電力系統自動化專業碩士學位工程實踐課建設

王小君+和敬涵+夏明超+吳命利

[摘要]為實現教育部碩士研究生從學術型向應用型的轉變的要求，應采取多種形式來強化專業學位研究生的工程實踐環節，提高專業碩士的培養質量。現有專業碩士學位的實踐課程及其教學與“學術型”碩士趨同，忽視了專業碩士學位的“職業性、實踐性”特征。為培養電氣工程領域專業學位研究生的技術基礎、項目管理等方面能力，并促進其建立相應的工程設計體系概念，工程實踐課程的建設具有重要的意義，介紹了北京交通大學在電力系統自動化專業學位工程實踐課建設中的探索經驗。

[關鍵詞]工程實踐課；電力系統自動化專業；專業碩士學位；課程建設

[中圖分類號]G623.31[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2017）01010006

1課程建設背景

專業學位研究生在高層次社會人才培養中占據重要的地位，專業學位研究生的教育工作為我國的研究生人才培養注入了新的力量，發展專業學位研究生教育是我國高層次人才培養中一項不可缺少的環節。2009年，為了提高研究生結合專業知識與工程實踐的能力，加強研究生服務國家與社會的能力，教育部決定擴大招生范圍，招收以應屆本科畢業生為主的全日制碩士專業學位研究生，開展全日制碩士專業學位研究生的教育工作[1]。2011年，為了實現研究生教育結構的戰略調整和歷史轉型，碩士研究生教育開始從以培養學術型人才為主向以培養應用型人才為主進行轉變[2]。

電力系統結構龐大并且復雜，具有運行方式多變、地域分布廣、電能不可大量儲存、過渡過程非常迅速等特征。電能生產與國民經濟各部門和人民生活關系密切，電力系統發生嚴重故障時可能會造成大面積停電，將對社會的生產生活造成惡劣影響。

原有的電力系統方向專業課程注重基礎理論的學習。隨著電力工業的快速發展，這種模式的專業課程設置表現出了與實際生產的不適應和不協調，存在如下問題。

1） 在教學內容上，課程忽略了工程實踐問題的社會環境背景，內容偏重于基礎知識的傳授，與實際應用聯系不夠緊密。

2） 在教學方法上，課程更偏重于理論知識的分析，忽視了各部分知識間的聯系與綜合以及在電力系統工程實踐中的應用。

3） 在教學組織上，課程更偏重于課堂內容的理論教學，忽視了對學生學習興趣的培養及課程實踐的教學。

為響應碩士研究生從學術型向應用型轉變的要求，北京交通大學電氣工程學院在專業教育理念樹立、培養方案制定、培養模式改革、實踐基地建設以及雙師型導師隊伍建立等方面進行了眾多的探索。

開設《電力系統學科方向專業工程實踐課》課程是其中的重要環節，是提高專業學位碩士研究生實際工作經驗，培養碩士研究生獨立的發現、分析、解決問題能力的重要途徑。該課程在分析電力系統科技創新和人才需求計劃的基礎上，采取多種形式強化專業學位研究生的工程實踐環節，提升研究生的培養質量。

1國內課程開設情況

自2009年教育部決定專業學位碩士開始全日制培養起，國內各高校不同專業均開始了專業學位研究生培養方案與培養模式的研究[36]。目前，各高校已經普遍增加了專業學位研究生實踐培養環節，建設了大量研究生培養基地。

在課程建設方面，也有一些高校開始了相關實踐。文獻[7]提出了理工科院校翻譯碩士專業學位的課程設置的理論認知和實踐模型；文獻[8]對教育碩士專業學位之實踐課程及其教學進行了探索；文獻[9]中東北大學理學院開設了“無機材料結構表征技術課程”。根據調研，針對專業碩士學位研究生開設專門工程實踐課的相關文獻較少，電力系統自動化專業方向未見報道。

專業學位研究生教育培養具備一定理論基礎知識又具有很強動手能力的一流實干家，是高層次的復合型人才與技術管理人才。因此，專業實踐課程設置的目的應更側重于培養學生的工程實踐與職業能力，而不僅以掌握某門學科的基礎理論知識為目標。

2課程特色

本課程的課堂教學在常規教學模式的基礎上，結合電力行業的一線專家與校內善于科學研究的教師，通過使用大量演示性多媒體課件，縮短理論教學到實際應用的距離，同時將課程中引入國內外最新研究成果，結合實例分析來擴大學生的視野，以現場實際案例為載體來提升專業學位研究生的實踐能力。

