基于實(shí)踐模式的“電力系統(tǒng)分析”課程研究

李建軍，酉育紅，鄒夢(mèng)麗

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆兵團(tuán)警官高等?？茖W(xué)校，新疆 五家渠 831300)

0 引言

作為實(shí)踐性很強(qiáng)的的一門課程—“電力系統(tǒng)分析”，其必定與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系。隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展，已經(jīng)形成電網(wǎng)容量大、機(jī)組容量大、工作電壓高、傳輸距離遠(yuǎn)、重負(fù)荷以及不穩(wěn)定新能源的新型電力系統(tǒng)[1]，新型電力系統(tǒng)的發(fā)展必然離不開實(shí)踐環(huán)節(jié)[2]。

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一些高?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)甚至沒有安排，部分高校雖然有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但是實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)也很少，比如只有3個(gè)實(shí)驗(yàn)，這和電力系統(tǒng)分析大量的理論課程內(nèi)容本身比較起來(lái)[3-4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到實(shí)踐鍛煉目的。實(shí)踐教學(xué)是理解理論教學(xué)的重要途徑和方法，它可以幫助學(xué)生理解晦澀難懂的公式和模型，同時(shí)還能提高學(xué)生的動(dòng)手能力，因?yàn)殡姎夤こ虒I(yè)畢業(yè)后動(dòng)手操作是必須具備的能力。基于部分高?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程這種理論沒有聯(lián)系實(shí)際的一些現(xiàn)象，本文圍繞電力系統(tǒng)的發(fā)展要求對(duì)“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革和仿真平臺(tái)搭建。

1 實(shí)踐教學(xué)的改革

本著培養(yǎng)出具有綜合能力和工程實(shí)踐能力的人才出發(fā)，研究“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)方法的改革，著重從實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)模式改革。主要包括實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和方法的研究、電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)的搭建。

1.1 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容一方面要從人才培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱修訂著手，完善實(shí)驗(yàn)課程；另一方面進(jìn)行“電力系統(tǒng)分析”課程綜合設(shè)計(jì)單元。實(shí)驗(yàn)課程方面要結(jié)合教師上課過程中學(xué)生出現(xiàn)的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容，擬定實(shí)驗(yàn)題目，實(shí)驗(yàn)的目的是反哺課堂上理論的理解；綜合課程設(shè)計(jì)方面要多維度考慮，例如可結(jié)合已經(jīng)畢業(yè)的學(xué)生就業(yè)情況，通過調(diào)研企業(yè)的實(shí)際需求來(lái)設(shè)置綜合課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，同時(shí)結(jié)合學(xué)生的自身實(shí)際情況和專業(yè)水平來(lái)綜合設(shè)計(jì)，另外設(shè)計(jì)中還可以增加“電力系統(tǒng)分析”課程的新知識(shí)，由于電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，課程在一定時(shí)間會(huì)出現(xiàn)新知識(shí)，為了讓學(xué)生了解當(dāng)前課程的發(fā)展現(xiàn)狀，適當(dāng)增加一些研究人員新觀點(diǎn)、新成果和新理念，與當(dāng)前課程發(fā)展接軌。

課程設(shè)計(jì)的題目多樣化，便于學(xué)生自由選擇自己感興趣的題目，這樣既可以提高設(shè)計(jì)的效率又兼顧不同情況的學(xué)生現(xiàn)狀。例如，電力系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)題目為兩相短路電流的計(jì)算；多節(jié)點(diǎn)潮流計(jì)算的程序設(shè)計(jì)；系統(tǒng)故障的計(jì)算和分析等等。不同的題目方法和掌握的內(nèi)容不同，比如兩相短路電流的計(jì)算這個(gè)題目，必須要掌握對(duì)稱分量法才能解決這個(gè)題目，把不對(duì)稱的故障電路等效變換成正序、負(fù)序和零序的對(duì)稱電路，變換成學(xué)生熟悉的對(duì)稱電路進(jìn)行分析；再比如多節(jié)點(diǎn)潮流計(jì)算的程序設(shè)計(jì)，要求學(xué)生必須掌握計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行分析，才能最有可能完成題目的設(shè)計(jì)目的。因此這些設(shè)計(jì)題目可以滿足不同知識(shí)點(diǎn)需要，達(dá)到知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣的設(shè)計(jì)目的。

1.2 電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心課程的“電力系統(tǒng)分析”，具有教學(xué)理論性強(qiáng)、電壓高實(shí)踐操作危險(xiǎn)的特點(diǎn)，而虛擬仿真技術(shù)（Virtual Reality，VR）就是用一個(gè)虛擬的系統(tǒng)模仿真實(shí)環(huán)境，具有很強(qiáng)的交互性、安全性、認(rèn)知和感知性[5]。虛擬仿真教學(xué)主要應(yīng)用在危險(xiǎn)系數(shù)高、操作難度大、設(shè)備復(fù)雜等專業(yè)領(lǐng)域[6]。因此，“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，能夠仿照電力系統(tǒng)設(shè)備實(shí)際操作。

