基于虚拟仿真技术的《电力系统综合实践》教学改革研究
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作者:呼梦颖 段建东 姬军鹏 王建华 李洁
摘 要：作者针对《电力系统综合实践》课程中高电压、高危险、故障不可逆的新能源发电并网系统实体实验难以开展的问题，在采集分散式风电场现场数据和场景的基础上，构建了现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验。将此实验引入电力系统综合实践的实验教学中，不但能弥补实体实验的不足，有助于学生感性直观地理解和掌握新能源电力系统的控制原理，同时加强学生的综合设计分析能力和自主创新能力，提高了教学效果，具有良好的推广性。
关键词：电力系统综合实践;实验教学;虚拟仿真实验;分散式风电
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）10-0038-04
一、引言
《电力系统综合实践》是西安理工大学电气工程及其自动化和智能电网信息工程专业开设的一门重要的专业实践课，该课程内容主要包括电力系统的组成结构、运行原理、潮流计算及仿真分析，使学生更好地掌握电力系统基本知识，掌握潮流计算、故障计算和稳定计算方法，提高学生的综合设计能力。
目前大部分高校的相关课程实践一般以PSS/E软件对传统电力系统进行潮流计算，利用Matlab软件进行仿真分析或传统教学仪器实验为主[1]。一些高校引入了新能源发电并网相关内容，但由于发电系统高电压、高危险特征和实验室条件限制，难以开展实体实验，学生只能进行Matlab仿真[2][3]，不能进行新能源发电整体系统级的实践学习，与当前发展迅速的新能源发电产业实际脱节，学生很难掌握行业前沿技术，难以培养满足新能源产业发展需求的创新型电气工程人才。
虚拟仿真实验教学是新时代教育背景下的新型教学模式[4][5]，借助3D虚拟技术和专业仿真分析，可解决高电压、高危险、大功率、故障不可逆的新能源发电系统实体实验难以开展的问题，实现校内外实验教学资源共享。将风电场与配电网现场采集的稳态运行数据和故障暂态场景融合，在电力系统综合实践的教学中构建了风电分散式并入配电网漫游认知、风电场稳态运行中并网功率预测、风电机组故障暂态中低电压穿越控制三位一体的虚拟仿真实验，实施了基于虚拟仿真实验的教学方法。教学结果表明，该教学方法有助于学生感性直观地理解和掌握新能源发电系统的运行原理，培养学生的综合分析设计能力和解决复杂工程问题能力，具有良好的教学效果。
二、虚拟仿真实验建设需求
1.提升实验教学质量需求
2017年7月，教育部办公厅印发《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[6]，提出虚拟仿真实验教学项目是拓展实验教学内容的广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平而采取的重要举措。开展电气专业的虚拟仿真实验教学，顺应教育信息化发展需求，解决传统实验教学中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的问题，将高电压、高危险、大功率等实验“搬”进本科实验课堂，对于提高实验教学质量，培养学生的实践、创新能力具有重要意义。
2.新能源革命带来的冲击较大
传统电力系统受新能源发电、全球能源互联网、泛在电力物联网等技术的影响越来越明显，新能源技术的变革是传统电力行业转型的必然趋势[7][8]，其中风力发电因其清洁性和可再生利用等优势已成为新能源发电的重要部分，我国2018年开启了风电分散接入配网的建设新高潮。
传统的电力系统综合实践教学模式已不能满足新能源产业革命对人才的需求。改革教学模式，采用网络版虚拟仿真实验进行教学可更感性、直观地展示新能源发电并网系统的新技术和新方法，有助于学生掌握前沿技术，为新能源产业发展输送人才。
