新型电力系统发展背景下发电厂电气部分课程的工程贯穿教学改革探索

张祥宇 李然 胡永强 盛四清

摘  要：发电厂电气部分课程须适应新型电力系统的工程发展趋势，融入新能源、直流输电等先进技术，使课程中的厂站电气部分教学具有新的“双碳”特色。该文首先结合发电厂电气部分中传统厂站的电气部分教学内容，分析新能源场站、直流换流站等新型配电装置的特点，探索课程思政元素。其次，将新能源发电、直流输电技术融入发电厂电气部分设计之中，丰富新型电力系统的工程贯穿教学资源。最后，引入沉浸式漫游与工程实景交互认知的工程贯穿教改方案，构建资源融合充分、内容结构多样、学科特色鲜明的实践教学平台，全方位展示新能源高占比下发电厂电气部分的工程实践特色，优化教学效果。

关键词：发电厂电气部分；风电；直流输电；工程贯穿；电力系统

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）30-0134-04

Abstract： The course of Electrical Section of Power Plant should adapt to the engineering development trend of new power system， incorporate new energy， DC transmission and other advanced technologies， and make the teaching of Electrical Section of Power Plant have new "double carbon" characteristic. Firstly， based on the teaching content of electrical section of traditional power plant in the course of Electrical Section of Power Plant， this paper analyzes the characteristics of new power distribution devices， such as new energy power stations and DC converter stations， and explores the ideological and political elements of the course. Secondly， new energy power generation and DC transmission technologies are integrated into the design of Electrical Section of Power Plant to enrich the engineering running-through teaching resources of new power system. Finally， introducing immersive roaming and interactive cognition of engineering reality is through the teaching reform program. This paper structure a practical teaching platform with sufficient resource integration， diverse content structure and distinctive discipline characteristics， the engineering practice characteristics of the Electrical Section of the Power Plant under the high proportion of new energy are comprehensively demonstrated， and the teaching effect is optimized.

Keywords： Electrical Section of Power Plant; wind power; DC power transmission; project penetration; electric power system

發电厂电气部分是电气工程专业中理论与实际工程结合紧密的一门专业课程，具有鲜明的工程应用特色。在专业课程教学过程中占有重要地位，与电力系统分析、高电压技术、电力系统继电保护等课程密切相关[1-2]。助力实现“碳达峰”“碳中和”，通过多能源互联构建新型电力系统，已成为“十四五”期间国家电网的发展方向。随着新能源高比例接入、特高压直流输电技术高速发展，新型交、直流组网方式、风电/光伏场站内的电气设备运行已对课程教学提出了新的要求[3]。融入先进电力技术，贴近新能源场站及交直流输电工程实际的贯穿式教学将是发电厂电气部分课程教改亟待探索的方向。

发电厂电气部分课程以发电、变电和输电为基础，讲述电力系统的主系统构成及运行原理，阐明电气一次、二次部分相关基本知识。在目前的课程学习中，能够体现出电气基础理论与工程应用的联系，使学生认知火电、水电厂及变电站电气部分的设计方法和电气设备选择的基本原理，有利于学生树立工程观点，培养工程实践意识，为从事电力设计及运行奠定必要的学习基础。然而，随着“双碳”目标快速推进，电力系统中未来将出现高比例风光储及直流输电等新型电力技术，发电厂电气部分目前的课程资源建设仍显不足。如文献[4]提出发电厂电气课程建设需要聚焦于新型电力系统，尚需利用“互联网”“移动媒介”等新技术，补充学生主动学习、师生互动的线上资源。文献[5]发现电气课程的理论部分目前集中于火电、水电、核电的厂站接线设计和设备选择，缺乏新能源场站、柔直工程等先进技术的工程介绍。因此，发电厂电气部分课程需要结合新型电力系统的发展进程，根据新工科发展学生实践、创新能力的培养要求[6]，才能实现理论与工程并重的特点。

