航空航天特色“電力系統(tǒng)分析”課程建設(shè)探索

陳鵬偉，陳 新，王世山

（南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京211106）

0 引言

近年來，為應(yīng)對能源環(huán)境危機，建設(shè)新一代能源電力系統(tǒng)已成為世界諸多國家的重要戰(zhàn)略部署，并相繼出臺了各自能源領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)劃，如歐洲的《能源路線圖2050》、美國的《全面能源戰(zhàn)略》、日本的《能源環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略2050》以及我國的《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略（2016-2030）》等［1］，其中利用信息物理融合與多能源互補來確立可再生能源在能源供應(yīng)中的主體地位是不同技術(shù)規(guī)劃的共同所在。電力系統(tǒng)作為承載大量分布式可再生能源與負載的基礎(chǔ)性平臺，其調(diào)控與應(yīng)對能力將會是能源互聯(lián)高效安全穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要基石。在“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革背景下，對我國電氣工程及其自動化專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提出了迫切需求［2］。

“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，其設(shè)置目的在于讓學(xué)生了解我國電力工業(yè)和電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀及相應(yīng)的技術(shù)政策，對電氣工程學(xué)科的技術(shù)內(nèi)涵產(chǎn)生一定認識，并掌握電力系統(tǒng)的基本模型和運行特性的基本分析方法［3］，如潮流計算、短路電流計算、小干擾穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性等。無論電力系統(tǒng)規(guī)模大小，在其規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)計劃安排、運行方式校核、控制裝置參數(shù)和繼電保護措施整定等各個環(huán)節(jié)都必須對系統(tǒng)各方面特性進行詳細分析、計算和評估，因而“電力系統(tǒng)分析”課程的基礎(chǔ)性和實用性極強，課程難度較大［4］。

南京航空航天大學(xué)是我國自己創(chuàng)辦的第一批航空高等院校之一，以航空航天民航為鮮明行業(yè)特色為辦學(xué)導(dǎo)向，并較早開設(shè)了電氣工程專業(yè)。經(jīng)過多年發(fā)展，電氣專業(yè)取得了長足進步，其中電力電子與電力傳動、電機與電器二級學(xué)科均已走在全國前列，但電力系統(tǒng)課程和科研工作尚未完備，嚴重制約了南航電氣工程學(xué)科成為世界一流學(xué)科的長遠發(fā)展。

本文以南京航空航天大學(xué)為例，闡述了“電力系統(tǒng)分析”課程的設(shè)置現(xiàn)狀，并結(jié)合該課程發(fā)展趨勢，以航空航天復(fù)雜電氣系統(tǒng)為支撐點，提出了具有航空航天特色的“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)模式構(gòu)建思路與方案，以探索與建設(shè)面向航空航天院校的電力系統(tǒng)課程體系。

1 南航“電力系統(tǒng)分析”課程設(shè)置現(xiàn)狀

南航電氣工程學(xué)科的前身為1956年創(chuàng)辦的航空電機電器專業(yè)，現(xiàn)為江蘇省品牌專業(yè)、國防特色專業(yè)，2019年通過了“工程專業(yè)教育國際標準”認證，其電力電子與電力傳動二級學(xué)科為國家重點（培育）學(xué)科、國防重點學(xué)科、工信部國防特色學(xué)科，一直是南航電氣學(xué)科優(yōu)先發(fā)展的方向，并始終立足于我國航空航天事業(yè)。

根據(jù)航空電氣類專業(yè)培養(yǎng)方案，本科與研究生階段電力系統(tǒng)相關(guān)課程主要如表1所示。在本科階段，“電力系統(tǒng)分析”僅被設(shè)為選修課程，共32課時/2學(xué)分，是“電力工程”與“電氣工程及其自動化專業(yè)導(dǎo)論”等專業(yè)通識課程的輔助課程，通常為百余人的大班教學(xué)。在研究生階段，由于科研與實踐需求，“電力系統(tǒng)分析”被設(shè)為專業(yè)選修課程，共48學(xué)時/3學(xué)分。相較于清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等電氣專業(yè)強校，南航電氣專業(yè)在“電力系統(tǒng)分析”課程配置上存在發(fā)展不均衡問題，具體表現(xiàn)在：

