水电调度方向研究生“工程-教学”二元培养方案研究

申建建, 程春田， 武新宇， 廖胜利

(大连理工大学 水利工程学院, 辽宁 大连 116023)

随着三峡、龙滩、溪洛渡、向家坝、小湾、糯扎渡、锦屏等一批巨型水电站集中并网运行,我国水电迈入了大水电系统时代,调度运行和管理变得更加复杂[1],对工程技术和管理人员的理论和实践能力要求也越来越高。目前,水电调度方向的人才需求已经从专科、本科学历全面提升到硕士和博士层次,特别是电网、流域集控等调度管理单位,拥有硕士学历和实践经验已经成为最基本条件,但现行的研究生教学和培养方式还很难完全适应我国大规模水电工程的这一实际需求,亟需进行探索和创新[2-3]。

本文结合作者在电网和特大流域工程中的实践经历与经验,依托目前正在承担的“电力系统及水电系统经济运行原理”“水电站群调度控制技术”“水资源系统分析”等研究生课程,针对当前水电调度方向研究生培养存在的关键问题,从课内与课外着手,深入研究适应我国大规模水电工程实际的研究生培养模式。目标是设计一种课内与课外密切结合的教学培养方式,切实提高水电调度方向研究生的理论和应用实践能力,提升整体专业素养,服务于我国快速发展的大水电系统调度和运行工程实际。

1 国内外水电调度研究生培养现状

我国水电调度人才需求变化情况如图1所示。

图1 水电调度人才需求变化

我国目前水电调度方向研究生培养主要集中在清华大学、武汉大学、华中科技大学、四川大学、河海大学、华北电力大学、大连理工大学、水科院等高校与科研院所[4],他们均开设了相关的水电调度方向研究生专业课程,但在教学过程中普遍面临共同的问题。一是随工程发展出现的新理论、新方法难以及时有效地融入课堂教学；二是理论与实际工程存在脱节情况,很多理论知识没能与实际问题紧密结合,导致学生理论基础不扎实,实践能力较弱,工作压力较大,这实际上也是很多应用类专业研究生培养面临的共性问题[5-7]。为应对这一问题,很多教学和研究人员做了大量研究与改革工作[8-11],例如采用多媒体、视频教学、课外实习等辅助教学与培养方式,将实际工程的运行现状与面临的关键问题直观展现给学生,使学生能切实认识到理论与实践的联系,为巩固并进一步深入理解所学理论知识提供了很好的平台与途径,受到了学生的普遍欢迎。

虽然通过上述教学与培养方式,可有效提升学生对水电调度专业课程的兴趣及学习和研究的积极性,但绝大多数学生对实际工程问题的认识与理解仍旧停留在表面,无法吃透问题本质,很难达到可以动手解决实际问题的水平。当需要进一步深入探讨时,往往表现出一知半解,无法适应当前我国电网和特大流域集控调度和管理的需要。为此,我们通过多次国际学术交流和境外考察,了解了国外一些知名高校在水电调度教学方面的研究与改革工作[12-15],其中比较有效的思路是强化专业理论与实践的联系,提高学生的教学科研参与程度和项目动手能力。典型做法主要有2种：一是使教学和培养方式多样化[16-17],包括讲授(lecture)、讨论(seminar)、学生展示(presentation)、网上教学辅导(teaching online)、实验(experiment)、研究论文(research paper)、实习项目(practicum)等,使学生有更多的灵活时间和发挥空间；二是将实际工程的典型问题和热点问题作为课后作业,让学生自己动手查阅大量资料和文献,提出可行的解决方案和思路,并形成研究报告,加州大学洛杉矶分校、加州大学戴维斯分校、康奈尔大学、伊利诺伊大学香槟分校、巴西圣保罗大学等均是如此[18-19]。实践证明,采用上述方式,确实有效地提高了学生解决实际问题的能力,同时能够了解学科的前沿动态和发展方向,是我国水电相关专业的研究生培养与改革的重要参考与借鉴。相比较而言,国内大多数高校的研究生课程任务非常繁重,特别是通过近两年的教学课程改革,课程数量与学时明显增加,对于课外作业无法保证足够的时间和精力投入。在这种情况下,若完全放任学生自己规划与实施,可能会给学生造成巨大的学习压力与负担。

综上所述,本文关注的水电调度方向研究生教学与培养问题,是国内高校面临的共性问题,直接关系到我国现在和将来大规模电网和水电系统的科学、高效、优质运行,棘手且紧迫,需要切实有效的创新思路和方法。

2 “工程-教学”二元培养方案

在制定研究生培养方案时,应紧跟当前水电调度的前沿方向,以专业理论为基础,以解决水电和电网工程实际问题为导向,从课堂教学与课外工程实践能力培养2个方向出发,合理设计与规划水电调度方向研究生培养方案,切实提高学生的专业理论水平和实践能力。为此,本文将从课程教学内容设计、课外工程实践能力培养任务设计及二者协调机制3个方面提出适宜的培养方案。图2为“工程—教学”二元培养方案总体思路。

2.1 课程教学内容方案设计

在课程教学设计中,应将水电调度研究生相关专业课程统筹考虑,系统地规划教学内容并采用讲授、讨论、学生展示、网上教学辅导、研究论文等多种方式交叉开展教学工作。下面以大连理工大学目前开设的“电力系统及水电系统经济运行原理”“水资源系统分析”和“水电站群调度控制技术”等3门水电调度方向的专业课为例,阐述课程教学设计方案。

