基于啟發式案例教學的“電能質量分析與控制”課程改革研究與實踐

林順富 湯波 王魯楊

【摘要】對“電能質量分析與控制”課程教學現狀分析的基礎上，采用基于啟發式的案例教學法進行教學改革，精煉教學內容，夯實專業基礎，建設案例庫，強化學生自主學習和教師的啟發式點撥教育，以身臨其境的案例教學環境強化對學生綜合能力的培養并取得了顯著的效果。

【關鍵詞】啟發式；案例教學；課程改革；創新

電能作為一種特殊的商品，其質量受到越來越多的關注，電能質量已經成為評估電力系統運行水平的重要內容，電能質量的改善對于電網和用戶電氣設備的安全經濟運行，促進電力行業發展有重要意義。

影響電能質量的主要因素有：諧波、電壓波動與閃變、頻率波動、三相不平衡和過電壓等。由于電力系統的發、供、用的實時性，電力系統的電能質量始終處于動態變化中，電能質量擾動具有潛在的危險性和廣泛傳播性，越來越多的用戶成為保證電能質量的主體，對電能質量的綜合評估非常困難，控制和管理電力系統的電能質量是一項系統工程，涉及電力系統、電力電子、計算機等技術的綜合應用，為了適應當代科技發展對電氣工程及其自動化專業高素質人才的培養需求，上海電力學院（以下簡稱我校）開設“電能質量分析與控制”研究生課程。

1課程簡況與教學內容設置

“電能質量分析與控制”課程屬于電氣工程專業的選修課，2個學分，32 個學時，面向碩士研究生開設。根據電能質量分析與控制這一專業領域的基礎理論和關鍵技術，同時結合我校研究生主要就業方向為縣市級供電企業及相關規劃設計單位，課程教學內容主要包括如下方面：

（1） 電能質量的數學分析方法

介紹功率理論的發展歷史和現狀，詳細講述瞬時無功功率理論以及基于該理論的pq諧波檢測方法和ip-iq諧波檢測方法，介紹基于傅里葉頻域分析、小波分析的諧波檢測方法。

（2） 傳統電能質量的基本內容

介紹電壓偏差、頻率偏差、電壓三相不平衡和供電可靠性、電壓波動與閃變等傳統電能質量問題現象、機理、原因及評估方法。

（3） 波形畸變和電力諧波

介紹電力系統諧波的來源、危害及相關治理措施，分析典型非線性電力電子裝置的輸入電流特性，例如典型整流器裝置的輸入側諧波特性。

（4） 電能質量控制技術

介紹典型的串聯型、并聯型及混合型有源電力濾波器的結構、數學模型、電流波形控制技術和電壓控制策略、主電路參數優化設計方法等。

（5） 電能質量評估指標和方法

介紹電力系統電能質量評估方式的分類、流程、方法及評估指標。

目前該課程采用的教材為文獻[1-2]，授課方式采用PPT和板書相結合的方式，課程內安排2-3次大型作業，閉卷考試。由于電能質量這一領域的特殊性及電力行業的快速發展變化，加快對本課程的教學改革勢在必行。

2教改思路與方案設計

本次教改研究遵循系統性的思路，從教學內容、教學方法、考核體系等方面入手開展方案設計。

（1）拓展教學內容、聚焦熱點難點

由于電能質量分析與控制這一課程既涵蓋經典的數學分析方法又有鮮活的行業動態，在有限的教學課程內不可能面面俱到，這也不符合研究生教學重視能力培養的根本宗旨。基于此，本課程教學內容上進行了拓展和聚焦：1）在現有教材的基礎上，引入國外經典教材[3]，夯實學生對基本工具的掌握；2）聚焦最新的行業動態，精煉教學內容，將新能源相關電能質量問題、新型敏感負荷電能質量問題進行聚焦。

（2）以點帶面、強化啟發引導

教學中只對相關方法和問題進行提綱挈領式的宏觀指導，啟發學生自主學習，培養學生學習新知識的能力。這要求授課教師要全面系統的綜合評估該課程內容的基礎上，選擇關鍵的教學點，對學生進行點撥。

（3）著眼工程實際、豐富案例研究

結合學校科研課題和行業中出現的電能質量問題，建設電能質量分析案例庫。以事實素材為基礎，建立實際情境，以明確的目標來驅動學生開展學習、思考和交流，激發學生潛能，體驗成功過程。教學中采用分組，每組完成1個案例的問題原因分析、仿真重現、解決方法的完成，引導學生將工程問題提升為科學問題[4-5]。

