提升“配電自動(dòng)化”課程內(nèi)涵的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

雷廷浩， 郝正航， 黃麗蘇

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025)

“中國(guó)制造2025”、“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”、“一帶一路”等國(guó)家重要戰(zhàn)略需要大量高技術(shù)人才。為滿足百年未見新機(jī)遇和新挑戰(zhàn)對(duì)人才的需求，教育部及時(shí)發(fā)布了《關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐通知》，“新工科”應(yīng)運(yùn)而生，成為國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)之策。培養(yǎng)新工科人才已成為高等學(xué)校當(dāng)務(wù)之急[1-2]。相對(duì)于傳統(tǒng)工科人才，新工科人才應(yīng)具有基礎(chǔ)能力扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新意識(shí)優(yōu)越的特點(diǎn)；與傳統(tǒng)工科相比，“新工科”更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性。高校作為人才培養(yǎng)的主力軍，起著承上啟下的作用，即高校必須在人才實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)能力上做進(jìn)一步的探索[3]。從目前國(guó)內(nèi)高校的專業(yè)設(shè)置來(lái)看，電子技術(shù)類、網(wǎng)絡(luò)與信息工程、安全工程、新能源、功能材料等專業(yè)已納入“新工科”的范疇，傳統(tǒng)的工科課程模式已無(wú)法滿足“新工科”內(nèi)涵下對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)要求，從地方院校的課程安排來(lái)看，仍存在教學(xué)環(huán)節(jié)重結(jié)果，輕過(guò)程。因此，課程缺少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、學(xué)生缺少創(chuàng)新能力是當(dāng)下高校培養(yǎng)學(xué)生的嚴(yán)重缺陷。

近年來(lái)，各個(gè)高校已就不同的科目對(duì)新工科下的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索。文獻(xiàn)[4-7]分別針對(duì)測(cè)控專業(yè)、電力生產(chǎn)、電力電子及電子信息專業(yè)相關(guān)科目展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)，提升了相關(guān)專業(yè)和學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量，針對(duì)性強(qiáng)，但不具有普遍性；文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)計(jì)算機(jī)及電子信息專業(yè)展開了教學(xué)改革，提出了相應(yīng)的改革體系，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式比，更加能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，但沒有具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為基礎(chǔ)；從目前全國(guó)改革經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，課程實(shí)踐教學(xué)改革依舊存在開展困難的問(wèn)題。對(duì)于饋線自動(dòng)化而言，文獻(xiàn)[10-11]分別利用DELPHI、Proetus設(shè)計(jì)了一套配電自動(dòng)化仿真教學(xué)平臺(tái)以模擬配網(wǎng)自動(dòng)化的主要功能，需要多臺(tái)電腦或多媒體運(yùn)行，該平臺(tái)教學(xué)能幫助學(xué)生把學(xué)到的知識(shí)與實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，但在教學(xué)中依然是“一對(duì)多”的教學(xué)模式，且沒有通過(guò)實(shí)物使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更直觀的理解，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力提升作用有限。

為此，本文以配電自動(dòng)化這一課程為例，提出實(shí)驗(yàn)課程教改方案，構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)體系，搭建基于實(shí)時(shí)仿真器UREP(Universal Real-time Simulation Platform)[12-13]、嵌入式開發(fā)系統(tǒng)、PC設(shè)計(jì)環(huán)境的配電自動(dòng)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)推進(jìn)課程內(nèi)容改革和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，也為相關(guān)科目及其他專業(yè)提供可行的思路。

1 “配電自動(dòng)化”教學(xué)現(xiàn)狀

“配電自動(dòng)化”課程本身具有跨界和交叉性質(zhì)，內(nèi)容涉及電氣領(lǐng)域諸多前沿知識(shí)和能力，是當(dāng)今很多新技術(shù)的交匯點(diǎn)。但是，目前該門課程的教學(xué)設(shè)計(jì)存在較多問(wèn)題。