为解决上述问题，发电厂电气部分教学改革将融入风电、光伏及直流换流站的电气部分内容，并将先进电力技术以工程应用形式贯穿于课程教学过程。首先，本文深入分析新型电力系统中发电厂电气部分的知识点，收集、梳理课程思政元素并将其融入课程教学之中，实现知识传授和价值引领有机结合。第二，建立新能源场站电气部分课程设计教学资源，与传统厂站进行对比，突出新型配电装置的特色。第三，建成VR仿真实验室，为学生进行沉浸式体验提供实验室环境，让他们在学习过程中不断地培养自己的逻辑思维，提高工程实践能力。最后，运用新的现代化手段，将沉浸式漫游与工程实景交互认知的教学模式融入课程之中，凸显课程教学内容的前沿性、交叉性与综合性。激发学生创造能力，立足于实践创新，实现新工科人才培养的目标和要求。

一  新能源高占比下发电厂电气部分课程思政渗透

（一）  新型电力系统的场站及电气设备簡介

发电厂电气部分在新能源高占比背景下需要思政理念与工程实践形成协同教学效应，注重先进电力技术的价值引领，增强对学生的工程实践能力培养。在课堂教学中，丰富的“思政元素”有利于引导学生以电气工程为场景形成正确的辩证思维、历史（工程）思维和实践思维，提升学生的政治认同、国家意识和文化自信。

如图1所示，在发电厂电气部分课程中，通过如下4个典型案例解析新型电力系统中发电厂以及引申出电力系统的发展趋势。

1  推进“双碳”目标——新能源发展与场站建设

课程首先阐述“双碳”目标将其聚焦于电力行业的新能源发展，结合我国电网未来走势，对发电厂建设需求展开预测。以新能源高占比区域电网为例，阐述新能源消纳、系统调峰调频存在的问题，串联电力系统分析基础、电机学及电力电子课程，带动学生认知新型电力系统的前景与遭遇的发展瓶颈。以此为出发点，在专业课理论学习的基础上，尝试提出提升新能源渗透率的可行技术方法，并与已有先进技术进行对比，激发学生对先进输变电技术的学习兴趣。

2  在平凡中传承工匠精神——传统火电厂的建设与发展

火电厂具有复杂而精密的厂用电系统和最为成熟的发电方式。学习火电厂的生产流程，可以让学生体会到平凡中传承的工匠精神，具备扎实的理论知识，是完成精密工程应用的关键。此外，通过火电厂燃煤导致的污染问题，引导学生了解到碳达峰、碳中和是党中央经过深思熟虑做出的重大战略决策，事关中华民族持续发展和构建人类命运共同体。发展新型电力系统将是实现“双碳”目标的必然趋势。

3  讲好智慧水电，培养新时代工人——水电站的建设与实践

以抽水蓄能水电站为代表的水电厂，厂用电率较低，具有完善的调频、调峰及调相功能。在新能源高占比区域电网中，考虑到风光功率波动性及并网支撑能力不足，水电厂需要通过智能自动化控制担负起更多的系统维稳任务，保障新能源大规模安全入网。

4  守好一段渠，种好责任田——电气一次设备在电能生产、输送、分配中的作用

在新能源高占比背景下，考虑到系统组网结构、电能质量、频率及电压的动态稳定性，需要在已有的电气一次设备教学内容的基础上，补充阐述直流换流站、无功补偿设备、调频及调压设备等相关电气设备知识，充分体现出新型电力系统的电能生产、传输及分配现状，引出未来电气设备研制技术的革新方向。

（二）  新能源场站的主接线设计与配电装置布置

在传统电厂及变电站中，广泛采用单母线、双母线、一台半断路器等接线形式，新能源场站的主接线设计须要结合自身特点设计出适于风光功率输送的接线形式。通过对比母线、出线检修及故障情况下的供电可靠性，学生能够认识到新能源场站的主接线设计原则。

如图2所示，主接线设计及配电装置布置可以通过母线选择、可靠性与经济性趋势及安全防护等方面实现思政与工程融合，将其贯穿于教学之中。

1  尊重客观规律、发挥主观能动性——电气主接线设计的基本要求

电气主接线的基本要求包括可靠性、经济性和灵活性。其中，可靠性是其基本要求，需要增配相应电气设备，但经济性随之降低。在新能源场站中同样要综合考虑以上三种基本要求，满足新型电气设备的实际运行需求，须要学生发挥主观能动性，探索适于新型电力系统的主接线设计方案。

2  杜绝主观臆断，扎实掌握功能——单母线的倒闸操作

在倒闸操作过程中，隔离开关需要遵循“先通后断”的基本原则。在倒闸操作过程中，要杜绝主观臆断，理解线路侧隔离开关和母线隔离开关的开断顺序，尽可能保障母线运行安全。在此基础上，分析新能源场站进、出线开关设备倒闸的正确顺序，并学习风机、光伏组件、滤波器及无功功率补偿装置的投切过程。