表1 南航電力系統(tǒng)相關(guān)課程設(shè)置

（1）“電力系統(tǒng)分析”課程內(nèi)容與電力系統(tǒng)生產(chǎn)運行過程關(guān)系密切，理論性與實踐性并重，授課難度大。由于實際配置課時少，授課不得不減少部分內(nèi)容，且未進入本科專業(yè)課程必修環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生重視程度不夠，不利于學(xué)生掌握電力系統(tǒng)的基本知識和解決實際電力工程問題的能力。

（2）雖然“電力系統(tǒng)分析”被列入研究生專業(yè)課程，部分研究生在其本科階段已有一定的基礎(chǔ)，但是考慮到研究生在專業(yè)課程基礎(chǔ)所存在的差異性，即存在部分研究生在電力系統(tǒng)方面專業(yè)基礎(chǔ)較弱，研究生“電力系統(tǒng)分析”課程在內(nèi)容上與本科生課程相比有較大重復(fù)，與研究生更為深入的學(xué)習(xí)需求不能完全匹配。

2 “電力系統(tǒng)分析”課程發(fā)展趨勢

在清潔替代與電能替代背景下，現(xiàn)代電力系統(tǒng)將呈現(xiàn)出電源類型多、電能變換形式多、電力變換器數(shù)量多以及負荷類型需求多的“新概念電網(wǎng)”［5］。功率變換系統(tǒng)是新一代電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，可有效提升系統(tǒng)的運行調(diào)控能力和靈活運行能力。然而，功率變換系統(tǒng)與輸配電網(wǎng)絡(luò)深度融合后，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化趨勢。區(qū)別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)以交流電為主要電能形式、以發(fā)電機機電暫態(tài)與系統(tǒng)低頻振蕩為主要現(xiàn)象，電力電子化電力系統(tǒng)出現(xiàn)了新的振蕩模式和故障特性，“電力系統(tǒng)分析”課程也隨之出現(xiàn)了新的對象和分析需求，具體表現(xiàn)為：

（1）電力系統(tǒng)基本模型不再局限于發(fā)電機、線路、變壓器，還包括交-交、交-直、直-直功率變換器，特別是基于全控型電力電子器件的裝置。雖然功率變換器的內(nèi)部電壓、電流變化過程及功率特性屬于電力電子學(xué)科，但其外特性模型卻是電力電子化電力系統(tǒng)分析所需的前置條件。

（2）潮流分析與故障分析分屬傳統(tǒng)“電力系統(tǒng)分析”穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)兩部分。在電力電子化系統(tǒng)中，如交直流混聯(lián)的輸電或配電系統(tǒng)，功率變換器的損耗特性和故障特性直接影響潮流分析和故障分析的準確度。

（3）穩(wěn)定性分析與潮流分析、故障分析并列電力系統(tǒng)三大計算。在電力電子化電力系統(tǒng)中，功率變換器控制涉及多時間尺度，且控制交互作用復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩模式多樣、分析過程非常繁瑣。

“電力系統(tǒng)分析”課程內(nèi)容可追溯到上世紀80年代，經(jīng)過近40年的內(nèi)容補充和更新，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建模和分析手段的講授已極為成熟和完備。然后，囿于其歷史發(fā)展階段，課程內(nèi)容的基礎(chǔ)性在高比例新能源與電力電子裝置接入背景下與日降低，在傳統(tǒng)“電力系統(tǒng)分析”課程中擴充與新能源、功率變換器相關(guān)的內(nèi)容，并與行業(yè)特色緊密結(jié)合，已成為現(xiàn)有諸多電氣專業(yè)強校的一致選擇。

