面向工程應用的電氣技術數字仿真實驗教學研究

潘　超，楊德友，安　軍

面向工程應用的電氣技術數字仿真實驗教學研究

潘超，楊德友，安軍

以“與時俱進”和“理論聯系實際”為核心思想，在電力系統、發電廠等課程設置的電力系統數字仿真實驗基礎上，結合電網研究項目與案例，采取一系列實驗教學改革舉措，結合現代電力系統工程案例開展相關實驗教學活動，通過學習并實踐電力系統相關專業課程的理論知識，結合實際工程案例對相關電網問題進行模擬和分析，將有利于學生加深對相關專業理論的理解和掌握，提高他們處理實際工程問題和解決問題的能力。充實了電力系統電氣技術數字仿真實驗的教學內容，改善了實驗教學的效果，也是對傳統實驗教學方法的突破。

電氣技術數字實驗；面向工程；教學改革

一、研究的背景與意義

電氣工程學科中《電力系統分析》《發電廠》《繼電保護》等是重要的核心課程，［1］學生通過理論學習和實驗模擬學習掌握這些課程內容，其教學效果直接影響到學生的專業基礎構建和科研能力培養。這些課程具有較高的專業性，具體內容繁雜，教學體系較為理論化，相關知識和概念的學習難度較大。同時，電力系統相關仿真實驗往往在面向實際工程應用方面較欠缺，且存在實驗時間較短、與專業理論聯系較薄弱、授課效果差等問題。學生在學習電力系統相關專業課程的理論知識后，如果能夠結合實際工程案例對相關電網問題進行模擬和分析，將有利于加深對專業理論的理解和掌握，進而提高其處理實際工程問題的能力，這是實驗教學的重點。

將電力系統基礎理論與工程應用有機結合，完善實驗教學內容，構建面向工程應用的電力系統綜合仿真實驗教學體系，不僅有利于加強實驗課堂教學，而且也能彌補生產實習等教學環節的不足。鑒于目前電力系統相關課程教學存在的上述問題，電氣工程學院開設“電力系統電氣技術數字仿真”實驗，目的在于聯系理論教學環節，指導學生利用專業知識對電力系統穩定和安全運行進行模擬，加深他們對相關專業原理的理解，同時培養其理論聯系實際和解決問題的能力。

二、研究的重要性

現代電力系統電氣技術數字仿真實驗是電氣工程專業教學的核心組成部分，實驗教學效果的好壞直接影響到相關專業的授課進程以及專業人才的培養。電力系統的穩態和暫態分析、繼電保護、發電廠、電工理論等課程本身就具有非常強的實踐性，因此電氣工程學院在教學過程中已將電力系統電氣技術數字仿真實驗課設置為本科生模擬電網現場運行的必修環節。

近年來，科學技術和電力工業飛速發展，電力系統運行過程中也出現了許多新的問題，這對現代電力系統電氣技術數字仿真實驗提出了新的要求。本科生在學習《電力系統穩定分析》等重要專業課程后，應當結合目前電網中經常出現且受到普遍關注的關鍵問題進行仿真模擬，［2］從而在加深對相關專業課程理解的同時，進一步鍛煉了學生對實際工程問題的模擬與分析能力。所以，進行現代電力系統電氣技術數字仿真實驗的教學研究在電氣工程學科人才培養中具有非常重要的作用。

三、研究目的

為了滿足實際工程對專業人才的需求，同時更好地適應現代電力系統相關課程的教學特點，開展理論聯系實際的電力系統仿真教學研究勢在必行。因此，要面向實際工程的現代電力系統電氣技術數字仿真實驗進行教學研究與改革探索。通過對該實驗教學的研究，完善目前已有的電力系統仿真實驗內容，結合實際工程確定電氣技術數字仿真實驗的教學方案，目的是通過推廣應用該實驗的研究成果，使學生在利用專業知識對電力系統穩定和安全運行進行模擬后，加強對相關專業理論的掌握，同時培養其處理實際工程問題的能力。

四、研究內容

現代電力系統電氣技術數字仿真實驗，以東北電力大學安全運行與節能技術國家地方聯合工程實驗室和綠色電能新技術與電力系統穩定重點實驗室為依托，遵循理論聯系實際的原則，以適應現代電網發展和新世紀電力系統仿真實驗要求為出發點，旨在培養具有綜合思維能力和綜合處理問題能力的應用型人才，主要從實驗室建設、教學計劃確定、實驗內容設置、實驗過程管理等方面開展研究。

1.電氣技術數字仿真實驗室建設。隨著電力系統的發展，電網規模達到幾萬個節點和幾十萬個支路，因此電力系統運行模擬、電網穩定分析等研究都采用數字仿真的形式。結合電氣工程學科的發展和現代電力系統仿真實驗的要求，重點關注電力系統電氣技術數字仿真實驗環節。在電氣工程學院的大力支持下，現代電氣技術數字仿真實驗室2009年建成，實驗室占地300㎡，已配備95臺微機，為電力系統電氣技術數字仿真實驗的開展提供硬件支持。目前，已開設了多門與電力系統密切相關的專業實驗課程，主要包括電力系統穩定分析、繼電保護模擬仿真、電力系統電磁計算以及數字信號處理等，為電氣工程及其自動化專業本科生從事電力系統運行、工程、設計和理論研究提供良好條件。

