基于實踐模式的“電力系統分析”課程研究

李建軍，酉育紅，鄒夢麗

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆兵團警官高等專科學校，新疆 五家渠 831300)

0 引言

作為實踐性很強的的一門課程—“電力系統分析”，其必定與工程實踐緊密聯系。隨著現代電力系統發展，已經形成電網容量大、機組容量大、工作電壓高、傳輸距離遠、重負荷以及不穩定新能源的新型電力系統[1]，新型電力系統的發展必然離不開實踐環節[2]。

根據調研發現，一些高校“電力系統分析”課程的實踐環節甚至沒有安排，部分高校雖然有實踐教學環節，但是實驗學時數也很少，比如只有3個實驗，這和電力系統分析大量的理論課程內容本身比較起來[3-4]，遠遠沒有達到實踐鍛煉目的。實踐教學是理解理論教學的重要途徑和方法，它可以幫助學生理解晦澀難懂的公式和模型，同時還能提高學生的動手能力，因為電氣工程專業畢業后動手操作是必須具備的能力?；诓糠指咝！半娏ο到y分析”課程這種理論沒有聯系實際的一些現象，本文圍繞電力系統的發展要求對“電力系統分析”課程的實踐環節進行改革和仿真平臺搭建。

1 實踐教學的改革

本著培養出具有綜合能力和工程實踐能力的人才出發，研究“電力系統分析”課程教學方法的改革，著重從實踐環節對“電力系統分析”課程的教學模式改革。主要包括實踐教學內容和方法的研究、電力系統仿真平臺的搭建。

1.1 實踐教學內容

實踐教學內容一方面要從人才培養方案和教學大綱修訂著手，完善實驗課程；另一方面進行“電力系統分析”課程綜合設計單元。實驗課程方面要結合教師上課過程中學生出現的難點和重點內容，擬定實驗題目，實驗的目的是反哺課堂上理論的理解；綜合課程設計方面要多維度考慮，例如可結合已經畢業的學生就業情況，通過調研企業的實際需求來設置綜合課程設計內容，同時結合學生的自身實際情況和專業水平來綜合設計，另外設計中還可以增加“電力系統分析”課程的新知識，由于電子技術和計算機技術的快速發展，課程在一定時間會出現新知識，為了讓學生了解當前課程的發展現狀，適當增加一些研究人員新觀點、新成果和新理念，與當前課程發展接軌。

課程設計的題目多樣化，便于學生自由選擇自己感興趣的題目，這樣既可以提高設計的效率又兼顧不同情況的學生現狀。例如，電力系統綜合設計題目為兩相短路電流的計算；多節點潮流計算的程序設計；系統故障的計算和分析等等。不同的題目方法和掌握的內容不同，比如兩相短路電流的計算這個題目，必須要掌握對稱分量法才能解決這個題目，把不對稱的故障電路等效變換成正序、負序和零序的對稱電路，變換成學生熟悉的對稱電路進行分析；再比如多節點潮流計算的程序設計，要求學生必須掌握計算機仿真軟件進行分析，才能最有可能完成題目的設計目的。因此這些設計題目可以滿足不同知識點需要，達到知識點覆蓋面廣的設計目的。

1.2 電力系統仿真實驗平臺建設

作為電氣工程及其自動化專業的核心課程的“電力系統分析”，具有教學理論性強、電壓高實踐操作危險的特點，而虛擬仿真技術（Virtual Reality，VR）就是用一個虛擬的系統模仿真實環境，具有很強的交互性、安全性、認知和感知性[5]。虛擬仿真教學主要應用在危險系數高、操作難度大、設備復雜等專業領域[6]。因此，“電力系統分析”課程教學引進虛擬仿真技術，能夠仿照電力系統設備實際操作。

以110 kV變電站主為例，其主電路包括110 KV/35 KV高壓變壓器、高壓母線、少油斷路器、隔離刀閘、避雷器以及互感器等設備。通過虛擬仿真平臺能對這些電氣設備巡視，巡視到變壓器時能夠檢測到變壓器的參數如相電流、相電壓等，還可以通過監控圖操作，生成報表并記錄在后臺數據庫中，交接班人員可以通過數據庫查看操作記錄。

110 kV變電站虛擬仿真平臺是三維模型組成，能形象地提供了一種立體化的、交互的模擬仿真系統。授課教師仿佛身臨其境，使抽象的復雜的電力系統呈現出直觀的理解形式，為學習“電力系統分析”課程提供一種新的認知和感知相融的學習方法。另外，變電站的三維模型除能夠實現設備巡檢外，還能實現停電、驗電、掛地線、設圍欄、掛警示牌等操作。例如模擬仿真現場操1號斷路器QF1，則通過三維導航圖中找到QF1，雙擊QF1斷路器的箱體門，對“遠方-就地切換旋鈕”操作，切換至就地位，最后進行分合閘操作。通過虛擬仿真平臺還可以進行故障設置與巡檢，例如可以對站內電力主變壓器、少油斷路器、互感器以及避雷器等設置故障。對故障現象，相應的設備會有異?，F象出現，這時通過虛擬仿真平臺巡視可以發現故障，并通過三維圖查看故障現象和后果，這樣可以不用打開實際的復雜設備，就能夠清楚設備問題所在，對加深理解設備原理起到重要作用。

