“电网络理论”课程教学体会与探讨

2017-06-05张秀敏马晓春张小青佟庆彬

电气电子教学学报 2017年1期

关键词：网络理论编程电气工程

张秀敏，黄辉，马晓春，张小青，佟庆彬

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044)

“电网络理论”课程教学体会与探讨

张秀敏，黄辉，马晓春，张小青，佟庆彬

(北京交通大学电气工程学院，北京 100044)

“电网络理论”课程是电气工程专业研究生一门非常重要的专业理论基础课。本文介绍了我校“电网络理论”课程的教学现状，分析了该课程各知识点在电气工程各领域的重点应用，笔者对教学中引入Matlab编程软件指导学生进行科学计算的方法进行了有益探索。实践表明，这门课程的建设能有效提高电气专业研究生的综合科研能力。

电网络理论；电气工程；Matlab

0 引言

“电网络理论”课程是本科“电路”课程的延伸与拓展，是我国大多数院校电气工程专业研究生的必修课程。该课程在硕士生培养环节中有重要作用，可使学生的电网络理论知识体系得到充实和巩固，为以后更加深入地学习电气工程和解决电气领域中的实际问题打下坚实的理论基础[1-5]。

研究生培养不同于本科生，本科生强调的是宽广的基础知识，而研究生是在掌握扎实的专业知识基础上，强调自主学习以及钻研和运用知识的能力培养，以促进其科学及创新思维的形成[6]。因此，必须根据研究生的特点，采用合理的教学方法和教学思想，以保证研究生的培养质量。

本文介绍了我校电气专业研究生“电网络理论”课程的现状及存在的问题，在此基础上分析了该课程各知识点在电气工程各领域的重点应用。笔者在教学中引入了Matlab编程软件指导学生进行科学计算的方法，提出了在研究生教学中要重视理论公式推导与科学研究思维方法训练的思想。实践表明，这门课程的讲授方法能显著提高电气专业研究生的专业基础和综合科研能力。

1 我校“电网络理论”教学现状

我校电气专业“电网络理论”课程在研究生一年级第一学期开设，共32学时，教材为周庭阳和张红岩编著的《电网络理论：图论o方程o综合》[4]。由于学时所限，这门课程目前只讲授课本1-6章，内容包括电网络概述、网络矩阵方程、网络撕裂法、多端和多端口网络以及网络的状态方程。每年全院研究生共有二百名左右，包括专业型研究生和学术型研究生，其中有80%～90%的学生选修了这门课，足见这门课程在电气工程专业中的地位。

目前我校电气专业的研究方向主要包括：牵引供电、电力系统及其自动化、电力电子与电力传动、高电压与绝缘技术、新能源及新型发电技术、电机与电器和电工理论与新技术等。如何使这门课程适合不同研究方向的学生，如何让学生在研究生阶段一起步就树立严谨、科学的研究态度，掌握科学的研究方法，基于这些思考，我们对于这门课程做了一些调研并进行了教学改革尝试工作，收到了令人满意的效果。

2 电气工程中“电网络理论”的应用

为了了解“电网络理论”知识点在电气工程各专业研究方向的应用情况，以更好地调整授课内容，适应不同专业方向应用，本课程组对全院研究生的专业应用情况做了一个详细调查。根据调查结果，目前讲授的各知识点在电气领域中的应用情况如下：

1)节点电压法

在工程领域有极广泛的应用。在变电站中，它用于接地网腐蚀故障点诊断，以及短路情况下架空地线分流系数的图论计算；在电力系统中，它被用于潮流问题的电路解析，以及电网无功优化策略研究；此外它还被应用于配电网的重构，以及铜覆钢接地导体电气性能的研究。

2)网络撕裂法

液态密封技术：汉高提供各种不同密封技术。最新的创新产品有专门用于提供多基板可靠密封或各种电力驱动外壳法兰设计的乐泰 AA 5820。聚丙烯酸酯粘合剂具有出色的耐油性，包括自动变速器用油 (ATF)，可承受温度介于-40～+150 °C之间。

常用于超大型网络的故障诊断方法研究，如大规模容差模拟电路子网络级故障诊断，基于多级BP神经网络的无线电罗盘多故障诊断，利用分块模型的接地网撕裂法故障诊断以及模拟电路软故障诊断的研究等。

3)网络状态方程

应用的领域很广，具体有：多元有理函数域上RLC电网络状态方程的软件设计、电机领域开关磁阻电机等效磁网络模型的降阶处理、双余度永磁无刷电机系统数学模型与特性分析以及逆变型微网状态空间方程的分析与建立等。

4)多端口网络

在工程中的应用主要有：微带电路中，分析带有垂直接地结构的微带电路以及分析新型微带三路功分器及其散射特性；另外，多端口网络还应用在同步电机磁场分析以及分布式发电系统对继电保护灵敏度影响规律分析、散射参数理论及其在平面EMI滤波器测试中的应用分析中等许多工程领域。

从专业方向上分析总结如下：①在电力系统中的应用：节点电压法、撕裂法、状态变量法；②电机与电器专业中的应用：多端口网络；③牵引供电方面的应用：撕裂法；④自动控制理论中传递函数的分析：不定导纳矩阵法、约束网络分析法；⑤电力电子与电力传动领域的应用：撕裂法、节点电压法、状态变量法；⑥新能源发电方向的应用：有源滤波电路。

