面向工程应用的电气技术数字仿真实验教学研究

2015-03-20杨德友

长春教育学院学报 2015年21期

潘　超，杨德友，安　军

潘超，杨德友，安军

以“与时俱进”和“理论联系实际”为核心思想，在电力系统、发电厂等课程设置的电力系统数字仿真实验基础上，结合电网研究项目与案例，采取一系列实验教学改革举措，结合现代电力系统工程案例开展相关实验教学活动，通过学习并实践电力系统相关专业课程的理论知识，结合实际工程案例对相关电网问题进行模拟和分析，将有利于学生加深对相关专业理论的理解和掌握，提高他们处理实际工程问题和解决问题的能力。充实了电力系统电气技术数字仿真实验的教学内容，改善了实验教学的效果，也是对传统实验教学方法的突破。

电气技术数字实验；面向工程；教学改革

一、研究的背景与意义

电气工程学科中《电力系统分析》《发电厂》《继电保护》等是重要的核心课程，［1］学生通过理论学习和实验模拟学习掌握这些课程内容，其教学效果直接影响到学生的专业基础构建和科研能力培养。这些课程具有较高的专业性，具体内容繁杂，教学体系较为理论化，相关知识和概念的学习难度较大。同时，电力系统相关仿真实验往往在面向实际工程应用方面较欠缺，且存在实验时间较短、与专业理论联系较薄弱、授课效果差等问题。学生在学习电力系统相关专业课程的理论知识后，如果能够结合实际工程案例对相关电网问题进行模拟和分析，将有利于加深对专业理论的理解和掌握，进而提高其处理实际工程问题的能力，这是实验教学的重点。

将电力系统基础理论与工程应用有机结合，完善实验教学内容，构建面向工程应用的电力系统综合仿真实验教学体系，不仅有利于加强实验课堂教学，而且也能弥补生产实习等教学环节的不足。鉴于目前电力系统相关课程教学存在的上述问题，电气工程学院开设“电力系统电气技术数字仿真”实验，目的在于联系理论教学环节，指导学生利用专业知识对电力系统稳定和安全运行进行模拟，加深他们对相关专业原理的理解，同时培养其理论联系实际和解决问题的能力。

二、研究的重要性

现代电力系统电气技术数字仿真实验是电气工程专业教学的核心组成部分，实验教学效果的好坏直接影响到相关专业的授课进程以及专业人才的培养。电力系统的稳态和暂态分析、继电保护、发电厂、电工理论等课程本身就具有非常强的实践性，因此电气工程学院在教学过程中已将电力系统电气技术数字仿真实验课设置为本科生模拟电网现场运行的必修环节。

近年来，科学技术和电力工业飞速发展，电力系统运行过程中也出现了许多新的问题，这对现代电力系统电气技术数字仿真实验提出了新的要求。本科生在学习《电力系统稳定分析》等重要专业课程后，应当结合目前电网中经常出现且受到普遍关注的关键问题进行仿真模拟，［2］从而在加深对相关专业课程理解的同时，进一步锻炼了学生对实际工程问题的模拟与分析能力。所以，进行现代电力系统电气技术数字仿真实验的教学研究在电气工程学科人才培养中具有非常重要的作用。

三、研究目的

为了满足实际工程对专业人才的需求，同时更好地适应现代电力系统相关课程的教学特点，开展理论联系实际的电力系统仿真教学研究势在必行。因此，要面向实际工程的现代电力系统电气技术数字仿真实验进行教学研究与改革探索。通过对该实验教学的研究，完善目前已有的电力系统仿真实验内容，结合实际工程确定电气技术数字仿真实验的教学方案，目的是通过推广应用该实验的研究成果，使学生在利用专业知识对电力系统稳定和安全运行进行模拟后，加强对相关专业理论的掌握，同时培养其处理实际工程问题的能力。

四、研究内容

现代电力系统电气技术数字仿真实验，以东北电力大学安全运行与节能技术国家地方联合工程实验室和绿色电能新技术与电力系统稳定重点实验室为依托，遵循理论联系实际的原则，以适应现代电网发展和新世纪电力系统仿真实验要求为出发点，旨在培养具有综合思维能力和综合处理问题能力的应用型人才，主要从实验室建设、教学计划确定、实验内容设置、实验过程管理等方面开展研究。