1.3 實踐教學方法的改革

實踐環節的教學方法和手段方面，可以多方面結合進行，比如申報各類高教項目，通過申報實踐教學項目，加深對實踐教學的理解，對實踐教學存在疑惑的地方，在PPT匯報和評審專家的點評中都能得到積累和提升；對青年教師，鼓勵他們到企業實踐鍛煉，了解企業的實際，學習書本上沒有的東西，讓教師體驗作為一名專業技術人員的判斷問題、故障分析以及解決問題的過程，來促進教師的理論和實際相互結合，提高專業課程的教學效果和教學質量。另外，還可以帶學生到企業調研，結合學生“電力系統分析”課程設計題目，有目的的通過企業工程師了解第一手資料，讓學生的設計內容和現場實際不脫鉤，提高學生學習課程的自信心和理解力，結合現場實踐提出“講解-拆分討論－匯總”實踐教學方法，引導學生掌握課程重點內容，理解難點內容，同時針對“電力系統分析”課程不同的學習內容，結合實踐需要提出一些學生感興趣的問題，激發學習的積極性。另外實踐教學中利用先進教學輔助手段如計算機軟件對實際問題進行分析，對于復雜的電力系統計算問題，要利用仿真軟件如Matlab等。因此，“電力系統分析”課程的教學要按照課堂理論分析+實踐環節的培養模式，在理解理論的前提下，鼓勵學生參加大學生電子競賽、創新創業項目來提高學生自身的創新研究能力。

2 實踐教學

2.1 實驗環節和實驗室建設

“電力系統分析”課程具有理解難度高的特點，增加綜合性實驗比重，減少驗證性實驗、提高學生專業創造性和綜合性能力，注重實踐操作，是實現學生有較強的動手能力、提高“電力系統分析”課程理解力的重要手段。對應“電力系統分析”課程建立和其相關的實驗室，如電力電子實驗室、電機拖動實驗室、電機維修實驗室、電力系統分析實驗室以及電力仿真實驗平臺實驗室等，這些實驗室的建設能夠充分滿足學生實驗和課程設計教學需求。實驗中根據實驗操作規程，分析和解決實驗中出現的問題，從而提高學生的電力系統設計和理解能力。

2.2 校外實習

“電力系統分析”課程實踐教學方面，必然離不開對企業的調研和了解[7]，為了讓學生能夠多元化了解電力的各個方面，一方面要了解傳統的電力方面的知識，例如到電力公司參觀實習和實訓，本專業學生通過參加這些企業的培訓中心實習，從現場親身實踐和理解電廠和變電站的工作規程；另外為了更好地做好畢業設計和課程設計，引導學生放假期間到這些企業調研和自己設計的相關專業內容，例如做電力系統短路計算設計和故障設計課題時，學生到現場了解發電廠和變電站的短路現象、短路產生的影響、故障頻率以及故障如何分析和排除等，通過這些現場的了解和實踐才能加深設計的內容。另一方面還要了解電力系統中出現的新知識和新系統包括光伏發電和風力發電，帶學生到光伏電站實習和實訓，了解新能源發電是電力系統的重要補充，以及新能源發電帶來的主要問題，例如氣象變化的不確定性使光伏電源和風力發電輸出功率也具有不確定性，及其對電力系統產生的影響等，經過對這些新知識的現場認知，在實習中才能更清楚理解可再生能源對電力系統的網絡影響。

2.3 實訓教學的策略

聘請企業的工程師和校內教師，聯合帶學生實習。從不同角度和學生講解，讓不同背景的指導教師發揮各自的長處。在講解過程中，工程師分組帶隊到企業的電力系統仿真室、中央控制室學習并體驗各類專業問題及現象。通過這樣的實踐教學方法，把學生的基礎研究能力、工程實踐能力和創新能力作為培養目標，使“電力系統分析”課程形成驗證性和綜合性實驗相結合、感知實習和操作動手實習相結合的實踐教學體系[1]。

跟企業進行項目合作，深層次互動交流學習。合作以科研立項的形式進行，通過科研立項的建設，建立對校企雙方都有利的產學研合作形式，提高教師專業水平。鼓勵任課教師到企業進行掛職學習和鍛煉。通過青年教師的掛職，加深教師自身對企業的發電站、變電所運行情況的了解，直到熟悉和掌握企業的運行情況，包括安全操作規程、緊急故障處理、監控系統操作、現場檢修和保養等問題，從而提高教師的實踐能力。通過親身體驗企業現場實踐，讓教師重視學生實習實訓環節，更深刻認識和分析出變電站、發電廠與“電力系統分析”課程相關性，更有目的性的帶領學生在變電站和電力公司進行實習。

另外，鼓勵青年教師參加校、院級的實踐教學技能大賽，并通過獲獎激勵教師自己不斷學習；結合“電力系統分析”課程，到內地知名企業參加各類課程建設、提升與專業能力相關的專業實踐培訓；組織學生參加電子競賽、指導大學生創新創業訓練計劃項目，培養學生綜合運用所學知識獨立分析問題和解決問題的能力，使學生初步掌握科學研究過程，培養學生的專業興趣，從而更好地促進本專業學習。

3 結語

本文根據“電力系統分析”課程理論性強、電壓等級高、實驗難做的現實問題，提出實踐教學環節對“電力系統分析”課程理解的影響，圍繞電力系統的發展要求，改革“電力系統分析”課程的實踐環節，搭建仿真平臺。通過建設實驗室和實訓基地，完善實驗課程、課外實訓和電力系統綜合課程設計，改革實踐教學模式，為提高學生的工程實踐能力提供技術參考。