潘　超，楊德友，安　軍

面向工程應(yīng)用的電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

潘超，楊德友，安軍

以“與時(shí)俱進(jìn)”和“理論聯(lián)系實(shí)際”為核心思想，在電力系統(tǒng)、發(fā)電廠等課程設(shè)置的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合電網(wǎng)研究項(xiàng)目與案例，采取一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革舉措，結(jié)合現(xiàn)代電力系統(tǒng)工程案例開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)學(xué)習(xí)并實(shí)踐電力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課程的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)相關(guān)電網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析，將有利于學(xué)生加深對(duì)相關(guān)專業(yè)理論的理解和掌握，提高他們處理實(shí)際工程問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。充實(shí)了電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，也是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的突破。

電氣技術(shù)數(shù)字實(shí)驗(yàn)；面向工程；教學(xué)改革

一、研究的背景與意義

電氣工程學(xué)科中《電力系統(tǒng)分析》《發(fā)電廠》《繼電保護(hù)》等是重要的核心課程，［1］學(xué)生通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M學(xué)習(xí)掌握這些課程內(nèi)容，其教學(xué)效果直接影響到學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)構(gòu)建和科研能力培養(yǎng)。這些課程具有較高的專業(yè)性，具體內(nèi)容繁雜，教學(xué)體系較為理論化，相關(guān)知識(shí)和概念的學(xué)習(xí)難度較大。同時(shí)，電力系統(tǒng)相關(guān)仿真實(shí)驗(yàn)往往在面向?qū)嶋H工程應(yīng)用方面較欠缺，且存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短、與專業(yè)理論聯(lián)系較薄弱、授課效果差等問(wèn)題。學(xué)生在學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)課程的理論知識(shí)后，如果能夠結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)相關(guān)電網(wǎng)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析，將有利于加深對(duì)專業(yè)理論的理解和掌握，進(jìn)而提高其處理實(shí)際工程問(wèn)題的能力，這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)。

將電力系統(tǒng)基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建面向工程應(yīng)用的電力系統(tǒng)綜合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，不僅有利于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，而且也能彌補(bǔ)生產(chǎn)實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)的不足。鑒于目前電力系統(tǒng)相關(guān)課程教學(xué)存在的上述問(wèn)題，電氣工程學(xué)院開設(shè)“電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真”實(shí)驗(yàn)，目的在于聯(lián)系理論教學(xué)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生利用專業(yè)知識(shí)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行進(jìn)行模擬，加深他們對(duì)相關(guān)專業(yè)原理的理解，同時(shí)培養(yǎng)其理論聯(lián)系實(shí)際和解決問(wèn)題的能力。

二、研究的重要性

現(xiàn)代電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)是電氣工程專業(yè)教學(xué)的核心組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的好壞直接影響到相關(guān)專業(yè)的授課進(jìn)程以及專業(yè)人才的培養(yǎng)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分析、繼電保護(hù)、發(fā)電廠、電工理論等課程本身就具有非常強(qiáng)的實(shí)踐性，因此電氣工程學(xué)院在教學(xué)過(guò)程中已將電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)課設(shè)置為本科生模擬電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的必修環(huán)節(jié)。

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)和電力工業(yè)飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)了許多新的問(wèn)題，這對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)提出了新的要求。本科生在學(xué)習(xí)《電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析》等重要專業(yè)課程后，應(yīng)當(dāng)結(jié)合目前電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)且受到普遍關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行仿真模擬，［2］從而在加深對(duì)相關(guān)專業(yè)課程理解的同時(shí)，進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的模擬與分析能力。所以，進(jìn)行現(xiàn)代電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究在電氣工程學(xué)科人才培養(yǎng)中具有非常重要的作用。

三、研究目的

為了滿足實(shí)際工程對(duì)專業(yè)人才的需求，同時(shí)更好地適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)相關(guān)課程的教學(xué)特點(diǎn)，開展理論聯(lián)系實(shí)際的電力系統(tǒng)仿真教學(xué)研究勢(shì)在必行。因此，要面向?qū)嶋H工程的現(xiàn)代電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)研究與改革探索。通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，完善目前已有的電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際工程確定電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方案，目的是通過(guò)推廣應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)的研究成果，使學(xué)生在利用專業(yè)知識(shí)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運(yùn)行進(jìn)行模擬后，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)專業(yè)理論的掌握，同時(shí)培養(yǎng)其處理實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

四、研究?jī)?nèi)容

現(xiàn)代電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，以東北電力大學(xué)安全運(yùn)行與節(jié)能技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室和綠色電能新技術(shù)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，遵循理論聯(lián)系實(shí)際的原則，以適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展和新世紀(jì)電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)要求為出發(fā)點(diǎn)，旨在培養(yǎng)具有綜合思維能力和綜合處理問(wèn)題能力的應(yīng)用型人才，主要從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、教學(xué)計(jì)劃確定、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理等方面開展研究。

1.電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)和幾十萬(wàn)個(gè)支路，因此電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬、電網(wǎng)穩(wěn)定分析等研究都采用數(shù)字仿真的形式。結(jié)合電氣工程學(xué)科的發(fā)展和現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的要求，重點(diǎn)關(guān)注電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在電氣工程學(xué)院的大力支持下，現(xiàn)代電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)室2009年建成，實(shí)驗(yàn)室占地300㎡，已配備95臺(tái)微機(jī)，為電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的開展提供硬件支持。目前，已開設(shè)了多門與電力系統(tǒng)密切相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，主要包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析、繼電保護(hù)模擬仿真、電力系統(tǒng)電磁計(jì)算以及數(shù)字信號(hào)處理等，為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、工程、設(shè)計(jì)和理論研究提供良好條件。

