电力系统动态模拟仿真综合性实验教学研究*

胡少强 王智东 林声宏

华南理工大学 广东广州 510640

电力系统动态模拟仿真综合性实验教学研究*

胡少强 王智东 林声宏

华南理工大学 广东广州 510640

为了改变实验课时少、实验内容无法形成系统性、实验效果差等问题，在电气工程专业设置的电力系统动模实验基础上，加大了动模实验室改造、进行课程改革、优化实验内容、加强实验管理等举措，完善了电力系统动态模拟仿真综合性实验的内容，提高了实验的效果。

实验教学；综合性实验；电力系统；动模

电力系统分析是电气工程专业重要的基础课程,在电力类课程教学中处于核心地位,学生对该课程的理解和掌握直接影响其专业基础和技能发展。该课程具有很强的理论性,内容丰富、抽象,不容易理解和掌握,学生很容易陷入死记硬背公式和不求甚解的复杂计算中；而该课程的实验课“电力系统动模实验”在加强学生的直观理解、培养动手能力方面起着重要的作用。

一、综合性实验课程重要性

综合性实验是实验教学内容、实验教学方法和手段改革的重要教学模式，由于综合性实验具有实验内容的复合性、实验方法的多元性、实验手段的多样性，所以它与常规的、单一内容的验证性实验有着很大的区别。以我学院的动模实验为例子，在开设综合性实验前,安排了8学时的动模实验。而动模实验不仅涉及动模原理等理论知识，又包含具体实验项目；实验过程中,既需了解和熟悉设备的功能和特点，又需掌握具体的实操。因此，学生很难在短时间内对实验过程有较深入的了解和掌握,特别是实验过程中的各种运行工况、结果的理解和掌握,实验效果不理想。

以往的教学实验中，动模实验作为电力系统分析教学组成部分，在授课期间穿插做实验，内容分散，很难形成系统性。导致学生对动模实验的重视程度不够，实验过程中只是机械地听从教师的指示进行操作，对实验的内容比较模糊，动模实验本应具有的直观性等优点未能充分体现。

继电保护、自动装置等电力专业课程都有相应的实验课程，但这些实验主要针对该课程的内容，知识面较窄，初学者易于将其局限于某一课程，较难以将知识点融合，形成系统的电力知识。而动模实验既包含了发电（原动机和励磁调节等）、输电等一次系统内容，又包含了保护、并网控制等二次系统知识，是最易实现电力诸多知识点融合的实验课程。而且，当前课程的交叉性越来越强，实验课程也需相应地进行整合，而综合性实验是最有前途的路径之一，这有利于克服传统实验只停留在分散的验证某个概念、理论、方法的较低水平上。通过综合性实验，改变学生从原来的验证性实验到综合性实验的思路和方法，引导学生把实验的重点放在展示知识的内在联系上。

二、综合性实验课程实践

数字模拟具有灵活性好、容易搭建复杂网络等优点，但在直观性方面略显不足。从本科教学经验来看，通过实验让初学者加强对概念、原理的理解和现场运行方式的掌握比对抽象的复杂网络的模拟更重要。因此，我们选择物理模拟作为动模综合性实验课程的主要方式，并加大了动模实验室改造、进行课程改革、优化实验内容、加强实验管理等举措。

1.加大动模实验室改造

我院动模实验室自1991年建成以来，已成为教学、科研的重要基地，同时，还先后为广州供电局、广东省电力工业局试验研究所进行了线路测距装置及发电机进相运行监控装置的仿真实验。通过对动模实验室的改造，使动模实验室已初步形成了多机组、多回路、多个电压等级的电力网络，主要设备包括：1台15kVA、2台5kVA的模拟发电机组，两组无穷大电源及500kV和220kV模拟线路，三相模拟变压器以及相关配套和控制设备。

2.实验课程改革

在原先的动模实验的基础上进一步完善和扩展，设置独立的电力系统动态模拟综合性实验。综合性实验作为电气工程及其自动化专业必修课程，有专门的学分，占32个学时。由于综合性实验对专业知识要求较高，涉及的知识点多，在专业课程（一般在第3年级开设）完成后进行；而且该课程是实验课程，针对当前大学生普遍存在的动手能力差的薄弱环节，故开课时间安排在第4年级第1学期。课程涉及了理论和实验两部分，安排4个学时介绍动模的理论知识，再进入实验环节。教学中采用理论知识与操作实际相结合、多媒体讲授与现场实物介绍等多种手段结合的方式，实验过程中让学生自己动手，并引导学生如何将所学的知识和技能来解决实验中遇到的各种问题。

