“电力系统自动装置原理”教学改革与实践

李啸骢， 徐俊华， 梁志坚， 刘 辉

(广西大学 电气工程学院 电气工程国家级实验教学示范中心， 广西 南宁 530004)

0 引言

“电力系统自动装置原理”是为了满足培养电气工程专业人才的需要而设置的一门专业必修课程，主要包括同步发电机的自动并列、同步发电机励磁自动控制、电力系统频率及有功功率的自动调节、电力系统自动低频减载及其他安全自动控制装置等内容[1]。该课程的显著特点是理论与实践并重，既要求学生掌握电力系统自动装置的基本原理，加深对电力系统运行、控制、调度的理解；又要求学生了解常用的电力系统自动装置的基本结构，掌握基本的实践操作技能。该课程内容比较复杂和抽象，加上教学实验较难开展，大多数学生不易深入掌握相关理论知识和实践技能。

为提高教学效果，国内许多高校不断对该课程的理论教学和实验教学进行改革与实践。文献[2]利用Matlab软件开发了该课程教学仿真实验，文献[3]设计了该课程综合性习题，有助于强化学生系统地理解相关知识，文献[4]介绍了其精品课程的建设与应用效果，文献[5～8]则从教学内容、方法和手段等方面做了有益的探索与实践。

我院历来重视“电力系统自动装置原理”课程的建设与教学，近年来对该课程的理论教学环节和实验教学环节进一步开展了改革和实践，初步形成了一种把理论教学、实验教学、工程实践能力训练、创新教育融为一体的专业课程教学模式。

1 理论教学环节的改革

(1)在教学团队建设方面，组建了以教授、副教授为主，青年博士为辅的教学团队。教师们相互听课，以老带新，上课积极，教学水平高。

(2)在教学方法改革方面，采用启发式教学和讨论式教学。授课时，深入浅出地讲解各知识点，为学生梳理好知识点间的脉络关系，通过“发现问题 分析问题 解决问题”的方式，引出和延伸知识点，启发学生主动思考。经常组织学生就电力系统自动装置领域的一些热点问题，如电力系统低频振荡等，进行小组讨论，激发学生的学习兴趣。

(3)在教学内容建设方面也做了很多卓有成效的工作。编写了“励磁控制系统的动态特性”的教学讲义，详细讲解了励磁控制系统的数学模型、励磁控制系统空载和负载运行的动态性能、线性最优励磁控制原理、微机励磁控制器等内容。该讲义的内容严谨系统、深入浅出，注重培养学生的科学思维和工程素养，深受学生的欢迎。还运用Matlab/Simulink软件，编写了励磁控制系统模型推导、励磁系统静态控制性能分析、励磁系统动态控制性能分析、PSS参数整定计算、线性最优励磁控制参数计算等程序，搭建了单机无穷大系统的数字仿真模型，用于课堂教学演示，极大地激发了学生的学习积极性。

2 实验教学环节的改革

2.1 实验教学平台简介

我院的“电力系统自动装置原理”实验教学是在我校电力系统动态模拟与数字仿真一体化实验室里开展的。该实验室是我校国家级电气工程实验教学示范中心的主干实验室，包含电力系统动态模拟实验平台和电力系统全数字仿真平台ADPSS (Advanced Digital Power System Simulator)两部分。

电力系统动态模拟实验平台的主接线图如图1所示。该系统按3套模拟同步发电机组的规模设计、建设，包含了电力系统的发电、变电、输电、配电、用电的各个环节。

图1 我校电力系统动态模拟实验平台主接线图

ADPSS是由中国电力科学研究院研发的基于高性能PC机群的全数字仿真系统，可以对大规模复杂交直流电力系统进行机电暂态和电磁暂态的数字仿真，也可以接入安全自动装置等实际物理设备进行闭环实时仿真实验[10]。

2.2 实验开发与设置的总体思想

利用先进的实验设备，开发、设置科学合理的实验项目，对于实验教学起着关键作用。我院的“电力系统自动装置原理”实验开发与设置的总体思想如下：

(1) 验证性实验与综合创新性实验合理搭配。验证性实验用于验证一些基本原理，夯实学生的专业基础。而综合创新性实验侧重于对电力系统自动装置相关的一些深层次、综合性问题进行研究性实验，培养学生的科学思维和创新能力。

(2) 教学计划学时实验与开放性实验有机结合。教学计划学时实验主要是验证性的，学时有限；而开放性实验主要是综合创新性的，无学时的限制。

(3) 动态模拟实验与数字仿真实验相辅相成。动态模拟实验的操作贴近电力生产，实验结果形象直观，但易受到系统规模、场地等因素的限制。数字仿真实验自由灵活，学生可以自行建立各种自动装置以及大规模电力系统的数字仿真模型，并可根据需要进行各种复杂、危险的电力系统仿真实验与研究，但实验操作与实验结果不如动态模拟实验真实。而两种实验方法结合起来，可以相互补充，相互促进[11]。

