專業(yè)化軟件導(dǎo)行“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)研究

王世山等

摘要：“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程，如何讓學(xué)生既掌握基本的理論知識，又深刻理解電力系統(tǒng)的精髓，對電力系統(tǒng)的教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。提出以專業(yè)化軟件MATLAB和Power World Simulator（PWS）使用為核心，貫穿整個課程的教學(xué)過程。在使用這些軟件的過程中，必須深刻理解電力系統(tǒng)的基本理論，并在此基礎(chǔ)上以兩種模式建立電力系統(tǒng)分析的物理模型，既有編寫文本的MATLAB源程序，也有以GUI模式操作的PWS軟件。在教學(xué)中，只要出現(xiàn)理論和算法，都可以采用軟件進(jìn)行驗證。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中既可以深刻體會系統(tǒng)中的“工程”觀念，也彌補(bǔ)了電力系統(tǒng)實驗不足的問題。通過“電力系統(tǒng)分析”課程幾年來的教學(xué)實踐表明，以軟件導(dǎo)行的教學(xué)方法，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生理解了電力系統(tǒng)中的工程問題，對工科課程的教學(xué)有很好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析；電力系統(tǒng)軟件；MATLAB

作者簡介：王世山（1967-），男，陜西綏德人，南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，副教授。（江蘇 南京 210016）

基金項目：本文系南京航空航天大學(xué)教改項目、本科教學(xué)專業(yè)認(rèn)證建設(shè)項目的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0076-02

“電力系統(tǒng)分析”是以電氣工程一級學(xué)科為專業(yè)的本科及碩士生重要的專業(yè)課程，[1]本課程的基本內(nèi)容包括電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩大部分，均涉及到系統(tǒng)及相關(guān)電力設(shè)備的認(rèn)識和實驗問題。顯然，以教學(xué)為主的大學(xué)無法完全滿足電力系統(tǒng)所需的相關(guān)實驗。因此，“仿真”（Simulation）就成為該類課程教學(xué)活動中最重要的手段之一。

考慮到電氣工程一級學(xué)科下五個二級學(xué)科，各高校的側(cè)重點略有不同。因此，作為本科及碩士生還是以理解電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成、基本運(yùn)作模式為目標(biāo)，同時輔以合適的“工程”觀念，以此為“教學(xué)理念”，則“仿真”擬推薦專業(yè)化軟件，避免學(xué)生陷入計算機(jī)語言的困惑中。目前，筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)及與相關(guān)高校調(diào)研交流發(fā)現(xiàn)，鮮有教師提出以“軟件”導(dǎo)行的教學(xué)理念。

鑒于以上原因，本文提出以“專業(yè)軟件”為導(dǎo)行的電力系統(tǒng)課程教學(xué)過程，圍繞軟件學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，為理解電力系統(tǒng)概念和專業(yè)知識打下了良好的基礎(chǔ)。

一、電力系統(tǒng)軟件簡介

1.MATLAB——“一個真正的工程類語言”

MATLAB（Matrix Laboratory）矩陣實驗室，是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，在美國被稱為“A Real Technology Language”，是一種“真正的工程類語言”。[2]然而由于各種原因，目前中國大學(xué)對于該語言的研究并不理想。如何將這門工程計算機(jī)與所設(shè)置的專業(yè)課程結(jié)合在一起，是一個需要深入研究的問題。

據(jù)筆者長期教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，將軟件與專業(yè)問題相結(jié)合，形成一些相關(guān)的“項目設(shè)計”（Projects Design），則可以起到一舉兩得的效果。

MATLAB軟件分為通用模塊與專業(yè)化Toolbox。雖然有些Toolbox也確實可以解決一些專業(yè)化問題，但距真正的專業(yè)化解決尚有一定的距離。因此，筆者推薦盡可能使用MATLAB的通用模塊。通用模塊的功能類似于MathCAD一樣的操作模式，主要以*.M文件的方式體現(xiàn)。

*.M文件其實就是一個函數(shù)或一段程序，是一種“解釋性”源代碼，這些源代碼的撰寫可以用MATLAB本身附帶的編輯器，也可以采用其他文本編輯器。當(dāng)*.M文件保存后，直接運(yùn)行文件名即可。由此可見，教學(xué)中利用*.M文件完成教學(xué)任務(wù)，不僅可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)知識，在一定程度上也提高了學(xué)生計算機(jī)程序的編寫能力。

2.Power World Simulator——電力世界仿真器

Power World Simulator（PWS）是一個電力系統(tǒng)仿真軟件包（見圖1），[3，4]其構(gòu)筑在對用戶良好交互性的基礎(chǔ)上。其核心是一個功能強(qiáng)大的潮流計算軟件，可以有效求解多達(dá)32500個節(jié)點的系統(tǒng)。這使得電力世界仿真器作為一個獨立的潮流分析軟件包十分有用。與其他同類商業(yè)應(yīng)用軟件不同，PWS允許用戶通過可縮放的彩色動畫單線圖來模擬一個系統(tǒng)。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發(fā)電機(jī)的增加以及聯(lián)絡(luò)線功率的交換，一切僅需點擊鼠標(biāo)即可完成。此外，圖形和動畫演示的廣泛使用增加了用戶對系統(tǒng)特性、存在問題和限制條件的理解。

