電力系統(tǒng)自動化專業(yè)碩士學位工程實踐課建設(shè)

王小君+和敬涵+夏明超+吳命利

[摘要]為實現(xiàn)教育部碩士研究生從學術(shù)型向應(yīng)用型的轉(zhuǎn)變的要求，應(yīng)采取多種形式來強化專業(yè)學位研究生的工程實踐環(huán)節(jié)，提高專業(yè)碩士的培養(yǎng)質(zhì)量?，F(xiàn)有專業(yè)碩士學位的實踐課程及其教學與“學術(shù)型”碩士趨同，忽視了專業(yè)碩士學位的“職業(yè)性、實踐性”特征。為培養(yǎng)電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學位研究生的技術(shù)基礎(chǔ)、項目管理等方面能力，并促進其建立相應(yīng)的工程設(shè)計體系概念，工程實踐課程的建設(shè)具有重要的意義，介紹了北京交通大學在電力系統(tǒng)自動化專業(yè)學位工程實踐課建設(shè)中的探索經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]工程實踐課；電力系統(tǒng)自動化專業(yè)；專業(yè)碩士學位；課程建設(shè)

[中圖分類號]G623.31[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2017）01010006

1課程建設(shè)背景

專業(yè)學位研究生在高層次社會人才培養(yǎng)中占據(jù)重要的地位，專業(yè)學位研究生的教育工作為我國的研究生人才培養(yǎng)注入了新的力量，發(fā)展專業(yè)學位研究生教育是我國高層次人才培養(yǎng)中一項不可缺少的環(huán)節(jié)。2009年，為了提高研究生結(jié)合專業(yè)知識與工程實踐的能力，加強研究生服務(wù)國家與社會的能力，教育部決定擴大招生范圍，招收以應(yīng)屆本科畢業(yè)生為主的全日制碩士專業(yè)學位研究生，開展全日制碩士專業(yè)學位研究生的教育工作[1]。2011年，為了實現(xiàn)研究生教育結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整和歷史轉(zhuǎn)型，碩士研究生教育開始從以培養(yǎng)學術(shù)型人才為主向以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主進行轉(zhuǎn)變[2]。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大并且復雜，具有運行方式多變、地域分布廣、電能不可大量儲存、過渡過程非常迅速等特征。電能生產(chǎn)與國民經(jīng)濟各部門和人民生活關(guān)系密切，電力系統(tǒng)發(fā)生嚴重故障時可能會造成大面積停電，將對社會的生產(chǎn)生活造成惡劣影響。

原有的電力系統(tǒng)方向?qū)I(yè)課程注重基礎(chǔ)理論的學習。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，這種模式的專業(yè)課程設(shè)置表現(xiàn)出了與實際生產(chǎn)的不適應(yīng)和不協(xié)調(diào)，存在如下問題。

1） 在教學內(nèi)容上，課程忽略了工程實踐問題的社會環(huán)境背景，內(nèi)容偏重于基礎(chǔ)知識的傳授，與實際應(yīng)用聯(lián)系不夠緊密。

2） 在教學方法上，課程更偏重于理論知識的分析，忽視了各部分知識間的聯(lián)系與綜合以及在電力系統(tǒng)工程實踐中的應(yīng)用。

3） 在教學組織上，課程更偏重于課堂內(nèi)容的理論教學，忽視了對學生學習興趣的培養(yǎng)及課程實踐的教學。

為響應(yīng)碩士研究生從學術(shù)型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的要求，北京交通大學電氣工程學院在專業(yè)教育理念樹立、培養(yǎng)方案制定、培養(yǎng)模式改革、實踐基地建設(shè)以及雙師型導師隊伍建立等方面進行了眾多的探索。

開設(shè)《電力系統(tǒng)學科方向?qū)I(yè)工程實踐課》課程是其中的重要環(huán)節(jié)，是提高專業(yè)學位碩士研究生實際工作經(jīng)驗，培養(yǎng)碩士研究生獨立的發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力的重要途徑。該課程在分析電力系統(tǒng)科技創(chuàng)新和人才需求計劃的基礎(chǔ)上，采取多種形式強化專業(yè)學位研究生的工程實踐環(huán)節(jié)，提升研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

