水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與實踐

陳 鐵， 李咸善， 汪長林， 鐘 浩， 魯明芳

(三峽大學(xué) 電氣工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心， 湖北 宜昌 443002)

水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與實踐

陳 鐵， 李咸善， 汪長林， 鐘 浩， 魯明芳

(三峽大學(xué) 電氣工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心， 湖北 宜昌 443002)

為加強電氣專業(yè)學(xué)生水電運行操作能力的培養(yǎng)，充分利用三峽大學(xué)的水電特色，從教學(xué)設(shè)計出發(fā)，提出了工程性、綜合性和科學(xué)性的水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計理念。設(shè)計建設(shè)了水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的實驗平臺、實驗資源和實驗項目，改革了教學(xué)模式，為學(xué)生開設(shè)水電運行虛擬仿真實驗，用可靠、安全和經(jīng)濟的實驗項目替代了高危、不可逆操作的實驗，取得了良好的教學(xué)效果。

虛擬仿真； 實驗教學(xué)； 水電運行

實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新精神、探索新知識方面具有不可替代的作用[1-2]，但電力生產(chǎn)操作實物實驗因高危險性、高能耗、高成本和不可逆而難以實施。虛擬仿真實驗使實驗項目變得可靠、安全和經(jīng)濟[3]，通過構(gòu)建逼真的實驗環(huán)境、實驗對象和實驗內(nèi)容，使學(xué)生在逼真的虛擬環(huán)境中學(xué)習(xí)處理實際工程問題，學(xué)習(xí)原理、訓(xùn)練技能和培養(yǎng)能力，因此虛擬仿真實驗在電氣專業(yè)的實驗教學(xué)中得到了快速的發(fā)展[4-6]。

目前虛擬仿真實驗的重點是構(gòu)建平臺和資源整合，而對于利用資源開展教學(xué)研究、優(yōu)化平臺，系統(tǒng)地提升學(xué)生的工程實踐能力等缺乏深入探討[7]。三峽大學(xué)電氣工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心充分利用本校水電專業(yè)的優(yōu)勢，以典型水電站為對象，從實驗的工程性、綜合性和科學(xué)性原則出發(fā)，將仿真平臺、實驗資源、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式集成為虛擬水電仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，取得了良好的教學(xué)效果。

1 水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計原則

水電運行是電力系統(tǒng)運行的重要環(huán)節(jié)，其知識體系涵蓋電氣專業(yè)幾乎所有的基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)。建設(shè)虛擬水電運行仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，不但能突破實物實驗的局限性、增加實驗的廣度和深度，還能幫助學(xué)生建立完整的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。虛擬水電運行仿真實驗需要遵循以下原則。

1.1 滿足實驗教學(xué)的基本要求

水電運行虛擬仿真實驗應(yīng)該提供相似的實驗平臺，實驗平臺能提供與水電站真實設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)和性能一致虛擬設(shè)備，這些虛擬設(shè)備具有更加靈活的操作形式，可以按照教學(xué)需要進行分組和組合，而且操作方式、內(nèi)容與真實設(shè)備一致。

1.2 具有明確的工程背景

具有工程背景的實驗是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的基礎(chǔ)。構(gòu)建與現(xiàn)場真實環(huán)境相似的工程情境是虛擬仿真實驗的亮點之一。但工程背景不應(yīng)只是工程情境，而應(yīng)該是工程情境、工程問題、工程知識和工程經(jīng)驗的系統(tǒng)集成，是在工程情境中利用工程經(jīng)驗、工程知識解決工程問題的環(huán)境或框架[8]。虛擬水電運行仿真實驗不但要構(gòu)建與水電生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境相似的工程情境，還要提供水電運行操作的現(xiàn)實途徑，并建立起基于運行規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的實驗框架體系。

1.3 應(yīng)是綜合性實驗

綜合性實驗是培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力的重要途徑。綜合性實驗涉及本專業(yè)多門核心課程的基礎(chǔ)理論和專業(yè)技術(shù)，學(xué)生需要綜合運用這些知識才能完成實驗[9-10]。水電站運行所涉及的知識體系不但涵蓋電氣專業(yè)幾乎所有的核心理論和技術(shù)，還包括自動化、計算機科學(xué)與技術(shù)、水利水電工程、機械工程等專業(yè)知識。因此，工程背景下的虛擬水電運行仿真實驗必然涉及更多類型的設(shè)備、更加復(fù)雜的原理和更加綜合的技術(shù)，具有復(fù)合的實驗內(nèi)容和多元實驗手段。

