新型电力系统发展背景下发电厂电气部分课程的工程贯穿教学改革探索

摘  要：发电厂电气部分课程须适应新型电力系统的工程发展趋势，融入新能源、直流输电等先进技术，使课程中的厂站电气部分教学具有新的“双碳”特色。该文首先结合发电厂电气部分中传统厂站的电气部分教学内容，分析新能源场站、直流换流站等新型配电装置的特点，探索课程思政元素。其次，将新能源发电、直流输电技术融入发电厂电气部分设计之中，丰富新型电力系统的工程贯穿教学资源。最后，引入沉浸式漫游与工程实景交互认知的工程贯穿教改方案，构建资源融合充分、内容结构多样、学科特色鲜明的实践教学平台，全方位展示新能源高占比下发电厂电气部分的工程实践特色，优化教学效果。

关键词：发电厂电气部分；风电；直流输电；工程贯穿；电力系统

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

发电厂电气部分是电气工程专业中理论与实际工程结合紧密的一门专业课程，具有鲜明的工程应用特色。在专业课程教学过程中占有重要地位，与电力系统分析、高电压技术、电力系统继电保护等课程密切相关[1-2]。助力实现“碳达峰”“碳中和”，通过多能源互联构建新型电力系统，已成为“十四五”期间国家电网的发展方向。随着新能源高比例接入、特高压直流输电技术高速发展，新型交、直流组网方式、风电/光伏场站内的电气设备运行已对课程教学提出了新的要求[3]。融入先进电力技术，贴近新能源场站及交直流输电工程实际的贯穿式教学将是发电厂电气部分课程教改亟待探索的方向。

发电厂电气部分课程以发电、变电和输电为基础，讲述电力系统的主系统构成及运行原理，阐明电气一次、二次部分相关基本知识。在目前的课程学习中，能够体现出电气基础理论与工程应用的联系，使学生认知火电、水电厂及变电站电气部分的设计方法和电气设备选择的基本原理，有利于学生树立工程观点，培养工程实践意识，为从事电力设计及运行奠定必要的学习基础。然而，随着“双碳”目标快速推进，电力系统中未来将出现高比例风光储及直流输电等新型电力技术，发电厂电气部分目前的课程资源建设仍显不足。如文献[4]提出发电厂电气课程建设需要聚焦于新型电力系统，尚需利用“互联网”“移动媒介”等新技术，补充学生主动学习、师生互动的线上资源。文献[5]发现电气课程的理论部分目前集中于火电、水电、核电的厂站接线设计和设备选择，缺乏新能源场站、柔直工程等先进技术的工程介绍。因此，发电厂电气部分课程需要结合新型电力系统的发展进程，根据新工科发展学生实践、创新能力的培养要求[6]，才能实现理论与工程并重的特点。

为解决上述问题，发电厂电气部分教学改革将融入风电、光伏及直流换流站的电气部分内容，并将先进电力技术以工程应用形式贯穿于课程教学过程。首先，本文深入分析新型电力系统中发电厂电气部分的知识点，收集、梳理课程思政元素并将其融入课程教学之中，实现知识传授和价值引领有机结合。第二，建立新能源场站电气部分课程设计教学资源，与传统厂站进行对比，突出新型配电装置的特色。第三，建成VR仿真实验室，为学生进行沉浸式体验提供实验室环境，让他们在学习过程中不断地培养自己的逻辑思维，提高工程实践能力。最后，运用新的现代化手段，将沉浸式漫游与工程实景交互认知的教学模式融入课程之中，凸显课程教学内容的前沿性、交叉性与综合性。激发学生创造能力，立足于实践创新，实现新工科人才培养的目标和要求。

一  新能源高占比下发电厂电气部分课程思政渗透

（一）  新型电力系统的场站及电气设备简介

发电厂电气部分在新能源高占比背景下需要思政理念与工程实践形成协同教学效应，注重先进电力技术的价值引领，增强对学生的工程实践能力培养。在课堂教学中，丰富的“思政元素”有利于引导学生以电气工程为场景形成正确的辩证思维、历史（工程）思维和实践思维，提升学生的政治认同、国家意识和文化自信。

