《電力系統數字仿真基礎》研究生課程建設與實踐

楊文輝

摘?要：《電力系統數字仿真基礎》是三峽大學電氣工程專業研究生的一門選修課程，主要介紹電力系統數字仿真原理和程序實現方法。通過將復雜的電力系統進行等值建模仿真，直觀展示電力系統各種機電和電磁暫態現象的基本規律，有助于提升學生獨立承擔工程規劃、工程設計、工程實施、工程研究、工程開發的專業技術能力。結合研究生課程教學實踐，對課程建設的教學資源、教學方法、考核方法進行探索，為同類課程的教學改革提供參考。

關鍵詞：電氣工程;數字仿真;課程建設;教學改革

對簡單電力系統的數學模型進行研究可以采用解析的方法，通過數學公式的推導得出分析結論。然而，研究復雜電力系統的數學模型時，通常需要采用數字仿真的方法，[1-2]通過計算機數值迭代直觀展示電氣量的變化規律。電力系統仿真技術基于相似原理，利用電力系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究，不受被研究系統的元件復雜性和網絡系統規模大小的限制，在電力系統的研究工作中具有十分重要的意義。

《電力系統數字仿真基礎》是三峽大學電氣工程專業研究生的一門選修課程，通過本課程的學習，使學生掌握電力系統數字仿真的基本原理和程序實現方法，能夠使用Matlab、C語言[3]等工具進行編程，實現對電力系統暫態過程的數字仿真。達到進一步加深對理論知識的理解，培養使用計算機進行工程計算和分析能力的目的，為適應今后科學研究和實際工作要求打下基礎。

為了適應培養具有科研能力、工程實踐能力和創新能力的電氣工程專業學位碩士研究生培養目標，結合近年來的研究生課程教學實踐，對《電力系統數字仿真基礎》課程建設的教學資源、教學方法、考核方法進行探索，為同類課程的教學改革提供參考。

一、課程教學資源的建設

根據《電力系統數字仿真基礎》課程教學目標，將教學內容設計為兩個部分。其中，第一部分為理論基礎：包括電力系統仿真的基本概念、電力系統主要元件的數學模型和簡單電力系統的數值計算方法，以教師課堂講授為主;第二部分為編程仿真，以學生課后練習為主。根據上述教學內容分別編制相應的理論課程教案和編程仿真教案。

（1）理論課程教案：根據課時安排將理論課程分解為4各部分，具體為：電力系統數字仿真的計算方法、電力系統元件的動態數學模型、簡單電力系統的數字仿真方法和復雜電力系統的數字仿真方法。分別針對上述各部分教學內容編寫教案，教案包括教學內容、教學目標、教學重點、教學難點。以“簡單電力系統的數字仿真方法”為例，理論課程教案包括如下主要內容。

教學內容：系統數字仿真的基本概念;系統數字仿真的步驟;電力系統仿真模型的分類;常用仿真工具介紹;連續系統數字仿真計算方法。學習目標：系統數字仿真的用途和優點;古典數值積分計算方法。教學重點：常用的數值積分方法，歐拉法、梯形法、龍格-庫塔法。教學難點：數值積分法的誤差、數值穩定和剛性。

（2）編程仿真教案：為滿足基于仿真任務驅動教學的需要，根據學生課后仿真程序編寫和調試的需求，設置3個編程仿真案例任務提供學生選擇完成，具體為：同步發電機突然短路暫態過程的仿真分析;發電機自勵磁方式的仿真分析;簡單電力系統暫態穩定的仿真分析。以“同步發電機突然短路暫態過程的仿真分析”為例，要求學生利用Matlab、C語言等仿真工具進行自主編程和調試，完成發電機空載條件下發生機端三相短路時，定子三相電流和轉子電流的瞬時值隨時間變化曲線的數值仿真計算，進一步結合理論分析仿真計算結果，該編程仿真教案包括如下主要內容。

教學內容：同步發電機基本方程的差分形式;同步發電機基本方程的初值計算;同步發電機三相短路的數值計算。學習目標：理解基于隱式梯形積分法的同步機基本方程的差分化;理解編程工具在同步發電機三相短路的數值計算中的作用。教學重點：同步發電機三相短路的數值計算。教學難點：同步發電機基本方程的差分形式。

二、課程教學和考核方法

針對同步發電機等電力系統動態元件模型方程推導復雜、微分方程的差分過程步驟繁瑣的問題，采用教師為主導的課堂講授方法，突出分析和解決問題的思路;針對電力系統數字仿真結果直觀性強的特點，教學采用了案例式的教學方法，例如采用同步發電機三相短路的數字仿真案例，使學生理解簡單電力系統的數值計算方法;針對程序編寫調試技術，學生僅通過課堂學習難以真正掌握，需要鼓勵學生自主完成的特點，采用難點互動討論法，教師重點是保證教與學之間的溝通討論，及時幫助學生解決可能遇到的問題。

在課程考核方法方面，《電力系統數字仿真基礎》課程教學中每位學生的期末成績由數值仿真研究報告和平時成績兩部分內容構成。其中，研究報告占總成績的70%，主要內容包括：提出待研究問題;介紹研究背景;說明研究方法;建立仿真模型、編寫和調試數值計算程序;給出研究結果及其分析，在鍛煉學生解決實際問題能力的同時，也有助于提高學生科技論文寫作水平。平時成績主要考核課堂出勤率、參與考堂討論活躍程度。實際教學中，借助學堂在線與清華大學在線教育辦公室共同研發的智慧教學工具雨課堂的數據支持和個性化報表，及時記錄每一位學生的學習表現，在期末有據可依地給出平時成績，有效地激發了學生的學習主動性和學習興趣。

三、結論

通過本課程建設完善了《電力系統數字仿真基礎》課程的基本教學資料，為課程今后的發展提供了條件。通過課堂教學的實施，使學生加深了對理論知識的理解，提高了學生使用計算機進行工程計算和分析問題的能力，為適應今后科學研究和實際工作要求打下基礎。另一方面，程課學內容涉及較多基礎理論的綜合運用，而部分學生存在知識結構不全面和專業基礎理論知識不扎實的問題，對預期教學效果產生不利影響，需要在今后的工作中進一步尋求解決。

參考文獻：

[1]齊琳.數字仿真技術在自動化專業教學中改革探索[J].科技風，2014（01）：212.

[2]鄭一力，趙燕東.控制系統數字仿真教學改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2017（21）：48-50.

[3]王奕翔，曹琳，何敏，王子微，范小嫻.基于C語言的MATLAB軟件編程在數學建模中的應用研究[J].教育現代化，2019，6（48）：127-129.