王世山, 高欣欣, 陳 杰, 王曉琳
(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系, 江蘇 南京 211106)
“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)革新探索
王世山, 高欣欣, 陳 杰, 王曉琳
(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系, 江蘇 南京 211106)
本文對“電力系統(tǒng)分析”課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、課程考核模式三個(gè)方面進(jìn)行革新分析。改革內(nèi)容是:授課時(shí)以小組討論的方式讓學(xué)生回答問題,理論與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式,以演講討論的方式進(jìn)行評定打分等。這樣不僅提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性,而且增加學(xué)生研究探討和自主創(chuàng)新的綜合能力。
教學(xué)改革;電力系統(tǒng)分析;ETAP軟件
“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)主要的課程之一,主要闡述了電力系統(tǒng)的基本知識(shí)和電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析、故障分析和暫態(tài)過程分析的計(jì)算方法以及潮流和短路計(jì)算的基本原理[1]。本門課程既是本科生了解電力系統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)課和專業(yè)課,又是后續(xù)專業(yè)課程“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”、“高電壓技術(shù)”、“變電站綜合自動(dòng)化”、“配電網(wǎng)自動(dòng)化”、“發(fā)電廠電氣部分”、“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置”和“電力系統(tǒng)自動(dòng)控制”等的理論基礎(chǔ)。學(xué)好這門課程將會(huì)為學(xué)生的電力系統(tǒng)專業(yè)素質(zhì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
隨著電力系統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化、自動(dòng)化和綜合化程度的發(fā)展和提高,以及電力市場在電力系統(tǒng)的引入,社會(huì)對電氣工程專業(yè)的學(xué)生專業(yè)能力要求越來越高[2]。隨著“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)內(nèi)容越來越豐富,對“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)也提出了更高的要求。為適應(yīng)形勢發(fā)展的需要,此課程在教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容、及其課程驗(yàn)收模式三個(gè)方面亟需進(jìn)行改革,這對提高教學(xué)質(zhì)量,培養(yǎng)創(chuàng)新型人才具有重要的意義[3,4]?!半娏ο到y(tǒng)分析”課程教改流程如圖1所示。
在“電力系統(tǒng)分析”課程講授時(shí),傳統(tǒng)的語言和板書講授有時(shí)難以把問題具體描述清楚,學(xué)生對系統(tǒng)的整體認(rèn)識(shí)就很難理解。為了提高理論教學(xué)效果,課堂教學(xué)采用多媒體課件配合板書教學(xué)。這樣就能取長補(bǔ)短,對于比較抽象的內(nèi)容用多媒體形象演示,使得教學(xué)更加具體化、形象化,使學(xué)生更容易理解,起到事半功倍的效果。為了更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,教師在上課期間以分小組的方式讓學(xué)生討論他們所關(guān)心的問題,然后較流派出代表進(jìn)行解答,使每個(gè)學(xué)生都有機(jī)會(huì)展示自己。最后針對解答的好壞進(jìn)行打分,并且統(tǒng)計(jì)出來作為平時(shí)成績。這樣不僅提高了學(xué)生們的積極性,也擴(kuò)展了他們的知識(shí)面。經(jīng)過這樣的討論,每個(gè)學(xué)生都會(huì)有所收獲,對問題的掌握也會(huì)更加全面和深刻。
圖1 “電力系統(tǒng)分析”教改流程圖
由于電力系統(tǒng)運(yùn)行的概念比較抽象,又難以采用實(shí)物操作或演示,往往會(huì)導(dǎo)致學(xué)生難以理解。我們認(rèn)為,將可視化的電力系統(tǒng)綜合分析計(jì)算仿真軟件作為輔助工具引入到教學(xué)過程中,通過形象的圖形界面直觀反映電力系統(tǒng)的運(yùn)行,加深學(xué)生對電力系統(tǒng)概念的理解是很有必要的。其中,ETAP就是一款能夠滿足教學(xué)使用的、圖形界面友好、建模直觀、運(yùn)行方式多樣并且功能強(qiáng)大的電力系統(tǒng)綜合分析計(jì)算軟件[5-7]。
2.1ETAP簡介