工科高?！芭潆娮詣?dòng)化”教學(xué)現(xiàn)狀如表1所示。主要授課內(nèi)容包括基于重合器的饋線自動(dòng)化、基于FTU的饋線自動(dòng)化、配電自動(dòng)化的通信系統(tǒng)、開閉所和配變自動(dòng)化、用戶自動(dòng)化等；授課方式主要是課程講授，實(shí)踐環(huán)節(jié)也僅局限于軟件離線仿真，該門課程的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都有待研究。

表1 配電自動(dòng)化教學(xué)現(xiàn)狀

2 “配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

2.1 “配電自動(dòng)化”教學(xué)體系改革

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系思路如圖1所示。課程體系改革當(dāng)然是“新工科”人才培養(yǎng)的重中之重，改革方案以O(shè)BE理念為導(dǎo)向，換而言之，學(xué)生課程產(chǎn)出應(yīng)大于教學(xué)內(nèi)容而占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系思路

“新工科”更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生能夠深入利用所學(xué)的課程原理及專業(yè)知識(shí)去解決一個(gè)具體的復(fù)雜工程問(wèn)題。而作為課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，和課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)不同的一是課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該具有一定循序漸進(jìn)的過(guò)程，在滿足復(fù)雜工程實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)下，也需同時(shí)注重理論以及分層實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，在配電自動(dòng)化具有交叉性的特質(zhì)條件下，體現(xiàn)出循序漸進(jìn)的過(guò)程，二是課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)同時(shí)注重產(chǎn)出過(guò)程的指導(dǎo)與教學(xué)，在學(xué)生“吃透”理論知識(shí)之后進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系主線思想應(yīng)為“課程理論教學(xué)——實(shí)踐課程建設(shè)——個(gè)人創(chuàng)新研究”，在理論教學(xué)后，學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行課程實(shí)踐，課程實(shí)踐由易及難，鞏固理論教學(xué)的同時(shí)，為個(gè)人創(chuàng)新研究做鋪墊。

2.2 “配電自動(dòng)化”課程改革

所提方案如表2所示，課程建設(shè)是專業(yè)建設(shè)的基礎(chǔ)，只有從課程內(nèi)容出發(fā)挖掘新工科內(nèi)涵，才能建成新工科專業(yè)。然而，實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的重要補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)教學(xué)又是實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，課程改革要將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)緊緊接合起來(lái)。從課程性質(zhì)上看，“配電自動(dòng)化”作為電氣自動(dòng)化專業(yè)新工科改革及內(nèi)涵建設(shè)的切入點(diǎn)非常合適，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)“配電自動(dòng)化”課程進(jìn)行改革顯得十分重要。針對(duì)基于重合器的饋線自動(dòng)化、基于FTU的饋線自動(dòng)化、配電自動(dòng)化的通信系統(tǒng)等內(nèi)容實(shí)施改革，刪減了一部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，添加了針對(duì)配電自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)這一“工具”，繼而對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一定的實(shí)踐操作。

表2 配電自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教改方案

為使學(xué)生真實(shí)地感受到配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性，跨越“配電自動(dòng)化”課程本身具有的跨界和交叉性質(zhì)，擺脫課程“難學(xué)、抽象”的障礙，將既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與改革之后的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有效融臺(tái)，按照課程理論內(nèi)容體系和控制終端的不同需求，進(jìn)行遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)。此外，配電自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為教師及研究生科研提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境。

