航空航天特色“电力系统分析”课程建设探索

2021-10-23陈鹏伟王世山

电气电子教学学报 2021年5期

陈鹏伟，陈新，王世山

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211106）

0 引言

近年来，为应对能源环境危机，建设新一代能源电力系统已成为世界诸多国家的重要战略部署，并相继出台了各自能源领域的技术规划，如欧洲的《能源路线图2050》、美国的《全面能源战略》、日本的《能源环境技术创新战略2050》以及我国的《能源生产和消费革命战略（2016-2030）》等［1］，其中利用信息物理融合与多能源互补来确立可再生能源在能源供应中的主体地位是不同技术规划的共同所在。电力系统作为承载大量分布式可再生能源与负载的基础性平台，其调控与应对能力将会是能源互联高效安全稳定优质、经济运行的重要基石。在“清洁、低碳、安全、高效”的能源变革背景下，对我国电气工程及其自动化专业创新型人才培养提出了迫切需求［2］。

“电力系统分析”课程是电气工程专业的专业技术基础课程，其设置目的在于让学生了解我国电力工业和电力系统的现状及相应的技术政策，对电气工程学科的技术内涵产生一定认识，并掌握电力系统的基本模型和运行特性的基本分析方法［3］，如潮流计算、短路电流计算、小干扰稳定性、暂态稳定性等。无论电力系统规模大小，在其规划设计、生产计划安排、运行方式校核、控制装置参数和继电保护措施整定等各个环节都必须对系统各方面特性进行详细分析、计算和评估，因而“电力系统分析”课程的基础性和实用性极强，课程难度较大［4］。

南京航空航天大学是我国自己创办的第一批航空高等院校之一，以航空航天民航为鲜明行业特色为办学导向，并较早开设了电气工程专业。经过多年发展，电气专业取得了长足进步，其中电力电子与电力传动、电机与电器二级学科均已走在全国前列，但电力系统课程和科研工作尚未完备，严重制约了南航电气工程学科成为世界一流学科的长远发展。

本文以南京航空航天大学为例，阐述了“电力系统分析”课程的设置现状，并结合该课程发展趋势，以航空航天复杂电气系统为支撑点，提出了具有航空航天特色的“电力系统分析”教学模式构建思路与方案，以探索与建设面向航空航天院校的电力系统课程体系。

1 南航“电力系统分析”课程设置现状

南航电气工程学科的前身为1956年创办的航空电机电器专业，现为江苏省品牌专业、国防特色专业，2019年通过了“工程专业教育国际标准”认证，其电力电子与电力传动二级学科为国家重点（培育）学科、国防重点学科、工信部国防特色学科，一直是南航电气学科优先发展的方向，并始终立足于我国航空航天事业。

根据航空电气类专业培养方案，本科与研究生阶段电力系统相关课程主要如表1所示。在本科阶段，“电力系统分析”仅被设为选修课程，共32课时/2学分，是“电力工程”与“电气工程及其自动化专业导论”等专业通识课程的辅助课程，通常为百余人的大班教学。在研究生阶段，由于科研与实践需求，“电力系统分析”被设为专业选修课程，共48学时/3学分。相较于清华大学、华北电力大学、西安交通大学、浙江大学、华中科技大学等电气专业强校，南航电气专业在“电力系统分析”课程配置上存在发展不均衡问题，具体表现在：

表1 南航电力系统相关课程设置

（1）“电力系统分析”课程内容与电力系统生产运行过程关系密切，理论性与实践性并重，授课难度大。由于实际配置课时少，授课不得不减少部分内容，且未进入本科专业课程必修环节，导致学生重视程度不够，不利于学生掌握电力系统的基本知识和解决实际电力工程问题的能力。

（2）虽然“电力系统分析”被列入研究生专业课程，部分研究生在其本科阶段已有一定的基础，但是考虑到研究生在专业课程基础所存在的差异性，即存在部分研究生在电力系统方面专业基础较弱，研究生“电力系统分析”课程在内容上与本科生课程相比有较大重复，与研究生更为深入的学习需求不能完全匹配。