总之，电网络理论是电气工程的理论基础，已经渗透到电气专业的各个领域。正因为如此，这门课的授课效果对电气专业研究生今后的课题研究和专业发展具有重要意义。

3 Matlab软件的教学应用

本课程在第二章网络矩阵方程的教学中进行了Matlab软件的编程计算训练，要求学生分别用改进节点电压法、改进割集电压法和改进回路电流法对课后作业题目进行编程计算，并且将程序计算结果与手算结果进行比对。

采用Matlab编程的一个算例电路如图1所示：

图1 计算电路

图2所示为三种不同方法的相应输入和输出变量设定。

图2 三种不同方法的相应输入和输出变量设定

其中，采用修正节点电压法计算过程如下：

(1)输入电路基本参数，如图3所示。

图3 电路基本参数输入界面

(2)采用节点电压法，如图4所示。

图4 计算方法选择界面

(3)计算矩阵Ye和Yb，如图5和图6所示。

图5 矩阵Ye计算结果

图6 矩阵Yb计算结果

(4)节点电压方程最终计算结果显示，如图7所示。

图7 节点电压法计算结果

学生编程计算后，有人在心得体会中写道：“在使用计算机编写程序进行大量计算时，确实简洁省力，只需将电路的基本参数输入即可得到输出结果。不过需要自己花费大量时间用于学习Matlab编程，但这对自己的编程能力的提高有很大的帮助。通过编程和手工计算对比，对于三种电路的计算方法有了更多的认识和了解，也清楚地了解到大型电路计算机辅助分析的优越性——方便、快捷且准确。” 实践表明，将Matlab软件与电网络理论分析相结合是“电网络理论”课程教改的方向之一。

4 重视理论推导与科学思维训练

本科生课程教学中可能由于学时有限而赶进度，因此教师经常直接给学生点明结论，不去深究其来龙去脉，学生只要会应用即可。但是研究生要求的是具有综合的理论分析、研究能力和创新思维能力，严谨的理论推导和讲解是十分必要的。基于此观点，我们在授课过程中非常重视理论公式推导过程的讲解，让学生从中体会到理论的逻辑严密性，为他们今后的科研工作打下坚实的理论基础。

除此之外，在授课过程中，我们也非常注重科学研究思维的训练。人类认知自然界的过程就是不断地用已有的知识去分析解决未知的问题，当无法解决时就设法改进原有方法。在“电网络理论”的授课过程中我们强调这一思维方法。例如表1为改进节点电压法、改进割集电压法和改进回路电流法比较分析，这些改进方法都是在原方法遇到新情况无法解决时才提出来的改进措施。例如：在用节点电压法解决大型电网络问题时，由于阶数过大，用计算机求解时较费时间和内存容量，人们自然会想到将一个大网络拆成一些规模较小的子网络建立方程求解，然后再考虑恢复为原网络后应有的修正，即撕裂法，这就引出了课程第三章的支路撕裂法和节点撕裂法等，这便是节点电压法的一种改进方法。我们在授课过程中把类似的这种研究思维方法始终贯穿在教学中，学生在搞科学研究时就知道怎样入手了，不会感到茫然和无措。

5 结语

本文对目前我校电气专业研究生课程“电网络理论”的教学现状进行了介绍，对电网络理论在电气各专业中的应用进行了调查分析，并且在课堂教学中引入了Matlab编程工具训练学生进行科学计算的能力，提出了在给研究生授课过程中重视理论公式推导与科学研究思维的训练。教学实践证明，这些改进使该课程的教学为学生奠定了坚实的理论基础，收到了良好的教学效果。

[1] 邱关源主编. 现代电路理论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001年1月

[2] 邱关源主编，电网络理论[M]. 北京：科学出版社，1988年

[3] 彭正未编著. 电网络理论[M]. 武汉: 武汉水利电力大学出版社, 1999年11 月

[4] 周庭阳，张红岩编著. 电网络理论：图论·方程·综合[M]. 北京: 机械工业出版社, 2008年6月

[5] 吴宁主编.电网络分析与综合[M]. 北京 : 科学出版社，2003年

[6] 唐志军，吴笑峰，席在芳，吴亮红，胡仕刚. 面向实践创新能力的工科研究生培养模式探讨[J]. 山西：山西科技，2015,30(5):91-92

[7] 于舒娟，史学军.Matlab应用于大规模电网络的节点分析法[J]. 西安：现代电子技术, 2009, 32(17): 121- 123

The Experiences and Discussions about Teaching of Electrical Network Theory Course

ZHANG Xiu-min, HUANG Hui, MA Xiao-chun, ZHANG Xiao-qing, TONG Qing-bin

(SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

The Electrical Network Theory is a very important and basic theory course for electrical professional graduate students. This paper introduces the teaching situation of Electrical Network Theory course in our school. The key applications in the field of electrical engineering of all the knowledge points in this course are analyzed, and the materials of this course are analyzed and discussed. The Matlab software is introduced to train the students′ scientific computing ability. Practice shows that this course can improve the comprehensive scientific research ability of electrical professional graduate students.

electrical network theory; electrical engineering; Matlab

表1 改进节点电压法、改进割集电压法和改进回路电流法比较分析