新形勢(shì)下“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)改革初探

孟祥俠 李永

摘要：“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)內(nèi)容越來越豐富，但隨著專業(yè)設(shè)置的改革，電力系統(tǒng)分析課程的課時(shí)卻在減少。本文通過對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段以及考核方式等進(jìn)行調(diào)整，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)寬口徑、應(yīng)用能力強(qiáng)的復(fù)合型人才具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析;教學(xué)改革;PSASP仿真軟件;考核方式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0067-02

“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在電力系統(tǒng)知識(shí)體系中起承上啟下的作用。該課程內(nèi)容涉及電路、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)以及控制理論等方面的知識(shí)，又是電氣工程后續(xù)專業(yè)課電力系統(tǒng)自動(dòng)化、繼電保護(hù)原理、高電壓技術(shù)等相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)，學(xué)好這門課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的關(guān)鍵。

該課程有兩大明顯特點(diǎn)：一是理論綜合性強(qiáng);二是具有明顯的工程特點(diǎn)，研究對(duì)象為實(shí)際的電力系統(tǒng)。因此，對(duì)初學(xué)者來說，具有一定的難度。目前，隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和在電力系統(tǒng)中的引入、應(yīng)用，電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)內(nèi)容越來越豐富，而隨著專業(yè)設(shè)置的改革，電力系統(tǒng)分析課程的課時(shí)卻在減少，因此有必要對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、方法、手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)以及考核方式等方面進(jìn)行改革以適應(yīng)新形勢(shì)下的教學(xué)要求。

一、適度調(diào)整教學(xué)內(nèi)容—簡(jiǎn)化純公式推導(dǎo)，重視物理概念

“電力系統(tǒng)分析“課程的教學(xué)內(nèi)容可以劃分為如圖1所示。對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析中的電力系統(tǒng)各元件特性和數(shù)學(xué)模型一章，公式推導(dǎo)較多，特別是電力線路的電抗、電納參數(shù)，容易使學(xué)生陷入到繁雜的公式推導(dǎo)中。因此，教師在講授此部分內(nèi)容時(shí)，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化這種公式的推導(dǎo)，重視物理概念。比如以電抗為例，推倒過程中應(yīng)該使學(xué)生抓住主線：，當(dāng)線路通過電流時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，再結(jié)合電路中電、磁公式，將宏觀思想交代給大家，然后再進(jìn)行具體公式推導(dǎo)，這樣，學(xué)生就容易接受多了。在結(jié)論公式中，強(qiáng)調(diào)Dm、r實(shí)際代表的物理意義以及對(duì)電抗的影響。而對(duì)于電納參數(shù)，不必再做詳細(xì)推導(dǎo)，只需幾分鐘時(shí)間將推導(dǎo)思想交代給學(xué)生，要求學(xué)生記住結(jié)論公式以及其中符號(hào)所代表的物理意義，重點(diǎn)是學(xué)會(huì)應(yīng)用。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析中的牛頓——拉夫遜潮流計(jì)算方法，始終是學(xué)生的一個(gè)難點(diǎn)。在講授此內(nèi)容前，首先應(yīng)該讓學(xué)生知道電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下哪些量是已知量，哪些量是未知量，以便學(xué)生能夠方便地判斷各節(jié)點(diǎn)類型，然后再考慮建立方程組，這樣學(xué)生就容易理解。

在講授有功功率和頻率調(diào)整部分，應(yīng)該讓學(xué)生逐步建立起這樣一個(gè)概念：頻率f是有功功率是否平衡的指示器。當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)的總功率大于負(fù)荷吸收的總功率時(shí)，;相反，當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)的總功率小于負(fù)荷吸收的總功率時(shí)，;當(dāng)發(fā)電機(jī)所發(fā)的總功率正好等于負(fù)荷吸收的總功率時(shí)，。同理，在講授無功功率和電壓調(diào)整部分時(shí)，也應(yīng)該讓學(xué)生建立起電壓是無功功率是否平衡的指示器。

電力系統(tǒng)暫態(tài)分析可以分為短路計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算兩大部分。短路計(jì)算部分不管是對(duì)稱故障還是不對(duì)稱故障，都是電路思想。而穩(wěn)定性計(jì)算則是系統(tǒng)思想，重點(diǎn)應(yīng)放在小干擾穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定分析以及提高穩(wěn)定性的措施方面。