以110 kV變電站主為例，其主電路包括110 KV/35 KV高壓變壓器、高壓母線、少油斷路器、隔離刀閘、避雷器以及互感器等設(shè)備。通過虛擬仿真平臺(tái)能對(duì)這些電氣設(shè)備巡視，巡視到變壓器時(shí)能夠檢測(cè)到變壓器的參數(shù)如相電流、相電壓等，還可以通過監(jiān)控圖操作，生成報(bào)表并記錄在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，交接班人員可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)查看操作記錄。

110 kV變電站虛擬仿真平臺(tái)是三維模型組成，能形象地提供了一種立體化的、交互的模擬仿真系統(tǒng)。授課教師仿佛身臨其境，使抽象的復(fù)雜的電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出直觀的理解形式，為學(xué)習(xí)“電力系統(tǒng)分析”課程提供一種新的認(rèn)知和感知相融的學(xué)習(xí)方法。另外，變電站的三維模型除能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備巡檢外，還能實(shí)現(xiàn)停電、驗(yàn)電、掛地線、設(shè)圍欄、掛警示牌等操作。例如模擬仿真現(xiàn)場(chǎng)操1號(hào)斷路器QF1，則通過三維導(dǎo)航圖中找到QF1，雙擊QF1斷路器的箱體門，對(duì)“遠(yuǎn)方-就地切換旋鈕”操作，切換至就地位，最后進(jìn)行分合閘操作。通過虛擬仿真平臺(tái)還可以進(jìn)行故障設(shè)置與巡檢，例如可以對(duì)站內(nèi)電力主變壓器、少油斷路器、互感器以及避雷器等設(shè)置故障。對(duì)故障現(xiàn)象，相應(yīng)的設(shè)備會(huì)有異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，這時(shí)通過虛擬仿真平臺(tái)巡視可以發(fā)現(xiàn)故障，并通過三維圖查看故障現(xiàn)象和后果，這樣可以不用打開實(shí)際的復(fù)雜設(shè)備，就能夠清楚設(shè)備問題所在，對(duì)加深理解設(shè)備原理起到重要作用。

1.3 實(shí)踐教學(xué)方法的改革

實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)方法和手段方面，可以多方面結(jié)合進(jìn)行，比如申報(bào)各類高教項(xiàng)目，通過申報(bào)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，加深對(duì)實(shí)踐教學(xué)的理解，對(duì)實(shí)踐教學(xué)存在疑惑的地方，在PPT匯報(bào)和評(píng)審專家的點(diǎn)評(píng)中都能得到積累和提升；對(duì)青年教師，鼓勵(lì)他們到企業(yè)實(shí)踐鍛煉，了解企業(yè)的實(shí)際，學(xué)習(xí)書本上沒有的東西，讓教師體驗(yàn)作為一名專業(yè)技術(shù)人員的判斷問題、故障分析以及解決問題的過程，來(lái)促進(jìn)教師的理論和實(shí)際相互結(jié)合，提高專業(yè)課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。另外，還可以帶學(xué)生到企業(yè)調(diào)研，結(jié)合學(xué)生“電力系統(tǒng)分析”課程設(shè)計(jì)題目，有目的的通過企業(yè)工程師了解第一手資料，讓學(xué)生的設(shè)計(jì)內(nèi)容和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不脫鉤，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的自信心和理解力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提出“講解-拆分討論－匯總”實(shí)踐教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生掌握課程重點(diǎn)內(nèi)容，理解難點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)針對(duì)“電力系統(tǒng)分析”課程不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，結(jié)合實(shí)踐需要提出一些學(xué)生感興趣的問題，激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性。另外實(shí)踐教學(xué)中利用先進(jìn)教學(xué)輔助手段如計(jì)算機(jī)軟件對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行分析，對(duì)于復(fù)雜的電力系統(tǒng)計(jì)算問題，要利用仿真軟件如Matlab等。因此，“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)要按照課堂理論分析+實(shí)踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)模式，在理解理論的前提下，鼓勵(lì)學(xué)生參加大學(xué)生電子競(jìng)賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目來(lái)提高學(xué)生自身的創(chuàng)新研究能力。

2 實(shí)踐教學(xué)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

“電力系統(tǒng)分析”課程具有理解難度高的特點(diǎn)，增加綜合性實(shí)驗(yàn)比重，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、提高學(xué)生專業(yè)創(chuàng)造性和綜合性能力，注重實(shí)踐操作，是實(shí)現(xiàn)學(xué)生有較強(qiáng)的動(dòng)手能力、提高“電力系統(tǒng)分析”課程理解力的重要手段。對(duì)應(yīng)“電力系統(tǒng)分析”課程建立和其相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室，如電力電子實(shí)驗(yàn)室、電機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、電機(jī)維修實(shí)驗(yàn)室、電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)室以及電力仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室等，這些實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)能夠充分滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)教學(xué)需求。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)程，分析和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，從而提高學(xué)生的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和理解能力。

