現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)改革研究

屈星，盛義發(fā)，肖金鳳，蘇澤光，文娟

（南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南衡陽 421001）

現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)是新工科建設(shè)的再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)，是進(jìn)一步推進(jìn)科教結(jié)合、產(chǎn)教融合、校企合作，發(fā)揮高等院校人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、服務(wù)社會(huì)職能的重要舉措[1-2]。在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院人才培養(yǎng)模式下，校企協(xié)同制定與產(chǎn)業(yè)緊密融合的人才培養(yǎng)方案，企業(yè)深度參與教學(xué)過程和課程體系建設(shè)，協(xié)同培養(yǎng)適應(yīng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的卓越人才[3]。在此背景下，南華大學(xué)與湖南省湘雁輸變電產(chǎn)業(yè)服務(wù)中心共建輸變電現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)輸變電現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才。

電力系統(tǒng)分析課程主要研究電力系統(tǒng)在正常和故障運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行特性，是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的主干課程，具有顯著的工程屬性，在電氣專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系中占據(jù)重要位置[4]。由于該課程的強(qiáng)工程屬性，對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)提出了更高的要求，但目前多數(shù)高校側(cè)重理論教學(xué)，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的重視不夠，這一方面是受限于電力系統(tǒng)的特殊性，缺少可用于實(shí)踐教學(xué)的真實(shí)電力系統(tǒng)環(huán)境，另一方面是產(chǎn)教融合缺少能有效提高實(shí)踐教學(xué)效果的實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，且缺乏有效的獲取途徑，這些因素導(dǎo)致該課程的實(shí)踐教學(xué)效果不理想。基于此，本文在綜述電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探討在輸變電現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)，在綜合考慮學(xué)生特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)需求和專業(yè)建設(shè)等因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于校企深度合作、無縫銜接電力供應(yīng)流程、反映電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的多層次立體化實(shí)踐教學(xué)體系，鍛煉并提升學(xué)生分析解決復(fù)雜電氣工程問題的能力。

1 電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)分析是關(guān)于電力系統(tǒng)計(jì)算與分析的課程，由于電力系統(tǒng)的特殊性，無法建立完整的電力系統(tǒng)物理仿真實(shí)驗(yàn)室，而電力系統(tǒng)分析課程又具有較強(qiáng)的工程性，學(xué)生的工程素養(yǎng)與能力是評(píng)價(jià)學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)的根本指標(biāo)。因此，電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)效果具有重要影響，可見，新工科背景下的電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)，需要電力系統(tǒng)仿真工具作為基礎(chǔ)支撐。

基于電力系統(tǒng)分析課程的強(qiáng)工程屬性，發(fā)達(dá)國(guó)家利用在電力領(lǐng)域的先發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了眾多的電力系統(tǒng)仿真工具，比如電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真工具有美國(guó)PTI 公司的PSS/E、美國(guó)EPRI（電力科學(xué)研究院） 的ETMSP；德國(guó)西門子公司的NETOMAC；加拿大Powertech Lab Inc 的電力系統(tǒng)安全分析軟件包DSAToolsTM 和Dennis Woodford 博士開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC 等。這些豐富的電力系統(tǒng)仿真工具為國(guó)外電力系統(tǒng)分析課程（類似課程）工程化教學(xué)提供了便捷條件，使得發(fā)達(dá)國(guó)家在傳統(tǒng)電氣工程學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量方面整體上優(yōu)于我國(guó)[5]。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)了PSASP、ADPSS Lab、PSD-BPA 等電力系統(tǒng)分析工具，在系統(tǒng)內(nèi)和知名高校得到了廣泛應(yīng)用，而大多數(shù)普通高校因版權(quán)和經(jīng)費(fèi)等原因，沒有建立電力系統(tǒng)分析課程的仿真實(shí)驗(yàn)室，這在一定程度上影響了我國(guó)電氣工程學(xué)科專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量[6-10]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)開發(fā)了眾多基于云端的電力系統(tǒng)分析工具，比如清華大學(xué)發(fā)布的能源互聯(lián)網(wǎng)云仿真平臺(tái)CloudPSS[11]、中國(guó)電力科學(xué)院PSASP云端仿真平臺(tái)[12]等，這些開放、免費(fèi)的云端電力系統(tǒng)分析工具，為普通高校開展面向工程能力培養(yǎng)的電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)的有效實(shí)施創(chuàng)造了良好的條件，有力促進(jìn)我國(guó)電氣工程學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。