2 “电力系统分析”课程发展趋势

在清洁替代与电能替代背景下，现代电力系统将呈现出电源类型多、电能变换形式多、电力变换器数量多以及负荷类型需求多的“新概念电网”［5］。功率变换系统是新一代电力系统的关键支撑技术，可有效提升系统的运行调控能力和灵活运行能力。然而，功率变换系统与输配电网络深度融合后，电力系统呈现电力电子化趋势。区别于传统电力系统以交流电为主要电能形式、以发电机机电暂态与系统低频振荡为主要现象，电力电子化电力系统出现了新的振荡模式和故障特性，“电力系统分析”课程也随之出现了新的对象和分析需求，具体表现为：

（1）电力系统基本模型不再局限于发电机、线路、变压器，还包括交-交、交-直、直-直功率变换器，特别是基于全控型电力电子器件的装置。虽然功率变换器的内部电压、电流变化过程及功率特性属于电力电子学科，但其外特性模型却是电力电子化电力系统分析所需的前置条件。

（2）潮流分析与故障分析分属传统“电力系统分析”稳态与暂态两部分。在电力电子化系统中，如交直流混联的输电或配电系统，功率变换器的损耗特性和故障特性直接影响潮流分析和故障分析的准确度。

（3）稳定性分析与潮流分析、故障分析并列电力系统三大计算。在电力电子化电力系统中，功率变换器控制涉及多时间尺度，且控制交互作用复杂，导致系统振荡模式多样、分析过程非常繁琐。

“电力系统分析”课程内容可追溯到上世纪80年代，经过近40年的内容补充和更新，对传统电力系统建模和分析手段的讲授已极为成熟和完备。然后，囿于其历史发展阶段，课程内容的基础性在高比例新能源与电力电子装置接入背景下与日降低，在传统“电力系统分析”课程中扩充与新能源、功率变换器相关的内容，并与行业特色紧密结合，已成为现有诸多电气专业强校的一致选择。

航空航天电气系统作为极为特殊的微电网，受限于体积与重量要求，其电源容量一般和负载容量相当，供电裕度小（我国现有军标对飞机电气系统主电源和二次电源连续工作的供电容量裕度的要求为33%-50%，应急电源供电容量裕度为10%），而电作动器、电动液压泵、航空电子设备、雷达等非线性负载多，系统耦合性强。飞行过程中大气压力、温度、空气湿度等环境参数变化迅速，且机体易受热力乱流、高空乱流、强冷气流等影响出现结冰、颠簸，电除冰系统、电作动机构、电环控系统等起动、突加、突卸载与制动能量回馈均会给电气系统带来随机扰动与瞬态冲击［6］。可见，航空航天电气系统具有区别于陆上电力系统的鲜明特点，如何结合两者特点，开展特色课程教学，已成为南航“电力系统分析”课程建设的重要探索方向。

3 航空航天特色课程教学模式

3.1 教学内容推陈出新

在华北电力大学等电气专业强校，本科阶段“电力系统分析”课程分设为电力系统分析基础与电力系统暂态分析两部分；研究生阶段则主要围绕复杂电力系统的动态模型与稳定性分析等内容进行讲授，如功角稳定性、电压稳定性、机电暂态仿真、电磁暂态仿真等。整体教学内容跨度大、涉及范围广，难以适应航空航天院校不同层次和不同专业学生的学习理解能力、应用需求差异，连贯成阶梯的参考书选定和讲义编写成为具备航空航天特色“电力系统分析”课程教学模式的基础。

