东北亚能源互联网虚拟仿真实验教学项目建设及应用

胡 蔓， 杨 明， 杜萍静

（山东大学a．工程训练中心；b．电气工程学院，济南250061）

0 引 言

在能源革命、“一带一路”倡议的快速推进中，建设全球能源互联网已经成为承载能源革命、实现人类可持续发展的全球共识。在电力能源行业向多能耦合、跨区互联进行战略调整的背景下，实验教学对应升级电气工程人才培养方案迫在眉睫。

依托于山东大学“全球能源互联网”新工科特色班的人才培养体系，将虚拟仿真软件应用于跨国能源互联网的实践教学，以信息技术应用作为提高教学质量的重要手段［1-2］。以东北亚能源互联网为实验背景，采用数字仿真技术和3D 建模等技术建立高度仿真的能源互联网分析项目。项目包含能源系统规划、能源系统运行、资源禀赋分析、能源经济分析等多方面的考核内容，融合电力、能源、经济等多学科知识，采用探究式等多种教学手段，契合新工科人才培养的理念，培养学生理解、分析、解决全球能源问题的基本素养，有利于培养学生在能源、经济以及政治等领域的交叉思考能力，为未来跨国能源互联互通培育具有全球能源意识和国际视野的人才［3-4］。

该实验项目的建立，将理论知识与实践操作更好融合，支持学生随时随地进行学习，弥补了传统教学多以教师讲解的不足，填补了国内跨国能源互联网实验教学的空白。在教学中有助于树立学生的能源意识，提升学生的学习效率，促进创新型、复合型、应用型人才的培养［5］。

1 能源互联网虚拟仿真教学项目建设必要性

1.1 全球能源互联网发展的要求

自习近平总书记2015 年9 月26 日在联合国发展峰会提出全球能源互联网倡议以来，全球能源互联网理念已得到了国际上的认可与积极响应［6-7］。2019 年全球能源互联网合作发展组织正式颁布“一带一路”能源互联网构建方案，促进了全球能源互联网的加速建设。能源互联网的加速推进，需要有强大的科研、工程实力作保障，要求该领域科研、工程人员具备全球化视野、一定的现场经验、专业的能源知识和过硬的自主创新能力。

鉴于全球能源互联网的发展对该领域教学，尤其是实验教学方面提出的强烈需求，考虑东北亚地区作为“一带一路”能源发展规划的起点，具有能源供需逆向分布、综合能源互联网建设需求迫切、学生对其认知相对充分等特点，因此展开东北亚能源互联网虚拟仿真的研究有助于该方向的教学和人才培养［8］。

1.2 实验教学的现实需求

山东大学特设“全球能源互联网”新工科特色班，培养能源互联领域人才，通过《全球能源互联网概论》等课程进行该领域教学。然而全球能源互联网存在能源传输路径复杂、多种能源并济、综合能源理论相对抽象等特点，教学内容难度相对较大。由此，亟须通过实验教学手段，提升学生对于知识的直观理解。然而，受限于实验空间、实验环境和实验安全等多方面因素，实际中存在难以还原真实系统、缺乏实体操作型实验等教学壁垒［9］。

为此，开发数据实时传输、后台真实存储的东北亚能源互联网虚拟仿真实验，可以填补跨国能源互联网实验教学的空白，破解学生无法直观了解跨国能源传输与配置问题。从而实现信息技术和实验教学的深度融合，提高了实验教学的水平和质量，进一步提升高校创新人才的培养能力［10］。

2 能源互联网虚拟仿真实验教学项目建设

2.1 虚拟仿真实验教学项目建设目标

虚拟仿真实验教学项目高度还原东北亚能源互联网的真实状态，为多种能源场景下的自主探索提供了平台。项目建设以期达到以下目标：

（1）打破实验教学壁垒，提升教学水平。依托东北亚能源互联网虚拟仿真实验教学项目，消除能源互联网理论教学与实际现场的壁垒，让学生在仿真实验中夯实知识、验证知识，改变能源互联网领域理论教学抽象无趣的课堂效果。通过化抽象为具体的教学手段，帮助学生消化知识，提升学生的学习兴趣，从而提升教学水平。