3.高危高压的风电系统难以开展实体实验
风力发电系统电压等级通常在10kV以上，塔筒高度为50m以上，机舱狭窄，变流器具备故障不可逆性，所以这类实验平台构建成本高，传统实验室不具备实验条件;风电场现场实习危险系数大，学生可以查看风电机并网稳态运行和暂态控制的效果，但是无法看到其中的运行方法和控制策略。虚拟仿真实验系统可复现风力发电系统的工作原理和控制策略，并将涉及课程的理论知识结合起来，形成综合性的实践平台。
三、虚拟仿真实验系统及实践教学示例
分散式风电是位于负荷中心附近，不以大规模远距离输送电力为目的，所产生的电力就近接入当地电网进行消纳的风电项目[9]，因此分散式风电是当前风力发电的主要发展方向。分散式风电并网运行与控制系统是保障风电安全、稳定、可靠运行的关键技术和核心装备。笔者选取分散式风电场作为实验对象，将3D虚拟技术和专业仿真软件的定量仿真分析结合，构建分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验系统，结合电力系统综合实践课程需求，设计了风电分散式并入配电网漫游认知、风电场稳态运行中并网功率预测、风电机组故障暂态中低电压穿越控制的实验内容。
1.风电分散式并入配电网漫游认知
学生根据线路或箭头提示，身临其境地在风电虚拟仿真实验系统中进行各设备自主巡游，学习路线包括塔筒底部、机舱内部、主控室以及从透视角度观看风机，塔筒底部漫游界面如图1所示。
实验系统穿插某风电场现场采集的场景（见图2），并配备知识讲解，学生的学习内容不仅有虚拟内容，还包括风电场现场场景及理论知识，这种学习方式可以帮助学生加深对理论知识的理解，并可以感性、直观地掌握分散式风电场的组成结构和运行控制原理。
2.风电稳态运行中并网功率预测
风电稳态运行并网功率预测实验融合了风电场现场采集的2012—2019年稳态运行数据，包括发电机功率、发电机转速、风向实时值、风速和机舱外温度等，这些数据为学生后续进行风电功率预测课题研究提供数据支撑。该模块风电功率预测算法包括时间序列法、神经网络法、支持向量机法和极限学习机法，这4种方法涵盖了传统方法和新型方法。学生自主选择4种功率预测算法，首先学习预测原理及预测流程，在每种算法中完成答题，考察学生对预测算法的掌握程度，巩固学生对理论知识的理解。学生自行设计预测参数，如隐含层节点数、参数寻优步长等，观测不同参数对预测精度的影响，并记录于圖3的表中。通过学习该实验模块，学生对比不同预测方法的优缺点，培养学生的自主学习能力和综合设计能力。 3.风电机组故障暂态中低电压穿越控制
考虑到变流器的安全性和暂态故障不可逆性，风电场现场无法进行实际极端短路故障模拟。虚拟仿真实验系统融合了风电场现场的极端故障暂态场景，如风机着火、塔筒倒塌等，通过3D虚拟技术和低电压穿越控制仿真的定量化分析，为学生提供风电机组短路故障模拟实验条件。
引导学生学习低电压穿越控制仿真模型、励磁控制和Crowbar电路控制原理并设计参数，帮助学生掌握低电压穿越控制算法。学生自主选择不同的电压跌落工况，对比雷击引起电压不同程度跌落下风电并网点电压、电流、有功功率和无功功率波形，提示学生观测风机转速、Crowbar装置和变流器电流变化。在每个工况实验完成后，学生完成答题，考察学生对该工况下控制原理和控制策略的掌握程度，实验结果及答题如图4所示。
该实验采集了近三年某示范性工程的风电机组低电压穿越控制现场试验数据，学生可以自主选择不同年份的典型案例，将现场数据和仿真数据对比分析，总结真实分散式风电场的低电压穿越控制方法，培养学生的综合设计和分析能力。
四、实验教学方法的创新性
1.情景式教学——融合风场真实场景