如图1所示，在发电厂电气部分课程中，通过如下4个典型案例解析新型电力系统中发电厂以及引申出电力系统的发展趋势。

1  推进“双碳”目标——新能源发展与场站建设

课程首先阐述“双碳”目标将其聚焦于电力行业的新能源发展，结合我国电网未来走势，对发电厂建设需求展开预测。以新能源高占比区域电网为例，阐述新能源消纳、系统调峰调频存在的问题，串联电力系统分析基础、电机学及电力电子课程，带动学生认知新型电力系统的前景与遭遇的发展瓶颈。以此为出发点，在专业课理论学习的基础上，尝试提出提升新能源渗透率的可行技术方法，并与已有先进技术进行对比，激发学生对先进输变电技术的学习兴趣。

2  在平凡中传承工匠精神——传统火电厂的建设与发展

火电厂具有复杂而精密的厂用电系统和最为成熟的发电方式。学习火电厂的生产流程，可以让学生体会到平凡中传承的工匠精神，具备扎实的理论知识，是完成精密工程应用的关键。此外，通过火电厂燃煤导致的污染问题，引导学生了解到碳达峰、碳中和是党中央经过深思熟虑做出的重大战略决策，事关中华民族持续发展和构建人类命运共同体。发展新型电力系统将是实现“双碳”目标的必然趋势。

3  讲好智慧水电，培养新时代工人——水电站的建设与实践

以抽水蓄能水电站为代表的水电厂，厂用电率较低，具有完善的调频、调峰及调相功能。在新能源高占比区域电网中，考虑到风光功率波动性及并网支撑能力不足，水电厂需要通过智能自动化控制担负起更多的系统维稳任务，保障新能源大规模安全入网。

4  守好一段渠，种好责任田——电气一次设备在电能生产、输送、分配中的作用

在新能源高占比背景下，考虑到系统组网结构、电能质量、频率及电压的动态稳定性，需要在已有的电气一次设备教学内容的基础上，补充阐述直流换流站、无功补偿设备、调频及调压设备等相关电气设备知识，充分体现出新型电力系统的电能生产、传输及分配现状，引出未来电气设备研制技术的革新方向。

（二）  新能源场站的主接线设计与配电装置布置

在传统电厂及变电站中，广泛采用单母线、双母线、一台半断路器等接线形式，新能源场站的主接线设计须要结合自身特点设计出适于风光功率输送的接线形式。通过对比母线、出线检修及故障情况下的供电可靠性，学生能够认识到新能源场站的主接线设计原则。

如图2所示，主接线设计及配电装置布置可以通过母线选择、可靠性与经济性趋势及安全防护等方面实现思政与工程融合，将其贯穿于教学之中。

1  尊重客观规律、发挥主观能动性——电气主接线设计的基本要求

电气主接线的基本要求包括可靠性、经济性和灵活性。其中，可靠性是其基本要求，需要增配相应电气设备，但经济性随之降低。在新能源场站中同样要综合考虑以上三种基本要求，满足新型电气设备的实际运行需求，须要学生发挥主观能动性，探索适于新型电力系统的主接线设计方案。

2  杜绝主观臆断，扎实掌握功能——单母线的倒闸操作

在倒闸操作过程中，隔离开关需要遵循“先通后断”的基本原则。在倒闸操作过程中，要杜绝主观臆断，理解线路侧隔离开关和母线隔离开关的开断顺序，尽可能保障母线运行安全。在此基础上，分析新能源场站进、出线开关设备倒闸的正确顺序，并学习风机、光伏组件、滤波器及无功功率补偿装置的投切过程。

3  母线检修的正确抉择——单母线与双母线的接线设计

单母线接线存在母线检修或故障停电范围过大的问题，可考虑增设母线提升系统的运行可靠性，但也增加了开关设备，降低了经济性。在新能源场站中，根据风光发电的特点，探讨单母线、双母线接线的适用性，但也应考虑进出线回路数及可靠性的实际要求。

4  可靠性与经济性的取舍——一台半断路器接线设计

在主接线设计方案中，一台半断路器接线具有较高的供电可靠性，可实现检修任意断路器不停电、母线检修与故障不停电的高可靠性表现。然而，大量使用断路器，也导致了接线形式经济性无法保障，所以在可靠与经济的取舍中，充分体现了电力工程实际应用时的辩证思想。在高压直流输电工程中，换流站交流侧同样可通过一台半断路器接线提升运行可靠性，综合分析直流工程中主接线的可靠性与经济性，须要进一步辩证分析。

5  守牢安全生产生命线——配电装置的最小安全净距