1國內(nèi)課程開設(shè)情況

自2009年教育部決定專業(yè)學位碩士開始全日制培養(yǎng)起，國內(nèi)各高校不同專業(yè)均開始了專業(yè)學位研究生培養(yǎng)方案與培養(yǎng)模式的研究[36]。目前，各高校已經(jīng)普遍增加了專業(yè)學位研究生實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)，建設(shè)了大量研究生培養(yǎng)基地。

在課程建設(shè)方面，也有一些高校開始了相關(guān)實踐。文獻[7]提出了理工科院校翻譯碩士專業(yè)學位的課程設(shè)置的理論認知和實踐模型；文獻[8]對教育碩士專業(yè)學位之實踐課程及其教學進行了探索；文獻[9]中東北大學理學院開設(shè)了“無機材料結(jié)構(gòu)表征技術(shù)課程”。根據(jù)調(diào)研，針對專業(yè)碩士學位研究生開設(shè)專門工程實踐課的相關(guān)文獻較少，電力系統(tǒng)自動化專業(yè)方向未見報道。

專業(yè)學位研究生教育培養(yǎng)具備一定理論基礎(chǔ)知識又具有很強動手能力的一流實干家，是高層次的復合型人才與技術(shù)管理人才。因此，專業(yè)實踐課程設(shè)置的目的應(yīng)更側(cè)重于培養(yǎng)學生的工程實踐與職業(yè)能力，而不僅以掌握某門學科的基礎(chǔ)理論知識為目標。

2課程特色

本課程的課堂教學在常規(guī)教學模式的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力行業(yè)的一線專家與校內(nèi)善于科學研究的教師，通過使用大量演示性多媒體課件，縮短理論教學到實際應(yīng)用的距離，同時將課程中引入國內(nèi)外最新研究成果，結(jié)合實例分析來擴大學生的視野，以現(xiàn)場實際案例為載體來提升專業(yè)學位研究生的實踐能力。

1） 課程目標與任務(wù)明確。針對電氣工程專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求，跟蹤調(diào)研本專業(yè)研究生的就業(yè)去向及其在工作中的角色和任務(wù)，明確了社會對電氣工程專業(yè)型研究生的具體要求，確定專業(yè)型研究生的培養(yǎng)目標，在課程內(nèi)容中注重結(jié)合工程實際、著重培養(yǎng)學生實踐能力。

2） “走出去”與“請進來”有機結(jié)合改善教師隊伍。課程在教學過程中邀請了校外一線的科研生產(chǎn)工作者進行授課，將理論與現(xiàn)場工作經(jīng)驗相結(jié)合，彌補了校內(nèi)教師在工程實踐環(huán)節(jié)經(jīng)驗的不足，有效提高了實踐教學效果，深受學生歡迎。

校方導師的學歷普遍較高，一般具有較為深厚的科研功底，多年以來都是工作在教學一線，對研究生課程教學都有豐富經(jīng)驗，但并非對行業(yè)各方向的實際具體問題都十分了解。而校外各公司企業(yè)中的科研生產(chǎn)工作者對本單位的發(fā)展方向、本部門的技術(shù)問題有更為深刻、清晰的認識。為了提高專業(yè)學位研究生的理論研究水平，促進研究生的專業(yè)與工程實踐技能，可以采取一種校內(nèi)外教師相結(jié)合的方式，發(fā)揮校內(nèi)導師扎實課程教學經(jīng)驗與校外企業(yè)科研生產(chǎn)人員先進工作思想的優(yōu)勢，相互取長補短，有力促進專業(yè)學位研究生的整體素質(zhì)。

