新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下發(fā)電廠電氣部分課程的工程貫穿教學改革探索

張祥宇 李然 胡永強 盛四清

摘? 要：發(fā)電廠電氣部分課程須適應新型電力系統(tǒng)的工程發(fā)展趨勢，融入新能源、直流輸電等先進技術(shù)，使課程中的廠站電氣部分教學具有新的“雙碳”特色。該文首先結(jié)合發(fā)電廠電氣部分中傳統(tǒng)廠站的電氣部分教學內(nèi)容，分析新能源場站、直流換流站等新型配電裝置的特點，探索課程思政元素。其次，將新能源發(fā)電、直流輸電技術(shù)融入發(fā)電廠電氣部分設計之中，豐富新型電力系統(tǒng)的工程貫穿教學資源。最后，引入沉浸式漫游與工程實景交互認知的工程貫穿教改方案，構(gòu)建資源融合充分、內(nèi)容結(jié)構(gòu)多樣、學科特色鮮明的實踐教學平臺，全方位展示新能源高占比下發(fā)電廠電氣部分的工程實踐特色，優(yōu)化教學效果。

關鍵詞：發(fā)電廠電氣部分；風電；直流輸電；工程貫穿；電力系統(tǒng)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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(fā)電廠電氣部分是電氣工程專業(yè)中理論與實際工程結(jié)合緊密的一門專業(yè)課程，具有鮮明的工程應用特色。在專業(yè)課程教學過程中占有重要地位，與電力系統(tǒng)分析、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護等課程密切相關[1-2]。助力實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”，通過多能源互聯(lián)構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，已成為“十四五”期間國家電網(wǎng)的發(fā)展方向。隨著新能源高比例接入、特高壓直流輸電技術(shù)高速發(fā)展，新型交、直流組網(wǎng)方式、風電/光伏場站內(nèi)的電氣設備運行已對課程教學提出了新的要求[3]。融入先進電力技術(shù)，貼近新能源場站及交直流輸電工程實際的貫穿式教學將是發(fā)電廠電氣部分課程教改亟待探索的方向。

發(fā)電廠電氣部分課程以發(fā)電、變電和輸電為基礎，講述電力系統(tǒng)的主系統(tǒng)構(gòu)成及運行原理，闡明電氣一次、二次部分相關基本知識。在目前的課程學習中，能夠體現(xiàn)出電氣基礎理論與工程應用的聯(lián)系，使學生認知火電、水電廠及變電站電氣部分的設計方法和電氣設備選擇的基本原理，有利于學生樹立工程觀點，培養(yǎng)工程實踐意識，為從事電力設計及運行奠定必要的學習基礎。然而，隨著“雙碳”目標快速推進，電力系統(tǒng)中未來將出現(xiàn)高比例風光儲及直流輸電等新型電力技術(shù)，發(fā)電廠電氣部分目前的課程資源建設仍顯不足。如文獻[4]提出發(fā)電廠電氣課程建設需要聚焦于新型電力系統(tǒng)，尚需利用“互聯(lián)網(wǎng)”“移動媒介”等新技術(shù)，補充學生主動學習、師生互動的線上資源。文獻[5]發(fā)現(xiàn)電氣課程的理論部分目前集中于火電、水電、核電的廠站接線設計和設備選擇，缺乏新能源場站、柔直工程等先進技術(shù)的工程介紹。因此，發(fā)電廠電氣部分課程需要結(jié)合新型電力系統(tǒng)的發(fā)展進程，根據(jù)新工科發(fā)展學生實踐、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求[6]，才能實現(xiàn)理論與工程并重的特點。

為解決上述問題，發(fā)電廠電氣部分教學改革將融入風電、光伏及直流換流站的電氣部分內(nèi)容，并將先進電力技術(shù)以工程應用形式貫穿于課程教學過程。首先，本文深入分析新型電力系統(tǒng)中發(fā)電廠電氣部分的知識點，收集、梳理課程思政元素并將其融入課程教學之中，實現(xiàn)知識傳授和價值引領有機結(jié)合。第二，建立新能源場站電氣部分課程設計教學資源，與傳統(tǒng)廠站進行對比，突出新型配電裝置的特色。第三，建成VR仿真實驗室，為學生進行沉浸式體驗提供實驗室環(huán)境，讓他們在學習過程中不斷地培養(yǎng)自己的邏輯思維，提高工程實踐能力。最后，運用新的現(xiàn)代化手段，將沉浸式漫游與工程實景交互認知的教學模式融入課程之中，凸顯課程教學內(nèi)容的前沿性、交叉性與綜合性。激發(fā)學生創(chuàng)造能力，立足于實踐創(chuàng)新，實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的目標和要求。

