基于任務驅動的潮流上機計算實踐教學探索

王莉麗

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

“電力系統(tǒng)潮流上機計算”是電氣工程及其自動化專業(yè)學生的必修課程，也是北京市精品課程“電力系統(tǒng)分析基礎”的配套實踐課[1]。該課程的內容不斷得到充實，教學方法持續(xù)改進。

1 課程介紹

潮流計算是電力系統(tǒng)中最基本最重要的計算。所謂潮流計算，就是已知電網(wǎng)的接線方式與參數(shù)及運行條件，計算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行各母線電壓、各支路電流與功率及網(wǎng)損。對于正在運行的電力系統(tǒng)，通過潮流計算結果可以判斷電網(wǎng)母線電壓、支路電流和功率是否越限。對于正在規(guī)劃的電力系統(tǒng)，通過潮流計算，可以為選擇電網(wǎng)供電方案和電氣設備提供依據(jù)。潮流計算還可以為繼電保護和自動裝置整定計算、電力系統(tǒng)故障計算和穩(wěn)定計算等提供原始數(shù)據(jù)[2-3]。

“電力系統(tǒng)潮流上機計算”課程的內容是用兩周的時間利用Visual C語言完成一個直角坐標或極坐標牛頓-拉夫遜潮流算法的程序，并利用標準IEEE9/14節(jié)點算例進行驗證。

2 任務驅動法應用于課程的探索

2.1 課程制定清晰明確的總體目標

“電力系統(tǒng)潮流上機計算”課程開設初期采用了以教師、教材和課堂為中心，重視教師對學生的傳授[4]。但是我們遇到了嚴重的問題:大部分學生接到計算任務后無從下手，找不到切入點，從而選擇放棄或者抄襲他人的程序。每個班里僅有為數(shù)不多的學生能夠完成任務，此外，少數(shù)學生理論知識扎實又具有編程基礎，他們用大約一周的時間就完成了所有的內容，認為課程無挑戰(zhàn)性，滿足不了他們的求知欲。課程一度陷于各類學生積極性都不高的消極局面。為了改變這種局面，教學方法的改革勢在必行。我們經過大量的調研和不斷的探索嘗試，得出結論:對于這種任務明確、工程化較強的實踐課程采用任務驅動法能夠取得很好的教學效果[5]。

任務驅動法是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學法，這種方法將傳授的新知識隱含在一項或幾項任務中，學生通過對任務進行分析討論，明確完成任務所涉及的知識以及內含的新知識點，在教師的指導下找出解決問題的辦法[6]。

潮流數(shù)值算法是在明確電力網(wǎng)絡結構參數(shù)的前提下，求取網(wǎng)絡方程系數(shù)矩陣，建立非線性的節(jié)點電壓網(wǎng)絡方程，用迭代的方法對方程進行求解。教師要將任務總目標明確為:編制一個通用、可移植的潮流計算機算法程序。

2.2 分解任務與實施實例先導

采取任務驅動教學法將總任務分解為若干個子任務，學生就可以依次逐個進行思考分析。將每個子任務看成是一個模塊，考慮“每個模塊的輸入和輸出內容”，“各個模塊之間的關聯(lián)方式”，“哪些模塊參與了循環(huán)”等等。這樣就可以避免因為各變量之間復雜耦合關系而出現(xiàn)思路混亂。在分析的過程中，學生自然會把要用到的預備知識進行梳理。

潮流上機計算可根據(jù)功能模塊可分解為九個子任務:①構建工程數(shù)據(jù)結構;②讀入原始數(shù)據(jù);③形成節(jié)點導納矩陣;④計算節(jié)點不平衡量;⑤生成雅可比矩陣;⑥求解修正方程;⑦迭代求解潮流結果;⑧計算平衡節(jié)點功率;⑨求線路功率和線路損耗。

各子任務難易程度不同，完成時間不同，教師的引導方式也有所側重。

任務驅動教學模式是以實例為先導的，學生可以先根據(jù)課本中的例題進行程序編制，因為此例題附帶完整的中間計算結果，學生在編程過程中可以隨時檢查結果的正確性。程序完成后再將指導教師提供的標準IEEE9/14節(jié)點數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)讀入程序，計算潮流結果。

2.3 學生面臨的三重考驗

我們在實際教學過程中發(fā)現(xiàn)，整個潮流程序編制過程中，學生會遇到如下三重考驗。

(1)第一重考驗:構建工程數(shù)據(jù)結構

潮流計算中根據(jù)數(shù)據(jù)的特點，構建工程數(shù)據(jù)結構是第一步。萬事開頭難，對學生來說這是第一個考驗，此時教師會給出一個典型的數(shù)據(jù)結構實例供參考。

