三位一体的“水电站自动化”教学改革与实践.doc

三位一体的“水电站自动化”教学改革与实践基金项目：本文系江西省高等学校教学改革研究省级课题（课题编号：JXJG-08-18-7）、南昌工程学院校级教改课题“新形式下有效组织热能与动力专业毕业设计教学环节”的研究成果。 随着通信技术、自动控制技术的发展，水电站综合自动化也得到了迅速发展，它利用计算机技术涵盖厂级、现地单元，涉及到机械、电气和控制三个方面，构成了一个结构复杂的监控系统，对从业人员的要求也越来越高。为了应对就业市场的变化，提高学生的竞争力，南昌工程学院（以下简称“我校”）热能与动力工程专业，扩展了“水电站自动化”课程教学内容，创建了水电站自动化知识模块培养体系，提出“理论教学、课程设计与毕业设计、仿真实训”三位一体的教学模式。 一、专业知识模块构建 “水电站自动化”课程是热能与动力工程专业的骨干课程之一，也是一门专业技术课程。它在机械方面涉及到水力发电机组的结构、水力发电机组辅助设备及其系统布置等；电气方面涉及到同步发电机的运行特性、电厂电气主接线形式、继电保护以及电子元件特性等；计算机控制方面涉及自动控制理论、单片机理论、可编程控制器原理及应用等。在内容上来看，同步发电机的同期、励磁等相关理论，不仅难教、难学，也不便于培养学生创新思维能力，同时单一的理论教学也让学生很难和实际操作相联系。因此，“水电站自动化”课是机、电、计算机三者的有机结合，具有知识点分散、内容抽象、软硬件结合、实践性强的特点。 为了优化教学改革，笔者对往届毕业生和就业单位进行了抽样调查。调查结果显示，在“水轮机”、“水轮机调速器”和“水电站自动化”三门骨干专业课程之间，就业单位对“水电站自动化”的要求和建议也是最多的，主要集中在如何增强实用性，如何将知识化繁为简。面对这种情况，在原有的培养计划上，有针对性地创建了水电站自动化知识模块，在删减一些课程的基础上，保留“水电站自动化”的主体地位，开设“水电站微机监控”作为教学辅助，同时设立水电站自动化课程设计、水电站仿真运行实训、电厂生产实习，构建“理论教学、课程设计与毕业设计、仿真实训”三位一体的培养模式（见表1）。在两年的实践中，取得了较好的教学成果。 二、理论教学 水电站自动化的理论教学主要分为“水电站自动化”和“水电站微机监控”两门课程，前者依据水力发电的生产过程和特点，讲授水电站正常运行过程的自动控制，比如同期装置、励磁调节装置等的工作原理及相关操作；后者则主要讲述水电站监控系统的特点、现场总线技术等内容，课程以“水电站自动化”为主，突出它的骨干课程地位。 在教学内容上，采用过程优化设计的方案，突出重点，联系实际，优化教学内容，选择最优教学方案。以“水电站自动化”为例，可以将授课内容分为：水力发电机组运行的自动控制理论、工况监控、辅助设备自动控制、自动化装置四部分内容。 在教学方法上，应该依据不同的教学内容，采取不同的教学方法。多媒体技术的发展，给教学方法带来了重要的变革，比如采用动画、音频等多媒体技术增强学生的感性认识；水力发电机组的励磁过程，由于学生想象不出整机的构造，教师可以利用水力发电机组模型，让学生边听边看，同时利用多媒体播放励磁动画。通过多种教学方法的优化，学生对励磁理论就有了一个立体的、动态的、感性的认识。但并不是所有的教学内容都适合多媒体教学，要灵活地运用教学方法，以期获得最优的教学效果。 在教学过程中，学生的参与、师生之间的互动，也是提高教学效果的最佳途径之一。学生作为学习的主体，有时候可以成为教学的主体，这种角色互换可激发学生学习的自觉性、主动性。如在学习水轮发电机的准同期和自同期并列的概念时，它们之间有哪些区别呢?把这个问题摆在学生面前，使学生感到疑问的复杂性，引起学生积极地参与，主动地阐述各自的见解。这样，学生就会从各种情况出发，进行水轮发电机组的并列操作方式的选定、操作程序、机组并列的条件是否满足等内容的大讨论。让学生在讨论、辩论中，将问题搞清楚，在无形中学习到了知识。 采用优化的教学手段，进行教学改革之后，最终的教学效果如何，还需要有一个评价体系。通过评教，学生将教学效果的相关信息反馈给教师，教师便可以及时地调整教学模式，不断总结教学经验，提高自身教学能力和素质，逐步提高教学质量，更好地完成理论教学任务。 