ETAP(Electrical Transient Analysis Program)軟件是由美國OTI (Operation Technology,Inc)公司開發(fā)的,最初的版本于1983 年發(fā)行。ETAP 在美國確立了電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析軟件的標(biāo)準(zhǔn),也是全美第一個(gè)特許提供給核電站進(jìn)行電力系統(tǒng)分析的商用軟件。經(jīng)過多年的完善,目前的ETAP 已具備智能建模、多維數(shù)據(jù)管理模式、多種輸入表達(dá)方式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實(shí)操作、無限復(fù)合網(wǎng)絡(luò)嵌套及電機(jī)嵌套、集成全面的電力和物理數(shù)據(jù)庫以及大量工程數(shù)據(jù)庫、用戶自定義動(dòng)態(tài)模型等功能。用ETAP可以制作電力系統(tǒng)單線圖、阻抗圖、繼電保護(hù)圖、分析計(jì)算圖、配電柜、接線圖等100多種不同的圖形。ETAP是一個(gè)最廣泛的應(yīng)用平臺(tái),如圖2所示。它不僅包括圖中所示的應(yīng)用,還包括工程咨詢、制造業(yè)和教育系統(tǒng)等。
圖2 ETAP的應(yīng)用平臺(tái)
ETAP是功能全面的綜合型電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件,能為發(fā)電、輸電、配電、微電網(wǎng)以及工業(yè)電力電氣系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、模擬和實(shí)時(shí)運(yùn)行控制,提供一套強(qiáng)大的綜合解決方案。ETAP離線仿真分析功能,包括潮流分析、短路計(jì)算、電動(dòng)機(jī)加速分析、諧波分析、保護(hù)設(shè)備配合和動(dòng)作序列、暫態(tài)穩(wěn)定、弧閃分析、接地網(wǎng)系統(tǒng)、電纜載流量和尺寸、傳輸線弧垂張力和容量計(jì)算、變壓器容量估計(jì)和分接頭優(yōu)化、蓄電池放電分析和容量估計(jì)、直流控制系統(tǒng)圖、發(fā)電機(jī)起動(dòng)、用戶自定義動(dòng)態(tài)模型、可靠性評估、優(yōu)化潮流、補(bǔ)償電容器最佳位置、不平衡潮流、地理信息系統(tǒng)圖、高壓直流輸電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏太陽能等。
總之,ETAP實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)的電力和電氣系統(tǒng)的綜合解決方案,它包含PSMS(電力系統(tǒng)監(jiān)測和仿真)、EMS(能量管理系統(tǒng))、ILS(智能切負(fù)荷)、ISUB(智能變電站),可提供帶有狀態(tài)估計(jì)的高級(jí)監(jiān)測、能量計(jì)量、預(yù)測模擬、事件回放、負(fù)荷預(yù)測;自動(dòng)發(fā)電控制、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、管理控制、交易安排、備用管理;負(fù)荷預(yù)存、切負(fù)荷確認(rèn)、負(fù)荷恢復(fù);變電站自動(dòng)化、開關(guān)管理、負(fù)荷管理等。ETAP仿真軟件為大電網(wǎng)及微電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行提供了一個(gè)智能、先進(jìn)的綜合平臺(tái)。
2.2ETAP軟件與授課的結(jié)合
“電力系統(tǒng)分析”課程在引入ETAP仿真軟件之后,不僅可對較難理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真教學(xué)案例設(shè)計(jì),還可應(yīng)用于課堂教學(xué)。
教師在課堂上給學(xué)生講解有關(guān)軟件的基本知識(shí),演示實(shí)例進(jìn)行分析;課后讓他們下載、安裝ETAP仿真軟件并且對其實(shí)例進(jìn)行操作和分析。在運(yùn)行軟件的同時(shí),他們學(xué)會(huì)了怎樣搭建電力系統(tǒng)模擬圖,即能仿真實(shí)現(xiàn)課程授課內(nèi)容里的潮流分析、諧波分析和短路分析等。針對不同的分析計(jì)算,首先學(xué)生需要錄入不同的參數(shù)以及將要執(zhí)行的分析所需要的數(shù)據(jù):然后,雙擊單線圖的元件圖標(biāo),打開元件編輯器,錄入元件的相關(guān)參數(shù);接著進(jìn)行相應(yīng)的分析;最后對分析所得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、修改。
所謂“授之以魚,不如授之以漁”,教學(xué)的重點(diǎn)不僅在于教給學(xué)生基礎(chǔ)的專業(yè)知識(shí),更重要的是培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)的能力,以理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式提高學(xué)生既動(dòng)手又動(dòng)腦的能力。
傳統(tǒng)的課程考核采用筆試方式,這種考試方法難以全面考核學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。大部分學(xué)生只是在考試的前一周拼命復(fù)習(xí)考試重點(diǎn);甚至還有的學(xué)生在考試期間作弊以期考取相對較好的成績。這些現(xiàn)象違背了考試的真正目的??荚嚨哪康木褪菫榱硕酱賹W(xué)生在平常上課時(shí)認(rèn)真聽講,消化教師在課堂上所講的知識(shí)點(diǎn),在課后認(rèn)真做習(xí)題重新鞏固知識(shí)點(diǎn),這樣所學(xué)的知識(shí)才能更好地被吸收。為了提高學(xué)習(xí)效率,需要改變這種考試模式,為此我們提出另一種考試模式。