二、教學(xué)方法、教學(xué)手段的改進(jìn)

1.配合多媒體

多媒體教學(xué)以其信息量大、傳播速度快、直觀效果強(qiáng)的特點(diǎn)，在高校的很多課程中取得了顯著的效果。但對(duì)于理論性強(qiáng)、公式多、概念較抽象的電力系統(tǒng)分析課程來說，如果完全使用多媒體教學(xué)，效果卻大相徑庭。目前在一部分高校中，電力系統(tǒng)分析課程是不允許使用多媒體的，而有些高校則全部使用多媒體，這兩種現(xiàn)象都是不對(duì)的，正確的方法應(yīng)是適當(dāng)?shù)呐浜隙嗝襟w教學(xué)。

“電力系統(tǒng)分析”課程中電力系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀、電力線路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接線圖、實(shí)物圖，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖等，以及一些比較直觀的概念，如頻率過高或過低對(duì)電力系統(tǒng)的影響等部分，比較適合使用多媒體。而對(duì)于理論性強(qiáng)、公式多、概念較抽象的部分則適合使用傳統(tǒng)的板書，比如，潮流計(jì)算部分，公式多、理論性強(qiáng)，就不適合使用多媒體。

2.結(jié)合PSASP仿真軟件

“電力系統(tǒng)分析”課程中潮流計(jì)算、短路計(jì)算和穩(wěn)定性計(jì)算三大部分是該課程的重點(diǎn)，由于其理論性強(qiáng)、公式多，對(duì)于初學(xué)者來說，較難理解透徹。根據(jù)筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于這三部分，如果能在正常的講授過程中，結(jié)合PSASP仿真軟件給學(xué)生課堂演示，并要求學(xué)生課下到仿真實(shí)驗(yàn)室自己做實(shí)例仿真，效果事半功倍。

PSASP（Power System Analysis Software Package） 是中國(guó)電科院研制的電力系統(tǒng)仿真軟件，它可以進(jìn)行潮流、短路、暫態(tài)穩(wěn)定、繼電保護(hù)等多種計(jì)算。現(xiàn)以WSCC-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，在講授潮流計(jì)算部分的節(jié)點(diǎn)分類以及潮流計(jì)算過程后，利用PSASP軟件給學(xué)生課堂演示、強(qiáng)化概念。比如在潮流計(jì)算前，發(fā)電機(jī)1設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)（電壓幅值為1.04）、發(fā)電機(jī)2為PV節(jié)點(diǎn)（電壓幅值為1.025）、母線STNC-230上的負(fù)荷設(shè)為PQ節(jié)點(diǎn)，基準(zhǔn)功率取為100MVA。

潮流計(jì)算后的結(jié)果如圖2所示，發(fā)電機(jī)2發(fā)出的有功功率P=165MW，電壓，P、U均不變，即PV節(jié)點(diǎn);母線STNC-230上的負(fù)荷P、Q均不變，即PQ節(jié)點(diǎn);發(fā)電機(jī)1發(fā)出的功率，發(fā)電機(jī)1是平衡節(jié)點(diǎn)，在潮流計(jì)算前有功和無功功率均未知，潮流計(jì)算結(jié)果經(jīng)驗(yàn)證，P1、Q1正好與系統(tǒng)的負(fù)荷以及網(wǎng)絡(luò)損耗相平衡，即為平衡節(jié)點(diǎn)。這種演示講解，容易使學(xué)生更好地理解、接受。

對(duì)于短路計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算，可以做類似的處理。通過觀察短路計(jì)算結(jié)果，可以使學(xué)生一目了然地看到各支路短路電流的大小，以及各節(jié)點(diǎn)的電壓分布。而對(duì)于暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果更直觀，從曲線圖上不僅可以看到各時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)，而且可以直接判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