三、课程设计与毕业设计 理论教学是为学生提供专业所需的知识信息，而课程设计和毕业设计则是检验学生是否能够熟练掌握知识，并且合理应用知识的重要手段，是培养学生创新能力、创新意识和工程设计能力的重要手段，是提高学生素质的一个关键步骤。水电站自动化方面的设计，可以引导学生通过适当的分析和计算，理解和掌握水力发电机组及其辅助设备自动运行特性；通过组织学生讨论提高机组运行经济型、安全性的措施和途径，对提高他们的实际动手能力是十分必要的。 实际教学实践中的水电站自动化课程设计和毕业设计，从内容上可以分为两个方向：一个方向是结合实际电厂的水力发电机组运行规程，分析机组启动条件和方法，设计机组启动停止步骤，或者对典型的故障案例进行简要的事故分析；另一方向是以Matlab软件为基础，构建单元自动控制模型，仿真模拟自动控制特点，总结机组运行时应注意的事项。 例如：有一水轮机调速系统，其简化的方框图如图1所示，当Ta+Tb=5，en=0.25，Tw=1，Ty=0.2时： （1）选定调节器参数Tn、Td和bt，并利用Matlab控制系统工具箱所提供的相关函数，了解绘制系统的开环频率特性曲线（伯德图）和确定开环系统的相位裕量与增益裕量的方法。 （2）改变调节器参数Tn、Td和bt，使得开环系统的相位裕量45°，增益裕量6分贝。 （3）绘制系统在你选定调节器参数下的伯德图和奈奎斯特曲线，并利用Simulink仿真工具求闭环系统在阶跃输入xc和mg0分别作用下的输出响应。 （4）在选定调节器参数下，增加水流加速时间常数Tw，说明水流加速时间常数对系统动态特性的影响。 针对这样一个题目，学生不仅要考虑调速系统的特点，还需要有扎实的自动控制知识，还需要特别熟悉水力发电生产过程的自动运行特性，通过这个题目，更能引发学生对水电生产过程的思考，了解流量等对经济运行的影响。因此，通过课程设计和毕业设计使学生在短时间内完成一个较综合的设计工作，不仅达到强化已学知识、指导学生合理利用知识的目的；对学生独立思考能力的提高也是一种锻炼。 四、仿真实训 水电站生产过程自动化程度高，可靠性高，其安全运行影响区域电网乃至整个电网的正常运行，故对操作的准确性要求高，没有一定的熟练操作技能是不行的。在实验室可以通过仿真手段强化训练各种运行的操作技能等。仿真实训是学生直接了解水电站自动化的方式之一，采用水电站仿真机，利用物理仿真和计算机仿真相结合的方式，让学生面对水轮发电机组及水电站，进行事故分析、处理、故障消除；给学生提供最直观的感性认识，为工作之后的岗位操作技能训练奠定基础。我校在2000年就开始建立水电站仿真实验室。实验室中的仿真机原型是一座小型水电站，它仿真了水力发电生产的整个过程，仿真了原型电站的各种正常运行及各系统、各主要设备在运行中常发生的各种故障和事故，相关结果都能以曲线、表格、画面等形式输出，既提高了学生学习的积极性，又使分析工作一目了然。 仿真的实现主要由软件来模拟和控制，应用软件主要由五个部分组成：过程控制软件、对象模型软件、输入输出通信软件、图形软件和二次开发的支持软件。仿真实训的主要内容包括：（1）水力发电厂的基本知识和运行规程的学习（仿真机的规程学习界面）；（2）水力发电机组开/停机；（3）水力发电厂的运行工况；（4）正常的油、水、气系统的监视和操作；（5）正常的电气倒闸操作；（6）设备的事故过程处理。 为了让学生对水力发电有更主观的认识，在水电站自动化课程学习期间，还开设了水电站生产实习，带领学生来到水力发电生产第一线，一方面和电厂有经验的技术人员进行直接交流，另一方面也实地地参观中控室、现地单元等电厂设备，感受现场的工作环境，体现现场的实际工作，树立水电生产的概念。 五、结语 为了适应我国水力发电对实践型、实用型人才的需求，笔者对“水电站自动化”进行积极的教学改革和实践，构建专业知识模块，采用“理论教学、课程设计与毕业设计、仿真实训”三位一体的教学模式，大力改革理论教学的形式和内容，精选教学内容，优化教学手段，以增强学生的实际动手能力，培养合格的水力发电专业技术人员。在两年多的实际教学实践中，取得较好的教学效果，得到了就业单位和毕业学生的充分肯定。