2.2 校外實(shí)習(xí)

“電力系統(tǒng)分析”課程實(shí)踐教學(xué)方面，必然離不開對(duì)企業(yè)的調(diào)研和了解[7]，為了讓學(xué)生能夠多元化了解電力的各個(gè)方面，一方面要了解傳統(tǒng)的電力方面的知識(shí)，例如到電力公司參觀實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，本專業(yè)學(xué)生通過參加這些企業(yè)的培訓(xùn)中心實(shí)習(xí)，從現(xiàn)場(chǎng)親身實(shí)踐和理解電廠和變電站的工作規(guī)程；另外為了更好地做好畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生放假期間到這些企業(yè)調(diào)研和自己設(shè)計(jì)的相關(guān)專業(yè)內(nèi)容，例如做電力系統(tǒng)短路計(jì)算設(shè)計(jì)和故障設(shè)計(jì)課題時(shí)，學(xué)生到現(xiàn)場(chǎng)了解發(fā)電廠和變電站的短路現(xiàn)象、短路產(chǎn)生的影響、故障頻率以及故障如何分析和排除等，通過這些現(xiàn)場(chǎng)的了解和實(shí)踐才能加深設(shè)計(jì)的內(nèi)容。另一方面還要了解電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的新知識(shí)和新系統(tǒng)包括光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，帶學(xué)生到光伏電站實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，了解新能源發(fā)電是電力系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，以及新能源發(fā)電帶來(lái)的主要問題，例如氣象變化的不確定性使光伏電源和風(fēng)力發(fā)電輸出功率也具有不確定性，及其對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響等，經(jīng)過對(duì)這些新知識(shí)的現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知，在實(shí)習(xí)中才能更清楚理解可再生能源對(duì)電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)影響。

2.3 實(shí)訓(xùn)教學(xué)的策略

聘請(qǐng)企業(yè)的工程師和校內(nèi)教師，聯(lián)合帶學(xué)生實(shí)習(xí)。從不同角度和學(xué)生講解，讓不同背景的指導(dǎo)教師發(fā)揮各自的長(zhǎng)處。在講解過程中，工程師分組帶隊(duì)到企業(yè)的電力系統(tǒng)仿真室、中央控制室學(xué)習(xí)并體驗(yàn)各類專業(yè)問題及現(xiàn)象。通過這樣的實(shí)踐教學(xué)方法，把學(xué)生的基礎(chǔ)研究能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力作為培養(yǎng)目標(biāo)，使“電力系統(tǒng)分析”課程形成驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、感知實(shí)習(xí)和操作動(dòng)手實(shí)習(xí)相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系[1]。

跟企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目合作，深層次互動(dòng)交流學(xué)習(xí)。合作以科研立項(xiàng)的形式進(jìn)行，通過科研立項(xiàng)的建設(shè)，建立對(duì)校企雙方都有利的產(chǎn)學(xué)研合作形式，提高教師專業(yè)水平。鼓勵(lì)任課教師到企業(yè)進(jìn)行掛職學(xué)習(xí)和鍛煉。通過青年教師的掛職，加深教師自身對(duì)企業(yè)的發(fā)電站、變電所運(yùn)行情況的了解，直到熟悉和掌握企業(yè)的運(yùn)行情況，包括安全操作規(guī)程、緊急故障處理、監(jiān)控系統(tǒng)操作、現(xiàn)場(chǎng)檢修和保養(yǎng)等問題，從而提高教師的實(shí)踐能力。通過親身體驗(yàn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，讓教師重視學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，更深刻認(rèn)識(shí)和分析出變電站、發(fā)電廠與“電力系統(tǒng)分析”課程相關(guān)性，更有目的性的帶領(lǐng)學(xué)生在變電站和電力公司進(jìn)行實(shí)習(xí)。

另外，鼓勵(lì)青年教師參加校、院級(jí)的實(shí)踐教學(xué)技能大賽，并通過獲獎(jiǎng)激勵(lì)教師自己不斷學(xué)習(xí)；結(jié)合“電力系統(tǒng)分析”課程，到內(nèi)地知名企業(yè)參加各類課程建設(shè)、提升與專業(yè)能力相關(guān)的專業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)；組織學(xué)生參加電子競(jìng)賽、指導(dǎo)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生初步掌握科學(xué)研究過程，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣，從而更好地促進(jìn)本專業(yè)學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)“電力系統(tǒng)分析”課程理論性強(qiáng)、電壓等級(jí)高、實(shí)驗(yàn)難做的現(xiàn)實(shí)問題，提出實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)“電力系統(tǒng)分析”課程理解的影響，圍繞電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，改革“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，搭建仿真平臺(tái)。通過建設(shè)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地，完善實(shí)驗(yàn)課程、課外實(shí)訓(xùn)和電力系統(tǒng)綜合課程設(shè)計(jì)，改革實(shí)踐教學(xué)模式，為提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力提供技術(shù)參考。