图2 “工程—教学”二元培养方案总体思路

通过统筹规划,前2门课程应侧重专业基础理论教学,目的是让学生掌握水电调度相关的基本概念、基本原理、常规计算方法等,了解国内外水电站(群)调度的发展历程、研究现状、经典问题及求解算法、前沿问题等。这部分内容以讲授和讨论为主,同时对高水平研究论文进行解析。第3门课程注重工程实践,可将近10年来我国在电网、特大流域、水电站等工程研究与开发中遇到的各种典型情况进行梳理,遵循由易到难的原则,逐个对这些工程案例进行剖析,使学生深入了解问题本质,掌握解决方法和思路。这个过程将以讲授和学生展示为主,并开展网上教学辅导。此外,主讲教师可推荐一些国内外水电调度领域权威专家和学者的研究论文与书籍,学生通过查阅和分析这些经典论著,能够掌握更多的问题建模思路和求解方法细节,这对学生深入理解专业理论有非常重要的作用。

2.2 课外工程实践方案设计

课外工程实践是培养学生实践能力的重要环节,在具体方案设计中,应该依托具体的水电工程以及目前工程实际中面临的主要问题和难题,分类设计对应的研究专题。研究专题应包括工程特点分析、研究内容、建模求解、实例仿真、实际应用等完整内容。

工程实践拟分3个阶段：一是选取已完成的代表性工程项目,重点是完成工程特点分析和确定研究内容；二是在学校以实际工程项目参与人身份负责部分研究与开发工作,重点是完成建模求解和实例仿真；三是前往工程现场,进行实际应用。三个阶段详述如下：

(1) 第一个阶段。选取的实际工程应具有代表性,同时应包括不同类型的重要水电工程。拟从水电站、流域梯级水电站、跨流域水电站群3个层次选择。其中,水电站应重点考虑我国近20年新建的巨型水电站,因为这些电站面临的需求和问题,通常能反映我国大水电系统的现实情况,如小湾、糯扎渡、溪洛渡、锦屏、龙滩等；流域梯级水电站工程应以我国13大水电基地为主,如澜沧江流域、金沙江流域、雅砻江流域、大渡河流域、红水河流域、乌江流域等；跨流域水电站群工程应从水电富集地区出发,云南、四川等省内均包括多个特大流域梯级水电工程。研究内容应围绕电网、流域集控、电站日常发电调度等核心业务,主要包括发电调度规则、中长期发电调度、短期发电调度、实时调度和AGC控制、厂内经济运行等。

(2) 第二个阶段。结合具体的工程和研究任务,开展建模研究和实例仿真,要求每个专题组的学生都能够充分理解工程背景和问题,并独立完成准确的数学建模,这是研究生培养中理论联系实际的重要一环。在这个阶段,还要锻炼学生利用计算机解决问题的能力,对编程兴趣较大的学生,可独立编写计算求解程序,其他学生可利用目前成熟的商业软件平台完成模型求解,如Matlab、Cplex等。

(3) 第三个阶段。为使学生完全融入实际工程项目,应前往工程现场解决实际问题,这是整个工程实践阶段最核心和最重要的环节。主要目的：一是与电网、流域集控、电站第一线工程技术人员进行零距离交流,切身体会教学中的专业理论与实际情况的异同,了解实际工程的关注重点和要点,为深入理解和解决工程问题打下良好基础；二是对专业理论和研究成果进行实际应用检验,将检验结果与实际运行数据进行比较分析,研究结果的合理性、可行性、实用性和高效性,并根据比较结果,进一步完善所提出的模型和方法,促进其真正落地。

2.3 课程教学与工程实践协调机制

由课题组教师定期组织专题小组讨论会,进行成果汇报和问题讨论,了解学生专业理论掌握程度、课外工程实践实施进度及对工程问题的理解水平,并针对共性的重点、难点问题进行详细的剖析和讲解,发散性地分析这些问题在实际工程中的产生原因和常用的解决手段,拓宽学生的专业知识面,加深他们对问题的理解。最后,还要对专题研究报告的完成情况和完成水平进行综合评价,并将评价结果纳入学生的课程考试成绩,目的是调动学生的积极性,培养学生的独立科研能力、问题分析能力和综合素养。

3 应用情况

本文提出的“工程-教学”二元培养方案,已于2012年成功应用于我校水资源专业水电及电网调度方向研究生的教学与培养。大部分学生通过在研一期间的方案跟踪实施,到研二时已能够参加完成流域和电网水电站群调度实际工程项目,到研三或博士时,即可作为技术骨干独立负责完成水电工程项目或部分研发内容,专业理论和应用实践能力得到明显提高,整体专业素养显著提升。

通过实施本文提出的培养方案,我校水电调度方向研究生得到了电网和流域集控等调度管理单位的高度认可,很多毕业生就业于中国南方电网电力调度控制中心、云南电力调度控制中心、浙江省电力有限公司、昆明电力交易中心有限责任公司、华能澜沧江水电股份有限公司集控中心等大型水电和电网调度企业,并成为主要业务骨干,为我国快速发展的大水电系统调度和管理做出了贡献。

4 结语

我国拥有世界上最大规模和最为复杂的水电调度系统,面临的管理和运行问题极为突出,只有具有很强专业理论知识和丰富实际工程经验的高层次人才,才能管理好如此庞大规模的水电系统,这对目前偏重理论化教学的水电调度方向研究生培养方式提出了很大挑战。本文紧跟国家重大需求,以我国西南地区区域、省级、流域梯级等大规模水电系统实际工程为背景,提出了水电调度方向研究生“工程-教学”二元培养方案及详细的设计与实施思路。近几年的实施应用实践表明,该方案是切实可行的。