3 “配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

3.1 “配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

“配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是：①深入理解配電網(wǎng)一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征；②掌握配電自動(dòng)化裝置的原理及設(shè)計(jì)流程。為此，在建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，應(yīng)充分考慮如何幫助學(xué)生達(dá)成上述目標(biāo)。由于實(shí)時(shí)仿真技術(shù)可以準(zhǔn)確而生動(dòng)地展現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的特征，故基于實(shí)時(shí)仿真器搭建配電網(wǎng)一次系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头浅：线m；由于配電自動(dòng)化中的二次裝置需要與一次系統(tǒng)組成閉環(huán)才能顯示其功能，故通過(guò)嵌入式平臺(tái)模擬二次裝置并與實(shí)時(shí)仿真器構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。該半實(shí)物仿真平臺(tái)是最接近實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 “配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在Matlab/Simulink離線仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增設(shè)貴州大學(xué)自主研發(fā)的實(shí)時(shí)仿真器UREP(Universal Real-time Simulation Platform )、嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，鏈接PC端形成閉環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基本組成原理如圖2所示。實(shí)驗(yàn)建模后，連接PC端、嵌入式開發(fā)系統(tǒng)、UREP實(shí)時(shí)仿真器；通過(guò)對(duì)一次模型的移植，在實(shí)時(shí)仿真器UREP中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真；對(duì)控制終端進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用C代碼對(duì)其控制功能進(jìn)行編寫；利用PC端把具有控制功能的終端代碼寫入嵌入式開發(fā)系統(tǒng)；UREP實(shí)時(shí)仿真器與嵌入式開發(fā)系統(tǒng)閉環(huán)連接，嵌入式開發(fā)系統(tǒng)在接收UREP發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)后，進(jìn)行處理并把控制命令反饋到UREP實(shí)時(shí)仿真器中，形成半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真。圖1所示的新型實(shí)驗(yàn)架構(gòu)包括PC端、實(shí)時(shí)仿真器、嵌入式開發(fā)系統(tǒng)三個(gè)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖3所示。

圖2 配電自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成原理

圖3 “配電自動(dòng)化”教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示

本平臺(tái)具有的優(yōu)勢(shì)：①平臺(tái)利用率高，可針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)課程作為使用對(duì)象；②本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，面對(duì)對(duì)象可為專業(yè)全體師生；③平臺(tái)占用面積小，普通的教室既能容納多套該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；④實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)本校本科生及研究生完全開放，教師亦能運(yùn)用此平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新科學(xué)研究；⑤本平臺(tái)通過(guò)實(shí)際操作激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，亦能夠滿足學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)需求，具有多元性和開放性。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)示例

4.1 “配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)示例

以分布式饋線自動(dòng)化為例，對(duì)FTU進(jìn)行設(shè)計(jì)及半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)。

(1)學(xué)生在獲取饋線自動(dòng)化理論知識(shí)后，通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行離線仿真建模，以確?？刂破骱涂刂茖?duì)象模型的正確性。以圖4 IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)為例，在上側(cè)支路處增設(shè)斷路器SW，聯(lián)絡(luò)開關(guān)LS，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處安裝饋線終端FTU，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照如圖5所示增設(shè)三個(gè)支路開關(guān)，分別為該節(jié)點(diǎn)一個(gè)進(jìn)線側(cè)、兩個(gè)出線側(cè)(圖中分別為左、下、右)的開關(guān)。

圖4 IEEE33節(jié)點(diǎn)圖

圖5 IEEE33節(jié)點(diǎn)圖

FTUSW控制支路重合閘，F(xiàn)TULS控制聯(lián)絡(luò)開關(guān)，其余FTU控制相應(yīng)的分段開關(guān)。節(jié)點(diǎn)19與節(jié)點(diǎn)20之間在0.8秒發(fā)生單相接地永久性故障，F(xiàn)TUSW檢測(cè)到支路短路電流后，斷開重合閘，F(xiàn)TU19在檢測(cè)到電流越限后，把該信息傳遞給下游的FTU20，F(xiàn)TU20由處的電流沒有越限，判斷出故障發(fā)生在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間，完成對(duì)故障的位置判斷；繼而FTU19、FTU20對(duì)相應(yīng)的分段開關(guān)進(jìn)行斷開操作，分別斷開節(jié)點(diǎn)19右側(cè)及節(jié)點(diǎn)20左側(cè)的支路開關(guān)，完成故障隔離；故障完成后，相應(yīng)FTU發(fā)送“隔離已完成”的信息至聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的FTULS，F(xiàn)TULS再和重合閘所在的FTUSW進(jìn)行通訊，同時(shí)閉合重合閘及聯(lián)絡(luò)開關(guān)，達(dá)到非故障區(qū)域的供電恢復(fù)目的。節(jié)點(diǎn)18電壓波形及聯(lián)絡(luò)開關(guān)處電流波形如圖6、圖7所示，各個(gè)FTU的控制布爾量如圖8、圖9所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)18電壓波形