首先,教師根據(jù)ETAP仿真軟件和“電力系統(tǒng)分析”課程給出若干考試題目,學(xué)生可對其進(jìn)行自選,對電力系統(tǒng)進(jìn)行不同的計(jì)算分析,例如:潮流分析、穩(wěn)態(tài)分析、短路計(jì)算、電纜載流量等。然后學(xué)生可以開放式地查找相關(guān)資料,做PPT,通過演講的方式,把自己所做的課題呈獻(xiàn)給大家。最后,教師會(huì)根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)(所選課題的難易程度,語言組織表達(dá)能力,實(shí)踐動(dòng)手能力)進(jìn)行考核打分??偝煽兙褪瞧綍r(shí)的考核成績與最后這次驗(yàn)收模式的加權(quán)和。這種模式不僅使學(xué)生們加深了有關(guān)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)會(huì)了ETAP仿真軟件在電力系統(tǒng)分析的應(yīng)用和推廣,并且培養(yǎng)了學(xué)生的競爭意識(shí)和積極向上的精神。更重要的是,每個(gè)學(xué)生都得到了公平的對待。
為了檢查“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革是否有效,我們制作了問卷調(diào)查表,如表1所示。針對學(xué)習(xí)本課程的三個(gè)年級(jí)的學(xué)生分別抽取120名、120名和140名學(xué)生做了相關(guān)的問卷調(diào)查。問卷結(jié)果示于圖3,圖上橫坐標(biāo)表示教改實(shí)施后,學(xué)生提高的各方面能力;縱坐標(biāo)則表示能力得到提高的實(shí)際人數(shù)。
表1 關(guān)于課程教改的問卷調(diào)查表
圖3 教改調(diào)查結(jié)果
調(diào)查發(fā)現(xiàn),三個(gè)年級(jí)學(xué)生在學(xué)完本課程后,其綜合能力確實(shí)有明顯的提高,特別表現(xiàn)在專業(yè)知識(shí)理解能力、ETAP仿真軟件的基本了解和學(xué)習(xí)的積極性各方面,但是還有一部分學(xué)生覺得教改對于語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)的合作能力提高的效果不是很明顯。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),很可能是因?yàn)榻谈牡臅r(shí)間比較短,而對于上述兩種能力是要經(jīng)過長時(shí)間的鍛煉才能有明顯的提高的。所以為了全面提高學(xué)生們的綜合能力,教改一定要長期實(shí)施。
“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)改革是一場持久戰(zhàn),必須長期摸索和堅(jiān)持,才能取得較好的教學(xué)效果。教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和課程驗(yàn)收模式的革新在一定程度上提高了學(xué)生們的動(dòng)手能力、語言組織表達(dá)能力、綜合思維能力、自主創(chuàng)新能力等。
采用分小組討論問題的教學(xué)方式,學(xué)生不僅鞏固了以往的知識(shí)和學(xué)到了新的知識(shí),而且調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。
ETAP仿真軟件的引入,不僅使抽象的電力系統(tǒng)變得可視化,而且使學(xué)生對電力系統(tǒng)的計(jì)算分析更加簡便。
在自選考核課題,自己查找資料,做PPT,教師根據(jù)綜合表現(xiàn)進(jìn)行打分的考核方式中,學(xué)生在自主創(chuàng)新能力和語言表達(dá)能力方面得到了提高,其競爭意識(shí)和積極向上的精神也得到了鍛煉。
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ExplorationofTeachingReformationforPowerSystemAnalysisCourse
WANGShi-shan,GAOXin-xin,CHENJie,WANGXiao-lin
(DepartmentofElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China)
This paper proves the necessity and significance of reform in the traditional teaching methods, teaching content and curriculum evaluation model for teaching of Power System Analysis course, and it analyzes existed problems and puts forward new methods and tentative ideas, which not only improves the autonomous learning initiative of students, but also increases the comprehensive ability of research and independent innovation of students.
teaching reformation; power system analysis; ETAP software
2015-10-08;
2017-03-13 基金項(xiàng)目:江蘇省品牌專業(yè)(PPZY2015B130),南京航空航天大學(xué)教改項(xiàng)目資助
王世山(1967-),男,博士,副教授,主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化教學(xué)和電磁兼容研究工作,E-mail:wangshishan@nuaa.edu.cn
TM711
B
1008-0686(2017)05-0046-04