以學(xué)生為中心的電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)改革探索

任曉 孫章 余建華 方勇 鄭敏

【摘要】本文闡述電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)的沿革，提出在課程設(shè)置上增加綜合、設(shè)計研究型實驗，通過自行設(shè)計實驗內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生獨立創(chuàng)新性思維能力，引導(dǎo)學(xué)生掌握常用儀器的正確使用方法等策略，加深學(xué)生對各種短路特性、電力穩(wěn)態(tài)運行特性及穩(wěn)定性規(guī)律理論知識的理解，以適應(yīng)工程教育認證教學(xué)的需求。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)分析 以學(xué)生為中心 實驗教學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）21-0157-04

電力系統(tǒng)分析是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)必修核心課程，傳授電力系統(tǒng)中電網(wǎng)潮流計算和短路計算、穩(wěn)態(tài)分析和穩(wěn)定性分析的基本概念，并培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、及電力系統(tǒng)運行分析和設(shè)計的能力，為學(xué)生以后的工作打下堅實基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)則通過實踐教學(xué)進一步加深學(xué)生對各種短路特性、電力穩(wěn)態(tài)運行特性及穩(wěn)定性規(guī)律理論知識的理解，引導(dǎo)學(xué)生掌握電力系統(tǒng)短路、電力系統(tǒng)電力穩(wěn)態(tài)運行特性及穩(wěn)定性分析的基本原理和方法，鞏固課堂所講授的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生對復(fù)雜電氣工程問題進行預(yù)測與模擬的能力。

為適應(yīng)工程教育認證、新工科建設(shè)和卓越計劃的需要，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院（以下簡稱“我院”）課改團隊對電力系統(tǒng)分析實驗的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式及教學(xué)評價等進行改革探索，堅持以學(xué)生為中心的原則，讓學(xué)生成為實驗教學(xué)活動的主體，以過程考核與學(xué)生能力提升作為教學(xué)評價的核心，打造一種以學(xué)生為中心、特色鮮明的電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)新模式。

一、教學(xué)沿革以及教學(xué)現(xiàn)狀分析

為了適應(yīng)國家工程教育教育認證的要求和培養(yǎng)能解決復(fù)雜電氣問題的復(fù)合型人才，我院電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)方案近10年來已經(jīng)歷了2011年版、2015年版、2019年版三次修訂，2023版的培養(yǎng)方案的修訂工作已于2022年底開始啟動。電力系統(tǒng)分析的培養(yǎng)方案2019年版在2015年版的基礎(chǔ)上進行了重大修訂。2019版的培養(yǎng)方案中電力系統(tǒng)分析課程在2015年版的基礎(chǔ)上進行了較大調(diào)整，將原來的電力系統(tǒng)分析課程拆分成電力系統(tǒng)分析（1）和電力系統(tǒng)分析（2）兩門課程。2015年版和2019年版電力系統(tǒng)分析學(xué)分及適用范圍針對專業(yè)分方向做出合理調(diào)整，2019年版培養(yǎng)方案從2019級開始實施（如表1所示）。

如表1所示，在2015版及以前的電力系統(tǒng)分析課程僅適用于電力系統(tǒng)及其自動化方向?qū)W生。而在2019版的培養(yǎng)方案中，電力系統(tǒng)分析（1）適用于電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)生，并作為新課程加入電力電子技術(shù)及應(yīng)用方向?qū)W生的必修課中，開課時間為第5學(xué)期，實驗學(xué)時安排為4學(xué)時；電力系統(tǒng)分析（2）僅適用于電力系統(tǒng)及其自動化方向?qū)W生，開課時間為第6學(xué)期，實驗學(xué)時為8學(xué)時。相較于2015版課改方案，電力系統(tǒng)及其自動化方向的學(xué)生該門課程的學(xué)分及學(xué)時均有所增加。