（1）本科生“电力系统分析”课程。南航自2021-2022春季学期起，本科“电力系统分析”课程将从32学时专业选修课转变为必修课。为在有限课时内完成系统化教学，课程内容被重新整合为电力系统概述、电力系统稳态模型、电力系统潮流分析、电力系统稳态运行与控制（有/无功经济运行）、电力系统暂态运行（故障电流计算与单机-无穷大系统稳定性分析）等5章内容。同时，目前在选修课阶段即有意识地增加了陆上微电网、多电飞机B787电气系的架构、运行与控制等认知内容（目前已拓展至3学时），旨在通过以小见大的方式，让学生对电力系统的运行与控制有直观的对比认知。

（2）硕士研究生“动态电力系统分析”课程。原课程与本科阶段同样命名为“电力系统分析”，为兼顾不同层次学生需求，在讲授内容上与本科课程有相当部分重复。在新模式下，除课程开始阶段通过4～6学时回顾电力系统稳态模型、潮流计算、故障电流计算等内容外（随着课程资料库的建设完善，该部分学时将会被进一步压缩），以“动态电力系统分析”为核心，着重讲授电力系统动态建模与基本稳定性问题、小信号与大信号稳定性分析方法、机电/电磁暂态仿真理论与方法、陆上微电网和B787、F35等航空电气系统的建模与分析案例等内容。

3.2 线上线下混合教学

无论是“电力系统分析”还是“动态电力系统分析”课程，其内容涉及电力系统的多个层面，理论知识繁多，32或48学时的授课时间远远无法实现所有内容的深度讲解，从而不得不对授课内容进行删减。此种授课方式是对课时限制的妥协，不利于学生完整专业知识体系的建立。基于此，课程已初步建立：

1）本科课程资料库

已选用超星学习通作为在线教学平台，在开课之初即将电子教案、参考书籍、视频文件、仿真软件等按授课顺序和资料类别提前分享到资料库之中（通过归档，可反复调用），方便学生提前下载或观看学习。后续将可通过课程的充分迭代更新，形成本科生精品课程乃至研究生线上课程，帮助不同知识掌握水平的研究生完成学习回顾与衔接。

2）课程试题库

建立了含选择、判断、计算、简答和课程设计等多种类型的试题库，并辅以难度星级和计算复杂度评价，初步构成了章节与阶段性考核的本科试题汇选方案。后续，可通过试题库的定期补充，最终达到线上考核、随机测试等教学功能。

3）线上线下混合教学机制

将课程资料库与课程试题库逐步纳入教学计划中，按知识点的理解难度、重要度和线上学习资源完备度，逐步将部分教学任务下沉到学生预习和课后作业中，并以任务形式进行少量多点式考核，减少学生平时上课忽视、考前临时突击的现象的发生。

3.3 航空电力系统案例仿真实践

“电力系统分析”课程偏重于对实际电力系统的建模和理论分析，而实际电力系统的宏观性又使得学生难以直观感受，造成明显的“看不清、摸不着、学不会”，尤其是电力系统暂态过程，涉及多个装置的耦合与时序作用。虽然大部分具有电气工程专业的高校均开设了电气实验课程，但多是电机、继电保护、电力电子装置等微观局部的实践内容，难以建立完整的电力系统实验课程，因此，依托行业应用特色，结合仿真实验教学方法，成为首选教学实践方案。

（1）针对本科生，依托已开发的“互联网+”多电飞机供电系统虚拟仿真实验系统［5］开展认知和实验教学，如图1所示，包括飞机电力系统的组成结构了解、搭建练习、故障设置/定位、供电特征波形输出与陆上电力系统对比认知等内容。通过专业级并同时具备科普特征的虚拟仿真实验，将有助于学生实现电力系统从宏观到具体的认知，增加学习兴趣。

图1 电气化飞机电力系统虚拟仿真实验系统

（2）针对硕士研究生，主要选用PSCAD、PSASP、ETAP、Matlab/Simulink等专业仿真软件，开展电力电子化电力系统建模、仿真与控制实验教学。具体建模对象包括陆上交直流微电网、多电飞机B787与F35电气系统等，同时应用“动态电力系统分析”课程关于稳定性分析的理论内容，通过参数设计与实验分析加深对理论的理解和应用能力。