PWS提供了極為方便的模擬電力系統(tǒng)時間特性的工具。同樣，它可以圖形化地顯示負(fù)荷、發(fā)電量和聯(lián)絡(luò)功率隨時間的變化，以及因此產(chǎn)生的系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化，這項功能在解決電網(wǎng)擴(kuò)建引起的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化之類的問題時十分有用。

除了上述特點，PWS以其一體化的經(jīng)濟(jì)調(diào)度、聯(lián)絡(luò)功率交易經(jīng)濟(jì)性分析、功率傳輸分配因子（PTDF）計算和突發(fā)事故的強(qiáng)大分析能力而驕傲，所有這一切都可以通過一個易用的界面來實現(xiàn)。

二、專業(yè)化軟件在教學(xué)過程中的實施

只要學(xué)生運(yùn)行出最終解的結(jié)果，得出誤差曲線（見圖2），再輔以一定的討論，則可認(rèn)為該問題結(jié)束。

需要注意的是，以程序為學(xué)習(xí)目標(biāo)時，必須輔以一定的考核手段，即逐一檢查學(xué)生的運(yùn)行結(jié)果，避免學(xué)生抄寫應(yīng)付過關(guān)。多年來，學(xué)生的反饋表明，以該種方式“逼迫”學(xué)生熟悉和掌握MATLAB軟件，給學(xué)生留下了極深刻的印象，也為本科畢業(yè)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）示例2：PWS完成潮流計算。以圖3中簡單電力系統(tǒng)為例，計算各母線電壓、支路功率，則首先要確定系統(tǒng)的節(jié)點類型——平衡節(jié)點、PV節(jié)點、PQ節(jié)點；此后，按系統(tǒng)要求逐次搭建合適的系統(tǒng)圖。

當(dāng)正確設(shè)置圖3各類節(jié)點類型、邊界條件后，則可以直接運(yùn)行，在Run mode下查看各Bus和支路的相關(guān)信息。本軟件不僅可以計算電流系統(tǒng)的最終結(jié)果，也可以查看中間過程，比如可以設(shè)置基準(zhǔn)值，誤差相量的查看，甚至New-Raphson法的Jacobi矩陣在Case information中都可以獲悉。因此，當(dāng)采用MATLAB基本熟悉了潮流算法后，對于大量電力系統(tǒng)分析的問題均可以采用該軟件來實現(xiàn)。

2.依托專業(yè)化軟件的課程綜合設(shè)計

課程綜合設(shè)計（Projects design）是鞏固專業(yè)化基礎(chǔ)知識的綜合手段。南航電氣作為具備電氣工程一級學(xué)科博士點的專業(yè)，一直以來具有“電機(jī)與電器”、“電力電子與電力傳動”的綜合設(shè)計，但是一直沒有“電力系統(tǒng)自動化”的課程綜合設(shè)計。本課程教學(xué)后，依托如前所述兩個軟件和開設(shè)的“電氣工程及其自動化綜合設(shè)計”，適時參考國外精品課程“Power System Analysis”，[5]也開展了相關(guān)的課程設(shè)計。比如，教學(xué)中可以對電力系統(tǒng)提出一定的指標(biāo)，通過PWS軟件的反復(fù)人工修正，提出和優(yōu)化如圖4所示的電力系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行深入分析。

3.軟件使用的考核

在教學(xué)活動中，考核是最重要的指標(biāo)之一，也是重要的手段。筆者認(rèn)為要加強(qiáng)平時控制，“迫使”每名學(xué)生在個人計算機(jī)上安裝相關(guān)軟件，并且課后必須進(jìn)行練習(xí)。待熟練使用軟件后，利用少量課堂時間、課間時間或者師生共同課后時間讓全部學(xué)生進(jìn)行演示，互動討論，這樣對學(xué)生也是一個警示。結(jié)果表明，通過該方式能夠讓所有的學(xué)生都掌握相關(guān)的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識和軟件，對教學(xué)具有很大的促進(jìn)作用，但這樣也增大了授課教師的工作量。

三、結(jié)論

本文以“電力系統(tǒng)分析”為對象，基于MATLAB和Power World Simulator專業(yè)化軟件展開教學(xué)活動，獲得了如下教學(xué)體會，對工科課程均有一定的借鑒作用。一是以專業(yè)化軟件使用為核心的教學(xué)理念，在工科課程中具有普遍的意義，這樣也不失掉對基礎(chǔ)理論知識的掌握。二是對于“電力系統(tǒng)分析”專業(yè)課，需要選擇合適的專業(yè)化軟件開展教學(xué)活動，難易程度要適合本科教學(xué)。經(jīng)過幾年教學(xué)摸索，選擇了MATLAB和Power World Simulator作為教學(xué)軟件。實踐表明，上述兩款軟件特別適合教學(xué)活動。

參考文獻(xiàn)：

[1]王俊，紀(jì)建偉，孫國凱，等.電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)改革[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2011，12（12）：56-58.

[2]徐敏，彭瑜.MATLAB在《電力系統(tǒng)分析》教學(xué)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2010，22（3）：152-155.

[3]李靜.Power World Simulator仿真軟件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012，31（6）：66-68.

[4]張仰飛，李先允，郝思鵬.可視化軟件包Power World Simulator 在電力系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2006，（12）：295-287.

[5]J.Duncan Glover，Mulukutla.S.Sarma.Power System Analysis and Design[M].Beijing：China Machine Press，2004.

（責(zé)任編輯：孫晴）