“電力系統(tǒng)自動裝置原理”教學改革與實踐

李嘯驄， 徐俊華， 梁志堅， 劉 輝

(廣西大學 電氣工程學院 電氣工程國家級實驗教學示范中心， 廣西 南寧 530004)

0 引言

“電力系統(tǒng)自動裝置原理”是為了滿足培養(yǎng)電氣工程專業(yè)人才的需要而設置的一門專業(yè)必修課程，主要包括同步發(fā)電機的自動并列、同步發(fā)電機勵磁自動控制、電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)自動低頻減載及其他安全自動控制裝置等內(nèi)容[1]。該課程的顯著特點是理論與實踐并重，既要求學生掌握電力系統(tǒng)自動裝置的基本原理，加深對電力系統(tǒng)運行、控制、調(diào)度的理解；又要求學生了解常用的電力系統(tǒng)自動裝置的基本結(jié)構(gòu)，掌握基本的實踐操作技能。該課程內(nèi)容比較復雜和抽象，加上教學實驗較難開展，大多數(shù)學生不易深入掌握相關(guān)理論知識和實踐技能。

為提高教學效果，國內(nèi)許多高校不斷對該課程的理論教學和實驗教學進行改革與實踐。文獻[2]利用Matlab軟件開發(fā)了該課程教學仿真實驗，文獻[3]設計了該課程綜合性習題，有助于強化學生系統(tǒng)地理解相關(guān)知識，文獻[4]介紹了其精品課程的建設與應用效果，文獻[5～8]則從教學內(nèi)容、方法和手段等方面做了有益的探索與實踐。

我院歷來重視“電力系統(tǒng)自動裝置原理”課程的建設與教學，近年來對該課程的理論教學環(huán)節(jié)和實驗教學環(huán)節(jié)進一步開展了改革和實踐，初步形成了一種把理論教學、實驗教學、工程實踐能力訓練、創(chuàng)新教育融為一體的專業(yè)課程教學模式。

1 理論教學環(huán)節(jié)的改革

(1)在教學團隊建設方面，組建了以教授、副教授為主，青年博士為輔的教學團隊。教師們相互聽課，以老帶新，上課積極，教學水平高。

(2)在教學方法改革方面，采用啟發(fā)式教學和討論式教學。授課時，深入淺出地講解各知識點，為學生梳理好知識點間的脈絡關(guān)系，通過“發(fā)現(xiàn)問題 分析問題 解決問題”的方式，引出和延伸知識點，啟發(fā)學生主動思考。經(jīng)常組織學生就電力系統(tǒng)自動裝置領域的一些熱點問題，如電力系統(tǒng)低頻振蕩等，進行小組討論，激發(fā)學生的學習興趣。

(3)在教學內(nèi)容建設方面也做了很多卓有成效的工作。編寫了“勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性”的教學講義，詳細講解了勵磁控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、勵磁控制系統(tǒng)空載和負載運行的動態(tài)性能、線性最優(yōu)勵磁控制原理、微機勵磁控制器等內(nèi)容。該講義的內(nèi)容嚴謹系統(tǒng)、深入淺出，注重培養(yǎng)學生的科學思維和工程素養(yǎng)，深受學生的歡迎。還運用Matlab/Simulink軟件，編寫了勵磁控制系統(tǒng)模型推導、勵磁系統(tǒng)靜態(tài)控制性能分析、勵磁系統(tǒng)動態(tài)控制性能分析、PSS參數(shù)整定計算、線性最優(yōu)勵磁控制參數(shù)計算等程序，搭建了單機無窮大系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型，用于課堂教學演示，極大地激發(fā)了學生的學習積極性。

2 實驗教學環(huán)節(jié)的改革

2.1 實驗教學平臺簡介

我院的“電力系統(tǒng)自動裝置原理”實驗教學是在我校電力系統(tǒng)動態(tài)模擬與數(shù)字仿真一體化實驗室里開展的。該實驗室是我校國家級電氣工程實驗教學示范中心的主干實驗室，包含電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗平臺和電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真平臺ADPSS (Advanced Digital Power System Simulator)兩部分。