航空航天電氣系統(tǒng)作為極為特殊的微電網(wǎng)，受限于體積與重量要求，其電源容量一般和負載容量相當，供電裕度?。ㄎ覈F(xiàn)有軍標對飛機電氣系統(tǒng)主電源和二次電源連續(xù)工作的供電容量裕度的要求為33%-50%，應(yīng)急電源供電容量裕度為10%），而電作動器、電動液壓泵、航空電子設(shè)備、雷達等非線性負載多，系統(tǒng)耦合性強。飛行過程中大氣壓力、溫度、空氣濕度等環(huán)境參數(shù)變化迅速，且機體易受熱力亂流、高空亂流、強冷氣流等影響出現(xiàn)結(jié)冰、顛簸，電除冰系統(tǒng)、電作動機構(gòu)、電環(huán)控系統(tǒng)等起動、突加、突卸載與制動能量回饋均會給電氣系統(tǒng)帶來隨機擾動與瞬態(tài)沖擊［6］?？梢?，航空航天電氣系統(tǒng)具有區(qū)別于陸上電力系統(tǒng)的鮮明特點，如何結(jié)合兩者特點，開展特色課程教學(xué)，已成為南航“電力系統(tǒng)分析”課程建設(shè)的重要探索方向。

3 航空航天特色課程教學(xué)模式

3.1 教學(xué)內(nèi)容推陳出新

在華北電力大學(xué)等電氣專業(yè)強校，本科階段“電力系統(tǒng)分析”課程分設(shè)為電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)與電力系統(tǒng)暫態(tài)分析兩部分；研究生階段則主要圍繞復(fù)雜電力系統(tǒng)的動態(tài)模型與穩(wěn)定性分析等內(nèi)容進行講授，如功角穩(wěn)定性、電壓穩(wěn)定性、機電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真等。整體教學(xué)內(nèi)容跨度大、涉及范圍廣，難以適應(yīng)航空航天院校不同層次和不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)理解能力、應(yīng)用需求差異，連貫成階梯的參考書選定和講義編寫成為具備航空航天特色“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)模式的基礎(chǔ)。

（1）本科生“電力系統(tǒng)分析”課程。南航自2021-2022春季學(xué)期起，本科“電力系統(tǒng)分析”課程將從32學(xué)時專業(yè)選修課轉(zhuǎn)變?yōu)楸匦拚n。為在有限課時內(nèi)完成系統(tǒng)化教學(xué)，課程內(nèi)容被重新整合為電力系統(tǒng)概述、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、電力系統(tǒng)潮流分析、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行與控制（有/無功經(jīng)濟運行）、電力系統(tǒng)暫態(tài)運行（故障電流計算與單機-無窮大系統(tǒng)穩(wěn)定性分析）等5章內(nèi)容。同時，目前在選修課階段即有意識地增加了陸上微電網(wǎng)、多電飛機B787電氣系的架構(gòu)、運行與控制等認知內(nèi)容（目前已拓展至3學(xué)時），旨在通過以小見大的方式，讓學(xué)生對電力系統(tǒng)的運行與控制有直觀的對比認知。

（2）碩士研究生“動態(tài)電力系統(tǒng)分析”課程。原課程與本科階段同樣命名為“電力系統(tǒng)分析”，為兼顧不同層次學(xué)生需求，在講授內(nèi)容上與本科課程有相當部分重復(fù)。在新模式下，除課程開始階段通過4～6學(xué)時回顧電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型、潮流計算、故障電流計算等內(nèi)容外（隨著課程資料庫的建設(shè)完善，該部分學(xué)時將會被進一步壓縮），以“動態(tài)電力系統(tǒng)分析”為核心，著重講授電力系統(tǒng)動態(tài)建模與基本穩(wěn)定性問題、小信號與大信號穩(wěn)定性分析方法、機電/電磁暫態(tài)仿真理論與方法、陸上微電網(wǎng)和B787、F35等航空電氣系統(tǒng)的建模與分析案例等內(nèi)容。

3.2 線上線下混合教學(xué)

無論是“電力系統(tǒng)分析”還是“動態(tài)電力系統(tǒng)分析”課程，其內(nèi)容涉及電力系統(tǒng)的多個層面，理論知識繁多，32或48學(xué)時的授課時間遠遠無法實現(xiàn)所有內(nèi)容的深度講解，從而不得不對授課內(nèi)容進行刪減。此種授課方式是對課時限制的妥協(xié)，不利于學(xué)生完整專業(yè)知識體系的建立?；诖?，課程已初步建立：