1.4 能培養(yǎng)學(xué)生的科研能力

科研能力是工程實踐能力培養(yǎng)的核心目標(biāo)。源于工程實際的水電運行虛擬仿真實驗既要提供科學(xué)的實驗內(nèi)容，在教學(xué)中更要強調(diào)對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果的思考與質(zhì)疑，體現(xiàn)出對科研能力的培養(yǎng)，使學(xué)生在獲得知識和掌握技能的同時，掌握科學(xué)研究的基本方法，并培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的素質(zhì)和能力。

2 水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計必須為教學(xué)服務(wù)。在滿足實驗教學(xué)基本要求的前提下，圍繞實驗的工程性、綜合性和研究性，從平臺設(shè)計、資源建設(shè)和教學(xué)組織3方面建設(shè)水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，形成有效集成實驗平臺、實驗資源、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式的教學(xué)實體。

2.1 按照工作情景建設(shè)實驗平臺

實驗平臺包括硬件操作平臺和軟件支撐平臺。

硬件操作平臺是客戶端(教練員臺和實驗站)、服務(wù)器和大屏幕投影組成的開放式計算機系統(tǒng)，采用與水電站中央控制室相同的布局。軟件支撐平臺由實驗支撐軟件、水電站仿真模型軟件、客戶端管理和監(jiān)控軟件構(gòu)成。服務(wù)器運行水電站仿真模型程序，提供虛擬水電站的運行工況數(shù)據(jù)。實驗站通過客戶端界面呈現(xiàn)虛擬水電站的實時數(shù)據(jù)和操作接口，供學(xué)生實驗。教練員臺供教師使用，除具備實驗站的全部功能外，還負責(zé)管理學(xué)員、啟動仿真、加載工況、設(shè)置虛擬故障以及對系統(tǒng)實施全面控制。支撐平臺軟件運行于服務(wù)器和客戶端，管理實驗數(shù)據(jù)、進行實時通信，通過“一機多?！奔夹g(shù)實現(xiàn)分組實驗和組合實驗。

學(xué)生在客戶端模擬上位機監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)地設(shè)備和盤柜的操作。這些設(shè)備在客戶端界面中的布局與現(xiàn)場的實際擺放位置相同，其中上位機監(jiān)控系統(tǒng)與真實系統(tǒng)的畫面、風(fēng)格、功能、操作完全一致，現(xiàn)地設(shè)備和盤柜通過二維畫面展示結(jié)構(gòu)，提供與真實操作相似、內(nèi)容和原理相同的模擬操作方法。

實驗平臺與真實情景保持環(huán)境一致、風(fēng)格一致、形式一致、原理一致，給學(xué)生以身臨其境的體驗，充分地調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

2.2 將實際工程轉(zhuǎn)化為實驗資源

將工程問題轉(zhuǎn)化成實驗資源(見圖1)，實驗資源的綜合性和科學(xué)性決定了實驗還原工程的深度和廣度。水電運行是在水電能源從生產(chǎn)到分配的整個流通環(huán)節(jié)中，通過操作設(shè)備來優(yōu)化運行方式，確保系統(tǒng)處于安全、穩(wěn)定的狀態(tài)，包括電能的生產(chǎn)、分配、使用和轉(zhuǎn)化及其測量、監(jiān)視、控制、保護等一系列生產(chǎn)過程。每一次運行方式的調(diào)整，都需要一次設(shè)備、二次設(shè)備和輔助設(shè)備協(xié)同參與才能完成。而實驗資源的核心是水電站仿真系統(tǒng)模型，只有模型具備足夠的綜合性和科學(xué)性，能涵蓋水電運行的全部設(shè)備、全部過程和全部現(xiàn)象[11]，才能最大限度地還原實際工程。

對水電運行中的典型問題進行綜合、分析和歸納，將其分解為運行體系的基礎(chǔ)知識點，令這些知識點既能夠支撐起電氣設(shè)備運行的專業(yè)知識體系，又能夠通過建模仿真，最大限度地還原工程。圍繞基礎(chǔ)知識點建立的仿真模型，包括設(shè)備模型、子系統(tǒng)模型和系統(tǒng)模型的模型體系[12]。