一? 新能源高占比下發(fā)電廠電氣部分課程思政滲透

（一）? 新型電力系統(tǒng)的場站及電氣設備簡介

發(fā)電廠電氣部分在新能源高占比背景下需要思政理念與工程實踐形成協(xié)同教學效應，注重先進電力技術(shù)的價值引領，增強對學生的工程實踐能力培養(yǎng)。在課堂教學中，豐富的“思政元素”有利于引導學生以電氣工程為場景形成正確的辯證思維、歷史（工程）思維和實踐思維，提升學生的政治認同、國家意識和文化自信。

如圖1所示，在發(fā)電廠電氣部分課程中，通過如下4個典型案例解析新型電力系統(tǒng)中發(fā)電廠以及引申出電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1? 推進“雙碳”目標——新能源發(fā)展與場站建設

課程首先闡述“雙碳”目標將其聚焦于電力行業(yè)的新能源發(fā)展，結(jié)合我國電網(wǎng)未來走勢，對發(fā)電廠建設需求展開預測。以新能源高占比區(qū)域電網(wǎng)為例，闡述新能源消納、系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻存在的問題，串聯(lián)電力系統(tǒng)分析基礎、電機學及電力電子課程，帶動學生認知新型電力系統(tǒng)的前景與遭遇的發(fā)展瓶頸。以此為出發(fā)點，在專業(yè)課理論學習的基礎上，嘗試提出提升新能源滲透率的可行技術(shù)方法，并與已有先進技術(shù)進行對比，激發(fā)學生對先進輸變電技術(shù)的學習興趣。

2? 在平凡中傳承工匠精神——傳統(tǒng)火電廠的建設與發(fā)展

火電廠具有復雜而精密的廠用電系統(tǒng)和最為成熟的發(fā)電方式。學習火電廠的生產(chǎn)流程，可以讓學生體會到平凡中傳承的工匠精神，具備扎實的理論知識，是完成精密工程應用的關鍵。此外，通過火電廠燃煤導致的污染問題，引導學生了解到碳達峰、碳中和是黨中央經(jīng)過深思熟慮做出的重大戰(zhàn)略決策，事關中華民族持續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。發(fā)展新型電力系統(tǒng)將是實現(xiàn)“雙碳”目標的必然趨勢。

3? 講好智慧水電，培養(yǎng)新時代工人——水電站的建設與實踐

以抽水蓄能水電站為代表的水電廠，廠用電率較低，具有完善的調(diào)頻、調(diào)峰及調(diào)相功能。在新能源高占比區(qū)域電網(wǎng)中，考慮到風光功率波動性及并網(wǎng)支撐能力不足，水電廠需要通過智能自動化控制擔負起更多的系統(tǒng)維穩(wěn)任務，保障新能源大規(guī)模安全入網(wǎng)。

4? 守好一段渠，種好責任田——電氣一次設備在電能生產(chǎn)、輸送、分配中的作用

在新能源高占比背景下，考慮到系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電能質(zhì)量、頻率及電壓的動態(tài)穩(wěn)定性，需要在已有的電氣一次設備教學內(nèi)容的基礎上，補充闡述直流換流站、無功補償設備、調(diào)頻及調(diào)壓設備等相關電氣設備知識，充分體現(xiàn)出新型電力系統(tǒng)的電能生產(chǎn)、傳輸及分配現(xiàn)狀，引出未來電氣設備研制技術(shù)的革新方向。

（二）? 新能源場站的主接線設計與配電裝置布置

在傳統(tǒng)電廠及變電站中，廣泛采用單母線、雙母線、一臺半斷路器等接線形式，新能源場站的主接線設計須要結(jié)合自身特點設計出適于風光功率輸送的接線形式。通過對比母線、出線檢修及故障情況下的供電可靠性，學生能夠認識到新能源場站的主接線設計原則。

如圖2所示，主接線設計及配電裝置布置可以通過母線選擇、可靠性與經(jīng)濟性趨勢及安全防護等方面實現(xiàn)思政與工程融合，將其貫穿于教學之中。

1? 尊重客觀規(guī)律、發(fā)揮主觀能動性——電氣主接線設計的基本要求

電氣主接線的基本要求包括可靠性、經(jīng)濟性和靈活性。其中，可靠性是其基本要求，需要增配相應電氣設備，但經(jīng)濟性隨之降低。在新能源場站中同樣要綜合考慮以上三種基本要求，滿足新型電氣設備的實際運行需求，須要學生發(fā)揮主觀能動性，探索適于新型電力系統(tǒng)的主接線設計方案。