同時，通過鼓勵任課教師參與電力系統(tǒng)行業(yè)培訓，深入企業(yè)內(nèi)部，進一步地提高教師的工程實踐教學能力。

3） 增加學科前沿內(nèi)容。電力系統(tǒng)學科屬于傳統(tǒng)學科，但仍處于高速發(fā)展過程中。近年來，新理論、新設(shè)備、新應(yīng)用領(lǐng)域乃至新的網(wǎng)絡(luò)拓撲、新的控制方法都在不斷涌現(xiàn)。因此，電力系統(tǒng)實踐課在教授理論基礎(chǔ)的同時，也應(yīng)及時補充學科的前沿內(nèi)容。

4） 突出形成“理論與工程”教學思想。以往電力系統(tǒng)學科方向的相關(guān)課程更偏重基礎(chǔ)理論學習、理論知識的分析及課堂內(nèi)容的理論教學。對如何從紛繁復雜的實際問題中提煉出可研究的模型關(guān)注不夠，但難以綜合運用所學的知識解決電力系統(tǒng)工程中的實際問題。

面對復雜的工程實際問題，要理清思路，明確所要解決的工程問題；通過以往的實踐經(jīng)驗與理論學習，對枝節(jié)問題進行正確的簡化，突出待解決的主要問題；深入分析進而構(gòu)建出能夠反映工程問題本質(zhì)的數(shù)學模型；依據(jù)相關(guān)問題求解方法，利用所學的基礎(chǔ)理論知識和經(jīng)驗對所求模型求解；進一步地探討該問題的工程意義，對其價值進行估計評判，對其環(huán)境社會影響進行理論分析，從而形成具有一般性概念和結(jié)論的理論指導。

5） 結(jié)合科研工作提高實踐能力。電力系統(tǒng)是一門實踐性很強的工科專業(yè)，調(diào)研中用人單位也多次強調(diào)了研究生實踐能力的重要性。當然，實踐能力的培養(yǎng)不應(yīng)只是依托課程教學環(huán)節(jié)，而需要更應(yīng)突出動手實踐能力。由于目前開設(shè)實驗等環(huán)節(jié)還存在一定困難，因此本項目在課程設(shè)計中設(shè)置了部分學時，由任課教師結(jié)合本人及學院在該領(lǐng)域的科研工作，針對實際問題展開介紹并組織討論、參觀等活動，充分利用已有科研工作基礎(chǔ)來培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

3課程內(nèi)容設(shè)計

課程內(nèi)容設(shè)計首先經(jīng)過充分調(diào)研確立了電力系統(tǒng)自動化專業(yè)學位工程實踐課的教學大綱。該課程是全日制電氣工程專業(yè)學位的碩士必修實踐課程，同時也可作為本專業(yè)學術(shù)型碩士研究生的專業(yè)選修課，課時共計16學時。

課程通過校內(nèi)外教師結(jié)合的方式，對電力系統(tǒng)中核心的電力系統(tǒng)調(diào)度自動化、高壓直流輸電、保護與控制、電力市場、電力系統(tǒng)仿真技術(shù)以及電能質(zhì)量等內(nèi)容進行實際項目與案例的講授，使學生提前接觸到實際工程與現(xiàn)場情況。

學生通過本課程的學習，能夠在電氣工程領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)、項目管理等方面有較全面的認識，并初步建立起相應(yīng)的工程設(shè)計體系概念。掌握電力行業(yè)實際生產(chǎn)運營與技術(shù)開發(fā)過程，為從事相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)工作打下必要的基礎(chǔ)。提高具體實際問題的分析解決能力。了解電力行業(yè)前沿技術(shù)，具體教學內(nèi)容包括如下6個部分。

1） 電力系統(tǒng)調(diào)度自動化現(xiàn)場運行案例分析。學校邀請校外電網(wǎng)調(diào)度領(lǐng)域?qū)＜疫M行授課，講授目前電網(wǎng)調(diào)度開展方式，包括發(fā)電計劃、電網(wǎng)優(yōu)化運行、安全穩(wěn)定分析的實施過程與實際案例。