(4) 把教师的工程实践知识引入到实验教学，使实验教学更贴近实际电力工程。

(5) 安全第一。制定实验安全规章制度，切实保证人员和设备安全。

2.3 基于动态模拟平台的实验教学改革与实践

1) 动态模拟实验平台的实验开发与设置

基于动态模拟实验平台设置的“电力系统自动装置原理”实验项目如表1所示。其中前3个实验为验证、必做型实验，主要让学生理解准同期并列、励磁控制、频率及有功功率调节的基本原理，并掌握相应自动装置的组成和基本操作。第4个实验为“开放性实验”，是教师把工程实践知识引入到本科实验教学后开发出的综合创新性实验，学生可以进行电力系统低频振荡、励磁控制装置参数整定、频率及有功功率自动调节装置参数整定等问题的实验与分析。

表1 “电力系统自动装置原理”动态模拟实验项目

2) 动态模拟实验平台的实验教学

(1) 加强对学生的安全教育，使学生树立强烈的安全意识。并模拟电力生产现场的要求，制定一些有效的安全措施，确保人员、设备安全，如：对实验室的设备划定操作间隔，避免学生走错间隔操作。

(2) 重点培养学生分析实验波形的能力。在实验教学过程中，用故障录波仪、电量分析仪等录波设备记录下实验波形，以便学生直观的看到实验现象并对波形进行分析处理。例如，通过分析图2，学生可以直观的看到起励过程，并计算起励的超调量、调节时间、稳态误差等参数；通过分析图3，学生可以理解系统的强励过程，并分析强励期间的发电机端电压、励磁电压的波形，进一步计算励磁顶值电压、强励倍数等参数。

图2 自并励方式下起励实验录波图

图3 励磁装置强励实验录波图

(3) 注意引导学生形成“理论-实践-理论”的循环学习方法。如：对于励磁系统的调差特性这一较抽象的知识点，先让学生了解调差的基本原理，再通过“负载励磁调节实验”，使学生真正理解调差特性的本质与作用。

(4) 重视培养学生的实践操作技能。要求每个同学必须完成同期并列、励磁控制、频率及有功功率调节等重要操作。

(5) 引导学生从全局的高度理解电力系统自动装置对整个电力系统的安全、稳定、可靠、经济运行的影响，进一步掌握电力系统的调度、运行、控制的完整过程。

2.4 基于ADPSS平台的实验教学改革与实践

1) 基于ADPSS平台的实验开发与设置

基于ADPSS平台的“电力系统自动装置原理”实验，是教师把先进的工程实践知识引入到本科实验教学后开发出的综合创新性实验，实验项目如表2所示。通过该类实验，使部分学有余力的学生深入理解同步发电机励磁系统、电力系统稳定器PSS (Power System Stabilizer)、原动机及调速系统的数学模型，学会利用ADPSS进行电力系统自动装置的仿真实验与分析。

表2 “电力系统自动装置原理”ADPSS仿真实验项目

2) 基于ADPSS平台的实验教学

传统的教学活动中，绝大多数学生都是按部就班地学习课程、完成考试，之后就把书本丢到某个角落，缺乏对课程知识的深入学习，很难建立起对所学课程乃至所学专业的兴趣。为改变这一局面，我们把“电力系统自动装置原理”课程的内容与“电力系统稳定与控制”课程研究方向结合起来，一方面开设了如表2所示的综合创新性实验，引导学生掌握先进工程知识和前沿理论；另一方面鼓励学生适量阅读科技文献，拓展知识面；此外，还向本科生长期开放实验室，并积极营造良好的课外创新实践氛围，为本科生的学习、创新活动提供良好的环境，激发学生的专业学习兴趣。

以往的教学中，学生通过学习一系列的专业课程，并按实验指导书完成课程实验，可以掌握一些基本理论。但是，绝大多数学生并不精通哪怕其中一个课程方向，宽而不专，解决问题的能力不强。因此，针对“电力系统自动装置原理”课程，构建了“理论课程 实验课程 课程设计 毕业设计”各个环节有机结合的专业课程教学模式，使学生可以深入掌握课程知识，甚至取得研究、创新性的成果。

此外，还注意培养学生的仿真分析与实验报告撰写能力。要求学生对仿真模型、仿真结果进行深入分析，撰写仿真报告甚至是论文，培养学生“发现问题 分析问题 解决问题”的能力以及专业写作能力。

3 结语

本文全面介绍了我院“电力系统自动装置原理”课程的理论教学和实验教学的改革和实践。理论教学方面，组建了一支教学经验丰富、专业素质过硬的专业课程教学团队，改进了教学方法，编写了丰富的辅助教学讲义，有效地拓展了教学内容。在实验教学方面，结合理论教学内容和教师工程实践经验，分别在电力系统动态模拟平台和ADPSS数字仿真平台上，为该课程开发了丰富的常规课程实验和综合创新实验。通过多年的改革与实践，初步形成了一种把理论教学、实验教学、工程实践能力训练、创新教育有机结合在一起的专业课程教学模式，改善了教学质量，提高了教学效果，即能培养应用型人才，又有利于培养复合、创新型人才。