2.確定教學(xué)計(jì)劃。以理論聯(lián)系實(shí)際為原則，在原有的仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，設(shè)置面向?qū)嶋H工程的電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)選修課程，配有專門學(xué)分，計(jì)劃授課32學(xué)時(shí)。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)電力系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)的要求較高，且教學(xué)內(nèi)容涵蓋面較廣，需要本科生具備一定的專業(yè)理論基礎(chǔ)，因此計(jì)劃在第三學(xué)年下學(xué)期專業(yè)課程學(xué)習(xí)完成后進(jìn)行。

另一方面，該實(shí)驗(yàn)為數(shù)字仿真模擬，具有靈活性高、電網(wǎng)模型易搭建等優(yōu)點(diǎn)，但又存在直觀性等方面的不足。［3］結(jié)合當(dāng)前大學(xué)生普遍存在理論與實(shí)際脫離的問(wèn)題，且考慮到大三學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)劃較重的因素，故將實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排在第四學(xué)年的上學(xué)期。實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括理論學(xué)習(xí)和仿真模擬兩部分，安排4-6學(xué)時(shí)講解電力系統(tǒng)相關(guān)理論知識(shí)，在此基礎(chǔ)上計(jì)劃指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行26-28學(xué)時(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)。教學(xué)采用理論知識(shí)講解與建模仿真操作相結(jié)合、多媒體講授與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物介紹等多種手段結(jié)合的方法。以不同實(shí)際工程案例為研究對(duì)象，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和動(dòng)手的能力，并引導(dǎo)他們運(yùn)用相關(guān)理論解決實(shí)際工程中存在的各種問(wèn)題，從而對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.面向工程的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)課程主要為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生開設(shè)（包含專升本專業(yè)）。電氣工程專業(yè)的電力系統(tǒng)分析課程主要圍繞發(fā)電、輸電、變電三個(gè)部分，所涉及的仿真實(shí)驗(yàn)包括電力系統(tǒng)潮流、短路計(jì)算以及穩(wěn)定分析三個(gè)方面。因此，本門實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生了解電力系統(tǒng)發(fā)電-輸電-供電三個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，掌握電網(wǎng)運(yùn)行及關(guān)鍵電氣設(shè)備工作的基本原理。結(jié)合上述情況，編寫面向?qū)嶋H工程的電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，系統(tǒng)介紹相關(guān)理論知識(shí)，主要包括電網(wǎng)運(yùn)行基本原理、電力系統(tǒng)關(guān)鍵元件結(jié)構(gòu)與工作特性，發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線、負(fù)載等。通過(guò)收集整理多個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，獲得多個(gè)區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)行的建模仿真素材，從而指導(dǎo)學(xué)生開展建模調(diào)試，包括電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參數(shù)選取等內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際工程出現(xiàn)的短路、過(guò)負(fù)荷、系統(tǒng)振蕩、頻率穩(wěn)定與優(yōu)化運(yùn)行、新能源并網(wǎng)、風(fēng)-光-儲(chǔ)發(fā)電以及主動(dòng)配電網(wǎng)配置等案例，對(duì)組成實(shí)踐教學(xué)的相關(guān)要素進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)、指導(dǎo)手段等方面構(gòu)建了面向?qū)嶋H工程的電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的總體框架。

4.實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常授課需要1-2臺(tái)服務(wù)器和80余臺(tái)客戶微機(jī)，授課教師2名，授課對(duì)象為2個(gè)自然班。近年來(lái)，電氣工程學(xué)院本科生較多，班級(jí)人數(shù)較大，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃制定和實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理造成一定的難度。因此需要考慮在合理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程的同時(shí)協(xié)調(diào)教學(xué)資源，在不影響學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的前提下提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

通過(guò)思考和探索實(shí)踐，將電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分：理論學(xué)習(xí)和實(shí)際分析，前者采用理論知識(shí)講解與建模仿真的方式，后者采用實(shí)物操作和動(dòng)模模擬的方式。在此過(guò)程中結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)案例，抓住學(xué)生的興趣點(diǎn)，有重點(diǎn)性和針對(duì)性地?cái)U(kuò)寬學(xué)生思路，這樣既兼顧了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，又培養(yǎng)了他們的動(dòng)手能力，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的利用效率。

五、結(jié)論與展望

將實(shí)驗(yàn)研究成果應(yīng)用于2011級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，授課對(duì)象約100名本科生，實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高了學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣和直觀認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了他們的專業(yè)知識(shí)掌握和實(shí)踐動(dòng)手能力，已初步取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。

目前，電氣工程學(xué)院在電力系統(tǒng)電氣技術(shù)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入思考和探索如何把電力系統(tǒng)數(shù)字仿真與動(dòng)模仿真有機(jī)地結(jié)合，從而充分發(fā)揮數(shù)字仿真與物理模擬的各自優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際工程問(wèn)題，研究面向?qū)嶋H工程的電力系統(tǒng)數(shù)字-物理混合仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

本文系東北電力大學(xué)校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目

［1］何仰贊．電力系統(tǒng)分析（上、下冊(cè)）［M］.湖北：華中科技大學(xué)出版社，2015.

［2］楊德先，陸繼明．電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)原理與指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

責(zé)任編輯：何巖

G642

A

1671-6531（2015）21-0078-02

潘超/東北電力大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，博士 （吉林吉林市132012）；楊德友/東北電力大學(xué)講師，博士 （吉林吉林市132012）；安軍/東北電力大學(xué)教授，電力系主任，博士（吉林吉林市132012）。