東北亞能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目建設及應用

胡 蔓， 楊 明， 杜萍靜

（山東大學a．工程訓練中心；b．電氣工程學院，濟南250061）

0 引 言

在能源革命、“一帶一路”倡議的快速推進中，建設全球能源互聯網已經成為承載能源革命、實現人類可持續發展的全球共識。在電力能源行業向多能耦合、跨區互聯進行戰略調整的背景下，實驗教學對應升級電氣工程人才培養方案迫在眉睫。

依托于山東大學“全球能源互聯網”新工科特色班的人才培養體系，將虛擬仿真軟件應用于跨國能源互聯網的實踐教學，以信息技術應用作為提高教學質量的重要手段［1-2］。以東北亞能源互聯網為實驗背景，采用數字仿真技術和3D 建模等技術建立高度仿真的能源互聯網分析項目。項目包含能源系統規劃、能源系統運行、資源稟賦分析、能源經濟分析等多方面的考核內容，融合電力、能源、經濟等多學科知識，采用探究式等多種教學手段，契合新工科人才培養的理念，培養學生理解、分析、解決全球能源問題的基本素養，有利于培養學生在能源、經濟以及政治等領域的交叉思考能力，為未來跨國能源互聯互通培育具有全球能源意識和國際視野的人才［3-4］。

該實驗項目的建立，將理論知識與實踐操作更好融合，支持學生隨時隨地進行學習，彌補了傳統教學多以教師講解的不足，填補了國內跨國能源互聯網實驗教學的空白。在教學中有助于樹立學生的能源意識，提升學生的學習效率，促進創新型、復合型、應用型人才的培養［5］。

1 能源互聯網虛擬仿真教學項目建設必要性

1.1 全球能源互聯網發展的要求

自習近平總書記2015 年9 月26 日在聯合國發展峰會提出全球能源互聯網倡議以來，全球能源互聯網理念已得到了國際上的認可與積極響應［6-7］。2019 年全球能源互聯網合作發展組織正式頒布“一帶一路”能源互聯網構建方案，促進了全球能源互聯網的加速建設。能源互聯網的加速推進，需要有強大的科研、工程實力作保障，要求該領域科研、工程人員具備全球化視野、一定的現場經驗、專業的能源知識和過硬的自主創新能力。

鑒于全球能源互聯網的發展對該領域教學，尤其是實驗教學方面提出的強烈需求，考慮東北亞地區作為“一帶一路”能源發展規劃的起點，具有能源供需逆向分布、綜合能源互聯網建設需求迫切、學生對其認知相對充分等特點，因此展開東北亞能源互聯網虛擬仿真的研究有助于該方向的教學和人才培養［8］。

1.2 實驗教學的現實需求

山東大學特設“全球能源互聯網”新工科特色班，培養能源互聯領域人才，通過《全球能源互聯網概論》等課程進行該領域教學。然而全球能源互聯網存在能源傳輸路徑復雜、多種能源并濟、綜合能源理論相對抽象等特點，教學內容難度相對較大。由此，亟須通過實驗教學手段，提升學生對于知識的直觀理解。然而，受限于實驗空間、實驗環境和實驗安全等多方面因素，實際中存在難以還原真實系統、缺乏實體操作型實驗等教學壁壘［9］。

為此，開發數據實時傳輸、后臺真實存儲的東北亞能源互聯網虛擬仿真實驗，可以填補跨國能源互聯網實驗教學的空白，破解學生無法直觀了解跨國能源傳輸與配置問題。從而實現信息技術和實驗教學的深度融合，提高了實驗教學的水平和質量，進一步提升高校創新人才的培養能力［10］。

2 能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目建設

2.1 虛擬仿真實驗教學項目建設目標

虛擬仿真實驗教學項目高度還原東北亞能源互聯網的真實狀態，為多種能源場景下的自主探索提供了平臺。項目建設以期達到以下目標：

（1）打破實驗教學壁壘，提升教學水平。依托東北亞能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目，消除能源互聯網理論教學與實際現場的壁壘，讓學生在仿真實驗中夯實知識、驗證知識，改變能源互聯網領域理論教學抽象無趣的課堂效果。通過化抽象為具體的教學手段，幫助學生消化知識，提升學生的學習興趣，從而提升教學水平。