電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺的數(shù)量變化情況如表2所示。

從表2可知，2007年電力系統(tǒng)分析課程沒有試驗操作臺；2007年開始，建立電力系統(tǒng)自動化專業(yè)實驗室，一個實驗室裝配有電力系統(tǒng)分析課程、電力系統(tǒng)繼電保護課程和電力自動化等三門課程實驗設(shè)備。隨著工程教育認證需求不斷增加，電力系統(tǒng)試驗臺的數(shù)量也隨之增加，在2016年開始建立獨立電力系統(tǒng)自動化綜合實驗室，到現(xiàn)在為止試驗臺達到15套。2023將對電力系統(tǒng)綜合自動化試驗平臺進行更新，取代傳統(tǒng)的WDT-IIIC試驗平臺。

電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)隸屬于課程的實驗，因此不獨立成課，故電力系統(tǒng)分析課程的成績包括三部分：10%的平時成績、20%的實驗成績、70%的期末考試成績。實驗成績包含操作成績和報告成績，其中操作成績占40%，報告成績60%。每個實驗的操作成績和報告成績分別采用100分制計分，全部操作成績和報告成績按權(quán)重加和進行平均得到最終實驗成績。

（一）實驗操作成績的評價方式

目前，實驗課由理論課老師和實驗師老師2人完成實驗教學(xué)工作，每班次人數(shù)40人左右，每個試驗臺4人。實驗過程中，1名教師要負責(zé)5—6個實驗臺，20人左右進行實驗。操作成績評定方法如表3所示。

（二）實驗報告成績的評定方式

實驗報告成績評定項目包括實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗設(shè)備及器材、實驗步驟、實驗過程記錄、實驗問題討論和結(jié)果分析，如果實驗心得體會寫得較深刻，同時書寫工整，可以給95分；如有缺項進行扣分，少一項扣5分，大多數(shù)學(xué)生的報告成績都會在80—85分之間；如發(fā)現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析雷同，視為抄襲報告，這樣的報告分數(shù)一般不會高，基本上是60—75分之間，這樣可能會對被抄襲者帶來不公平；只要參加了實驗并交了實驗報告，至少能得到及格分。

二、傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)存在的問題

筆者在教學(xué)實改革實踐中發(fā)現(xiàn)存在如下問題。

首先，是實驗內(nèi)容多以驗證型為主，缺少綜合、設(shè)計研究型的大實驗。目前多數(shù)高校的電力系統(tǒng)分析實驗以驗證性為主，如三相對稱短路實驗、不對稱短路實驗、一機無窮大穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)運行方式實驗，且各個實驗課的內(nèi)容彼此相對獨立。雖然驗證性實驗可以幫助學(xué)生鞏固電力系統(tǒng)分析的理論知識、培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，但驗證性實驗難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，不能滿足工程教育認證關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜電氣工程問題的能力的要求。

其次，是學(xué)生的參與度不高。教師在實驗教學(xué)中占據(jù)課程的主導(dǎo)地位，實驗過程教師講解理論課對應(yīng)的實驗內(nèi)容和操作示范實驗步驟，較少顧及學(xué)生的課堂體驗過程。由于學(xué)生學(xué)習(xí)存在一定惰性，在進行分組實驗時部分學(xué)生難以積極主動地參與到實驗中來，在實驗過程渾水摸魚、中途溜號，甚至還有極個別學(xué)生根本就不進實驗室進行實驗。

最后，是測量儀表、儀器的使用熟練度欠佳。在實驗過程中學(xué)生可能會用到一些測量儀表、儀器，但是學(xué)生并不能熟練使用。有的學(xué)生可能聽說過、見到過，但沒使用過。學(xué)生安全意識不強，在使用這些儀表、儀器時可能會造成儀表損壞，甚至可能帶來人身安全威脅。

三、以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)措施

針對上述存在的問題，我院課改團隊結(jié)合2019版課改計劃進行了實驗類型和實驗教學(xué)方式等方面的教學(xué)改革。在實驗教學(xué)內(nèi)容的選擇上，實驗類型從“驗證型實驗”向“綜合型”“設(shè)計研究型實驗”方向轉(zhuǎn)變，實驗教學(xué)方式從以前以“教師為中心”向以“學(xué)生為中心”的方向轉(zhuǎn)變。