3教學方法與實踐

（1）經典理論的多媒體綜合教學

電能質量分析相關的基礎數學方法如傅里葉分析、小波理論、瞬時無功理論等對于學生深刻掌握該課程基礎并進行相關研究至關重要。為學好數學基礎理論，本部分教學要求學生課前完成對高等數學等基礎數學理論的學習，并利用國內外相關網絡課堂（如斯坦福大學傅里葉變換視頻教程）進行課前學習，課堂教學采用板書和PPT授課相結合的方式開展，帶領學生推導經典理論，指導學生采用MATLAB仿真軟件對相關理論的應用進行仿真，以達到精通經典理論和工具的目的。

（2）案例庫建設

我校是全國三大電力院校之一，已有60多年的建校史，和電力行業存在血濃于水的天然聯系，在人才培養、科研攻關等方面有著廣泛的合作。基于此，將教師課題研究、供電企業各種電能質量事件進行匯總整理，形成課程案例庫，案例庫包括電能質量事件的現象、電網主要參數、事件過程、原因分析及解決方案。內容主要包括：1）居民電能質量案例庫，涵蓋諧波、三相不平衡和過電壓、雷擊浪涌等方面，如2013年上海市電力公司發生了若干次日本制造虎牌電飯煲不能正常工作事件；2）工業電能質量案例庫，涵蓋諧波、電壓波動與閃變等方面，如上海浦東日立集團諧波超標事件、浙江常山中頻爐和紡織廠共線跳閘事件、軌道交通電能質量問題等；3）新能源并網電能質量案例庫，涵蓋不同規模的風電、光伏及儲能系統并網電能質量問題等；4）交直流混合電網電能質量案例庫，涵蓋特高壓直流系統、柔性直流系統等的電能質量事件；5）敏感性負荷的電能質量案例庫，如上海音樂廳不明原因反復跳閘事件、電動汽車充電設施電能質量問題事件；6）電能質量控制技術案例庫，如有源電力濾波器設計方案等。

（3）案例教學實施

在完成經典理論的教學后，對專業知識采用啟發式案例教學方法，主要步驟如下：1）布置學生完成相關專業知識的理論自學，如講授電力系統諧波問題時布置學生完成諧波基礎知識、分析方法的學習；2）安排學生分組進行諧波測試，教學時安排學生利用實驗室錄波儀、電流鉗、LABVIEW軟件等工具分組測試不同諧波源的諧波發射水平，如我校實驗室現有的光伏系統、儲能系統、電動汽車充電設施、各種家用電器等的諧波發射數據，并在SIMULINK環境下進行仿真驗證，完成測試報告，每組一種或兩種負荷，學生必然通過自學深刻理解諧波基礎理論、傅里葉分析等基礎理論，并完全掌握諧波測試方法和仿真方法；3）下達案例，每3-5個學生一組，將案例庫中的該部分案例下達給學生，布置其按照電網參數搭建仿真模型，重現問題，如虎牌電飯煲不能正常工作事件，讓學生將當時電網錄波數據、電網結構、虎牌電飯煲電氣模型進行構建，重現問題，以身臨其境的方式學習該案例中涉及到的知識；4）交流與共享，限于教學時間的限制，不可能每個案例每個學生都能涉及，以課內講座的形式實現共享，學生以PPT的形式圖文并茂的介紹給其它同學，達到共同學習的目的。操作中，案例教學存在一定的難度，在學生遇到問題的時候需要教師及時點撥，提供案例數據，指點方法。

（4）前沿跟蹤

估計跟蹤前沿和不斷創新是研究生教學的重點，本課程要求學生在案例學習的同時將該領域的前沿成果論文進行集體解讀，形成綜述報告，必要時形成英文版綜述報告，并采用英語交流，達到學生閱讀能力、寫作能力和交流能力的綜合鍛煉。

4結論

在電能質量分析與控制教學中，通過精煉教學內容提高了教學重點，采用啟發式的案例教學方法，教師由“說教者”變成“點撥者”，學生由聽眾變成身臨其境的學習主體。通過這一教學實踐，學生的數學理論基礎得到夯實，文獻閱讀能力、外語應用水平、科研設計能力、綜合寫作能力和對外交流能力均得到顯著提高。由于案例庫尚在不斷完善中，部分案例的基礎數據和素材尚不夠完善，在今后的教學中進一步提高。

參考文獻：

[1]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]程浩忠.電能質量監測與分析[M].北京：科學出版社，2012.

[3]Roger C.Dugan，Power Systems Quality，Second Edition[M].McGraw Hill.

[4]郝一川，蘇小林.案例教學法在工科專業課教學中的實踐[J].中國電力教育，2010.175（24）.

[5]謝志江，等.案例教學法在工科教學中的應用[J].高等工程教育研究，2003，（5）.

基金項目：上海市電力學院研究生教學改革專項基金資助。