基于实践模式的“电力系统分析”课程研究

李建军，酉育红，邹梦丽

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆兵团警官高等专科学校，新疆 五家渠 831300)

0 引言

作为实践性很强的的一门课程—“电力系统分析”，其必定与工程实践紧密联系。随着现代电力系统发展，已经形成电网容量大、机组容量大、工作电压高、传输距离远、重负荷以及不稳定新能源的新型电力系统[1]，新型电力系统的发展必然离不开实践环节[2]。

根据调研发现，一些高校“电力系统分析”课程的实践环节甚至没有安排，部分高校虽然有实践教学环节，但是实验学时数也很少，比如只有3个实验，这和电力系统分析大量的理论课程内容本身比较起来[3-4]，远远没有达到实践锻炼目的。实践教学是理解理论教学的重要途径和方法，它可以帮助学生理解晦涩难懂的公式和模型，同时还能提高学生的动手能力，因为电气工程专业毕业后动手操作是必须具备的能力。基于部分高校“电力系统分析”课程这种理论没有联系实际的一些现象，本文围绕电力系统的发展要求对“电力系统分析”课程的实践环节进行改革和仿真平台搭建。

1 实践教学的改革

本着培养出具有综合能力和工程实践能力的人才出发，研究“电力系统分析”课程教学方法的改革，着重从实践环节对“电力系统分析”课程的教学模式改革。主要包括实践教学内容和方法的研究、电力系统仿真平台的搭建。

1.1 实践教学内容

实践教学内容一方面要从人才培养方案和教学大纲修订着手，完善实验课程；另一方面进行“电力系统分析”课程综合设计单元。实验课程方面要结合教师上课过程中学生出现的难点和重点内容，拟定实验题目，实验的目的是反哺课堂上理论的理解；综合课程设计方面要多维度考虑，例如可结合已经毕业的学生就业情况，通过调研企业的实际需求来设置综合课程设计内容，同时结合学生的自身实际情况和专业水平来综合设计，另外设计中还可以增加“电力系统分析”课程的新知识，由于电子技术和计算机技术的快速发展，课程在一定时间会出现新知识，为了让学生了解当前课程的发展现状，适当增加一些研究人员新观点、新成果和新理念，与当前课程发展接轨。

课程设计的题目多样化，便于学生自由选择自己感兴趣的题目，这样既可以提高设计的效率又兼顾不同情况的学生现状。例如，电力系统综合设计题目为两相短路电流的计算；多节点潮流计算的程序设计；系统故障的计算和分析等等。不同的题目方法和掌握的内容不同，比如两相短路电流的计算这个题目，必须要掌握对称分量法才能解决这个题目，把不对称的故障电路等效变换成正序、负序和零序的对称电路，变换成学生熟悉的对称电路进行分析；再比如多节点潮流计算的程序设计，要求学生必须掌握计算机仿真软件进行分析，才能最有可能完成题目的设计目的。因此这些设计题目可以满足不同知识点需要，达到知识点覆盖面广的设计目的。

1.2 电力系统仿真实验平台建设

作为电气工程及其自动化专业的核心课程的“电力系统分析”，具有教学理论性强、电压高实践操作危险的特点，而虚拟仿真技术（Virtual Reality，VR）就是用一个虚拟的系统模仿真实环境，具有很强的交互性、安全性、认知和感知性[5]。虚拟仿真教学主要应用在危险系数高、操作难度大、设备复杂等专业领域[6]。因此，“电力系统分析”课程教学引进虚拟仿真技术，能够仿照电力系统设备实际操作。

以110 kV变电站主为例，其主电路包括110 KV/35 KV高压变压器、高压母线、少油断路器、隔离刀闸、避雷器以及互感器等设备。通过虚拟仿真平台能对这些电气设备巡视，巡视到变压器时能够检测到变压器的参数如相电流、相电压等，还可以通过监控图操作，生成报表并记录在后台数据库中，交接班人员可以通过数据库查看操作记录。

110 kV变电站虚拟仿真平台是三维模型组成，能形象地提供了一种立体化的、交互的模拟仿真系统。授课教师仿佛身临其境，使抽象的复杂的电力系统呈现出直观的理解形式，为学习“电力系统分析”课程提供一种新的认知和感知相融的学习方法。另外，变电站的三维模型除能够实现设备巡检外，还能实现停电、验电、挂地线、设围栏、挂警示牌等操作。例如模拟仿真现场操1号断路器QF1，则通过三维导航图中找到QF1，双击QF1断路器的箱体门，对“远方-就地切换旋钮”操作，切换至就地位，最后进行分合闸操作。通过虚拟仿真平台还可以进行故障设置与巡检，例如可以对站内电力主变压器、少油断路器、互感器以及避雷器等设置故障。对故障现象，相应的设备会有异常现象出现，这时通过虚拟仿真平台巡视可以发现故障，并通过三维图查看故障现象和后果，这样可以不用打开实际的复杂设备，就能够清楚设备问题所在，对加深理解设备原理起到重要作用。