1） 課程目標與任務明確。針對電氣工程專業應用型人才的培養需求，跟蹤調研本專業研究生的就業去向及其在工作中的角色和任務，明確了社會對電氣工程專業型研究生的具體要求，確定專業型研究生的培養目標，在課程內容中注重結合工程實際、著重培養學生實踐能力。

2） “走出去”與“請進來”有機結合改善教師隊伍。課程在教學過程中邀請了校外一線的科研生產工作者進行授課，將理論與現場工作經驗相結合，彌補了校內教師在工程實踐環節經驗的不足，有效提高了實踐教學效果，深受學生歡迎。

校方導師的學歷普遍較高，一般具有較為深厚的科研功底，多年以來都是工作在教學一線，對研究生課程教學都有豐富經驗，但并非對行業各方向的實際具體問題都十分了解。而校外各公司企業中的科研生產工作者對本單位的發展方向、本部門的技術問題有更為深刻、清晰的認識。為了提高專業學位研究生的理論研究水平，促進研究生的專業與工程實踐技能，可以采取一種校內外教師相結合的方式，發揮校內導師扎實課程教學經驗與校外企業科研生產人員先進工作思想的優勢，相互取長補短，有力促進專業學位研究生的整體素質。

同時，通過鼓勵任課教師參與電力系統行業培訓，深入企業內部，進一步地提高教師的工程實踐教學能力。

3） 增加學科前沿內容。電力系統學科屬于傳統學科，但仍處于高速發展過程中。近年來，新理論、新設備、新應用領域乃至新的網絡拓撲、新的控制方法都在不斷涌現。因此，電力系統實踐課在教授理論基礎的同時，也應及時補充學科的前沿內容。

4） 突出形成“理論與工程”教學思想。以往電力系統學科方向的相關課程更偏重基礎理論學習、理論知識的分析及課堂內容的理論教學。對如何從紛繁復雜的實際問題中提煉出可研究的模型關注不夠，但難以綜合運用所學的知識解決電力系統工程中的實際問題。

面對復雜的工程實際問題，要理清思路，明確所要解決的工程問題；通過以往的實踐經驗與理論學習，對枝節問題進行正確的簡化，突出待解決的主要問題；深入分析進而構建出能夠反映工程問題本質的數學模型；依據相關問題求解方法，利用所學的基礎理論知識和經驗對所求模型求解；進一步地探討該問題的工程意義，對其價值進行估計評判，對其環境社會影響進行理論分析，從而形成具有一般性概念和結論的理論指導。

5） 結合科研工作提高實踐能力。電力系統是一門實踐性很強的工科專業，調研中用人單位也多次強調了研究生實踐能力的重要性。當然，實踐能力的培養不應只是依托課程教學環節，而需要更應突出動手實踐能力。由于目前開設實驗等環節還存在一定困難，因此本項目在課程設計中設置了部分學時，由任課教師結合本人及學院在該領域的科研工作，針對實際問題展開介紹并組織討論、參觀等活動，充分利用已有科研工作基礎來培養學生的工程實踐能力。

3課程內容設計

課程內容設計首先經過充分調研確立了電力系統自動化專業學位工程實踐課的教學大綱。該課程是全日制電氣工程專業學位的碩士必修實踐課程，同時也可作為本專業學術型碩士研究生的專業選修課，課時共計16學時。

課程通過校內外教師結合的方式，對電力系統中核心的電力系統調度自動化、高壓直流輸電、保護與控制、電力市場、電力系統仿真技術以及電能質量等內容進行實際項目與案例的講授，使學生提前接觸到實際工程與現場情況。

學生通過本課程的學習，能夠在電氣工程領域的技術基礎、項目管理等方面有較全面的認識，并初步建立起相應的工程設計體系概念。掌握電力行業實際生產運營與技術開發過程，為從事相關領域的研發工作打下必要的基礎。提高具體實際問題的分析解決能力。了解電力行業前沿技術，具體教學內容包括如下6個部分。

1） 電力系統調度自動化現場運行案例分析。學校邀請校外電網調度領域專家進行授課，講授目前電網調度開展方式，包括發電計劃、電網優化運行、安全穩定分析的實施過程與實際案例。

2） 高壓直流輸電技術及案例分析。邀請校外專家進行授課，介紹現有高壓直流輸電技術的發展及其特點、換流電路的工作原理、換流站及其主設備（高壓直流輸電線路、諧波及濾波器）、高壓直流的控制系統及高壓直流輸電技術的發展前景。

3） 電力市場與需求側管理案例分析。由校內教師授課，講解電力市場的運營模式、電價理論、負荷預測和電價預測理論；電力市場輸電服務與輔助服務的分析與定價、發電廠商的競價策略、電力市場支持系統及其關鍵技術；現代電力企業基于決策支持系統的風險管理；售電側售電方案分析。