3  母线检修的正确抉择——单母线与双母线的接线设计

单母线接线存在母线检修或故障停电范围过大的问题，可考虑增设母线提升系统的运行可靠性，但也增加了开关设备，降低了经济性。在新能源场站中，根据风光发电的特点，探讨单母线、双母线接线的适用性，但也应考虑进出线回路数及可靠性的实际要求。

4  可靠性与经济性的取舍——一台半断路器接线设计

在主接线设计方案中，一台半断路器接线具有较高的供电可靠性，可实现检修任意断路器不停电、母线检修与故障不停电的高可靠性表现。然而，大量使用断路器，也导致了接线形式经济性无法保障，所以在可靠与经济的取舍中，充分体现了电力工程实际应用时的辩证思想。在高压直流输电工程中，换流站交流侧同样可通过一台半断路器接线提升运行可靠性，综合分析直流工程中主接线的可靠性与经济性，须要进一步辩证分析。

5  守牢安全生产生命线——配电装置的最小安全净距

在电气工程建设中，配电装置需要满足安全净距的基本要求，才能防止人体或可移动物体触及或接近带电体造成触电事故，防止电气短路事故、过电压放电和火灾事故，守牢安全生产生命线。安全间距需要综合考虑电压高低、设备类型、安装方式等因素。高压直流输电、新能源场站的配电装置布置同样要满足安全净距的基本要求。在新型运检设备引入后，如运检机器人，安全净距的调整也是新型电力系统配电装置布置的特色。通过新型配电装置的布置方式，在教学过程中可以为学生注入更全面的安全意识，突出守牢安全生产生命线的重要性。

综上，将上述思政元素融入课程教学可以体现出新型电力系统的先进技术、管理及检修特色。不仅有利于激发学生的爱国情怀，也会增强学生对先进技术的学习兴趣，使发电厂电气部分的课程教学将更具时代性。

二  建设新型电力系统及风电/光伏场站的电气部分课程资源

在新型电力系统中，建设风电/光伏场站及直流换流站的电气部分课程资源需要调研新型电气设备、组网技术及运行方式，并协调统一线下资源和线上资源。在体现发电厂电气部分课程理论和实践并重特点的基础上，制订贴近新型电力系统工程的教学大纲，强化实践、创新内容，为适应新工科培养要求对教材进行补充，紧密联系新型电力系统的发展趋势。

与传统火电、水电相比，风电场内的机组容量小，电压等级低，且数量较多。在主接线设计中，教学需要结合新能源场站实际工程需求，深入阐述风电机组、集电系统、升压站及厂用电系统的设计原则。风电机组可考虑采用扩大单元接线，将风机出口电压由690 V升压至35 kV，并在高压侧设计集电系统，可考虑采用架空线或电缆完成风功率汇集。此外，与传统厂站的设计不同，风电、光伏及直流换流站中的主接线设计和电气设备选择还需要考虑接入换流器、无功功率补偿及滤波装置，保障新能源安全并网发电。

针对上述问题，教研团队通过多次新能源场站调研，并结合科研成果，已针对风电、光伏及直流输电发展趋势、场站主系统设计原则、新能源并网安全等问题编写出多个教学专题，不仅丰富了教学内容，更能体现出新型电力系统的工程贯穿教学理念。

三  沉浸式漫游与工程实景交互认知的工程贯穿教改方案

（一）  VR实验平台教学体系

在发电厂电气部分的工程贯穿教学过程中，利用虚拟仿真技术搭建实验平台，模拟工程实景和电气设备实际运行和操作。虚拟仿真实验平台规避了实际电力系统高危的环境，学生在沉浸式学习过程中了解系统及电气设备的状态及真实运行情况，并进行高仿真度的操作模拟，在学习过程中激发学生学习的积极性，提高学生的工程实践能力[7]。

目前，已搭建的VR实验平台主要包括高压电气设备原理与拆装系统；典型发电厂、变电站巡视系统，电气主接线日常操作系统。可以在虚拟环境下模拟主要高压电气设备的结构与运行，500、220 kV变电站，火电厂及风电场一次、二次系统的仿真巡视实景以及新能源场站的主系统接线设计，现场典型倒闸操作等。