潮流計算的原始數(shù)據(jù)包括支路數(shù)據(jù)和節(jié)點數(shù)據(jù)兩大部分，所以在頭文件中先聲明一個節(jié)點結構數(shù)據(jù)類型BusData和一個支路結構數(shù)據(jù)類型Branch-Data。BusData中包括節(jié)點序號、類型、電壓值和相角等;BranchData中包括支路序號、電阻、電抗、電納和變壓器變比等。這一子任務幾乎所有的學生都能夠順利完成，這樣便有一個好的開頭，會使學生對編程的畏懼感有一定的緩解。

(2)第二重考驗:形成節(jié)點導納矩陣

節(jié)點導納矩陣的形成是計算機求解潮流的難點之一。其困難之處在于如何利用二維數(shù)組表示矩陣，還有原始數(shù)據(jù)與數(shù)組中各元素的對應關系如何確定。此處需要注意的問題是二維數(shù)組表示的矩陣初始行列號是“0”，而原始數(shù)據(jù)文件中首個數(shù)據(jù)的序號是“1”，編程時需做處理。

節(jié)點導納矩陣的形成應用支路追加法[2]。首先建立維數(shù)為節(jié)點數(shù)的零矩陣，各條支路按照序號循環(huán)，分別將其對節(jié)點導納矩陣的貢獻疊加到零矩陣上。支路追加法雖然原理簡單，但對于初學者來說實現(xiàn)起來可能還會存在一定的困難，例如:“貢獻在編程時如何體現(xiàn)”和“變壓器非標準變比如何處理”等。

(3)第三重考驗:生成雅可比矩陣

雅可比矩陣的生成是潮流計算中最繁瑣的一部分。雖然表面看與節(jié)點導納矩陣的形成過程相類似，都是用二維數(shù)組表示矩陣，矩陣中的元素值與所在位置有關;但不同之處和難點是:矩陣中各位置的元素值形成關系過于復雜，主要表現(xiàn)在雅可比矩陣的維數(shù)高，如果節(jié)點導納矩陣維數(shù)是n，那么雅可比矩陣的維數(shù)就是2(n-1);雅可比矩陣中各元素的計算與節(jié)點導納矩陣中元素相比耦合變量數(shù)更多，公式更復雜;雅可比矩陣是分塊矩陣，以相鄰位置的四個元素為一個塊，塊中這四個元素的計算公式各不相同;節(jié)點類型不同，待求的網(wǎng)絡方程也不同;牛頓—拉夫遜法解非線性方程過程中，雅可比矩陣參與迭代。

此處學生需要有極大的耐心，反復調試程序，稍不小心就會出錯。容易出現(xiàn)的錯誤有:①因公式復雜發(fā)生輸入錯誤;②循環(huán)分支嵌套多，“{}”的位置錯誤;③分塊矩陣中，元素位置定位錯誤;④程序中使用的數(shù)據(jù)結構與頭文件中定義的數(shù)據(jù)結構不一致;⑤最嚴重的錯誤就是循環(huán)邏輯不對。

在這個子任務的執(zhí)行過程中除了需要有耐心還要有決心。

3 結語

教學實踐證明:將任務驅動教學法引入到“電力系統(tǒng)潮流上機計算”中，強調了學生在學習過程中的主體地位;調動了學生主動參與實驗的積極性;提高了學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

統(tǒng)計表明，有30%的學生能夠在教師計劃的時間表之前完成任務，50%的學生能與規(guī)定時間保持一致，20%的學生滯后于時間表，需要教師給予幫助才能完成任務。特別要說的是，很多能力強的學生主動增加了其他的子任務如:文件輸出子任務、復數(shù)計算子任務等，使程序更具有通用性和可移植性。學生通過帶著任務學習，養(yǎng)成了自主思考的習慣，對過程結果的分析能力明顯增強，對知識點有了更深刻的理解，更善于整合運用知識。

此教改方案實施過程中應注意兩點:第一，程序中求解線性方程組源代碼由教師提供，學生直接調用即可;第二，適當?shù)目己朔绞揭彩谴龠M學生自主學習的手段之一，我校采用的是一對一理論知識問答加上機程序改錯的方法，可供兄弟院校參考。

[1]孫英云，董雷，等.基于極限編程的潮流上機實踐教學探索[J].南京:電氣電子教學學報.2012.34(3):90-92

[2]張伯明，陳壽孫，等.高等電網(wǎng)絡分析(第2版)[M].北京:清華大學出版社，2007

[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(第三版)[M].北京:中國電力出版社，2007

[4]田海梅，張燕.基于任務驅動的計算機專業(yè)課教學模式[J].北京:實驗技術與管理.2011.28(5):145-147

[5]劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉向:工程化的視角[J].武漢:高等工程教育研究.2006.(4):42-45

[6]張穎，張繼平，宋巖.基于“任務驅動”教學法的實驗教學改革[J].上海:實驗室研究與探索.2013，32(11):167-170