1.电气技术数字仿真实验室建设。随着电力系统的发展，电网规模达到几万个节点和几十万个支路，因此电力系统运行模拟、电网稳定分析等研究都采用数字仿真的形式。结合电气工程学科的发展和现代电力系统仿真实验的要求，重点关注电力系统电气技术数字仿真实验环节。在电气工程学院的大力支持下，现代电气技术数字仿真实验室2009年建成，实验室占地300㎡，已配备95台微机，为电力系统电气技术数字仿真实验的开展提供硬件支持。目前，已开设了多门与电力系统密切相关的专业实验课程，主要包括电力系统稳定分析、继电保护模拟仿真、电力系统电磁计算以及数字信号处理等，为电气工程及其自动化专业本科生从事电力系统运行、工程、设计和理论研究提供良好条件。

2.确定教学计划。以理论联系实际为原则，在原有的仿真实验基础上进一步完善和扩展，设置面向实际工程的电气技术数字仿真实验，作为电气工程及其自动化专业选修课程，配有专门学分，计划授课32学时。由于实验教学对电力系统专业知识的要求较高，且教学内容涵盖面较广，需要本科生具备一定的专业理论基础，因此计划在第三学年下学期专业课程学习完成后进行。

另一方面，该实验为数字仿真模拟，具有灵活性高、电网模型易搭建等优点，但又存在直观性等方面的不足。［3］结合当前大学生普遍存在理论与实际脱离的问题，且考虑到大三学生学习计划较重的因素，故将实验时间安排在第四学年的上学期。实验教学包括理论学习和仿真模拟两部分，安排4-6学时讲解电力系统相关理论知识，在此基础上计划指导学生进行26-28学时的仿真实验。教学采用理论知识讲解与建模仿真操作相结合、多媒体讲授与现场实物介绍等多种手段结合的方法。以不同实际工程案例为研究对象，培养学生独立思考和动手的能力，并引导他们运用相关理论解决实际工程中存在的各种问题，从而对所学知识进行验证。

3.面向工程的仿真实验内容。本实验课程主要为电气工程及其自动化专业的本科生开设（包含专升本专业）。电气工程专业的电力系统分析课程主要围绕发电、输电、变电三个部分，所涉及的仿真实验包括电力系统潮流、短路计算以及稳定分析三个方面。因此，本门实验课程要求学生了解电力系统发电-输电-供电三个系统的相关内容，掌握电网运行及关键电气设备工作的基本原理。结合上述情况，编写面向实际工程的电力系统电气技术数字仿真实验指导书，系统介绍相关理论知识，主要包括电网运行基本原理、电力系统关键元件结构与工作特性，发电机、变压器、输电线、负载等。通过收集整理多个地区电网的实际数据，获得多个区域电力系统运行的建模仿真素材，从而指导学生开展建模调试，包括电网拓扑结构与参数选取等内容，结合实际工程出现的短路、过负荷、系统振荡、频率稳定与优化运行、新能源并网、风-光-储发电以及主动配电网配置等案例，对组成实践教学的相关要素进行整体设计，从实验教学规划、实验内容设计、指导手段等方面构建了面向实际工程的电力系统电气技术数字仿真实验教学体系的总体框架。

4.实验过程管理。电力系统数字仿真实验教学的正常授课需要1-2台服务器和80余台客户微机，授课教师2名，授课对象为2个自然班。近年来，电气工程学院本科生较多，班级人数较大，为实验教学计划制定和实验过程管理造成一定的难度。因此需要考虑在合理优化实验过程的同时协调教学资源，在不影响学生学习兴趣的前提下提高实验教学的效果。

通过思考和探索实践，将电气技术数字仿真实验分为两个部分：理论学习和实际分析，前者采用理论知识讲解与建模仿真的方式，后者采用实物操作和动模模拟的方式。在此过程中结合实际现场案例，抓住学生的兴趣点，有重点性和针对性地扩宽学生思路，这样既兼顾了学生的学习兴趣和热情，又培养了他们的动手能力，同时也提高了实验教学资源的利用效率。