圖7 聯(lián)絡(luò)開關(guān)處電流波形

圖8 各FTU的開關(guān)控制信息

圖9 斷路器和聯(lián)絡(luò)開關(guān)的控制信息

(2)學(xué)生將基于Matlab/Simulink搭建的IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)一次模型移植到UREP實(shí)時(shí)仿真器，可在實(shí)時(shí)仿真器UREP中觀測(cè)配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)波形。節(jié)點(diǎn)19和節(jié)點(diǎn)20之間的饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，實(shí)時(shí)仿真器將實(shí)時(shí)顯示出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓波形，將故障時(shí)間調(diào)整為80秒，實(shí)時(shí)仿真器會(huì)把節(jié)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的過(guò)電流信息傳輸?shù)街笤O(shè)計(jì)的FTU嵌入式開發(fā)系統(tǒng)當(dāng)中。

(3)在軟件環(huán)境下基于離線仿真中饋線終端FTU的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并編寫具有故障檢測(cè)、故障隔離、供電恢復(fù)功能的C代碼。將編寫好的C代碼通過(guò)PC端寫入嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行編譯，若C代碼能夠成功運(yùn)行，則嵌入式開發(fā)系統(tǒng)具有饋線終端FTU的功能，并在配電自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為配電網(wǎng)控制器實(shí)物使用。

(4)學(xué)生在完成上述3個(gè)步驟之后，利用網(wǎng)線連接UREP實(shí)時(shí)仿真器，設(shè)置嵌入式開發(fā)系統(tǒng)和UREP實(shí)時(shí)仿真器的端口地址和IP地址，使之能夠?qū)?yīng)且完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，最后通過(guò)PC端向嵌入式開發(fā)系統(tǒng)發(fā)送指令使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開始運(yùn)行。通過(guò)仿真平臺(tái)觀測(cè)配電網(wǎng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓電流原始波形、FTU對(duì)實(shí)時(shí)仿真器的反饋開關(guān)布爾量及故障處理后對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓電流波形。

如圖10～圖13可見，任何一個(gè)電氣量都能通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)得到直觀的監(jiān)測(cè)，學(xué)生較傳統(tǒng)離線仿真而言，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能更直觀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)，擺脫離線仿真帶來(lái)的局限；嵌入式開發(fā)平臺(tái)同樣能夠加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的了解。

圖10 節(jié)點(diǎn)18實(shí)時(shí)電壓波形截圖

圖11 聯(lián)絡(luò)開關(guān)處實(shí)時(shí)電流波形截圖

圖12 節(jié)點(diǎn)19右側(cè)開關(guān)信息截圖

圖13 節(jié)點(diǎn)19左側(cè)開關(guān)信息截圖

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能拓展

學(xué)生通過(guò)獨(dú)立操作即可完成具體實(shí)驗(yàn)操作；在接收理論知識(shí)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生對(duì)相應(yīng)的知識(shí)有更深層的理解，且能對(duì)學(xué)生的C語(yǔ)言編寫及應(yīng)用、仿真能力、硬件操作進(jìn)行訓(xùn)練；相應(yīng)的，在處理具體項(xiàng)目時(shí)，學(xué)生的邏輯思維也能得到提升。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生可以對(duì)比諸多運(yùn)行算法、控制方法，不斷對(duì)自己的控制終端進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新。利用具有工程體現(xiàn)的半實(shí)物仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)FTU終端實(shí)際工程建設(shè)，如圖14所示，通過(guò)對(duì)FTU的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，使本科生在面向就業(yè)前就具有一定的工程產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

圖14 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工程體現(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難滿足當(dāng)前“新工科”建立產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的人才培養(yǎng)模式。本文針對(duì)“配電自動(dòng)化”課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教改課程方案，根據(jù)需求搭建面向新工科的“配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)饋線自動(dòng)化，介紹“配電自動(dòng)化”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作實(shí)例?！芭潆娮詣?dòng)化”實(shí)驗(yàn)平臺(tái)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中輕實(shí)驗(yàn)甚至無(wú)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)不足，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有通用性，學(xué)生可利用離線仿真、C代碼編寫、硬件操作等諸多技術(shù)，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真，獲取實(shí)際工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)驗(yàn)興趣。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)貼合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，滿足“新工科”人才培養(yǎng)要求。