4） 電力系統實時動態安全技術。邀請校外專家進行授課，包含電力系統穩態與暫態分析、建模理論和方法、計算機數字仿真；介紹目前電力系統動態安全穩定的分析方法與工具。

5） 電力系統微機保護開發及研制流程。邀請校外專家進行授課，以培養學生探索、開發與研制等能力為重點，講授繼電保護設備的分類，原理以及實際開發過程。

6） 電能質量標準與用戶定制技術。校內教師講授，分析不同用戶對供電可靠性和電能質量的要求，研究結合之前所學相關的配電自動化、電力電子技術的知識來滿足用戶要求，介紹用戶定制電力相關設備。

課程更加強調發揮學生的自主學習與動手能力，以上講授的各部分理論知識作為基礎，課程更加注重其中的工程實踐訓練。將按小組劃分作為實踐討論單位，結合實際電力系統的項目研發，引導學生靈活應用所學知識。以電力系統工程軟件（PSCAD、DIgSILENT、PSASP、MATLAB等）工具的學習和使用為基礎，從真實工程項目的背景調研和需求分析入手，讓學生通過具體的模型構建、編碼實現及仿真測試來分析解決問題。該過程模式將以理論教學促進討論分析，從討論分析中引導至工程實踐，在實踐中真正學習掌握電力系統工程的理論與方法，為學生日后從事相關專業工作崗位打下基礎，也與電力系統企業標準進行接軌。

4課程實踐管理

根據上述課程內容設計，課程實踐訓練體系由基礎實踐、綜合實踐和配套的考核體制組成。其中，各部分課程內容均提供基礎實踐環節，每個基礎實踐難易程度相近，著重考察學生核心理論的掌握水平與基礎動手能力，學生可以根據興趣自由選取其中一個；綜合實踐根據課程內容中結合工程前沿的實踐案例進行設置，也可由學生在所選方向進行相應拓展或是自主選題設計，強調實踐內容的綜合性、實用性以及前沿創新性。具體的實踐考核管理原則如下。

1） 基礎實踐為必選實踐，學生自由選取并獨立完成，包含調研分析、編程實現/模型構建、總結報告3部分。以個人所提交的基礎實踐報告為考核依據，由任課老師進行審閱評價。

2） 綜合實踐按照項目小組進行劃分，小組內部協商選擇實踐題目，同樣包含分析、實現、總結3部分。要求小組以演示性多媒體進行現場答辯，依據答辯情況由考核老師和其他小組評價打分。再組內成員以小組實踐成績、個人貢獻排名以及答辯表現為考核依據，相互評價給出各組員分數。

5結合工程前沿的實踐案例

5.1直流輸電在海上風電并網中應用分析

案例教學目的與意義：高壓直流輸電技術已有60多年的發展歷史，成為了一項日趨成熟的技術。對于學生而言，在本科學習階段已經對直流輸電系統的基本構成、接線方式及主要元件有了初步的認識。本教學案例的特色在于充分結合了當前可再生能源規模化開發與利用的發展趨勢，來講解分析直流輸電技術的發展與應用。一方面能夠促使學生鞏固加深對直流輸電技術的掌握；也有利于學生了解直流輸電新的應用領域，對實際工程前沿能夠有一定的認識。

所選取的案例模型如圖1所示。案例中側重于案例教學過程的分析，忽略對模型本身的詳細介紹。

1） 簡介海上風電的發展概況。至2011年底全球已建成80個海上風電場，累計裝機達到4 954 MW。我國計劃到2015年和2020年，海上風電累計裝機容量分別達到5 GW、30 GW。

2） 簡述海上風電場的電力輸送方式類別，指出海上風電場遠距離傳輸常采用柔性直流輸電方式。結合已建成的實際工程對柔性直流輸電技術進行介紹，截至2009年世界范圍內已投運的柔性直流輸電工程共9項。我國已建成上海南匯風電場工程、廣東南澳工程、浙江舟山工程等多項柔性直流輸電項目。在講解過程中也建議學生課下對感興趣的工程查閱相關資料。圖1海上風電場直流輸電系統算例

3） 結合案例模型對海上風電并網直流輸電的系統構成與關鍵技術深入講解，具體闡明典型接線、運行方式、組成部分，以及換流器類型、風電場接入形式及其數學等值模型。在此過程中引導學生思考對比海上風電場并網的高壓交流輸電、高壓直流輸電和柔性直流輸電不同接入方式的差異。