（二）  沉浸式漫游与工程实景交互认知

融入新型电力系统中的发电厂电气部分课程与工程教学密不可分，课程将依托教师所在教学团队搭建的“VR实验平台”、教师所在科研团队建设的华北电力大学“新能源电力系统国家重点实验室”和“分布式储能与微网河北省重点实验室”，以及承担的横向、纵向科研项目将新型电力系统的先进技术及新型电气设备融入发电厂电气部分课程的教学之中。

教学团队中的一线教师多数为科研骨干，科研方向包括新能源并网安全、直流输电运行与控制等多个领域，结合相关科研领域的最新研究动态，以及科研项目取得的研究成果可以与发电厂电气部分工程贯穿教学改革完成融合。例如，教研团队成员多次调研张家口坝上风电场运行数据，分析大规模风电并网的频率安全问题，可为学生深入讲述新能源高占比电网中存在的安全稳定问题。此外，团队成员参与了冬奥赛区数字孪生项目、张北柔直工程运行分析项目，可以结合科研经历为学生介绍先进的工程应用经验，以及未来先进组网技术的发展方向。

教师通过将新型电力系统的科研成果融合到教学内容中，使教学内容不断深化，同时结合学科竞赛、大学生创新创业项目等引导学生参与科研训练，有助于培养学生主动学习能力、实践能力和创新能力，师生在教学和科研过程中的互动，又进一步有助于科研内容的不断拓展和深化，实现科研和教学良性互动。

四  结束语

在新能源高占比背景下，为激发学生对于发电厂电气部分课程的学习兴趣，丰富工程贯穿教学方案，本文通过思政元素渗透、新能源场站教学资源建设以及依托VR实验平台教学，进行了“兴趣牵引”“工程驱动”“学科特色”“‘虚’与‘实’有机融合”的工程贯穿教学过程的改革探索。结合理论分析与教学实践得到如下结论。

1）以新型电力系统发展为背景，将思政元素融入课程内容，在实现知识传递和能力培养的基础上，有利于培养学生作为电气人的家国情怀，可显著提高学生自主学习、科技创新的内在动力，实现学生的价值塑造。

2）根据新工科培养要求和课程思政需求，将新能源发电技术、先进电气设备及组网技术等相关知识加入课程教学内容，建立新型电力系统的电气一次部分课程资源，使学生理解和把握专业知识的发展脉络，围绕专业发展的关键问题有所思考和发现。

3）将VR技术与发电厂电气教学内容相结合，通过虚拟与现实、科研与教学、教师与学生等多类型深度互动的教学模式，本文建立了适应虚拟漫游与工程实景交互认识需求的教学资源库，使学生获得了真实的情境体验。在工程贯穿教学实施过程中，学生的工程实践和科研创新能力均可得到有效提高，有利于实现新工科人才培养目标。

参考文献：

[1] 刘媛杰，刘建萍．基于能力培养的《发电厂电气部分》课程教学手段与方法的改革研究[J]．高教学刊，2015（20）：112-113，115．

[2] 唐曉玲．基于对分课堂的“发电厂电气部分”课程改革[J]．电气电子教学学报，2018，40（4）：32-36，75．

[3] 顾菊平，堵俊，华亮．新工科视域下综合性大学电气类创新型人才培养的路径选择[J]．中国大学教学，2018（1）：56-60.

[4] 张海霞．新时代背景下理实互渗的“发电厂电气部分”课程教学探讨[J]．中国电力教育，2022（2）：55-56．

[5] 李静．发电厂电气课程的教学创新实践[J]．电子技术，2022，51（6）：226-227．

[6] 白逸仙，柳长安，艾欣，等．工程教育改革背景下传统工科专业的挑战与应对——基于十校“电气工程及其自动化”培养方案的实证调查[J]．高等工程教育研究，2018（3）：53-62．

[7] 宋殿义，张炜，龚佑兴，等．基于虚拟现实技术的实践教学初探[J]．高教学刊，2020（20）：114-116．

基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目“新型电力系统中《发电厂电气部分》的工程贯穿教学改革探索”（2021GJJG406）

第一作者简介：张祥宇（1984-），男，汉族，河南商丘人，博士，副教授。研究方向为新能源发电与智能电网、电力电子化电力系统稳定运行分析和柔性直流输配电运行与控制。