首先，依據(jù)真實設(shè)備的工作原理建模，仿真設(shè)備的響應(yīng)機理、響應(yīng)過程和響應(yīng)結(jié)果。設(shè)備的響應(yīng)既包括來自客戶端學(xué)員的操作，也包括其他設(shè)備的指令，例如斷路器的分閘，既可以由學(xué)員在客戶端監(jiān)控界面上完成，也可以由繼電保護和自動控制流程引起。

然后，對實現(xiàn)相同生產(chǎn)過程的設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)建模，模擬該生產(chǎn)過程下設(shè)備之間的耦合動態(tài)過程。例如：電氣主系統(tǒng)模型模擬水輪機、發(fā)電機、主變壓器、輸電線路及電網(wǎng)的水電能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換的過程；廠用電系統(tǒng)模型模擬包括廠用電、廠用電動機的電能使用過程；電氣二次控制系統(tǒng)或保護系統(tǒng)模擬包括直流系統(tǒng)、廠用電、控制/保護設(shè)備的控制/保護過程；輔機系統(tǒng)模型模擬電力生產(chǎn)中油、水、風(fēng)系統(tǒng)的輔助過程。

圖1 實際工程轉(zhuǎn)化為實驗資源的過程

最后，對不同生產(chǎn)過程中設(shè)備間的關(guān)聯(lián)建模，模擬系統(tǒng)在正常狀態(tài)、故障狀態(tài)及事故狀態(tài)下聯(lián)合動態(tài)過程。模型通過單個設(shè)備—子系統(tǒng)—整體系統(tǒng)的狀態(tài)演變，系統(tǒng)、科學(xué)、準(zhǔn)確地模擬水電站在各種運行狀態(tài)下的物理現(xiàn)象，達到了對水電運行過程最大的工程近似。

2.3 按照工程任務(wù)開設(shè)實驗項目

依據(jù)認知規(guī)律和實際水電運行確定教學(xué)內(nèi)容，以項目的形式開設(shè)實驗，每個實驗項目都是整個項目體系的一環(huán)，可以單獨或由項目組合實現(xiàn)。經(jīng)過知識認知—實踐能力培養(yǎng)—研究能力培養(yǎng)3個層次，從低級到高級、從簡單到復(fù)雜、從局部到整體，循序漸進地提升學(xué)生的工程實踐能力(見圖2)。

圖2 實驗項目的設(shè)置

(1) 第一層次：認知類項目。系統(tǒng)中任何一臺設(shè)備的運行都會受到其他設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的影響。當(dāng)實驗的初始條件發(fā)生變化時，設(shè)備操作的方式和實驗結(jié)果也可能發(fā)生變化。因此，從開始就不拘泥于課程和專業(yè)的限制，通過對設(shè)備的典型運行方式和運行原理的講授，再通過基本操作，使學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)備的操作規(guī)程和操作方法。通過改變實驗的初始條件可以增加實驗難度，進一步培訓(xùn)學(xué)生的知識和基本操作技能。

(2) 第二層次：實踐類項目。以實際運行中的3類典型操作為實驗項目，每個項目涵蓋一個以上的生產(chǎn)過程并涉及不同類型的設(shè)備。首先通過倒閘操作和開停機實驗，使學(xué)生能夠按照操作規(guī)程進行規(guī)范操作；再通過設(shè)置故障，培訓(xùn)學(xué)生對典型故障的快速反應(yīng)能力和分析能力；最后進行事故處理實驗。學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)進行負荷調(diào)節(jié)、倒閘等一系列操作,對系統(tǒng)的運行方式進行調(diào)整，使故障和事故的影響最小化，強化對于運行原理的認知和應(yīng)用。

(3) 第三層次：研究類項目。該類項目帶有一定的探索性，學(xué)生需要將系統(tǒng)的非典型工況恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)。不同的處理方式、處理時間和處理過程可能得到不同的處理結(jié)果。學(xué)生要觀察異?，F(xiàn)象并評估其對水電安全運行的影響、分析異?，F(xiàn)象的原因，然后采用措施消除異常現(xiàn)象，將系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。

2.4 采用以學(xué)生為主體的教學(xué)模式

通過教師引導(dǎo)、學(xué)生自主實操，使學(xué)生成為教學(xué)的主體，強調(diào)能力學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的科研和實踐能力。

