電力系統(tǒng)分析課程研究性教學(xué)載體與實(shí)施設(shè)計(jì)

趙為光，楊瑩，呂品，李偉，張路兵

電力系統(tǒng)分析課程研究性教學(xué)載體與實(shí)施設(shè)計(jì)

趙為光，楊瑩，呂品，李偉，張路兵

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

為提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、問題意識(shí)和研究能力，針對(duì)電力系統(tǒng)分析課程“無功補(bǔ)償”專題，以可再生能源發(fā)電并網(wǎng)新問題為研究載體，將學(xué)生作為教學(xué)活動(dòng)的主體，分別從目的、背景、內(nèi)容、要求、組織和評(píng)價(jià)多維度設(shè)計(jì)載體內(nèi)容．該研究益于電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生綜合能力提升，同時(shí)促進(jìn)教學(xué)科研融合相長．

電力系統(tǒng)分析；研究性教學(xué)；載體設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)分析課程知識(shí)體系具有一定的廣度和深度，是電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)的一門核心學(xué)位課程，在專業(yè)教學(xué)和培養(yǎng)高質(zhì)量專業(yè)人才計(jì)劃中有著重要的地位[1]．電力系統(tǒng)分析課程傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽”授課過程效果欠佳[2]．在新一輪課程改革過程中，根據(jù)電力系統(tǒng)分析課程內(nèi)容特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前可再生能源并網(wǎng)新工程問題，設(shè)計(jì)具有工程背景的教學(xué)載體，寓教學(xué)于科研中理論與實(shí)踐結(jié)合是增強(qiáng)課程學(xué)習(xí)效果的有效方式．

研究性教學(xué)模式立足于學(xué)生問題意識(shí)、科學(xué)探索能力和創(chuàng)造思維的培養(yǎng)，注重學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的情感體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)教學(xué)中學(xué)生的參與性、互動(dòng)性，關(guān)注學(xué)生對(duì)知識(shí)的積極構(gòu)建過程和創(chuàng)新能力的提高[3-5]．載體是研究性教學(xué)的基礎(chǔ)與出發(fā)點(diǎn)，是教師圍繞教學(xué)內(nèi)容相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐、設(shè)計(jì)用于支撐學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的問題，以此為出發(fā)點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生完成問題分析、資料查閱、方案設(shè)計(jì)、仿真實(shí)現(xiàn)、性能驗(yàn)證、問題探究等整個(gè)學(xué)習(xí)過程．研究性教學(xué)載體的設(shè)計(jì)合適與否，是整個(gè)教學(xué)過程的關(guān)鍵所在[6-8]．

本文針對(duì)電力系統(tǒng)分析課程“無功補(bǔ)償”專題，設(shè)計(jì)“無功補(bǔ)償平抑有源配電網(wǎng)運(yùn)行波動(dòng)”研究性教學(xué)載體，通過“課題進(jìn)課堂”研究性教學(xué)方式促進(jìn)教學(xué)和科研融合相長，探討面向電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施的問題和方法．

1 研究性教學(xué)載體的設(shè)計(jì)

研究性教學(xué)包括研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)和研究性教學(xué)實(shí)施２部分內(nèi)容，教學(xué)實(shí)施是教學(xué)載體的貫徹落實(shí)．研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)具體包括載體目的、載體背景、載體內(nèi)容和載體要求４部分模塊內(nèi)容．

1.1 設(shè)計(jì)目的

以電力系統(tǒng)分析課程“無功補(bǔ)償”內(nèi)容為基礎(chǔ)，針對(duì)風(fēng)力和光伏發(fā)電分布式電源的隨機(jī)波動(dòng)特性對(duì)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行不利影響問題，建立調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償裝置和儲(chǔ)能電源有效調(diào)度，有效平抑有源配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)．應(yīng)用研究性教學(xué)理念設(shè)計(jì)教學(xué)載體，將知識(shí)傳授蘊(yùn)含在問題的提出、分析、研究與實(shí)踐中，讓學(xué)生在科學(xué)研究過程中積極地完成知識(shí)的建構(gòu)，促進(jìn)其知識(shí)應(yīng)用能力的提高．

1.2 背景知識(shí)

載體研究內(nèi)容往往會(huì)跨越學(xué)生的學(xué)科專業(yè)知識(shí)范圍，進(jìn)入載體研究工作前，簡潔概括介紹載體背景知識(shí)，使學(xué)生掌握載體專題的基礎(chǔ)知識(shí)，了解載體涉及的學(xué)科外相關(guān)知識(shí)．

1.2.1 無功功率平衡 電力系統(tǒng)無功功率平衡是指系統(tǒng)電源所發(fā)出的無功功率與無功負(fù)荷相平衡，目的是在各種運(yùn)行方式下維持電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓平衡．根據(jù)電壓靜態(tài)特性，隨著電壓降低負(fù)荷的無功功率減少，只有向負(fù)荷側(cè)提供無功功率才能維持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定．考慮系統(tǒng)損耗因素，保持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，必須使電源發(fā)出的無功功率與無功負(fù)荷和無功損耗相平衡[9]．