2） 高壓直流輸電技術(shù)及案例分析。邀請校外專家進行授課，介紹現(xiàn)有高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展及其特點、換流電路的工作原理、換流站及其主設(shè)備（高壓直流輸電線路、諧波及濾波器）、高壓直流的控制系統(tǒng)及高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展前景。

3） 電力市場與需求側(cè)管理案例分析。由校內(nèi)教師授課，講解電力市場的運營模式、電價理論、負荷預(yù)測和電價預(yù)測理論；電力市場輸電服務(wù)與輔助服務(wù)的分析與定價、發(fā)電廠商的競價策略、電力市場支持系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)；現(xiàn)代電力企業(yè)基于決策支持系統(tǒng)的風險管理；售電側(cè)售電方案分析。

4） 電力系統(tǒng)實時動態(tài)安全技術(shù)。邀請校外專家進行授課，包含電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)分析、建模理論和方法、計算機數(shù)字仿真；介紹目前電力系統(tǒng)動態(tài)安全穩(wěn)定的分析方法與工具。

5） 電力系統(tǒng)微機保護開發(fā)及研制流程。邀請校外專家進行授課，以培養(yǎng)學生探索、開發(fā)與研制等能力為重點，講授繼電保護設(shè)備的分類，原理以及實際開發(fā)過程。

6） 電能質(zhì)量標準與用戶定制技術(shù)。校內(nèi)教師講授，分析不同用戶對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求，研究結(jié)合之前所學相關(guān)的配電自動化、電力電子技術(shù)的知識來滿足用戶要求，介紹用戶定制電力相關(guān)設(shè)備。

課程更加強調(diào)發(fā)揮學生的自主學習與動手能力，以上講授的各部分理論知識作為基礎(chǔ)，課程更加注重其中的工程實踐訓練。將按小組劃分作為實踐討論單位，結(jié)合實際電力系統(tǒng)的項目研發(fā)，引導學生靈活應(yīng)用所學知識。以電力系統(tǒng)工程軟件（PSCAD、DIgSILENT、PSASP、MATLAB等）工具的學習和使用為基礎(chǔ)，從真實工程項目的背景調(diào)研和需求分析入手，讓學生通過具體的模型構(gòu)建、編碼實現(xiàn)及仿真測試來分析解決問題。該過程模式將以理論教學促進討論分析，從討論分析中引導至工程實踐，在實踐中真正學習掌握電力系統(tǒng)工程的理論與方法，為學生日后從事相關(guān)專業(yè)工作崗位打下基礎(chǔ)，也與電力系統(tǒng)企業(yè)標準進行接軌。

4課程實踐管理

根據(jù)上述課程內(nèi)容設(shè)計，課程實踐訓練體系由基礎(chǔ)實踐、綜合實踐和配套的考核體制組成。其中，各部分課程內(nèi)容均提供基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)，每個基礎(chǔ)實踐難易程度相近，著重考察學生核心理論的掌握水平與基礎(chǔ)動手能力，學生可以根據(jù)興趣自由選取其中一個；綜合實踐根據(jù)課程內(nèi)容中結(jié)合工程前沿的實踐案例進行設(shè)置，也可由學生在所選方向進行相應(yīng)拓展或是自主選題設(shè)計，強調(diào)實踐內(nèi)容的綜合性、實用性以及前沿創(chuàng)新性。具體的實踐考核管理原則如下。

1） 基礎(chǔ)實踐為必選實踐，學生自由選取并獨立完成，包含調(diào)研分析、編程實現(xiàn)/模型構(gòu)建、總結(jié)報告3部分。以個人所提交的基礎(chǔ)實踐報告為考核依據(jù)，由任課老師進行審閱評價。

2） 綜合實踐按照項目小組進行劃分，小組內(nèi)部協(xié)商選擇實踐題目，同樣包含分析、實現(xiàn)、總結(jié)3部分。要求小組以演示性多媒體進行現(xiàn)場答辯，依據(jù)答辯情況由考核老師和其他小組評價打分。再組內(nèi)成員以小組實踐成績、個人貢獻排名以及答辯表現(xiàn)為考核依據(jù)，相互評價給出各組員分數(shù)。

