，也包括其他设备的指令，例如断路器的分闸，既可以由学员在客户端监控界面上完成，也可以由继电保护和自动控制流程引起。

然后，对实现相同生产过程的设备之间的关联建模，模拟该生产过程下设备之间的耦合动态过程。例如：电气主系统模型模拟水轮机、发电机、主变压器、输电线路及电网的水电能源生产和转换的过程；厂用电系统模型模拟包括厂用电、厂用电动机的电能使用过程；电气二次控制系统或保护系统模拟包括直流系统、厂用电、控制/保护设备的控制/保护过程；辅机系统模型模拟电力生产中油、水、风系统的辅助过程。

图1 实际工程转化为实验资源的过程

最后，对不同生产过程中设备间的关联建模，模拟系统在正常状态、故障状态及事故状态下联合动态过程。模型通过单个设备—子系统—整体系统的状态演变，系统、科学、准确地模拟水电站在各种运行状态下的物理现象，达到了对水电运行过程最大的工程近似。

2.3 按照工程任务开设实验项目

依据认知规律和实际水电运行确定教学内容，以项目的形式开设实验，每个实验项目都是整个项目体系的一环，可以单独或由项目组合实现。经过知识认知—实践能力培养—研究能力培养3个层次，从低级到高级、从简单到复杂、从局部到整体，循序渐进地提升学生的工程实践能力(见图2)。

图2 实验项目的设置

(1) 第一层次：认知类项目。系统中任何一台设备的运行都会受到其他设备当前状态的影响。当实验的初始条件发生变化时，设备操作的方式和实验结果也可能发生变化。因此，从开始就不拘泥于课程和专业的限制，通过对设备的典型运行方式和运行原理的讲授，再通过基本操作，使学生学习设备的操作规程和操作方法。通过改变实验的初始条件可以增加实验难度，进一步培训学生的知识和基本操作技能。

(2) 第二层次：实践类项目。以实际运行中的3类典型操作为实验项目，每个项目涵盖一个以上的生产过程并涉及不同类型的设备。首先通过倒闸操作和开停机实验，使学生能够按照操作规程进行规范操作；再通过设置故障，培训学生对典型故障的快速反应能力和分析能力；最后进行事故处理实验。学生根据系统的状态进行负荷调节、倒闸等一系列操作,对系统的运行方式进行调整，使故障和事故的影响最小化，强化对于运行原理的认知和应用。

(3) 第三层次：研究类项目。该类项目带有一定的探索性，学生需要将系统的非典型工况恢复到正常的运行状态。不同的处理方式、处理时间和处理过程可能得到不同的处理结果。学生要观察异常现象并评估其对水电安全运行的影响、分析异常现象的原因，然后采用措施消除异常现象，将系统恢复到正常状态。

2.4 采用以学生为主体的教学模式

通过教师引导、学生自主实操，使学生成为教学的主体，强调能力学习，培养学生的科研和实践能力。

要求学生在实验前查阅资料、完成水电运行基础原理等相关知识的自主学习。在认知类实验阶段，由教师讲解实验目的、技术标准、操作规程等；进入实操阶段后，教师减少对理论性和专业性知识的讲解，主要进行实验安排、掌握实验进度并根据实验进度增加实验的难度、解答实验过程中出现的问题、对实验进行总结和评定。学生自己按照水电运行规程进行实验、记录实验数据、分析实验结果并对实验过程进行反思。

从复杂操作开始，教师不再单独对原理进行讲解，学生须自主设计实验过程并观察实验结果，经过分析、归纳、总结，形成系统的和科学的结论。在故障及事故实验阶段，以小组为单位进行实验。小组成员协作对故障现象和故障的连锁反应进行观察和记录，对故障进行紧急处置。当处理结束后，利用记录到的数据对事故的起因和性质进行综合分析和探讨；通过事故重演，分析和对比不同处理方案的优劣，优化处理方案。

在研究性实验阶段，教师只设置系统初始工况，学生要通过观测到的数据对事件的起因和性质进行综合性的探索，找到水电运行的薄弱点，然后自行设计处理方案，并通过对多种方案的分析、比较和测试，找到最合理、操作性最强、效果最好的处理方案。

3 系统的创新与特色

水电运行虚拟仿真实验教学系统突出实验的工程性、综合性和科学性，着力做好平台设计、资源建设和教学组织，系统性地提升学生的工程素质和能力。

(1) 提供给学生与现场一致的实验场景，极大地调动了学生实验的主动性和积极性。实验的操作背景、内容和方法与现场完全一致，实验室的设置与现场中控室的布置一致，学生实验时有身临其境的体验，有利于提高学生的工程意识。