1.2.2 補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓 電壓是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，電壓穩(wěn)定主要由系統(tǒng)無功功率平衡控制．電力系統(tǒng)中一般可以通過在節(jié)點(diǎn)上并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)壓[10]．

1.2.3 優(yōu)化算法 優(yōu)化算法的目的是在決策變量取值范圍內(nèi)，計(jì)算確定目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值．利用MATLAB軟件的優(yōu)化工具包，可直接調(diào)用相關(guān)優(yōu)化算法函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解．

1.3 載體內(nèi)容

1.3.1 問題要求 以載體設(shè)計(jì)目的為出發(fā)點(diǎn)，圍繞可再生能源并網(wǎng)狀態(tài)下調(diào)控?zé)o功補(bǔ)償裝置投切提升配電網(wǎng)穩(wěn)定性問題．以IEEE-33配電節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例[11]，節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)力發(fā)電廠、儲(chǔ)能電池和無功補(bǔ)償設(shè)備．配電網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D1．配電網(wǎng)中總的負(fù)荷為3 715+j2 300 kVA，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)額定電壓為12.66 kV，每個(gè)節(jié)點(diǎn)允許的電壓范圍是0.95～1.05 p.u．風(fēng)力電源與光伏電源最大有功出力均為200 kW，無功出力范圍-0.15～0.45 MVar．

圖1 IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)

要求設(shè)計(jì)合理的無功補(bǔ)償投切模型，通過優(yōu)化算法求解，計(jì)算出24 h合理的無功補(bǔ)償裝置投切組數(shù)（見表1）．

表1 配電網(wǎng)中無功補(bǔ)償裝置的投切組數(shù)

進(jìn)一步，分析配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性，對(duì)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行量化數(shù)值計(jì)算，比較分析補(bǔ)償裝置投切前后可再生能源發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響，效果見圖2．要求通過補(bǔ)償裝置投切控制，提高配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，電壓穩(wěn)定性波動(dòng)趨于平緩，穩(wěn)定性量化指標(biāo)限制在0.001～0.002之間．

圖2 配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性指標(biāo)

1.3.2 研究內(nèi)容 研究內(nèi)容是研究性教學(xué)載體的核心，為了有效利用無功補(bǔ)償裝置降低可再生電源并網(wǎng)導(dǎo)致的電壓波動(dòng)影響，需要對(duì)以下內(nèi)容展開詳細(xì)研究．對(duì)每項(xiàng)研究內(nèi)容用“ ?”的個(gè)數(shù)進(jìn)行難度分級(jí)，為教學(xué)實(shí)施過程和成績?cè)u(píng)價(jià)過程提供參考．

1.4 具體要求

根據(jù)指標(biāo)點(diǎn)指明研究性教學(xué)載體的具體要求，使學(xué)生明確分析研究需要達(dá)到的具體深度、廣度，制定合理科學(xué)的研究路線．

（1）編寫 MATLAB 仿真程序，繪制各階段問題仿真結(jié)果曲線．

（2）定量對(duì)比可再生能源接入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)后對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響．

（3）嘗試用不同方法調(diào)控?zé)o功補(bǔ)償裝置投切量，提升可再生能源并網(wǎng)情況下的系統(tǒng)運(yùn)行性能．

（4）對(duì)研究內(nèi)容具體問題進(jìn)行討論，針對(duì)難點(diǎn)問題，討論確定解決方案．根據(jù)解決方案進(jìn)行具體實(shí)施，驗(yàn)證方案實(shí)施效果．

（5）對(duì)分析問題思路過程解決方案進(jìn)行詳細(xì)記錄，給出詳細(xì)理論推導(dǎo)、程序清單、仿真結(jié)果曲線，形成專題報(bào)告．要求內(nèi)容合理、邏輯清晰、數(shù)據(jù)圖表清晰．

2 研究性教學(xué)載體組織

教學(xué)載體組織是研究性教學(xué)載體的具體實(shí)施．研究性教學(xué)載體以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，根據(jù)專業(yè)新問題創(chuàng)設(shè)研究載體，不斷嘗試構(gòu)建實(shí)用、多樣、靈活的研究性教學(xué)方法體系，豐富教學(xué)方法和手段，提高專業(yè)課程的教學(xué)效果．

在基礎(chǔ)理論掌握階段，由于研究性教學(xué)載體的介入，教學(xué)中面臨著學(xué)時(shí)少與內(nèi)容多之間的矛盾，如何在有限的教學(xué)周期內(nèi)，引導(dǎo)學(xué)生快速扎實(shí)掌握課程內(nèi)容，是教學(xué)組織的難點(diǎn)．將電力系統(tǒng)的無功功率和電壓調(diào)整課程中的部分重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)制成微課件，組織學(xué)生課前通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自主互助學(xué)習(xí)，提前了解基礎(chǔ)理論內(nèi)容，形成對(duì)知識(shí)的初步自我認(rèn)識(shí)；課堂上，學(xué)生可帶著問題進(jìn)行有針對(duì)性地繼續(xù)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率，縮減基礎(chǔ)學(xué)時(shí)．