5結(jié)合工程前沿的實踐案例

5.1直流輸電在海上風電并網(wǎng)中應(yīng)用分析

案例教學目的與意義：高壓直流輸電技術(shù)已有60多年的發(fā)展歷史，成為了一項日趨成熟的技術(shù)。對于學生而言，在本科學習階段已經(jīng)對直流輸電系統(tǒng)的基本構(gòu)成、接線方式及主要元件有了初步的認識。本教學案例的特色在于充分結(jié)合了當前可再生能源規(guī)?；_發(fā)與利用的發(fā)展趨勢，來講解分析直流輸電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。一方面能夠促使學生鞏固加深對直流輸電技術(shù)的掌握；也有利于學生了解直流輸電新的應(yīng)用領(lǐng)域，對實際工程前沿能夠有一定的認識。

所選取的案例模型如圖1所示。案例中側(cè)重于案例教學過程的分析，忽略對模型本身的詳細介紹。

1） 簡介海上風電的發(fā)展概況。至2011年底全球已建成80個海上風電場，累計裝機達到4 954 MW。我國計劃到2015年和2020年，海上風電累計裝機容量分別達到5 GW、30 GW。

2） 簡述海上風電場的電力輸送方式類別，指出海上風電場遠距離傳輸常采用柔性直流輸電方式。結(jié)合已建成的實際工程對柔性直流輸電技術(shù)進行介紹，截至2009年世界范圍內(nèi)已投運的柔性直流輸電工程共9項。我國已建成上海南匯風電場工程、廣東南澳工程、浙江舟山工程等多項柔性直流輸電項目。在講解過程中也建議學生課下對感興趣的工程查閱相關(guān)資料。圖1海上風電場直流輸電系統(tǒng)算例

3） 結(jié)合案例模型對海上風電并網(wǎng)直流輸電的系統(tǒng)構(gòu)成與關(guān)鍵技術(shù)深入講解，具體闡明典型接線、運行方式、組成部分，以及換流器類型、風電場接入形式及其數(shù)學等值模型。在此過程中引導學生思考對比海上風電場并網(wǎng)的高壓交流輸電、高壓直流輸電和柔性直流輸電不同接入方式的差異。

4） 對直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成——換流器進行詳細分析，包括換流器的拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制方法、均壓控制策略等。針對兩電平換流器、三電平換流器和多電平模塊化換流器分別展開分析討論，促使學生對直流輸電核心技術(shù)有較為深入的認知。

5） 研討實踐環(huán)節(jié)設(shè)置。要求學生應(yīng)用DIgSILENT或MATLAB等仿真軟件來搭建實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)中的不同類型換流器，作為基礎(chǔ)實踐環(huán)節(jié)。綜合實踐要求完成上述系統(tǒng)在不同運行工況下的仿真分析，著重研究控制策略不同所帶來的影響。

通過上述案例分析與具體實踐過程，將幫助學生建立起對直流輸電系統(tǒng)運行控制的直觀印象，并且也引導學生將模型仿真結(jié)果與教學內(nèi)容相聯(lián)系驗證，來深化對直流輸電技術(shù)的理解和掌握。

5.2繼電保護算法工程測試驗證流程解析

案例教學目的與意義：繼電保護是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，保護設(shè)備在投放至電力系統(tǒng)前都需要對其算法、動作特性等進行嚴格的測試驗證。學生在本科學習階段已經(jīng)對繼電保護的作用、原理、基本要求及保護裝置的組成都有了初步認識。本案例深入講解了Alstom公司的保護算法測試驗證策略，一方面促使學生鞏固加深對繼電保護知識的掌握，另一方面也有利于學生了解國外企業(yè)公司對繼電保護算法的研發(fā)思路，為學生的課題研究提供參考與借鑒。