3.优化实验内容

根据本院动模实验现状,针对性地开展教学活动,编写了电力系统综合性实验指导书,系统介绍了动模理论知识,包括：动模概论(动模仿真简述、动模仿真室的作用)、电力系统动态模拟(模拟理论、同步发电机的模拟、原动机的模拟、励磁系统模拟、变压器模拟、输电线路模拟、负荷的模拟、无穷大系统的模拟)、模拟系统方案的选择和参数调整(原型系统及其参数、模拟发电机的选择及参数调整、模拟变压器的选择及参数调整、输电线路模拟的选择及参数调整)。

从整个电力专业特点系统化地完善课程设置,遵循从简单到复杂循序渐进地开设实验：发电机组的基本操作；发电机有功、无功调节；电力系统静态稳定性研究；电力系统暂态稳定性研究；负荷投切实验；发电机失磁实验；电力系统故障分析；同步发电机静态安全运行极限的测定；同步发电机进相运行等实验。

4.完善测量技术

测量手段关系到实验的方便性和实验数据与结果的准确性。实验过程采用模拟显示屏和数字测试仪互相配合使用。模拟显示屏具有显示直观、便于观察等优点，但显示精度不高，难以适应数据分析和处理的需要。因此，除了模拟显示屏，还在模拟发动机机端侧和线路侧分别接有数字测试仪，能记录电流、电压、有功和无功等电气量，1台数字测试仪可同时显示3个所需的电气量值，并可以通过计算机串口进行数据显示和存储。目前还准备进行录波器的投运，建成后将可以直接观察电气量的波形图，更具直观性。

5.加强实验指导与管理

动模实验一般运行1台或2台机组，需要合理分工、多人协调，如何进行实验管理不仅影响到学生的学习兴趣，还直接影响到实验效果。实验过程中，将学生分成3个主要小组负责不同的功能：控制台、原动机控制和励磁控制，并且有序地轮流替换。比如“同步发电机V型曲线测定实验”中，分别做有功等于零和0.5倍两条曲线，做完一条曲线后，每组换岗负责其它功能。这样，兼顾了提高学习兴趣、实验效率和培养能力等功能。实验报告是综合性实验重要环节之一，要正确指导学生通过实验数据来总结实验情况和进行效果分析，解决实验中遇到的问题，写出质量高、有实验创新点的实验报告。

三、效果及展望

从本校2006级电气工程及其自动化专业约200名同学参加实验的情况来看，已初步显现良好的实验效果，提高了学生的学习兴趣和直观认识，增强了学生的知识融合和实践动手的能力。

综合性实验不仅有利于加强课堂教学，而且能弥补生产实习等教学环节的不足。高校电气工程专业普遍都有两周左右的生产实习项目，但从需参加实习的学校多、学生人数多、实习单位难以接待等实际困难来看，生产实习更多流于参观的层面，综合性实验的开设，在一定程度上弥补了缺乏实际操作的机会，有助于加强和巩固对理论概念和原理的理解并具体化。

电力系统综合性实验是一个新的课题，需要从课程改革、内容整合和优化、实验管理、平台建设等诸多方面进行更深入的探讨和研究，不断积累经验并在实践中发展。

目前,在现有的动模基础上,我院也在探索Hypersim实时数字仿真系统在动模实验室的应用,把电力系统动态模拟仿真与数字仿真有机地结合起来,充分发挥数字仿真和物理模拟各自的优势,并探讨其在教学的应用规律,争取向本科和研究生实验教学等开放。

[1]何仰赞.电力系统分析(上下册)第三版[M].湖北：华中科技大学出版社，2005

[2]杨德先，陆继明.电力系统综合实验原理与指导[M].北京：机械工业出版社，2004

[3]赵成勇.基于虚拟仪器的电力系统动态模拟实验数字化改造[J].电气电子教学学报,2008,30(16):87～90

Study on comprehensive experiment teaching of dynamic physic simulation in power system

Hu Shaoqiang, Wang Zhidong, Lin Shenghong
South china university of technology,Guangzhou,510640,China

To overcome problems such as insufficient experiemnt academic hours,scattered content and poor experiment result, comprehensive experiment teaching of power system dynamic simulation as a independent class is developed based on the power system dynamic simulation experiment that is commonly set up for electricity engineering specialty. Measures improving dynamic simulation laboratory ,reforming class courses, optimizing experiment contents and strengthening experiment management are applied. And better experiment teaching effect is validated.

experiment teaching；comprehensive experiment；power system；dynamic simulation

book=81,ebook=369

2009-11-17

胡少强,高级工程师，电力实验中心主任。王智东,硕士。林声宏,高级实验师。

*本文系华南理工大学校级实验教学改革项目。