2? 杜絕主觀臆斷，扎實掌握功能——單母線的倒閘操作

在倒閘操作過程中，隔離開關需要遵循“先通后斷”的基本原則。在倒閘操作過程中，要杜絕主觀臆斷，理解線路側(cè)隔離開關和母線隔離開關的開斷順序，盡可能保障母線運行安全。在此基礎上，分析新能源場站進、出線開關設備倒閘的正確順序，并學習風機、光伏組件、濾波器及無功功率補償裝置的投切過程。

3? 母線檢修的正確抉擇——單母線與雙母線的接線設計

單母線接線存在母線檢修或故障停電范圍過大的問題，可考慮增設母線提升系統(tǒng)的運行可靠性，但也增加了開關設備，降低了經(jīng)濟性。在新能源場站中，根據(jù)風光發(fā)電的特點，探討單母線、雙母線接線的適用性，但也應考慮進出線回路數(shù)及可靠性的實際要求。

4? 可靠性與經(jīng)濟性的取舍——一臺半斷路器接線設計

在主接線設計方案中，一臺半斷路器接線具有較高的供電可靠性，可實現(xiàn)檢修任意斷路器不停電、母線檢修與故障不停電的高可靠性表現(xiàn)。然而，大量使用斷路器，也導致了接線形式經(jīng)濟性無法保障，所以在可靠與經(jīng)濟的取舍中，充分體現(xiàn)了電力工程實際應用時的辯證思想。在高壓直流輸電工程中，換流站交流側(cè)同樣可通過一臺半斷路器接線提升運行可靠性，綜合分析直流工程中主接線的可靠性與經(jīng)濟性，須要進一步辯證分析。

5? 守牢安全生產(chǎn)生命線——配電裝置的最小安全凈距

在電氣工程建設中，配電裝置需要滿足安全凈距的基本要求，才能防止人體或可移動物體觸及或接近帶電體造成觸電事故，防止電氣短路事故、過電壓放電和火災事故，守牢安全生產(chǎn)生命線。安全間距需要綜合考慮電壓高低、設備類型、安裝方式等因素。高壓直流輸電、新能源場站的配電裝置布置同樣要滿足安全凈距的基本要求。在新型運檢設備引入后，如運檢機器人，安全凈距的調(diào)整也是新型電力系統(tǒng)配電裝置布置的特色。通過新型配電裝置的布置方式，在教學過程中可以為學生注入更全面的安全意識，突出守牢安全生產(chǎn)生命線的重要性。

綜上，將上述思政元素融入課程教學可以體現(xiàn)出新型電力系統(tǒng)的先進技術(shù)、管理及檢修特色。不僅有利于激發(fā)學生的愛國情懷，也會增強學生對先進技術(shù)的學習興趣，使發(fā)電廠電氣部分的課程教學將更具時代性。

二? 建設新型電力系統(tǒng)及風電/光伏場站的電氣部分課程資源

在新型電力系統(tǒng)中，建設風電/光伏場站及直流換流站的電氣部分課程資源需要調(diào)研新型電氣設備、組網(wǎng)技術(shù)及運行方式，并協(xié)調(diào)統(tǒng)一線下資源和線上資源。在體現(xiàn)發(fā)電廠電氣部分課程理論和實踐并重特點的基礎上，制訂貼近新型電力系統(tǒng)工程的教學大綱，強化實踐、創(chuàng)新內(nèi)容，為適應新工科培養(yǎng)要求對教材進行補充，緊密聯(lián)系新型電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

與傳統(tǒng)火電、水電相比，風電場內(nèi)的機組容量小，電壓等級低，且數(shù)量較多。在主接線設計中，教學需要結(jié)合新能源場站實際工程需求，深入闡述風電機組、集電系統(tǒng)、升壓站及廠用電系統(tǒng)的設計原則。風電機組可考慮采用擴大單元接線，將風機出口電壓由690 V升壓至35 kV，并在高壓側(cè)設計集電系統(tǒng)，可考慮采用架空線或電纜完成風功率匯集。此外，與傳統(tǒng)廠站的設計不同，風電、光伏及直流換流站中的主接線設計和電氣設備選擇還需要考慮接入換流器、無功功率補償及濾波裝置，保障新能源安全并網(wǎng)發(fā)電。

針對上述問題，教研團隊通過多次新能源場站調(diào)研，并結(jié)合科研成果，已針對風電、光伏及直流輸電發(fā)展趨勢、場站主系統(tǒng)設計原則、新能源并網(wǎng)安全等問題編寫出多個教學專題，不僅豐富了教學內(nèi)容，更能體現(xiàn)出新型電力系統(tǒng)的工程貫穿教學理念。