1） 介紹測試驗證流程及其特色。流程示意如圖2所示，將PSCAD與MATLAB結(jié)合應(yīng)用實現(xiàn)優(yōu)勢互補，既利用了PSCAD中仿真模型與電磁暫態(tài)過程計算更為精確的特點，又利用了MATLAB數(shù)據(jù)處理高效便捷的優(yōu)點。不同仿真平臺的結(jié)合應(yīng)用一方面實現(xiàn)了保護算法的半自動化測試驗證，另一方面也使得測試模型與保護算法間相互獨立。建立完善的測試模型后可以便于不同算法的驗證，也更利于對算法的調(diào)整。

2） 選擇如圖3所示模型，結(jié)合算例來講解線路保護算法的測試驗證具體流程。首先，引導學生分析系統(tǒng)中可能發(fā)生的不同故障，應(yīng)考慮包括不同故障位置、不同故障類型、不同故障阻抗、以及不同的系統(tǒng)運行狀況。例如，該案例模型故障位置應(yīng)考慮線路不同部位，如F1、F2和F3標志處；應(yīng)考慮不同故障類型，如三相短路、兩相短路、兩相接地短路及單相短路接地。

3） 選取一種故障情況，在PSCAD算例模型中進行仿真演示，并重點講解如何將電壓、電流測量導出為標準的comtrade錄波文件?；A(chǔ)實踐環(huán)節(jié)設(shè)置：要求學生分析系統(tǒng)中可能發(fā)生的所有典型故障情況，參照步驟3）在PSCAD或其他電磁暫態(tài)軟件完成仿真，輸出comtrade文件并進行相應(yīng)分析。

4） 分析MATLAB如何讀取錄波文件至工作空間，以及在Simulink中如何讀取工作空間的變量數(shù)據(jù)。此過程重點在于使學生了解掌握數(shù)據(jù)的傳遞過程。

5） 簡單分析Simulink中線路保護算法實現(xiàn)。著重講解如何編寫MATLAB數(shù)據(jù)自動處理腳本，即如何從工作空間調(diào)用變量數(shù)據(jù)導入至Simulink中進行計算。

6） 演示自動處理腳本如何將變量數(shù)據(jù)從MATLAB工作空間傳遞至Simulink保護算法模型進行計算，并將結(jié)果輸出至excel文件存儲。將計算結(jié)果與仿真模型對比，表示一致通過，否則錯誤告警。

7） 綜合實踐環(huán)節(jié)設(shè)置。要求學生參照上述的保護測試流程，從線路保護、變壓器保護、母線保護等中選擇一種設(shè)備保護進行研究，通過電磁暫態(tài)軟件完成仿真測試，分析保護方法的速動性、靈敏性、選擇性與可靠性。

6總結(jié)

科學合理的課程體系設(shè)置是教學質(zhì)量的基本保證，根據(jù)全日制專業(yè)學位研究生培養(yǎng)教育中的實踐性要求以及課程設(shè)置體系中存在的問題，結(jié)合電力系統(tǒng)自動化專業(yè)特點，建設(shè)了“電力系統(tǒng)自動化專業(yè)碩士學位工程實踐課”。課程通過專題講座與工程實例，可為學生為從事相關(guān)領(lǐng)域的研究、開發(fā)工作打下必要的基礎(chǔ)，培養(yǎng)了其分析解決問題的能力。

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AbstractFor the realization of the ministry of education requirements of master graduate student from academic to practical，we should take many forms to strengthen the engineering practice of the professional degree graduate students，and improve the training quality of the graduate students.At present，the practice of the professional degree course and its teaching and ″academic″ master convergence，ignored the ″professional， practical″ characteristics of professional master degree.In order to develop professional degree graduate students ability of the technology foundation， project management and so on in the field of electrical engineering， and promote its to establish the corresponding engineering design system concept，engineering practice course construction is of great significance.This paper introduces the exploration and experience in the construction of the power system automation degree in Beijing Jiaotong University.

Keywordsengineering practical course；power system automation；professional master′s degree；course construction