（2）鼓励学生自我探究，提升学生综合能力。该项目充分落实新工科人才培养理念，融合多学科知识，采用情境体验式实践育人方法，鼓励学生自我探究。项目能够支持学生对开放性问题进行探索，同时能源情境、能源数据等的自主设置可满足学生在能源互联网领域的探索和研究，成为辅助学生进行科研的实验探索和验证平台。因此，有利于培养实践、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才［11］。

2.2 能源互联网虚拟仿真实验教学项目体系架构

实验内容的设计充分贴近全球能源互联网理论教学课程，落实到实际问题，本着先易后难、先基础后提升的原则设置全球能源互联网认知、网架结构搭建、实时功率和多能源能量平衡仿真实验4 部分内容。

其基本实验框架和知识点如图1 所示。①通过能源互联网认知，让学生了解全球各地区的能源特性、树立全球能源意识。②以此为理论基础，对能源互联网的搭建原则和规划进行探究，让学生明确东北亚能源互联网的结构特征，掌握合理规划能源传输网络的原理与方法，形成一定的全球能源配置观念。③在电力网架基础上，设置东北亚地区电力能源功率平衡实验，使学生了解电力负荷的时区差异性、清洁能源电源的波动性，及电力互联的机理与特征，形成正确认识和把握电力平衡规律的能力。④以功率平衡理论为参考设置东北亚多能源能量平衡仿真实验，让学生了解各地区能源需求的差异性，理解能源之间的相互转化关系及其重要意义，熟悉环境、经济等因素与能量平衡的相关性，掌握能源互联网能量平衡的分析方法。整个实验框架涵盖知识点全面、层层推进，授课逻辑清晰。

图1 实验内容框图

图2 水电站3D仿真界面

在各部分内容实现时，结合内容与教学需求，充分利用多种仿真、教学手段和交互性步骤以达到最佳实验设置效果。如能源互联网认知部分着重采用Unity3d作为3D引擎［12-13］，高度还原了图2所示水电站等一系列3D设备场景。使实验有良好的用户体验感和真实感，便于学生对相关概念建立直观印象，激发学习兴趣。在网架结构构建实验过程中，充分利用启发式、探究式教学方法，在网络结构搭建时，由学生自主设置网络拓扑与容量（图3），以增强学生对于跨国能源互联的理解，提升学生分析问题和解决问题的能力。后2 个实验则设置了能源互补特性的影响、“电力替代”的作用等探究类问题（图4），激发学生的课堂兴趣，注重培养学生的探究意识和自主学习能力［14-15］。

图3 自主设置网络拓扑与容量操作示意图

图4 “电力替代”作用研究操作示意图

整个实验内容在设置时，充分考虑能源互联网教学领域的需求和难点，将理论教学中难以充分展示的能源互补特性的影响、“电力替代”的作用和互联线路搭建原则等16 个知识点融入实验内容，且包含20 个交互步骤和“能源峰谷特性的影响”等多项开放性问题的探究。

2.3 能源互联网虚拟仿真实验教学项目建设特点

（1）面向国家需求，培养新型电气工程人才。国际能源合作是“一带一路”倡议的重要领域，随着“一带一路”建设的不断推进，培养具有国家能源安全观和国际视野的新型电气工程人才是发展的必然要求。同时新工科建设也对本科教学提出了应当适用和使用新的、先进的教学工具，注重创新性、实践性的要求［16-17］。项目顺应全球能源互联战略布局和新工科建设对人才培养的新要求，从全球视野出发，以东北亚地区为例进行研究，构建东北亚能源互联网虚拟仿真实验教学项目。通过理论教学与虚拟仿真实验教学相结合，培养学生理解、分析、解决全球能源问题的基本素养，满足国家战略与电力能源企业发展转型的需要。