在電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)改革方面，國(guó)內(nèi)諸多高校已經(jīng)進(jìn)行了一些有益的嘗試。例如，華南理工大學(xué)開展的新工科背景下基于應(yīng)用人才培養(yǎng)的電力系統(tǒng)分析課程改革與實(shí)踐[6]，黑龍江科技大學(xué)開展的電力系統(tǒng)分析研究性教學(xué)改革研究[13]，武漢科技大學(xué)開展的電力系統(tǒng)分析課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[14]，北京交通大學(xué)開展的電力系統(tǒng)分析實(shí)踐教學(xué)探索[15]等。這些電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)改革研究，本質(zhì)上都是以提高學(xué)生工程能力為目的。現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院是新工科建設(shè)的新途徑，基于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院人才培養(yǎng)模式的電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)改革較少，但已有的課程教學(xué)改革研究仍然提供了有價(jià)值的參考。

2 現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下課程實(shí)踐教學(xué)思路

2.1 實(shí)踐教學(xué)改革定位

實(shí)踐教學(xué)是課程教學(xué)的重要組成部分，是理論教學(xué)內(nèi)容的掌握、深化和綜合應(yīng)用。南華大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)主要是面向電力行業(yè)。電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)改革的定位是：突出課程工程屬性，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.2 實(shí)踐教學(xué)改革總體思路

根據(jù)強(qiáng)化學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)的要求，遵循“循序漸進(jìn)、突出工程”的原則，在輸變電現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院框架下，統(tǒng)籌學(xué)校和企業(yè)實(shí)踐教學(xué)資源，通過構(gòu)建“多層次、立體化”實(shí)踐教學(xué)體系，提高學(xué)生解決復(fù)雜電氣工程問題的能力。現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)改革的總體思路如圖1 所示。

圖1 電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)改革思路

3 多層次立體化實(shí)踐教學(xué)體系的建立

3.1 校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合

按照知識(shí)學(xué)習(xí)的一般規(guī)律，在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院合作框架下充分利用校企資源，重構(gòu)電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建包括認(rèn)知實(shí)踐層、基礎(chǔ)實(shí)踐層、應(yīng)用實(shí)踐層和創(chuàng)新實(shí)踐層四個(gè)層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

認(rèn)知實(shí)踐以校外實(shí)踐為主，通過參觀變電站、發(fā)電企業(yè)、電力設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)等電力工業(yè)節(jié)點(diǎn)，使學(xué)生了解電力行業(yè)的基本構(gòu)成和電力系統(tǒng)構(gòu)成的各個(gè)環(huán)節(jié)，使學(xué)生從整體上形成對(duì)電力系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)。

基礎(chǔ)實(shí)踐以校內(nèi)實(shí)踐為主體，通過實(shí)驗(yàn)和仿真的方式加深學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)各元件模型和系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其基本理論的理解，包括發(fā)電機(jī)模型、變壓器模型、負(fù)荷模型等元件模型，以及潮流計(jì)算、短路電流計(jì)算、故障分析等系統(tǒng)基本分析方法。