在电力系统综合实践教学中引入现场数据与场景驱动的风电虚拟仿真实验，打破了以潮流计算和仿真分析为主的教学模式。实验中涉及到的风轮、发电机等与真实风电场一致，并穿插以某风力发电场现场实际运行图片和视频，学生置身于虚拟场景和真实场景之中，体验设备巡游和实际操作，实现情景式的教与学。
2.互动式教学——学生交互操作答题
在实验过程中，学生以第一视角漫游风电场，参与到风电场并网运行和故障处理中，同时学生在深入学习之后回答实验系统中设置的问题，实现深度互动式教学，巩固对理论知识的理解，帮助学生掌握控制算法，提升教学效果。
3.案例式教学——大量真实案例应用
低电压穿越控制模块中的现场故障数据还原采用典型案例方式，故障及低电压控制参数取自风电场现场真实数据。在教师指导下，学生自主选择不同年份的典型案例，对比仿真结果与真实数据，分析风电场现场并网系统采取的控制方法，展开讨论、对比分析、归纳总结，同时修改仿真参数，观察和分析实验现象，使学生掌握低电压穿越控制方法，培养学生的综合应用能力。
4.开放式教学——鼓励学生探索创新
风电并网功率预测实验模块中，编程窗口和4种风电功率预测算法的代码完全开放，学生能够自主编写或改进预测程序;低电压穿越控制的仿真模型完全开放，学生能够改进模型，优化控制策略，研究低电压穿越的控制方法。通过开放式教学，激发学生探索热情，增强学生的自主创新能力。
5.科研反哺式教学——学生掌握前沿技术
实验系统中风电并网功率预测和低电压穿越控制模块紧密结合风电科研项目，由科研成果转化而来，体现了科研反哺教学。这种教学方法能够使学生了解风电行业的研究热点和难点，掌握行业前沿研究技术，为行业发展输送人才。同时持续完善虚拟仿真实验，不断融入新的科研成果，促进教学深入改革。
五、结语
针对《电力系统综合实践》课程中高电压、高危险、故障不可逆的新能源发电并网系统实体实验难以开展的问题，笔者紧密结合风电科研项目，构建了现场数据与场景驱动的分散式风电并网运行控制虚拟仿真实验，实施了基于虚拟仿真实验的电力系统综合实践创新性教学方法。这种教学模式有助于学生感性直观地掌握新能源发电系统的运行原理，培养学生的综合设计能力和探索创新能力，学生可以学习新能源行业前沿技术，为全球能源互联网、泛在电力物联网产业发展培养高科技人才。实践表明，基于虚拟仿真实验的新型教学方法具有较强的推广性和示范性，对高校新能源发电类虚拟仿真资源建设和难以开展实体实验的课程实践教学改革具有借鉴意义。
参考文献：
[1]张明锐，吴严严，王佳莹.电力系统综合实验平台的教学实践与应用[J].实验室科学，2018，21（5）：50-53.
[2]李文娟，张琦，马亮亮.双馈风电机组并网运行仿真实验[J].实验技术与管理，2019，36（11）：94-98.
[3]江宏玲，周成，戴新荣等.中点箝位型三电平光伏并网逆变器控制[J].实验室研究与探索，2018，37（5）：22-26.
[4]王娟，樊智勇，段照斌等.基于虚拟仿真的飞机系统教学资源建设方法探索[J].中国教育信息化，2017（13）：54-58.
[5]刘畅，柯健.虚拟仿真实验平台下探究式学习的设计与实践[J].中国教育信息化，2019（10）：42-44.
[6]教高厅[2017]4号.教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[Z].
[7]张恒旭，袁振华，刘玉田.适应全球能源互联网需求的人才培养框架建议[J].电气电子教学学报，2017，39（3）：1-6.
[8]田世明，栾文鹏，张东霞等.能源互联网技术形态与关键技术[J].中国电机工程学报，2015，35（14）：3482-3494.
[9]刘嘉超，刘建伟，王明等.典型分散式风电工程电力系统接入優化设计[J].电网与清洁能源，2019，35（6）：60-68. （编辑：鲁利瑞）
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