在載體研究階段，進(jìn)行更深入的教學(xué)互動(dòng)設(shè)計(jì)，搭設(shè)專題討論、建模計(jì)算等協(xié)同合作式研究學(xué)習(xí)平臺(tái)．根據(jù)專長特點(diǎn)將學(xué)生合理分組進(jìn)行課題研究，具體可分為問題分析階段、問題討論階段、建模仿真階段、反饋討論階段和報(bào)告撰寫階段．

在研究成果評(píng)價(jià)階段，組織各小組匯報(bào)研究成果，各小組可相互提出質(zhì)疑和答辯，最終教師給出系統(tǒng)、客觀、綜合的評(píng)價(jià)．

3 研究性教學(xué)載體成績?cè)u(píng)價(jià)

科學(xué)合理綜合制定考核及評(píng)價(jià)方式，不僅可以全面考查學(xué)生的課程掌握程度，而且能夠充分激發(fā)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情．傳統(tǒng)教學(xué)作業(yè)答案具有唯一性，而研究性教學(xué)載體的研究結(jié)論是開放、個(gè)性化的，全面系統(tǒng)地設(shè)計(jì)考核評(píng)價(jià)體系尤為重要．根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，充分考慮研究教學(xué)載體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在詳細(xì)分析總結(jié)載體研究過程的基礎(chǔ)上，對(duì)考核形式進(jìn)行分類整合，建立研究性教學(xué)載體成績?cè)u(píng)價(jià)體系（見表2）．按照一定權(quán)重量化綜合計(jì)算各環(huán)節(jié)考核分?jǐn)?shù)，確定每名學(xué)生的“無功補(bǔ)償”專題最終成績．

表2 研究性教學(xué)載體成績?cè)u(píng)價(jià)體系

4 結(jié)語

本文探索了基于研究性教學(xué)載體模式的電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)新手段與新方法．具體從載體目的、載體背景、載體內(nèi)容、載體要求、載體組織和評(píng)價(jià)多維度設(shè)計(jì)研究性教學(xué)模式，對(duì)課程內(nèi)容、進(jìn)程和載體有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣、問題意識(shí)、研究能力．促進(jìn)教育教學(xué)與科研課題緊密結(jié)合，為面向電氣工程專業(yè)的課程研究性教學(xué)改革提供有益參考．

[1] 孫秋野，黃雨佳，高嘉文．工科專業(yè)課課程思政建設(shè)方案：以《電力系統(tǒng)分析》課程為例[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2021，41（2）：475-485．

[2] 沈娜，房大中，杜蕓強(qiáng)．新工科背景下基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“電力系統(tǒng)分析”課程改革和實(shí)踐[J]．高教學(xué)刊，2020（17）：143-146．

[3] 路慧．理工類研究型大學(xué)開展研究性教學(xué)的實(shí)踐探索與模式構(gòu)建：基于大連理工大學(xué)的實(shí)例分析[D]．大連：大連工業(yè)大學(xué)，2013．

[4] 安潤玲．高等代數(shù)課程研究性教學(xué)的改革與實(shí)踐[J]．高師理科學(xué)刊，2021，41（6）：75-77．

[5] 馬曉丹，尹淑欣，邰建華，等．操作系統(tǒng)課程知識(shí)體系構(gòu)建及研究性教學(xué)探索[J]．高師理科學(xué)刊，2019，39（1）：71-75．

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[7] 周濤，胡健，李艷鳳，等．“金課”建設(shè)背景下“信號(hào)與系統(tǒng)”研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，37（11）：166-169．

[8] 崔學(xué)榮，曹愛請(qǐng)，李娟，等．研究性教學(xué)模式在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（1）：176-178．

[9] 陳衍．電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M]．北京：中國電力出版社，2015．

[10] 于群，曹娜．MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016．

[11] 彭光斌，詹紅霞，黃培東，等．基于自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化DG的配網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性提高策略[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（8）：100-106．

Research teaching carrier and implementation design of power system analysis course

ZHAO Weiguang，YANG Ying，Lü Pin，LI Wei，ZHANG Lubing

（School of Electrical and Control Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China）

In order to improve students′ interest in autonomous learning，problem awareness and research ability，aiming at the topic of reactive power compensation in the course of power system analysis，taking the new problem of grid connection of renewable energy generation as the research carrier．Students are taken as the main body of teaching activities，and the carrier content is designed from the multi-dimensional aspects of purpose，background，content，requirements，organization and evaluation．The research is beneficial to the improvement of the compre-hensive ability of students majoring in power system and automation，and promote the integration of teaching and scientific research．

power system analysis；research teaching；carrier design

TM711∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.019

1007-9831（2022）02-0096-05

2021-11-08

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（SJGY20200641）

趙為光（1972-），男，吉林省吉林人，副教授，博士，從事電氣工程研究．E-mail：2632187112@qq.com