（一）課程設(shè)置上增加綜合、設(shè)計研究型實驗

從表2可知，到目前為止我院電力系統(tǒng)分析課程采用的還是2015年以前傳統(tǒng)的機械式操作按鈕的試驗平臺，這類試驗平臺主要用于完成傳統(tǒng)的驗證型實驗，難以開設(shè)出綜合、設(shè)計研究型的實驗項目。為適應(yīng)工程教育認證的以學(xué)生為中心的要求，我院計劃在2023年更新新型的電力系統(tǒng)綜合自動化試驗平臺8套，與原來的4臺電力系統(tǒng)微機監(jiān)控系統(tǒng)配合使用，擬開設(shè)綜合型、設(shè)計研究型實驗。

我院利用ETAP軟件與試驗平臺，開拓綜合型、設(shè)計研究型實驗內(nèi)容，并充分利用ETAP電力系統(tǒng)聯(lián)合實驗室資源，讓學(xué)生在電力系統(tǒng)試驗平臺實驗的基礎(chǔ)上利用ETAP軟件對電力系統(tǒng)微機監(jiān)控試驗臺的多機系統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)模型進行建立單線圖實驗。學(xué)生不僅可在所建立的單線圖中自行設(shè)計電力系統(tǒng)分析的開環(huán)和閉環(huán)的潮流分析、短路分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析實驗，而且可進行繼電保護課程的調(diào)試自動化實驗，真正實現(xiàn)多科融合的綜合設(shè)計型實驗。

學(xué)生在實驗過程利用ETAP軟件對試驗平臺電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立單線圖進行潮流分析、在試驗平臺實時改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可觀察各個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)運行狀態(tài)，包括各母線上電壓幅值及相角、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布和功率損耗情況，進一步加深理解教學(xué)中所講授的潮流計算相關(guān)理論知識。本次實驗教學(xué)改革不僅可以培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和充分發(fā)揮其主觀能動性，而且可以培養(yǎng)學(xué)生準(zhǔn)確識別、分析和解決實際復(fù)雜電氣工程問題的能力。

（二）通過自行設(shè)計實驗內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生獨立創(chuàng)新性思維能力

采用以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)方式，在實驗過程中，教師只做引導(dǎo)，實驗內(nèi)容由學(xué)生根據(jù)電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)內(nèi)容進行自主設(shè)計。

下面以復(fù)雜電力系統(tǒng)運行方式實驗為例。本實驗系統(tǒng)由1臺PS-7G微機監(jiān)控試驗臺和3臺WDT-IIIC電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺組成，復(fù)雜電力系統(tǒng)運行方式實驗操作界面如圖1所示。

圖1（a）為電力系統(tǒng)微機監(jiān)控試驗臺的軟件操作界面，在本實驗中充當(dāng)電力調(diào)度中心；圖1（b）為電力系統(tǒng)綜合自動化試驗臺操作界面圖，在本實驗中充當(dāng)變電站角色。圖1中斷路器（QF）有合閘和分閘兩種指示狀態(tài)；變電站有投入電網(wǎng)和退出電網(wǎng)兩種運行狀態(tài)；圖1中所有斷路器均可在微機上進行遠動分、合閘，也可在監(jiān)控試驗臺上進行手動分、合閘。

教師引導(dǎo)學(xué)生主要從以下兩種方式自主設(shè)計實驗方案。

（1）改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)對潮流的影響

保持各變電站的運行參數(shù)不變，通過改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來記錄系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)變化前后各變電站和母線的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因素的情況并分析。圖1（a）所示的多節(jié)點環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有如下幾種變化方式：①切除線路XLC，電力網(wǎng)變成一個輻射形網(wǎng)絡(luò)；②切除線路XLF，則變電站C和變電站E需經(jīng)過長距離向電力系統(tǒng)輸送功率；③切除線路XLF和線路XLC，電力網(wǎng)變成T形網(wǎng)絡(luò)。

（2）投、切負荷分析系統(tǒng)對潮流的影響

在相同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，保持各變電站向系統(tǒng)輸送一有功率和無功功率，其大小由學(xué)生自行確定。通過投入各地方負荷LDA、LDB和LDC的不同組合形式，記錄投入負荷后系統(tǒng)中運行參數(shù)的變化情況并分析。