（2）鼓勵學生自我探究，提升學生綜合能力。該項目充分落實新工科人才培養理念，融合多學科知識，采用情境體驗式實踐育人方法，鼓勵學生自我探究。項目能夠支持學生對開放性問題進行探索，同時能源情境、能源數據等的自主設置可滿足學生在能源互聯網領域的探索和研究，成為輔助學生進行科研的實驗探索和驗證平臺。因此，有利于培養實踐、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才［11］。

2.2 能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目體系架構

實驗內容的設計充分貼近全球能源互聯網理論教學課程，落實到實際問題，本著先易后難、先基礎后提升的原則設置全球能源互聯網認知、網架結構搭建、實時功率和多能源能量平衡仿真實驗4 部分內容。

其基本實驗框架和知識點如圖1 所示。①通過能源互聯網認知，讓學生了解全球各地區的能源特性、樹立全球能源意識。②以此為理論基礎，對能源互聯網的搭建原則和規劃進行探究，讓學生明確東北亞能源互聯網的結構特征，掌握合理規劃能源傳輸網絡的原理與方法，形成一定的全球能源配置觀念。③在電力網架基礎上，設置東北亞地區電力能源功率平衡實驗，使學生了解電力負荷的時區差異性、清潔能源電源的波動性，及電力互聯的機理與特征，形成正確認識和把握電力平衡規律的能力。④以功率平衡理論為參考設置東北亞多能源能量平衡仿真實驗，讓學生了解各地區能源需求的差異性，理解能源之間的相互轉化關系及其重要意義，熟悉環境、經濟等因素與能量平衡的相關性，掌握能源互聯網能量平衡的分析方法。整個實驗框架涵蓋知識點全面、層層推進，授課邏輯清晰。

圖1 實驗內容框圖

圖2 水電站3D仿真界面

在各部分內容實現時，結合內容與教學需求，充分利用多種仿真、教學手段和交互性步驟以達到最佳實驗設置效果。如能源互聯網認知部分著重采用Unity3d作為3D引擎［12-13］，高度還原了圖2所示水電站等一系列3D設備場景。使實驗有良好的用戶體驗感和真實感，便于學生對相關概念建立直觀印象，激發學習興趣。在網架結構構建實驗過程中，充分利用啟發式、探究式教學方法，在網絡結構搭建時，由學生自主設置網絡拓撲與容量（圖3），以增強學生對于跨國能源互聯的理解，提升學生分析問題和解決問題的能力。后2 個實驗則設置了能源互補特性的影響、“電力替代”的作用等探究類問題（圖4），激發學生的課堂興趣，注重培養學生的探究意識和自主學習能力［14-15］。

圖3 自主設置網絡拓撲與容量操作示意圖

圖4 “電力替代”作用研究操作示意圖

整個實驗內容在設置時，充分考慮能源互聯網教學領域的需求和難點，將理論教學中難以充分展示的能源互補特性的影響、“電力替代”的作用和互聯線路搭建原則等16 個知識點融入實驗內容，且包含20 個交互步驟和“能源峰谷特性的影響”等多項開放性問題的探究。

2.3 能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目建設特點

（1）面向國家需求，培養新型電氣工程人才。國際能源合作是“一帶一路”倡議的重要領域，隨著“一帶一路”建設的不斷推進，培養具有國家能源安全觀和國際視野的新型電氣工程人才是發展的必然要求。同時新工科建設也對本科教學提出了應當適用和使用新的、先進的教學工具，注重創新性、實踐性的要求［16-17］。項目順應全球能源互聯戰略布局和新工科建設對人才培養的新要求，從全球視野出發，以東北亞地區為例進行研究，構建東北亞能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目。通過理論教學與虛擬仿真實驗教學相結合，培養學生理解、分析、解決全球能源問題的基本素養，滿足國家戰略與電力能源企業發展轉型的需要。