電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗平臺的主接線圖如圖1所示。該系統(tǒng)按3套模擬同步發(fā)電機組的規(guī)模設計、建設，包含了電力系統(tǒng)的發(fā)電、變電、輸電、配電、用電的各個環(huán)節(jié)。

圖1 我校電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗平臺主接線圖

ADPSS是由中國電力科學研究院研發(fā)的基于高性能PC機群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)，可以對大規(guī)模復雜交直流電力系統(tǒng)進行機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的數(shù)字仿真，也可以接入安全自動裝置等實際物理設備進行閉環(huán)實時仿真實驗[10]。

2.2 實驗開發(fā)與設置的總體思想

利用先進的實驗設備，開發(fā)、設置科學合理的實驗項目，對于實驗教學起著關(guān)鍵作用。我院的“電力系統(tǒng)自動裝置原理”實驗開發(fā)與設置的總體思想如下：

(1) 驗證性實驗與綜合創(chuàng)新性實驗合理搭配。驗證性實驗用于驗證一些基本原理，夯實學生的專業(yè)基礎。而綜合創(chuàng)新性實驗側(cè)重于對電力系統(tǒng)自動裝置相關(guān)的一些深層次、綜合性問題進行研究性實驗，培養(yǎng)學生的科學思維和創(chuàng)新能力。

(2) 教學計劃學時實驗與開放性實驗有機結(jié)合。教學計劃學時實驗主要是驗證性的，學時有限；而開放性實驗主要是綜合創(chuàng)新性的，無學時的限制。

(3) 動態(tài)模擬實驗與數(shù)字仿真實驗相輔相成。動態(tài)模擬實驗的操作貼近電力生產(chǎn)，實驗結(jié)果形象直觀，但易受到系統(tǒng)規(guī)模、場地等因素的限制。數(shù)字仿真實驗自由靈活，學生可以自行建立各種自動裝置以及大規(guī)模電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型，并可根據(jù)需要進行各種復雜、危險的電力系統(tǒng)仿真實驗與研究，但實驗操作與實驗結(jié)果不如動態(tài)模擬實驗真實。而兩種實驗方法結(jié)合起來，可以相互補充，相互促進[11]。

(4) 把教師的工程實踐知識引入到實驗教學，使實驗教學更貼近實際電力工程。

(5) 安全第一。制定實驗安全規(guī)章制度，切實保證人員和設備安全。

2.3 基于動態(tài)模擬平臺的實驗教學改革與實踐

1) 動態(tài)模擬實驗平臺的實驗開發(fā)與設置

基于動態(tài)模擬實驗平臺設置的“電力系統(tǒng)自動裝置原理”實驗項目如表1所示。其中前3個實驗為驗證、必做型實驗，主要讓學生理解準同期并列、勵磁控制、頻率及有功功率調(diào)節(jié)的基本原理，并掌握相應自動裝置的組成和基本操作。第4個實驗為“開放性實驗”，是教師把工程實踐知識引入到本科實驗教學后開發(fā)出的綜合創(chuàng)新性實驗，學生可以進行電力系統(tǒng)低頻振蕩、勵磁控制裝置參數(shù)整定、頻率及有功功率自動調(diào)節(jié)裝置參數(shù)整定等問題的實驗與分析。

表1 “電力系統(tǒng)自動裝置原理”動態(tài)模擬實驗項目

2) 動態(tài)模擬實驗平臺的實驗教學

(1) 加強對學生的安全教育，使學生樹立強烈的安全意識。并模擬電力生產(chǎn)現(xiàn)場的要求，制定一些有效的安全措施，確保人員、設備安全，如：對實驗室的設備劃定操作間隔，避免學生走錯間隔操作。

(2) 重點培養(yǎng)學生分析實驗波形的能力。在實驗教學過程中，用故障錄波儀、電量分析儀等錄波設備記錄下實驗波形，以便學生直觀的看到實驗現(xiàn)象并對波形進行分析處理。例如，通過分析圖2，學生可以直觀的看到起勵過程，并計算起勵的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)；通過分析圖3，學生可以理解系統(tǒng)的強勵過程，并分析強勵期間的發(fā)電機端電壓、勵磁電壓的波形，進一步計算勵磁頂值電壓、強勵倍數(shù)等參數(shù)。