實驗過程中學(xué)生重點觀察不同絡(luò)結(jié)構(gòu)或不同負荷下各個站的功率分布、母線電壓變化，分析各站是輸出功率還是吸收功率，母線電壓是抬升還是降低，通過的前面的現(xiàn)象采用何種方式可以保證電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)態(tài)正常運行，以此提高學(xué)生分析問題和解決問題能力。

本實驗是學(xué)生根據(jù)所學(xué)專業(yè)知識自主開展實驗。學(xué)生結(jié)合實驗內(nèi)容自行分組并作角色交換，在實驗過程既擔(dān)當(dāng)電力調(diào)度員又擔(dān)當(dāng)變電站值班員角色。通過這種以學(xué)生為中心的自主實驗，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生主動參與到實驗中來，培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考問題和創(chuàng)新思維能力。

（三）引導(dǎo)學(xué)生掌握常用儀器的正確使用方法

電力系統(tǒng)分析實驗課程中常用的測量儀表、儀器為萬用表和示波器。下面以示波器如何捕捉波形為例，教授學(xué)生使用示波器的方法。

在三相對稱短路實驗過程中需要測量對稱三相短路時的電流波形（本試驗臺內(nèi)部通過采樣電阻將電流波形轉(zhuǎn)化為電壓波形，故示波器捕捉到的電壓波形實質(zhì)上是短路電流的波形）。波形捕捉主要考慮的是幅值、頻率/周期、觸發(fā)電平、觸發(fā)位置、是否需要衰減等。

在示波器的使用過程中，教師通過引導(dǎo)方式讓學(xué)生自己動手調(diào)節(jié)而非給學(xué)生調(diào)節(jié)好示波器讓其直接使用，讓學(xué)生動手實驗。

因為實驗室只有雙通道的示波器，所以不能同時捕捉對稱短路時的A、B、C三相電流瞬時波形，因此通過調(diào)節(jié)好的示波器捕捉的僅是發(fā)電機作用時三相對稱短路的A相、B相瞬態(tài)電流波形。如圖2所示。

從圖2可以看出，示波器的縱軸電壓幅值為1 V/格，水平軸為時間軸為20 ms/格，波形捕捉時刻在104.8 ms，觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平為480 mV，捕捉到的發(fā)電機作用時的對稱短路的波形幅值呈衰減趨勢，相位差為120°。

教師通過引導(dǎo)方式讓學(xué)生學(xué)會常用儀器的使用方法，培養(yǎng)學(xué)生動手能力并提升學(xué)生自信心，為學(xué)生今后從事工作或進一步學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

綜上所述，以學(xué)生為中心的電力系統(tǒng)分析實驗教學(xué)改革，很大程度解決了傳統(tǒng)的以教師講授為主的實驗教學(xué)模式可能引發(fā)的問題和實驗教學(xué)評價困難帶來的問題，也從一定程度上提升了學(xué)生實驗積極性。教師通過引導(dǎo)學(xué)生課前預(yù)習(xí)、組織學(xué)生小組學(xué)習(xí)和引導(dǎo)學(xué)生動手探究等方式培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作精神、動手能力和學(xué)習(xí)興趣。

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注：本文系西華大學(xué)教育教學(xué)改革項目（xjjg2021043）、教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項目（220606584141358）的研究成果之一。

作者簡介：任曉（1976— ），四川南部縣人，碩士，實驗師，主要從事實驗教學(xué)改革與實踐研究；孫章（1988— ），湖北利川市人，碩士，高級實驗師，主要從事實驗教學(xué)改革與實踐研究；余建華（1972— ），四川北川縣人，本科，講師，主要從事實驗教學(xué)改革與實踐研究；方勇（1968— ），四川簡陽市人，博士，講師，主要從事電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)改革與實踐研究；鄭敏（1971— ），重慶長壽人，碩士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)分析教學(xué)改革與實踐研究。

（責(zé)編 羅異豐）