虛擬仿真背景下《發電廠電氣主系統》實驗教學改革
——以南華大學為例

文娟

（南華大學 電氣與信息工程學院，湖南衡陽 421001）

《發電廠電氣主系統》是電氣工程及其自動化專業的核心課程之一。該課程是一門綜合性很強、與實際工程應用緊密聯系的專業課，在專業課程教學過程中占有重要地位，與電力系統分析、高電壓技術、電力系統繼電保護等課程密切相關，內容相互交叉[1]。

在開設《發電廠電氣主系統》課程之前，學生通過對前續專業課如電機學、電力系統暫穩態分析等課程的學習，已基本掌握電機工作原理、電力系統運行過程、電力系統的潮流計算原理等內容。《發電廠電氣主系統》主要針對發電廠/變電站的電氣主系統、配電系統、控制系統等進行設計與計算，以訓練學生分析和解決工程問題的能力，并使其樹立工程實踐觀點[2]。對于本課程的教學，大多數院校已進行實驗教學改革，如新疆工程學院依托220kV 變電站數字物理混合仿真實驗室，模擬倒閘操作過程[3]；湖南工程學院基于工程教育認證標準，對教學內容、模式、方法等方面進行改革[4]；內蒙古農業大學機電工程學院依托校企協同育人機制，引入發電廠電氣真實設備實習實踐[5]。實驗教學環節的實施，讓學生掌握發電廠/變電站的基本知識和運行原理，培養了學生的工程實踐能力及創新能力。

然而，南華大學電氣工程及其自動化專業開設的《發電廠電氣主系統》課程仍然以理論教學為主，教師通過多媒體課件和板書展示課程內容。但由于課程的特殊性，部分課程內容如母線倒閘操作、設備控制與接線等并不能做到生動形象，影響學生聽課的積極性和主動性。通過與學生交流學習心得體會，大多數學生認為課程內容復雜，不能親眼看到和動手操作實際生產的電氣設備，缺乏對電廠整體深入的認識，導致他們在學習該課程時枯燥無味；特別是我校因實驗教學環節的缺失，導致學生不能全面把握該課程的知識體系，在很大程度影響了他們的學習積極性。依據新工科建設要求，深化高等學校工程教育改革，提高教育質量，注重高等教育產出[6]。且我校電氣工程及其自動化專業畢業的多數學生將進入電網、電廠工作，應側重對設備的認知、電廠運行特征及相關操作的理解，運用所學知識去解決實際問題。因此，針對我校開設的《發電廠電氣主系統》課程實驗環節缺失問題，依照新工科建設要求對其進行實驗改革和創新，實現實驗與教學內容相融合，對于提升學生從全局角度理解發電系統運行過程，激發學生學習興趣和創新能力，提高學生分析問題、解決問題等工程實踐能力具有重要意義。

1 《發電廠電氣主系統》實驗教學改革思路

實驗教學是教學體系中重要的一個環節，教師通過實驗環節可以發現學生對課程的掌握程度和不足，為教師及時調整教學進度提供指導。學生通過實驗環節可充分理解理論課上學習的基本原理，提升自己的工程實踐能力；并能幫助學生清楚認識所掌握內容與學習目標之間的差距，進而讓學生能及時查漏補缺，調整學習策略和方法，提高學習效果。

基于我校目前教學模式下《發電廠電氣主系統》課程理論與實踐脫節、實驗環節缺失、教學效果不佳的問題，筆者針對這一課程提出增加實驗教學模式、實施教學改革，改革的主要內容為：

首先，考慮到該門課程涉及很多電氣一次設備，因這些設備并不是生活中隨處可見的，學生對這些設備較為陌生。為了提高學生對電氣一次設備的實踐認知，設計實際設備常規操作實驗，如一次設備的拆卸和安裝，使得學生對主要電氣設備的結構、操作原理等有較為深刻的理解，提高學生的知識應用能力，鍛煉學生的實踐動手能力。

其次，考慮到發電廠/變電站的特殊性，學生不能做出一個完整的系統。但為了讓學生能熟練掌握電力系統的運行過程、各類設備的功能及控制等原理，基于虛擬仿真實驗平臺，學生可自行制定電廠運行的虛擬仿真實驗方案，通過調整不同設備、部件的參數，模擬電廠生產運行的實際過程，從而培養學生的主動性和創新性，為學生以后從事研究性工作打下良好的基礎。

再者，為了讓學生了解發電廠/變電站的發展趨勢，熟練掌握發電廠/變電站的計算原理，通過MATLAB、PSCAD 等仿真實驗軟件搭建電力系統模型，設計多類仿真實驗。學生對仿真結果、手動計算結果、實際結果進行對比分析，檢驗自己對設計方案、計算原理的掌握情況，有利于學生對電力系統運行過程中各種現象的理解和認識，并提高學生的設計分析能力。

2 發電廠實驗教學改革路徑

2.1 常規實驗環節的設計

《發電廠電氣主系統》的教學實驗是檢驗和提高學生對課程相關理論知識的理解和掌握的主要手段，由于學生缺乏發電廠/變電站工程知識背景，且發電廠/變電站的電能產生、傳輸與使用的實際過程比較抽象，例如發電廠在生產運行過程中涉及能源的傳輸及轉換、電壓等級的變換、各類電氣設備的結構、設計原理和執行的功能[7]，大多數學生在生活中很少接觸到這些內容。因此，課程的常規實驗教學環節主要從理解電力系統運行特征和熟悉各類電氣設備的原理兩個方面開展。