2.確定教學計劃。以理論聯系實際為原則，在原有的仿真實驗基礎上進一步完善和擴展，設置面向實際工程的電氣技術數字仿真實驗，作為電氣工程及其自動化專業選修課程，配有專門學分，計劃授課32學時。由于實驗教學對電力系統專業知識的要求較高，且教學內容涵蓋面較廣，需要本科生具備一定的專業理論基礎，因此計劃在第三學年下學期專業課程學習完成后進行。

另一方面，該實驗為數字仿真模擬，具有靈活性高、電網模型易搭建等優點，但又存在直觀性等方面的不足。［3］結合當前大學生普遍存在理論與實際脫離的問題，且考慮到大三學生學習計劃較重的因素，故將實驗時間安排在第四學年的上學期。實驗教學包括理論學習和仿真模擬兩部分，安排4-6學時講解電力系統相關理論知識，在此基礎上計劃指導學生進行26-28學時的仿真實驗。教學采用理論知識講解與建模仿真操作相結合、多媒體講授與現場實物介紹等多種手段結合的方法。以不同實際工程案例為研究對象，培養學生獨立思考和動手的能力，并引導他們運用相關理論解決實際工程中存在的各種問題，從而對所學知識進行驗證。

3.面向工程的仿真實驗內容。本實驗課程主要為電氣工程及其自動化專業的本科生開設（包含專升本專業）。電氣工程專業的電力系統分析課程主要圍繞發電、輸電、變電三個部分，所涉及的仿真實驗包括電力系統潮流、短路計算以及穩定分析三個方面。因此，本門實驗課程要求學生了解電力系統發電-輸電-供電三個系統的相關內容，掌握電網運行及關鍵電氣設備工作的基本原理。結合上述情況，編寫面向實際工程的電力系統電氣技術數字仿真實驗指導書，系統介紹相關理論知識，主要包括電網運行基本原理、電力系統關鍵元件結構與工作特性，發電機、變壓器、輸電線、負載等。通過收集整理多個地區電網的實際數據，獲得多個區域電力系統運行的建模仿真素材，從而指導學生開展建模調試，包括電網拓撲結構與參數選取等內容，結合實際工程出現的短路、過負荷、系統振蕩、頻率穩定與優化運行、新能源并網、風-光-儲發電以及主動配電網配置等案例，對組成實踐教學的相關要素進行整體設計，從實驗教學規劃、實驗內容設計、指導手段等方面構建了面向實際工程的電力系統電氣技術數字仿真實驗教學體系的總體框架。

4.實驗過程管理。電力系統數字仿真實驗教學的正常授課需要1-2臺服務器和80余臺客戶微機，授課教師2名，授課對象為2個自然班。近年來，電氣工程學院本科生較多，班級人數較大，為實驗教學計劃制定和實驗過程管理造成一定的難度。因此需要考慮在合理優化實驗過程的同時協調教學資源，在不影響學生學習興趣的前提下提高實驗教學的效果。

通過思考和探索實踐，將電氣技術數字仿真實驗分為兩個部分：理論學習和實際分析，前者采用理論知識講解與建模仿真的方式，后者采用實物操作和動模模擬的方式。在此過程中結合實際現場案例，抓住學生的興趣點，有重點性和針對性地擴寬學生思路，這樣既兼顧了學生的學習興趣和熱情，又培養了他們的動手能力，同時也提高了實驗教學資源的利用效率。

五、結論與展望

將實驗研究成果應用于2011級電氣工程及其自動化專業本科實驗教學，授課對象約100名本科生，實驗教學提高了學生對電力系統的學習興趣和直觀認識，增強了他們的專業知識掌握和實踐動手能力，已初步取得良好的實驗效果。

目前，電氣工程學院在電力系統電氣技術數字仿真實驗的基礎上，深入思考和探索如何把電力系統數字仿真與動模仿真有機地結合，從而充分發揮數字仿真與物理模擬的各自優勢，結合實際工程問題，研究面向實際工程的電力系統數字-物理混合仿真實驗教學方法。

本文系東北電力大學校級實驗教學改革項目

［1］何仰贊．電力系統分析（上、下冊）［M］.湖北：華中科技大學出版社，2015.

［2］楊德先，陸繼明．電力系統綜合實驗原理與指導［M］.北京：機械工業出版社，2010.

責任編輯：何巖

G642

A

1671-6531（2015）21-0078-02

潘超/東北電力大學實驗師，博士 （吉林吉林市132012）；楊德友/東北電力大學講師，博士 （吉林吉林市132012）；安軍/東北電力大學教授，電力系主任，博士（吉林吉林市132012）。