《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》研究生課程建設與實踐

楊文輝

摘?要：《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》是三峽大學電氣工程專業(yè)研究生的一門選修課程，主要介紹電力系統(tǒng)數(shù)字仿真原理和程序實現(xiàn)方法。通過將復雜的電力系統(tǒng)進行等值建模仿真，直觀展示電力系統(tǒng)各種機電和電磁暫態(tài)現(xiàn)象的基本規(guī)律，有助于提升學生獨立承擔工程規(guī)劃、工程設計、工程實施、工程研究、工程開發(fā)的專業(yè)技術能力。結合研究生課程教學實踐，對課程建設的教學資源、教學方法、考核方法進行探索，為同類課程的教學改革提供參考。

關鍵詞：電氣工程;數(shù)字仿真;課程建設;教學改革

對簡單電力系統(tǒng)的數(shù)學模型進行研究可以采用解析的方法，通過數(shù)學公式的推導得出分析結論。然而，研究復雜電力系統(tǒng)的數(shù)學模型時，通常需要采用數(shù)字仿真的方法，[1-2]通過計算機數(shù)值迭代直觀展示電氣量的變化規(guī)律。電力系統(tǒng)仿真技術基于相似原理，利用電力系統(tǒng)模型對實際的或設想的系統(tǒng)進行試驗研究，不受被研究系統(tǒng)的元件復雜性和網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)模大小的限制，在電力系統(tǒng)的研究工作中具有十分重要的意義。

《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》是三峽大學電氣工程專業(yè)研究生的一門選修課程，通過本課程的學習，使學生掌握電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本原理和程序實現(xiàn)方法，能夠使用Matlab、C語言[3]等工具進行編程，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的數(shù)字仿真。達到進一步加深對理論知識的理解，培養(yǎng)使用計算機進行工程計算和分析能力的目的，為適應今后科學研究和實際工作要求打下基礎。

為了適應培養(yǎng)具有科研能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力的電氣工程專業(yè)學位碩士研究生培養(yǎng)目標，結合近年來的研究生課程教學實踐，對《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》課程建設的教學資源、教學方法、考核方法進行探索，為同類課程的教學改革提供參考。

一、課程教學資源的建設

根據(jù)《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》課程教學目標，將教學內容設計為兩個部分。其中，第一部分為理論基礎：包括電力系統(tǒng)仿真的基本概念、電力系統(tǒng)主要元件的數(shù)學模型和簡單電力系統(tǒng)的數(shù)值計算方法，以教師課堂講授為主;第二部分為編程仿真，以學生課后練習為主。根據(jù)上述教學內容分別編制相應的理論課程教案和編程仿真教案。

（1）理論課程教案：根據(jù)課時安排將理論課程分解為4各部分，具體為：電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的計算方法、電力系統(tǒng)元件的動態(tài)數(shù)學模型、簡單電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法和復雜電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法。分別針對上述各部分教學內容編寫教案，教案包括教學內容、教學目標、教學重點、教學難點。以“簡單電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法”為例，理論課程教案包括如下主要內容。

教學內容：系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本概念;系統(tǒng)數(shù)字仿真的步驟;電力系統(tǒng)仿真模型的分類;常用仿真工具介紹;連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真計算方法。學習目標：系統(tǒng)數(shù)字仿真的用途和優(yōu)點;古典數(shù)值積分計算方法。教學重點：常用的數(shù)值積分方法，歐拉法、梯形法、龍格-庫塔法。教學難點：數(shù)值積分法的誤差、數(shù)值穩(wěn)定和剛性。

（2）編程仿真教案：為滿足基于仿真任務驅動教學的需要，根據(jù)學生課后仿真程序編寫和調試的需求，設置3個編程仿真案例任務提供學生選擇完成，具體為：同步發(fā)電機突然短路暫態(tài)過程的仿真分析;發(fā)電機自勵磁方式的仿真分析;簡單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的仿真分析。以“同步發(fā)電機突然短路暫態(tài)過程的仿真分析”為例，要求學生利用Matlab、C語言等仿真工具進行自主編程和調試，完成發(fā)電機空載條件下發(fā)生機端三相短路時，定子三相電流和轉子電流的瞬時值隨時間變化曲線的數(shù)值仿真計算，進一步結合理論分析仿真計算結果，該編程仿真教案包括如下主要內容。

教學內容：同步發(fā)電機基本方程的差分形式;同步發(fā)電機基本方程的初值計算;同步發(fā)電機三相短路的數(shù)值計算。學習目標：理解基于隱式梯形積分法的同步機基本方程的差分化;理解編程工具在同步發(fā)電機三相短路的數(shù)值計算中的作用。教學重點：同步發(fā)電機三相短路的數(shù)值計算。教學難點：同步發(fā)電機基本方程的差分形式。

二、課程教學和考核方法

針對同步發(fā)電機等電力系統(tǒng)動態(tài)元件模型方程推導復雜、微分方程的差分過程步驟繁瑣的問題，采用教師為主導的課堂講授方法，突出分析和解決問題的思路;針對電力系統(tǒng)數(shù)字仿真結果直觀性強的特點，教學采用了案例式的教學方法，例如采用同步發(fā)電機三相短路的數(shù)字仿真案例，使學生理解簡單電力系統(tǒng)的數(shù)值計算方法;針對程序編寫調試技術，學生僅通過課堂學習難以真正掌握，需要鼓勵學生自主完成的特點，采用難點互動討論法，教師重點是保證教與學之間的溝通討論，及時幫助學生解決可能遇到的問題。

在課程考核方法方面，《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》課程教學中每位學生的期末成績由數(shù)值仿真研究報告和平時成績兩部分內容構成。其中，研究報告占總成績的70%，主要內容包括：提出待研究問題;介紹研究背景;說明研究方法;建立仿真模型、編寫和調試數(shù)值計算程序;給出研究結果及其分析，在鍛煉學生解決實際問題能力的同時，也有助于提高學生科技論文寫作水平。平時成績主要考核課堂出勤率、參與考堂討論活躍程度。實際教學中，借助學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發(fā)的智慧教學工具雨課堂的數(shù)據(jù)支持和個性化報表，及時記錄每一位學生的學習表現(xiàn)，在期末有據(jù)可依地給出平時成績，有效地激發(fā)了學生的學習主動性和學習興趣。

三、結論

通過本課程建設完善了《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎》課程的基本教學資料，為課程今后的發(fā)展提供了條件。通過課堂教學的實施，使學生加深了對理論知識的理解，提高了學生使用計算機進行工程計算和分析問題的能力，為適應今后科學研究和實際工作要求打下基礎。另一方面，程課學內容涉及較多基礎理論的綜合運用，而部分學生存在知識結構不全面和專業(yè)基礎理論知識不扎實的問題，對預期教學效果產(chǎn)生不利影響，需要在今后的工作中進一步尋求解決。

參考文獻：

[1]齊琳.數(shù)字仿真技術在自動化專業(yè)教學中改革探索[J].科技風，2014（01）：212.

[2]鄭一力，趙燕東.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真教學改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2017（21）：48-50.

[3]王奕翔，曹琳，何敏，王子微，范小嫻.基于C語言的MATLAB軟件編程在數(shù)學建模中的應用研究[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（48）：127-129.