1）本科課程資料庫

已選用超星學(xué)習(xí)通作為在線教學(xué)平臺，在開課之初即將電子教案、參考書籍、視頻文件、仿真軟件等按授課順序和資料類別提前分享到資料庫之中（通過歸檔，可反復(fù)調(diào)用），方便學(xué)生提前下載或觀看學(xué)習(xí)。后續(xù)將可通過課程的充分迭代更新，形成本科生精品課程乃至研究生線上課程，幫助不同知識掌握水平的研究生完成學(xué)習(xí)回顧與銜接。

2）課程試題庫

建立了含選擇、判斷、計算、簡答和課程設(shè)計等多種類型的試題庫，并輔以難度星級和計算復(fù)雜度評價，初步構(gòu)成了章節(jié)與階段性考核的本科試題匯選方案。后續(xù)，可通過試題庫的定期補充，最終達到線上考核、隨機測試等教學(xué)功能。

3）線上線下混合教學(xué)機制

將課程資料庫與課程試題庫逐步納入教學(xué)計劃中，按知識點的理解難度、重要度和線上學(xué)習(xí)資源完備度，逐步將部分教學(xué)任務(wù)下沉到學(xué)生預(yù)習(xí)和課后作業(yè)中，并以任務(wù)形式進行少量多點式考核，減少學(xué)生平時上課忽視、考前臨時突擊的現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 航空電力系統(tǒng)案例仿真實踐

“電力系統(tǒng)分析”課程偏重于對實際電力系統(tǒng)的建模和理論分析，而實際電力系統(tǒng)的宏觀性又使得學(xué)生難以直觀感受，造成明顯的“看不清、摸不著、學(xué)不會”，尤其是電力系統(tǒng)暫態(tài)過程，涉及多個裝置的耦合與時序作用。雖然大部分具有電氣工程專業(yè)的高校均開設(shè)了電氣實驗課程，但多是電機、繼電保護、電力電子裝置等微觀局部的實踐內(nèi)容，難以建立完整的電力系統(tǒng)實驗課程，因此，依托行業(yè)應(yīng)用特色，結(jié)合仿真實驗教學(xué)方法，成為首選教學(xué)實踐方案。

（1）針對本科生，依托已開發(fā)的“互聯(lián)網(wǎng)+”多電飛機供電系統(tǒng)虛擬仿真實驗系統(tǒng)［5］開展認知和實驗教學(xué)，如圖1所示，包括飛機電力系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)了解、搭建練習(xí)、故障設(shè)置/定位、供電特征波形輸出與陸上電力系統(tǒng)對比認知等內(nèi)容。通過專業(yè)級并同時具備科普特征的虛擬仿真實驗，將有助于學(xué)生實現(xiàn)電力系統(tǒng)從宏觀到具體的認知，增加學(xué)習(xí)興趣。

圖1 電氣化飛機電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗系統(tǒng)

（2）針對碩士研究生，主要選用PSCAD、PSASP、ETAP、Matlab/Simulink等專業(yè)仿真軟件，開展電力電子化電力系統(tǒng)建模、仿真與控制實驗教學(xué)。具體建模對象包括陸上交直流微電網(wǎng)、多電飛機B787與F35電氣系統(tǒng)等，同時應(yīng)用“動態(tài)電力系統(tǒng)分析”課程關(guān)于穩(wěn)定性分析的理論內(nèi)容，通過參數(shù)設(shè)計與實驗分析加深對理論的理解和應(yīng)用能力。

4 結(jié)語

以南航為例，本文針對性地闡明了本科與碩士研究生階段“電力系統(tǒng)分析”課程在南航的設(shè)置現(xiàn)狀及其自身發(fā)展趨勢，并從教材講義內(nèi)容編選、線上線下混合教學(xué)、虛擬仿真實踐三個方面探討和介紹了電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)模式和改革措施，為航空航天類院校電氣工程專業(yè)完善“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)提供了一種建設(shè)思路。

在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，滲透了一些新的技術(shù)內(nèi)容和工程應(yīng)有場景，并通過現(xiàn)代信息技術(shù)與實驗教學(xué)項目的深度融合，使學(xué)生的認知具有前瞻性，能夠更快地適應(yīng)迅速發(fā)展的電力工程事業(yè)和航空航天電氣系統(tǒng)（尤其是多電/全電飛機），從而服務(wù)于高素質(zhì)電氣人才培養(yǎng)和一流電氣工程學(xué)科的建設(shè)。