4） 對直流輸電系統的關鍵組成——換流器進行詳細分析，包括換流器的拓撲結構、調制方法、均壓控制策略等。針對兩電平換流器、三電平換流器和多電平模塊化換流器分別展開分析討論，促使學生對直流輸電核心技術有較為深入的認知。

5） 研討實踐環節設置。要求學生應用DIgSILENT或MATLAB等仿真軟件來搭建實現直流輸電系統中的不同類型換流器，作為基礎實踐環節。綜合實踐要求完成上述系統在不同運行工況下的仿真分析，著重研究控制策略不同所帶來的影響。

通過上述案例分析與具體實踐過程，將幫助學生建立起對直流輸電系統運行控制的直觀印象，并且也引導學生將模型仿真結果與教學內容相聯系驗證，來深化對直流輸電技術的理解和掌握。

5.2繼電保護算法工程測試驗證流程解析

案例教學目的與意義：繼電保護是保障電力系統安全穩定運行的關鍵，保護設備在投放至電力系統前都需要對其算法、動作特性等進行嚴格的測試驗證。學生在本科學習階段已經對繼電保護的作用、原理、基本要求及保護裝置的組成都有了初步認識。本案例深入講解了Alstom公司的保護算法測試驗證策略，一方面促使學生鞏固加深對繼電保護知識的掌握，另一方面也有利于學生了解國外企業公司對繼電保護算法的研發思路，為學生的課題研究提供參考與借鑒。

1） 介紹測試驗證流程及其特色。流程示意如圖2所示，將PSCAD與MATLAB結合應用實現優勢互補，既利用了PSCAD中仿真模型與電磁暫態過程計算更為精確的特點，又利用了MATLAB數據處理高效便捷的優點。不同仿真平臺的結合應用一方面實現了保護算法的半自動化測試驗證，另一方面也使得測試模型與保護算法間相互獨立。建立完善的測試模型后可以便于不同算法的驗證，也更利于對算法的調整。

2） 選擇如圖3所示模型，結合算例來講解線路保護算法的測試驗證具體流程。首先，引導學生分析系統中可能發生的不同故障，應考慮包括不同故障位置、不同故障類型、不同故障阻抗、以及不同的系統運行狀況。例如，該案例模型故障位置應考慮線路不同部位，如F1、F2和F3標志處；應考慮不同故障類型，如三相短路、兩相短路、兩相接地短路及單相短路接地。

3） 選取一種故障情況，在PSCAD算例模型中進行仿真演示，并重點講解如何將電壓、電流測量導出為標準的comtrade錄波文件。基礎實踐環節設置：要求學生分析系統中可能發生的所有典型故障情況，參照步驟3）在PSCAD或其他電磁暫態軟件完成仿真，輸出comtrade文件并進行相應分析。

4） 分析MATLAB如何讀取錄波文件至工作空間，以及在Simulink中如何讀取工作空間的變量數據。此過程重點在于使學生了解掌握數據的傳遞過程。

5） 簡單分析Simulink中線路保護算法實現。著重講解如何編寫MATLAB數據自動處理腳本，即如何從工作空間調用變量數據導入至Simulink中進行計算。

6） 演示自動處理腳本如何將變量數據從MATLAB工作空間傳遞至Simulink保護算法模型進行計算，并將結果輸出至excel文件存儲。將計算結果與仿真模型對比，表示一致通過，否則錯誤告警。

7） 綜合實踐環節設置。要求學生參照上述的保護測試流程，從線路保護、變壓器保護、母線保護等中選擇一種設備保護進行研究，通過電磁暫態軟件完成仿真測試，分析保護方法的速動性、靈敏性、選擇性與可靠性。

6總結

科學合理的課程體系設置是教學質量的基本保證，根據全日制專業學位研究生培養教育中的實踐性要求以及課程設置體系中存在的問題，結合電力系統自動化專業特點，建設了“電力系統自動化專業碩士學位工程實踐課”。課程通過專題講座與工程實例，可為學生為從事相關領域的研究、開發工作打下必要的基礎，培養了其分析解決問題的能力。

參考文獻

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AbstractFor the realization of the ministry of education requirements of master graduate student from academic to practical，we should take many forms to strengthen the engineering practice of the professional degree graduate students，and improve the training quality of the graduate students.At present，the practice of the professional degree course and its teaching and ″academic″ master convergence，ignored the ″professional， practical″ characteristics of professional master degree.In order to develop professional degree graduate students ability of the technology foundation， project management and so on in the field of electrical engineering， and promote its to establish the corresponding engineering design system concept，engineering practice course construction is of great significance.This paper introduces the exploration and experience in the construction of the power system automation degree in Beijing Jiaotong University.

Keywordsengineering practical course；power system automation；professional master′s degree；course construction