(2) 实验内容来源于工程实际并与电气设备运行的知识体系深度融合。学生通过实验的操作、观察和分析，能够将所学知识和技术与实际水电运行联系起来，有利于知识的融合并形成系统性的知识体系。

(3) 认知实验、操作实验和研究性实验相结合，以能力输出为导向，循序渐进地提升学生的实践能力。学生通过认知实验对所学知识进行梳理，逐步建立起系统的概念；通过操作实验弥补在认知上的缺陷，重构知识体系、培养工程思维；通过研究性实验培养研究能力和探索精神。

4 结语

三峡大学的水电运行虚拟仿真实验教学系统自投入使用以来，电气工程国家级虚拟仿真实验教学中心除承担本校电气专业学生实验课程的教学任务外，还承担了国内外一些大学的学生实习培训工作。学生不但较好地掌握了电气设备运行的原理、方法和技术，而且掌握了工程背景下处理复杂事故的思路、方法和手段，形成了系统的知识体系，工程实践能力明显提高。

水电运行虚拟仿真实验教学系统在第四届全国高校自制仪器设备的评选中获得二等奖。以系统的核心技术为基础开发的水电站仿真培训系统在国内大型水电企业员工的技能培训、技能比武中发挥了重要的作用，相关研究成果获得水力发电科学技术奖三等奖。

References)

[1] 沈崴.搭建学生实践创新能力培养的平台[J].中国高等教育评估，2006(4):65-67．

[2] 张守魁.开放性、创新性实践教学的研究及实践[J].高校实验室工作研究,2007(4):47-48.

[3] 李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J]．实验室研究与探索，2013,32(11):5-8.

[4] 戴宪滨.电气工程及其自动化专业实践教学体系的构建研究[J].中国电力教育，2014(35):161-162.

[5] 周洪，刘超，何珊，等.电力生产过程虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理，2014,31(8):1-4,8.

[6] 苏勋文,王笃亭,朱显辉.基于虚拟仿真实验系统的电气工程专业教学改革与实践[J].江苏理工学院学报，2016,22(4):90-93.

[7] 盛苏英.开放式虚实结合实验教学探索与实践[J].实验科学与技术，2014,12(1):98-101,104.

[8] 陈以一,李晔,陈明.新工业革命背景下国际工程教育改革发展动向[J]．高等工程教育研究，2014(6):1-5.

[9] 朱志彪，高山．设置综合设计性实验提高学生综合素质[J]．实验室研究与探索，2010,29(7):238-240．

[10] 周鲜成．规范综合性、设计性实验教学的探索与研究[J].实验技术与管理,2007,24(7):103-104.

[11] 胡翔勇，李咸善，邓长虹.大型水电站全范围仿真培训系统建模特点[J].华北电力技术，1999(9):11-13,42.

[12] 陈铁,吴喜春，李咸善.面向设备的水电站辅机系统建模方法研究[J].水电能源科学，2015,33(5):165-169.

Research and practice on virtual hydropower operational simulation experimental teaching system

Chen Tie, Li Xianshan, Wang Changlin, Zhong Hao, Lu Mingfang

(Electrical Engineering National Virtual Simulation Experiment Teaching Center, China Three Gorges University,Yichang 443002, China)

Virtual simulation experiment provide reliable,safe and economical experimental project for high risk environment and irreversible operation. Aiming at the cultivation of students’ operating ability, and by using the characteristics of the Three Gorges University’s hydropower characteristics, this article proposes the design concept of “Engineering,comprehensive and scientific”virtual hydropower operational simulation experiment, then designs the experimental platform, and construction resources, develops the experimental items, and reforms the teaching mode around this idea. The virtual hydropower simulation experimental teaching system is built for the simulation experiment and acquires the ideal teaching effect．

virtual simulation; experimental teaching; hydropower operation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.030

2016-12-30 修改日期：2017-02-20

湖北省科技支撑计划项目(2015BAA106)；教育部高等学校电气类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题(DQJZW2016012)；宜昌市自然科学研究与应用项目(A15302a11)

陈铁(1975—)，男，湖北宜昌，硕士,副教授，主要研究方向为水电站运行与控制，电力系统运行与控制.

E-mail：623845668@qq.com

TV737；TP391.9

A

1002-4956(2017)06-0123-04