應(yīng)用實(shí)踐采取校內(nèi)外實(shí)踐相結(jié)合的方式，訓(xùn)練學(xué)生如何將理論知識(shí)應(yīng)用于解決工程問題，培養(yǎng)學(xué)生工程思維，包括電力系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)頻、運(yùn)行控制、穩(wěn)定性分析等。校內(nèi)實(shí)踐以專業(yè)軟件仿真實(shí)踐為主，校外實(shí)踐以產(chǎn)業(yè)學(xué)院合作企業(yè)提供的電力系統(tǒng)模擬實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)為主。

創(chuàng)新實(shí)踐也采取校內(nèi)外實(shí)踐相結(jié)合的方式，學(xué)校教師和企業(yè)資深工程師通過課程設(shè)計(jì)和科研輔助等途徑，將教學(xué)內(nèi)容未覆蓋的電力系統(tǒng)知識(shí)納入課程實(shí)踐教學(xué)，比如交直流混合輸電網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算、儲(chǔ)能輔助調(diào)壓調(diào)頻等，培養(yǎng)學(xué)生解決電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力。

3.2 多層次立體化實(shí)踐教學(xué)體系

校內(nèi)外實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程多層次立體化實(shí)踐教學(xué)體系，如圖2 所示，現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)以校內(nèi)實(shí)踐為主體的模式向校企聯(lián)合實(shí)踐教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，根據(jù)合作企業(yè)工程能力，課程實(shí)踐教學(xué)效果得到質(zhì)的提升，有利于學(xué)生電力系統(tǒng)工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

圖2 多層次立體化課程實(shí)踐教學(xué)體系

在多層次立體化實(shí)踐教學(xué)體系中，專業(yè)軟件（比如PSASP、PSCAD 等）仿真實(shí)踐教學(xué)和合作企業(yè)提供的電力系統(tǒng)模擬實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)居于重要地位。一方面，由于電力系統(tǒng)的特殊性，電力系統(tǒng)復(fù)雜工程場(chǎng)景只能用軟件模擬來實(shí)現(xiàn)；另一方面，由于電力系統(tǒng)的抽象性，電力系統(tǒng)物理系統(tǒng)與其數(shù)字模型的映射關(guān)系不容易理解，電力系統(tǒng)模擬實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)有助于建立起這種映射關(guān)系。還有，軟件仿真和模擬實(shí)操既銜接了認(rèn)知實(shí)踐和基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)，又銜接了創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，且在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，軟件仿真是設(shè)計(jì)方案有效性驗(yàn)證的重要方式。此外，軟件仿真和模擬實(shí)操兩者之間能夠相得益彰，實(shí)操訓(xùn)練平臺(tái)能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理電力系統(tǒng)的理解，在進(jìn)行軟件仿真時(shí)，有助于建立電力系統(tǒng)物理系統(tǒng)與其模型的映射關(guān)系；而軟件仿真能極大豐富電力系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景，學(xué)生在實(shí)操訓(xùn)練時(shí)能知其所以然。

應(yīng)當(dāng)指明的是，創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)的創(chuàng)新是從學(xué)生視角來看，課程教學(xué)內(nèi)容未涵蓋的電力系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)都可歸為創(chuàng)新，也包括學(xué)校教師和企業(yè)工程師正在研究的電力系統(tǒng)前沿問題。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)分析是一門強(qiáng)工程屬性的電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心課程，實(shí)踐教學(xué)對(duì)課程教學(xué)效果具有重要影響。本文探討了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院模式下電力系統(tǒng)分析課程實(shí)踐教學(xué)改革方案，充分結(jié)合校企雙方優(yōu)勢(shì)資源，遵循學(xué)習(xí)的一般規(guī)律，提出了包括認(rèn)知實(shí)踐、基礎(chǔ)實(shí)踐、應(yīng)用實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐在內(nèi)的電力系統(tǒng)分析課程多層次立體化的實(shí)踐教學(xué)體系，滿足新工科建設(shè)背景下對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)的要求，以期提高電力系統(tǒng)課程教學(xué)效果，促進(jìn)產(chǎn)教融合，提升學(xué)生工程素養(yǎng)。