“双碳”背景下电站智能控制课程设计教学实践

刘代飞，谢又成，冯磊华，李介明

（长沙理工大学能源与动力工程学院 湖南 长沙 410114）

我国“双碳”目标的提出为能源电力相关专业的新工科人才培养确定了新方向和新目标。新工科是我国工程教育发展的全新阶段，是国家大战略创新人才培养模式的新方向[1-2]。新工科倡议通过“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等纲领性文件体现了我国工程教育对“互联网+”“中国制造2025”“一带一路”等国家重大战略的积极响应。2020 年9 月我国明确提出2030 年“碳达峰”与2060 年“碳中和”目标，并将“双碳”目标纳入生态文明建设整体布局，构建以新能源为主体的新型电力系统成为我国能源电力转型发展的方向[3-4]。因此，“双碳”目标背景下顺应行业发展的新业态和领域对人才的新需求，培养面向未来能源电力格局的专业创新人才，是贯彻新工科理念、开展教学改革的重要途径。

长沙理工大学能源动力类专业人才培养的基本定位是：服务国家和地方经济发展战略，面向能源动力工程大领域，紧紧依托发电行业，彰显发电工程以及“热、电、冷、储”分布式能源工程方面的学术特色和优势，秉承“德育为先、知识为本、能力为重、全面发展”的人才培养理念，培养具备热学、力学、电学、自动控制、系统工程等宽厚理论基础，能从事清洁能源生产、智慧能源、新能源开发、制冷与空调、储能等专业的科学研究、工程设计、优化运行与生产管理的具有创新意识的高素质复合型专门人才和行业精英。学校在能源电力方面的人才培养始于1956 年，即当时的电力工业部创办的长沙水力发电学校。经过六十余年的办学历程，逐步发展和形成了具有长沙理工特色的能源电力人才培养模式。目前，能源动力类本科专业中的电站智能控制方向学分构成为：总学分170，理论教学环节127.5 学分，占75%，实践教学环节42.5 学分，占25%。以能源过程及系统与信息技术为主体，实现能源系统与信息技术与电气工程的融合。围绕发电过程智能控制的课程设计主要有：发电过程检测技术、发电过程控制系统、发电过程计算机控制技术、运行及仿真实习等。“双碳”背景下，如何围绕发电生产过程，以电站智能控制为切入点，夯实学生的专业基础知识、提升创新创业意识和强化实践动手能力，是长沙理工能源动力类专业人才培养中深化课程设计教学改革的重要任务。

1 面向“双碳”的“人工智能+新能源”课程设计内容体系构建

“双碳”目标下能源与电力相关专业本科教学的主要任务之一是为新能源为主体的新型电力系统培养人才。在能源电力行业中，传统常规的发电形式主要是火力、水电和核电。新能源发电主要聚焦太阳能、风能、波浪能等。新能源发电的区域性、季节性和随机性导致发电过程的间歇不连续和电能质量的不稳定，储能成为新能源实现“双碳”目标的重要保障措施。“双碳”目标导向下，“常规能源―新能源―储能”联合的源网荷储大系统是新型电力系统的基本架构方式。我国能源电力行业发展迅速，能源电力行业的智能制造迫切需要创新型的电站智能控制专业化人才。特别是“新一代人工智能”与专门人才的复合培养符合国家人才战略需求，已纳入国家发展规划[5-6]。正如2018年10 月31 日，习近平总书记在“推动我国新一代人工智能健康发展”中指出的那样：“人工智能是引领这一轮科技革命和产业变革的战略性技术，具有头雁效应。加快发展新一代人工智能是我们赢得全球科技竞争主动权的重要战略抓手，是推动我国科技跨越发展、产业优化升级、生产力整体跃升的重要战略资源。”[7]当前，人工智能与新能源产业的深度融合形成的新业态使得发电领域对电站智能控制专门人才的需求更加迫切。新工科理念下的能源与电力专业人才培养必须结合行业和产业发展趋势，创新课程教学内容体系。因此，应结合“双碳”发展基本目标，积极建设以“人工智能+新能源”为主线的电站智能控制课程设计内容体系。