圖2 自并勵方式下起勵實驗錄波圖

圖3 勵磁裝置強勵實驗錄波圖

(3) 注意引導學生形成“理論-實踐-理論”的循環(huán)學習方法。如：對于勵磁系統(tǒng)的調(diào)差特性這一較抽象的知識點，先讓學生了解調(diào)差的基本原理，再通過“負載勵磁調(diào)節(jié)實驗”，使學生真正理解調(diào)差特性的本質(zhì)與作用。

(4) 重視培養(yǎng)學生的實踐操作技能。要求每個同學必須完成同期并列、勵磁控制、頻率及有功功率調(diào)節(jié)等重要操作。

(5) 引導學生從全局的高度理解電力系統(tǒng)自動裝置對整個電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行的影響，進一步掌握電力系統(tǒng)的調(diào)度、運行、控制的完整過程。

2.4 基于ADPSS平臺的實驗教學改革與實踐

1) 基于ADPSS平臺的實驗開發(fā)與設置

基于ADPSS平臺的“電力系統(tǒng)自動裝置原理”實驗，是教師把先進的工程實踐知識引入到本科實驗教學后開發(fā)出的綜合創(chuàng)新性實驗，實驗項目如表2所示。通過該類實驗，使部分學有余力的學生深入理解同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS (Power System Stabilizer)、原動機及調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，學會利用ADPSS進行電力系統(tǒng)自動裝置的仿真實驗與分析。

表2 “電力系統(tǒng)自動裝置原理”ADPSS仿真實驗項目

2) 基于ADPSS平臺的實驗教學

傳統(tǒng)的教學活動中，絕大多數(shù)學生都是按部就班地學習課程、完成考試，之后就把書本丟到某個角落，缺乏對課程知識的深入學習，很難建立起對所學課程乃至所學專業(yè)的興趣。為改變這一局面，我們把“電力系統(tǒng)自動裝置原理”課程的內(nèi)容與“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程研究方向結(jié)合起來，一方面開設了如表2所示的綜合創(chuàng)新性實驗，引導學生掌握先進工程知識和前沿理論；另一方面鼓勵學生適量閱讀科技文獻，拓展知識面；此外，還向本科生長期開放實驗室，并積極營造良好的課外創(chuàng)新實踐氛圍，為本科生的學習、創(chuàng)新活動提供良好的環(huán)境，激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣。

以往的教學中，學生通過學習一系列的專業(yè)課程，并按實驗指導書完成課程實驗，可以掌握一些基本理論。但是，絕大多數(shù)學生并不精通哪怕其中一個課程方向，寬而不專，解決問題的能力不強。因此，針對“電力系統(tǒng)自動裝置原理”課程，構(gòu)建了“理論課程 實驗課程 課程設計 畢業(yè)設計”各個環(huán)節(jié)有機結(jié)合的專業(yè)課程教學模式，使學生可以深入掌握課程知識，甚至取得研究、創(chuàng)新性的成果。

此外，還注意培養(yǎng)學生的仿真分析與實驗報告撰寫能力。要求學生對仿真模型、仿真結(jié)果進行深入分析，撰寫仿真報告甚至是論文，培養(yǎng)學生“發(fā)現(xiàn)問題 分析問題 解決問題”的能力以及專業(yè)寫作能力。

3 結(jié)語

本文全面介紹了我院“電力系統(tǒng)自動裝置原理”課程的理論教學和實驗教學的改革和實踐。理論教學方面，組建了一支教學經(jīng)驗豐富、專業(yè)素質(zhì)過硬的專業(yè)課程教學團隊，改進了教學方法，編寫了豐富的輔助教學講義，有效地拓展了教學內(nèi)容。在實驗教學方面，結(jié)合理論教學內(nèi)容和教師工程實踐經(jīng)驗，分別在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬平臺和ADPSS數(shù)字仿真平臺上，為該課程開發(fā)了豐富的常規(guī)課程實驗和綜合創(chuàng)新實驗。通過多年的改革與實踐，初步形成了一種把理論教學、實驗教學、工程實踐能力訓練、創(chuàng)新教育有機結(jié)合在一起的專業(yè)課程教學模式，改善了教學質(zhì)量，提高了教學效果，即能培養(yǎng)應用型人才，又有利于培養(yǎng)復合、創(chuàng)新型人才。