要求學(xué)生在實驗前查閱資料、完成水電運行基礎(chǔ)原理等相關(guān)知識的自主學(xué)習(xí)。在認知類實驗階段，由教師講解實驗?zāi)康摹⒓夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程等；進入實操階段后，教師減少對理論性和專業(yè)性知識的講解，主要進行實驗安排、掌握實驗進度并根據(jù)實驗進度增加實驗的難度、解答實驗過程中出現(xiàn)的問題、對實驗進行總結(jié)和評定。學(xué)生自己按照水電運行規(guī)程進行實驗、記錄實驗數(shù)據(jù)、分析實驗結(jié)果并對實驗過程進行反思。

從復(fù)雜操作開始，教師不再單獨對原理進行講解，學(xué)生須自主設(shè)計實驗過程并觀察實驗結(jié)果，經(jīng)過分析、歸納、總結(jié)，形成系統(tǒng)的和科學(xué)的結(jié)論。在故障及事故實驗階段，以小組為單位進行實驗。小組成員協(xié)作對故障現(xiàn)象和故障的連鎖反應(yīng)進行觀察和記錄，對故障進行緊急處置。當(dāng)處理結(jié)束后，利用記錄到的數(shù)據(jù)對事故的起因和性質(zhì)進行綜合分析和探討；通過事故重演，分析和對比不同處理方案的優(yōu)劣，優(yōu)化處理方案。

在研究性實驗階段，教師只設(shè)置系統(tǒng)初始工況，學(xué)生要通過觀測到的數(shù)據(jù)對事件的起因和性質(zhì)進行綜合性的探索，找到水電運行的薄弱點，然后自行設(shè)計處理方案，并通過對多種方案的分析、比較和測試，找到最合理、操作性最強、效果最好的處理方案。

3 系統(tǒng)的創(chuàng)新與特色

水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)突出實驗的工程性、綜合性和科學(xué)性，著力做好平臺設(shè)計、資源建設(shè)和教學(xué)組織，系統(tǒng)性地提升學(xué)生的工程素質(zhì)和能力。

(1) 提供給學(xué)生與現(xiàn)場一致的實驗場景，極大地調(diào)動了學(xué)生實驗的主動性和積極性。實驗的操作背景、內(nèi)容和方法與現(xiàn)場完全一致，實驗室的設(shè)置與現(xiàn)場中控室的布置一致，學(xué)生實驗時有身臨其境的體驗，有利于提高學(xué)生的工程意識。

(2) 實驗內(nèi)容來源于工程實際并與電氣設(shè)備運行的知識體系深度融合。學(xué)生通過實驗的操作、觀察和分析，能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識和技術(shù)與實際水電運行聯(lián)系起來，有利于知識的融合并形成系統(tǒng)性的知識體系。

(3) 認知實驗、操作實驗和研究性實驗相結(jié)合，以能力輸出為導(dǎo)向，循序漸進地提升學(xué)生的實踐能力。學(xué)生通過認知實驗對所學(xué)知識進行梳理，逐步建立起系統(tǒng)的概念；通過操作實驗彌補在認知上的缺陷，重構(gòu)知識體系、培養(yǎng)工程思維；通過研究性實驗培養(yǎng)研究能力和探索精神。

4 結(jié)語

三峽大學(xué)的水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)自投入使用以來，電氣工程國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心除承擔(dān)本校電氣專業(yè)學(xué)生實驗課程的教學(xué)任務(wù)外，還承擔(dān)了國內(nèi)外一些大學(xué)的學(xué)生實習(xí)培訓(xùn)工作。學(xué)生不但較好地掌握了電氣設(shè)備運行的原理、方法和技術(shù)，而且掌握了工程背景下處理復(fù)雜事故的思路、方法和手段，形成了系統(tǒng)的知識體系，工程實踐能力明顯提高。

水電運行虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)在第四屆全國高校自制儀器設(shè)備的評選中獲得二等獎。以系統(tǒng)的核心技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的水電站仿真培訓(xùn)系統(tǒng)在國內(nèi)大型水電企業(yè)員工的技能培訓(xùn)、技能比武中發(fā)揮了重要的作用，相關(guān)研究成果獲得水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎三等獎。

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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

湖北省科技支撐計劃項目(2015BAA106)；教育部高等學(xué)校電氣類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會專業(yè)教育教學(xué)改革研究課題(DQJZW2016012)；宜昌市自然科學(xué)研究與應(yīng)用項目(A15302a11)

陳鐵(1975—)，男，湖北宜昌，碩士,副教授，主要研究方向為水電站運行與控制，電力系統(tǒng)運行與控制.

E-mail：623845668@qq.com

TV737；TP391.9

A

1002-4956(2017)06-0123-04