1.1 课程设计的能力培养

电站智能控制课程设计的基本任务是依据能源电力行业对发电过程控制专门人才的实际需求，明确本科生的能力与素质要求。本课程设计通过若干教学环节，主要培养学生如下五个方面的能力。①问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，通过文献研究，识别、表达和分析能源电力领域的复杂工程问题，并获得有效结论。②方案设计：能够设计和开发满足能源电力工程特定需求的系统、设备或自动控制方案，并能综合考虑社会、安全、法律、文化及环境等因素，体现一定的创新意识。③工程研究：能够基于科学原理、采用科学方法对能源电力中的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、收集、处理、分析与解释数据，通过信息综合得到合理有效的结论并应用于工程实践。④现代工具使用：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，实现对复杂工程问题的预测与模拟，理解其局限性。⑤项目管理学习：在与能源与动力工程专业相关的多学科环境中理解、掌握、应用工程管理原理与经济决策方法，具有一定的组织、管理和领导能力。

以“人工智能+新能源”为基准，强化电站智能控制课程设计教学中的系列环节。如图1 所示，通过课程设计使学生能够评价能源与动力工程项目的设计、施工、调试与运行方案，能够理解和评价工程实践对环境、社会可持续发展的影响，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和行为规范，能够在设计任务课题小组中承担个体、团队成员或负责人的角色，实施有效沟通和交流。由此，学生就具备一定的国际视野，具有自主学习和终身学习的意识，具有提高自主学习和适应能源与动力工程新发展趋势的能力。

图1 课程设计的能力要求

1.2 课程设计的内容与知识结构

电站智能控制课程设计以发电过程为中心，体现发电过程、过程控制、智能优化三个层次和建模、仿真、控制与优化四个方面的结构内容。如图2 所示，课程设计具体过程主要包括选题、分组、设计和答辩。课程设计选课背景为发电过程，包括传统常规发电、新能源发电、电力储能。常规发电有火力发电、水力发电、核能发电，新能源发电有太阳能光伏发电、太阳能光热发电、风力发电、波浪能发电等，电力储能包括抽水蓄能、电池储能、相变储能、飞轮储能、压缩空气储能等。过程控制的模块内容包括：过程辨识、参数估计、控制器设计、顺序控制逻辑设计、协调控制逻辑设计等。智能优化的模块内容包括：深度学习、多目标优化、工况分析、故障诊断、技术经济性分析等。课程设计的整个过程对学生使用现代工具和软件有具体的要求，基本的工具包括：文献整理工具（如endnote、zotero），绘图制表工具（如AutoCAD、visio）、公式图表工具（如mathtype、origin）、建模仿真与虚拟现实工具（如MATLAB、Ansys、VR）、优化计算与编程工具（如PLC、DCS、pytorch、QT、CFD）。