3.重視學(xué)科交叉性

“電力系統(tǒng)分析”是一門相對(duì)較難的課程，涉及相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容較多，因此，教師應(yīng)重視與相關(guān)學(xué)科的聯(lián)系。比如柔性交流輸電部分，與電力電子聯(lián)系緊密，教師在講授此部分內(nèi)容時(shí)，將電力電子在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用及前景介紹給大家;在講授同步發(fā)電機(jī)、變壓器的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)結(jié)合電機(jī)的相關(guān)知識(shí)，并與電機(jī)學(xué)中不同側(cè)重點(diǎn)做好對(duì)比。重視學(xué)科交叉性，不僅可以使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)本領(lǐng)域的知識(shí)，也使“電力系統(tǒng)分析”及相關(guān)學(xué)科在學(xué)生心理更具生命力。

三、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

1.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)是理論知識(shí)的理解和鞏固。電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室可以開出短路、暫態(tài)穩(wěn)定等實(shí)驗(yàn);電力系統(tǒng)仿真室可以進(jìn)行潮流計(jì)算、短路計(jì)算以及穩(wěn)定性計(jì)算等仿真，給學(xué)生提供了較好的平臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)室管理方面，我校實(shí)行開放性實(shí)驗(yàn)，即在學(xué)生沒課、由實(shí)驗(yàn)室教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)完成的實(shí)驗(yàn)，開放性實(shí)驗(yàn)具有分散、靈活性。

筆者根據(jù)“電力系統(tǒng)分析”課程理論性強(qiáng)、概念較抽象等特點(diǎn)，以及課內(nèi)學(xué)時(shí)少等實(shí)際情況，要求學(xué)生在結(jié)課前完成4個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)，并在總評(píng)成績(jī)中占一定比例。經(jīng)過一段時(shí)間的試運(yùn)行，效果顯著。

2.重視實(shí)習(xí)

實(shí)習(xí)是理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，是對(duì)教學(xué)有益且必要的補(bǔ)充。但要注重實(shí)效，不能走形式。由于電廠等實(shí)習(xí)單位對(duì)安全性要求較高，通常不允許學(xué)生參與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，更多的是參觀性質(zhì)的實(shí)習(xí)，這就要求帶隊(duì)教師采取必要的措施，以保證實(shí)習(xí)效果。比如，要求學(xué)生實(shí)習(xí)結(jié)束后，不僅上交一份實(shí)習(xí)報(bào)告，還要有答辯環(huán)節(jié)，這就加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)習(xí)的重視程度。

3.參與教師的科研

參與教師的科研是理論知識(shí)的應(yīng)用和提升，根據(jù)筆者近幾年的經(jīng)驗(yàn)，參與教師科研的學(xué)生，不僅對(duì)“電力系統(tǒng)分析”課程有較深入的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)相關(guān)課程的掌握都有實(shí)質(zhì)性的提升。

四、改革考核方式

傳統(tǒng)的考核方式往往是期末一次性考試加上平時(shí)成績(jī)，這種考核方式容易忽視能力、素質(zhì)和創(chuàng)新因素的檢測(cè)。根據(jù)筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，改變期末一次性考試方式，進(jìn)行多次不同形式的考核，最后結(jié)合期末考試，形成對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)。具體考核方式如表1。

表1 《電力系統(tǒng)分析》考核方式

考核方式 潮流程序 開放性實(shí)驗(yàn) 平時(shí) 期末 總評(píng)

百分比 10% 40% 10% 40% 100%

考核分4部分：潮流程序的編寫及調(diào)試占10 %;開放性實(shí)驗(yàn)占40%，包括實(shí)驗(yàn)和仿真分析兩部分;平時(shí)占10%;期末考試占40%。這種考核方式不僅能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也能避免學(xué)生期末考試前搞突擊，而考試結(jié)束后全部忘掉現(xiàn)象。

五、結(jié)語

“電力系統(tǒng)分析”課程學(xué)術(shù)性和技術(shù)性都很強(qiáng)，涉及面廣，其教學(xué)改革需要長(zhǎng)期的摸索和探索。近年來，筆者通過對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實(shí)踐環(huán)節(jié)以及考核方式等方面進(jìn)行了較為深入的探索，取得了較好的效果。改革不僅加大了課堂教學(xué)的信息量，也大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，為把學(xué)生培養(yǎng)成寬口徑，應(yīng)用能力強(qiáng)的復(fù)合型人才打下一定的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）