圖5 實驗項目英文版本示意圖

（2）以用戶為中心，搭建中英文雙語版本。為充分考慮國際留學生、國外高校與研究機構的使用需求，同時開發了中英文雙語版本，如圖5 所示，可以滿足國內外相關人員的實驗教學需求，促進國際交流，也為項目的后續開發與推廣提供保障。目前，該項目雙語版本除了在中國大陸高校、企事業單位推廣外，已在日本、新加坡、泰國、中國臺灣地區等多個國家和地區的高校和科研機構進行了推廣，為“一帶一路”的能源建設做出了一定宣傳和促進作用。項目采用多樣化、全方位的評價體系對學生課程學習情況進行評價。通過線上課前預習測試、仿真實驗操作，線下開放性課題分析、實驗報告等多方位的綜合評測，過程考核和能力考核并重。完善的評價體系，讓學生及時了解自己對相關知識的掌握程度，便于學生查缺補漏。該評價方式彌補了單一考核方式的不足，能夠結合實驗內容和考核對象合理選擇考核方式，切實促進學生的學習效果。通過圖6 該項目使用前后學生《全球能源互聯網》成績的對比結果和圖7 學生自主創新意識提升調查結果可以看到，在該考核方式下，學生的自主創新意識、知識掌握程度都有較大提升。

圖6 學生《全球能源互聯網》成績對比圖

圖7 學生自主創新意識提高情況

同時，也能夠評估理論、實驗教學方面的長處和不足，便于教師對理論教學和實驗教學進行改進達到了“以考促學、以考促教”的目的［18］。

3 互聯網虛擬仿真實驗教學項目的應用和持續建設

實驗項目除了作為山東大學電氣工程學院“全球能源互聯網”新工科特色班的必修實驗課程進行了應用，還以“綜合實驗”的形式在電氣工程及其自動化專業進行全面推廣，也獲得了其他高校和研究機構的認可和歡迎。項目已推廣至國內外20 多所高校和研究機構，涵蓋中國大陸、美國、新加坡、日本和中國臺灣地區等多個國家和地區，萬余人次使用該項目進行實驗教學、科研探究或成果驗證。

該項目將在此基礎上逐步擴大推廣范圍和推廣深度，增加實驗項目內容，打造實驗平臺。

3.1 面向“一帶一路”沿線國家和全球能源互聯網大學聯盟高校免費開放

為充分響應國家“一帶一路”倡議，項目將優先面向“一帶一路”沿線的東亞、中亞、西亞直至歐洲地區的高校開放推廣，為以上地區的高校提供教學和科研服務。項目將依托我校作為全球能源互聯網大學聯盟主席單位的條件，面向全球能源互聯網大學聯盟30 余所成員高校推廣應用。

3.2 面向全球能源互聯網相關研究機構免費開放

實驗項目不僅可以應用于實驗教學，還可進行科學研究，為此，本項目將會向全球能源互聯網相關研究機構免費開放，同時可以通過研究成果豐富本項目內容，使項目不斷的改進和完善。

3.3 持續加強全球能源互聯網建設并豐富建設內容

將持續加強全球能源互聯網建設，更新項目內容和軟件架構，比如對東北亞能源互聯網的經濟性分析、環境效益分析功能，以保證虛擬仿真實驗項目與實際系統的一致性。學校將提供持續的建設與運行經費，在未來5 年內將逐步增加對東南亞直至亞太地區的能源互聯網規劃、分析能力等內容，建設成能源互聯網領域廣大學生實驗學習和科研創新的綜合平臺。

4 結 語

以東北亞能源互聯網為對象，將能源互聯網相關知識融入實驗項目，解決了跨國能源互聯網難以進行實驗教學的困境，通過虛擬仿真的手段，破解了學生無法直觀了解跨國能源傳輸與配置的問題。該項目可以滿足自主搭建未來跨國能源互聯網網絡架構的需求，能夠設置不同能源場景，模擬不同能源系統的運行狀態，有利于學生自主學習、探究式學習和移動學習，培養了學生的實踐能力和創新能力，搭建了中英文雙語版本，有利于增強國際交流。同時，項目提供了理論知識測試環節，充分體現虛實結合的優勢，提高了學生的實踐水平、課程成績和課程滿意度。下一步項目將按照一流本科課程“雙萬計劃”中提出的國家“金課”“兩性一度”的標準，持續改進和完善，力爭建設為虛擬仿真金課。