三? 沉浸式漫游與工程實景交互認知的工程貫穿教改方案

（一）? VR實驗平臺教學體系

在發(fā)電廠電氣部分的工程貫穿教學過程中，利用虛擬仿真技術(shù)搭建實驗平臺，模擬工程實景和電氣設備實際運行和操作。虛擬仿真實驗平臺規(guī)避了實際電力系統(tǒng)高危的環(huán)境，學生在沉浸式學習過程中了解系統(tǒng)及電氣設備的狀態(tài)及真實運行情況，并進行高仿真度的操作模擬，在學習過程中激發(fā)學生學習的積極性，提高學生的工程實踐能力[7]。

目前，已搭建的VR實驗平臺主要包括高壓電氣設備原理與拆裝系統(tǒng)；典型發(fā)電廠、變電站巡視系統(tǒng)，電氣主接線日常操作系統(tǒng)。可以在虛擬環(huán)境下模擬主要高壓電氣設備的結(jié)構(gòu)與運行，500、220 kV變電站，火電廠及風電場一次、二次系統(tǒng)的仿真巡視實景以及新能源場站的主系統(tǒng)接線設計，現(xiàn)場典型倒閘操作等。

（二）? 沉浸式漫游與工程實景交互認知

融入新型電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠電氣部分課程與工程教學密不可分，課程將依托教師所在教學團隊搭建的“VR實驗平臺”、教師所在科研團隊建設的華北電力大學“新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室”和“分布式儲能與微網(wǎng)河北省重點實驗室”，以及承擔的橫向、縱向科研項目將新型電力系統(tǒng)的先進技術(shù)及新型電氣設備融入發(fā)電廠電氣部分課程的教學之中。

教學團隊中的一線教師多數(shù)為科研骨干，科研方向包括新能源并網(wǎng)安全、直流輸電運行與控制等多個領域，結(jié)合相關科研領域的最新研究動態(tài)，以及科研項目取得的研究成果可以與發(fā)電廠電氣部分工程貫穿教學改革完成融合。例如，教研團隊成員多次調(diào)研張家口壩上風電場運行數(shù)據(jù)，分析大規(guī)模風電并網(wǎng)的頻率安全問題，可為學生深入講述新能源高占比電網(wǎng)中存在的安全穩(wěn)定問題。此外，團隊成員參與了冬奧賽區(qū)數(shù)字孿生項目、張北柔直工程運行分析項目，可以結(jié)合科研經(jīng)歷為學生介紹先進的工程應用經(jīng)驗，以及未來先進組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。

教師通過將新型電力系統(tǒng)的科研成果融合到教學內(nèi)容中，使教學內(nèi)容不斷深化，同時結(jié)合學科競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等引導學生參與科研訓練，有助于培養(yǎng)學生主動學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，師生在教學和科研過程中的互動，又進一步有助于科研內(nèi)容的不斷拓展和深化，實現(xiàn)科研和教學良性互動。

四? 結(jié)束語

在新能源高占比背景下，為激發(fā)學生對于發(fā)電廠電氣部分課程的學習興趣，豐富工程貫穿教學方案，本文通過思政元素滲透、新能源場站教學資源建設以及依托VR實驗平臺教學，進行了“興趣牽引”“工程驅(qū)動”“學科特色”“‘虛’與‘實’有機融合”的工程貫穿教學過程的改革探索。結(jié)合理論分析與教學實踐得到如下結(jié)論。

1）以新型電力系統(tǒng)發(fā)展為背景，將思政元素融入課程內(nèi)容，在實現(xiàn)知識傳遞和能力培養(yǎng)的基礎上，有利于培養(yǎng)學生作為電氣人的家國情懷，可顯著提高學生自主學習、科技創(chuàng)新的內(nèi)在動力，實現(xiàn)學生的價值塑造。

2）根據(jù)新工科培養(yǎng)要求和課程思政需求，將新能源發(fā)電技術(shù)、先進電氣設備及組網(wǎng)技術(shù)等相關知識加入課程教學內(nèi)容，建立新型電力系統(tǒng)的電氣一次部分課程資源，使學生理解和把握專業(yè)知識的發(fā)展脈絡，圍繞專業(yè)發(fā)展的關鍵問題有所思考和發(fā)現(xiàn)。

3）將VR技術(shù)與發(fā)電廠電氣教學內(nèi)容相結(jié)合，通過虛擬與現(xiàn)實、科研與教學、教師與學生等多類型深度互動的教學模式，本文建立了適應虛擬漫游與工程實景交互認識需求的教學資源庫，使學生獲得了真實的情境體驗。在工程貫穿教學實施過程中，學生的工程實踐和科研創(chuàng)新能力均可得到有效提高，有利于實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標。

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基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“新型電力系統(tǒng)中《發(fā)電廠電氣部分》的工程貫穿教學改革探索”（2021GJJG406）

第一作者簡介：張祥宇（1984-），男，漢族，河南商丘人，博士，副教授。研究方向為新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)、電力電子化電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行分析和柔性直流輸配電運行與控制。