图2 课程设计的内容构建

根据电站智能控制相关课程的进度，开展课程设计模块化的组合与选配。结合自主学习、实践动手和创新三能力设置模块配组为：基本配组、提升配组、拓展配组。其中，基本配组是相应章节内容对应的基础内容、知识及能力要求，提升配组是在基本能力之上强化自主学习和实践动手能力，拓展配组重点强化实践动手和创新能力。例一，当进入发电过程介绍这一部分内容时，可以按如下模式配组。基本配组：①火力发电+过程辨识+工况分析；②水力发电+过程辨识+工况分析；③核能发电+过程辨识+工况分析；④风力发电+过程辨识+工况分析；⑤太阳能光热发电+过程辨识+工况分析；⑥太阳能光伏发电+过程辨识+工况分析；⑦波浪能发电+过程辨识+工况分析。提升配组：①火力发电+过程辨识+智能优化；②水力发电+过程辨识+智能优化；③核能发电+过程辨识+智能优化；④风力发电+过程辨识+智能优化；⑤太阳能光热发电+过程辨识+智能优化；⑥太阳能光伏发电+过程辨识+智能优化；⑦波浪能发电+过程辨识+智能优化。拓展配组：①火力发电+智能过程辨识+深度学习；②水力发电+智能过程辨识+深度学习；③核能发电+智能过程辨识+深度学习；④风力发电+智能过程辨识+深度学习；⑤太阳能光热发电+智能过程辨识+深度学习；⑥太阳能光伏发电+智能过程辨识+深度学习；⑦波浪能发电+智能过程辨识+深度学习。例二，当进入PID 控制器设计这一部分时，可以按如下模块化配组：基本配组：①过程辨识+PID 控制+仿真；②过程辨识+PID控制+仿真；③过程辨识+PID控制+仿真。④过程辨识+PID控制（工程整定法）+仿真；⑤过程辨识+PID 控制（粒子群优化整定）+仿真；⑥过程辨识+PID 控制（遗传算法优化整定+仿真）。提升配组：①火力发电+PID 控制+智能优化；②水力发电+PID 控制+智能优化；③核能发电+PID 控制+智能优化；④风力发电+PID 控制+智能优化；⑤太阳能光热发电+PID控制+智能优化；⑥太阳能光伏发电+PID控制+智能优化；⑦波浪能发电+PID 控制+智能优化。拓展配组：①风力发电+储能+PID 控制+多目标优化；⑤太阳能光热发电+储能+PID 控制+多目标优化；⑥太阳能光伏发电+储能+PID控制+多目标优化；⑦波浪能发电+储能+PID控制+多目标优化。

2 电站智能控制课程设计的教学实践

2.1 拓展课设选题与突出智慧能源相结合

以“双碳”战略为背景，立足能源电力行业，开展电站智能控制课程设计教学实践，首先在课程设计的选题上拓展学生的知识面。结合发电过程的多样性，设计覆盖传统能源发电、新能源发电、电力储能的模块化题目。模块化的题目以“人工智能+新能源”为主线，突出智慧能源对发电过程、过程控制、智能优化基本环节的训练要求。

2.2 强化过程指导与信息评价反馈相结合

抓实抓牢课程设计的分组、答疑、研讨和答辩等环节。阶段化管理和检查学生的报告撰写和设计文稿，全流程指导答疑和启发式研讨，综合检测答辩过程等。充分运用“先进化、体系化、现代化”的教育教学手段，融合“家国情怀、工匠精神、科技强国”等思政元素，通过实践能力、创新能力评价和信息反馈机制，着力培养学生的学习能力、实践动手能力和创新能力。

2.3 深化平台建设与教师能力提升相结合

通过“双碳”目标和新工科对电站智能控制人才的能力和素质需求，充分挖掘平台资源、深化平台建设，为学生的课程设计提供设备和平台保障。长沙理工大学的能源动力类专业拥有“电力生产与控制”国家级虚拟仿真实验教学中心、“基于分布式光储的能源互联网运行与规划”教育部国际合作联合实验室、“可再生能源电力技术”湖南省重点实验室、“能源高效清洁利用”湖南省高校重点实验室、“清洁能源与智能电网”湖南省2011 协同创新中心等国家和省部级教学与科研平台。合理规划和开展课设指导教师的工程化实践，例如派教师到国家电网、南方电网、国家能源集团、国家电投、华能、华电、大唐等能源电力企业，或是聘请相关企业中具有丰富实践经验的工程师开展校内讲座、辅导和培训。

3 结语

对能源电力行业而言，“双碳”的提出是新机遇和新挑战。不断深化能源革命，全面持续推进“双碳”阶段性任务的实施，需要具有创新意识的高素质复合型专门人才做支撑。新工科要求能源电力领域的人才培养聚焦自主学习能力、实践动手能力和创新能力三大基本能力。电站智能控制课程设计是能源动力类本科学生专业能力训练和综合素质提升的一个重要环节，本课程设计在内容上实现了三个层次和四个方面的优化架构，教学实践突出了三个结合，为专业特色人才的实习和实训奠定了基础。