我校電氣工程與信息學院配備了多臺THLZD-2型電力系統綜合自動化實驗平臺，該實驗平臺帶有簡單的電網主接線和潮流分析功能，可用于分析發電機并網后電網運行狀態。學生基于該平臺進行實驗操作，觀察系統運行的實際情況，對電力系統中能源的轉化、發電機的啟動和并網、系統狀態有更深入的理解；并基于潮流分析平臺對簡單電力系統進行潮流計算，可加深學生對潮流計算原理的掌握，訓練學生的計算分析能力。

針對學生不熟悉各類電氣設備、不能完全掌握設備的原理及其功能等問題，開設相關實踐教學實驗。我校將與實習基地耒陽電廠、衡陽市特變電等部門合作，計劃采購一部分發電廠/變電站所用的設備如斷路器、隔離開關等，作為實驗設備，并利用本院已有的發電廠模型及變壓器模型，設計對電氣設備拆卸、安裝和調試等教學實驗，要求學生動手完成各類設備的安裝和拆卸，并對互感器等設備的控制回路接線進行設計，由此將理論課中電氣設備的相關知識點與實驗內容結合起來，讓學生更為深刻地了解各類電氣設備的基本結構、實現的功能及運行的原理，同時也訓練了學生的動手能力，為學生以后從事電力相關專業工作打下一定的實踐基礎。

2.2 虛擬仿真實驗環節的設計

《發電廠電氣主系統》這一課程主要面向高壓部分，直接讓學生參加發電廠/變電站內的各類操作，顯然不太可能。為了解決這一問題，通過虛擬仿真實驗平臺模擬發電廠/變電站內的各類操作，進一步提高學生的實踐水平。我校已建好核電虛擬仿真重點實驗室，其實驗模型及相關數據主要來源于大亞灣核電廠多年的運行數據，具有很強的實用性。該平臺能夠模擬核、電轉化過程、傳輸過程以及自動控制過程，基于該平臺為學生增加多個仿真實驗項目，模擬核電廠運行過程，讓學生充分理解核能發電過程，如表1所示。

表1 虛擬仿真實驗項目

實驗一，要求學生在理論學習過程中掌握核電生產過程及其原理，學生自主拼接反應堆模塊、蒸汽模塊、發電模塊等構建核電系統，模擬核電機組的啟停操作，觀察生產過程中各類現象及參數變化。

實驗二，考查學生對發電廠/變電站二次系統設備的使用和控制。實際電力系統配備有控制系統的智能設備，保證系統的安全運行，學生導入核電廠的實際運行數據，通過設備監測系統的運行工況，深入理解運行過程中的復雜現象。

實驗三，考查學生對核電功率產生原理的掌握，學生可以設計不同的實驗方案，模擬系統內功率的產生，通過調整相關的設備參數調節核電功率，監測因功率調節引起的系統狀態的轉變過程，提高學生綜合分析問題的能力。

在實驗過程中，讓學生把自己當作設計人員，要求他們思考如何合理設計、運行發電廠，通過仿真實驗平臺修改參數模塊、設計不同的參數，獲得相應的實驗結果，給學生自主學習的空間和條件，提高學生的自主創新和實踐能力。

2.3 軟件仿真實驗環節的設計

基于發電廠/變電站的結構和潮流復雜的特征，當大量可再生能源接入到現代電網中，會引起系統結構和潮流發生改變，導致學生不能正確理解潮流計算原理，計算出現紕漏。為了提高學生的計算能力和設計水平，讓學生了解多類電源接入后系統的運行特征，基于MATLAB、PSCAD 等仿真軟件，設計多能源發電的電廠模型，如可以設計風電、光伏等可再生能源接入的發電系統仿真模型，分析網絡內部潮流特征；學生通過仿真軟件計算網絡中節點、支路的電流電壓值，與自己手動計算的結果進行比較分析，可以找出自己在計算方面的不足，從而有針對性地進行改進。并且學生可根據自己的要求設計仿真模型，有利于提高學生的創新意識和自主學習能力。

為了保證這些實驗環節的順利進行，取得應有的實驗教學效果，針對實驗教師、我校學生特點制定相關的管理措施。如：實驗教師必須做好實驗相關的準備工作，提前給學生提出相關的實驗問題，引導學生去查找資料，帶著問題完成實驗；對學生展示設備的拆卸和安裝、虛擬仿真實驗平臺教學、仿真實驗教學等過程應具有嚴謹的態度，引入課程思政內容，培養學生的感性認識和對課程的興趣；加強實驗過程的考核，將實驗考核成績與實驗預習情況、實驗過程中的自主動手能力、討論問題情況、實驗完成結果等聯系起來，并且規定實驗成績為本課程成績中一部分，設置10%-30%的比例，從而激發學生的主動性和積極性。

3 結語

《發電廠電氣主系統》是一門實踐性很強、工程背景要求高的課程，針對我校開設這一門課程的缺陷及電氣工程及其自動化專業學生的特點，筆者提出將常規實驗、虛擬仿真平臺實驗、仿真實驗等實驗教學環節穿插到課程教學過程中，提升課程的教學質量，豐富課程的教學內容。并且，通過這些實驗環節能極大提高和激發學生的學習積極性，鍛煉學生的實踐動手能力，培養學生自主將所學的理論知識融入實際問題的意識，培養學生的分析問題、解決問題等綜合應用能力。