图5 实验项目英文版本示意图

（2）以用户为中心，搭建中英文双语版本。为充分考虑国际留学生、国外高校与研究机构的使用需求，同时开发了中英文双语版本，如图5 所示，可以满足国内外相关人员的实验教学需求，促进国际交流，也为项目的后续开发与推广提供保障。目前，该项目双语版本除了在中国大陆高校、企事业单位推广外，已在日本、新加坡、泰国、中国台湾地区等多个国家和地区的高校和科研机构进行了推广，为“一带一路”的能源建设做出了一定宣传和促进作用。项目采用多样化、全方位的评价体系对学生课程学习情况进行评价。通过线上课前预习测试、仿真实验操作，线下开放性课题分析、实验报告等多方位的综合评测，过程考核和能力考核并重。完善的评价体系，让学生及时了解自己对相关知识的掌握程度，便于学生查缺补漏。该评价方式弥补了单一考核方式的不足，能够结合实验内容和考核对象合理选择考核方式，切实促进学生的学习效果。通过图6 该项目使用前后学生《全球能源互联网》成绩的对比结果和图7 学生自主创新意识提升调查结果可以看到，在该考核方式下，学生的自主创新意识、知识掌握程度都有较大提升。

图6 学生《全球能源互联网》成绩对比图

图7 学生自主创新意识提高情况

同时，也能够评估理论、实验教学方面的长处和不足，便于教师对理论教学和实验教学进行改进达到了“以考促学、以考促教”的目的［18］。

3 互联网虚拟仿真实验教学项目的应用和持续建设

实验项目除了作为山东大学电气工程学院“全球能源互联网”新工科特色班的必修实验课程进行了应用，还以“综合实验”的形式在电气工程及其自动化专业进行全面推广，也获得了其他高校和研究机构的认可和欢迎。项目已推广至国内外20 多所高校和研究机构，涵盖中国大陆、美国、新加坡、日本和中国台湾地区等多个国家和地区，万余人次使用该项目进行实验教学、科研探究或成果验证。

该项目将在此基础上逐步扩大推广范围和推广深度，增加实验项目内容，打造实验平台。

3.1 面向“一带一路”沿线国家和全球能源互联网大学联盟高校免费开放

为充分响应国家“一带一路”倡议，项目将优先面向“一带一路”沿线的东亚、中亚、西亚直至欧洲地区的高校开放推广，为以上地区的高校提供教学和科研服务。项目将依托我校作为全球能源互联网大学联盟主席单位的条件，面向全球能源互联网大学联盟30 余所成员高校推广应用。

3.2 面向全球能源互联网相关研究机构免费开放

实验项目不仅可以应用于实验教学，还可进行科学研究，为此，本项目将会向全球能源互联网相关研究机构免费开放，同时可以通过研究成果丰富本项目内容，使项目不断的改进和完善。

3.3 持续加强全球能源互联网建设并丰富建设内容

将持续加强全球能源互联网建设，更新项目内容和软件架构，比如对东北亚能源互联网的经济性分析、环境效益分析功能，以保证虚拟仿真实验项目与实际系统的一致性。学校将提供持续的建设与运行经费，在未来5 年内将逐步增加对东南亚直至亚太地区的能源互联网规划、分析能力等内容，建设成能源互联网领域广大学生实验学习和科研创新的综合平台。

4 结 语

以东北亚能源互联网为对象，将能源互联网相关知识融入实验项目，解决了跨国能源互联网难以进行实验教学的困境，通过虚拟仿真的手段，破解了学生无法直观了解跨国能源传输与配置的问题。该项目可以满足自主搭建未来跨国能源互联网网络架构的需求，能够设置不同能源场景，模拟不同能源系统的运行状态，有利于学生自主学习、探究式学习和移动学习，培养了学生的实践能力和创新能力，搭建了中英文双语版本，有利于增强国际交流。同时，项目提供了理论知识测试环节，充分体现虚实结合的优势，提高了学生的实践水平、课程成绩和课程满意度。下一步项目将按照一流本科课程“双万计划”中提出的国家“金课”“两性一度”的标准，持续改进和完善，力争建设为虚拟仿真金课。