1.3 实践教学方法的改革

实践环节的教学方法和手段方面，可以多方面结合进行，比如申报各类高教项目，通过申报实践教学项目，加深对实践教学的理解，对实践教学存在疑惑的地方，在PPT汇报和评审专家的点评中都能得到积累和提升；对青年教师，鼓励他们到企业实践锻炼，了解企业的实际，学习书本上没有的东西，让教师体验作为一名专业技术人员的判断问题、故障分析以及解决问题的过程，来促进教师的理论和实际相互结合，提高专业课程的教学效果和教学质量。另外，还可以带学生到企业调研，结合学生“电力系统分析”课程设计题目，有目的的通过企业工程师了解第一手资料，让学生的设计内容和现场实际不脱钩，提高学生学习课程的自信心和理解力，结合现场实践提出“讲解-拆分讨论－汇总”实践教学方法，引导学生掌握课程重点内容，理解难点内容，同时针对“电力系统分析”课程不同的学习内容，结合实践需要提出一些学生感兴趣的问题，激发学习的积极性。另外实践教学中利用先进教学辅助手段如计算机软件对实际问题进行分析，对于复杂的电力系统计算问题，要利用仿真软件如Matlab等。因此，“电力系统分析”课程的教学要按照课堂理论分析+实践环节的培养模式，在理解理论的前提下，鼓励学生参加大学生电子竞赛、创新创业项目来提高学生自身的创新研究能力。

2 实践教学

2.1 实验环节和实验室建设

“电力系统分析”课程具有理解难度高的特点，增加综合性实验比重，减少验证性实验、提高学生专业创造性和综合性能力，注重实践操作，是实现学生有较强的动手能力、提高“电力系统分析”课程理解力的重要手段。对应“电力系统分析”课程建立和其相关的实验室，如电力电子实验室、电机拖动实验室、电机维修实验室、电力系统分析实验室以及电力仿真实验平台实验室等，这些实验室的建设能够充分满足学生实验和课程设计教学需求。实验中根据实验操作规程，分析和解决实验中出现的问题，从而提高学生的电力系统设计和理解能力。

2.2 校外实习

“电力系统分析”课程实践教学方面，必然离不开对企业的调研和了解[7]，为了让学生能够多元化了解电力的各个方面，一方面要了解传统的电力方面的知识，例如到电力公司参观实习和实训，本专业学生通过参加这些企业的培训中心实习，从现场亲身实践和理解电厂和变电站的工作规程；另外为了更好地做好毕业设计和课程设计，引导学生放假期间到这些企业调研和自己设计的相关专业内容，例如做电力系统短路计算设计和故障设计课题时，学生到现场了解发电厂和变电站的短路现象、短路产生的影响、故障频率以及故障如何分析和排除等，通过这些现场的了解和实践才能加深设计的内容。另一方面还要了解电力系统中出现的新知识和新系统包括光伏发电和风力发电，带学生到光伏电站实习和实训，了解新能源发电是电力系统的重要补充，以及新能源发电带来的主要问题，例如气象变化的不确定性使光伏电源和风力发电输出功率也具有不确定性，及其对电力系统产生的影响等，经过对这些新知识的现场认知，在实习中才能更清楚理解可再生能源对电力系统的网络影响。

2.3 实训教学的策略

聘请企业的工程师和校内教师，联合带学生实习。从不同角度和学生讲解，让不同背景的指导教师发挥各自的长处。在讲解过程中，工程师分组带队到企业的电力系统仿真室、中央控制室学习并体验各类专业问题及现象。通过这样的实践教学方法，把学生的基础研究能力、工程实践能力和创新能力作为培养目标，使“电力系统分析”课程形成验证性和综合性实验相结合、感知实习和操作动手实习相结合的实践教学体系[1]。

跟企业进行项目合作，深层次互动交流学习。合作以科研立项的形式进行，通过科研立项的建设，建立对校企双方都有利的产学研合作形式，提高教师专业水平。鼓励任课教师到企业进行挂职学习和锻炼。通过青年教师的挂职，加深教师自身对企业的发电站、变电所运行情况的了解，直到熟悉和掌握企业的运行情况，包括安全操作规程、紧急故障处理、监控系统操作、现场检修和保养等问题，从而提高教师的实践能力。通过亲身体验企业现场实践，让教师重视学生实习实训环节，更深刻认识和分析出变电站、发电厂与“电力系统分析”课程相关性，更有目的性的带领学生在变电站和电力公司进行实习。

另外，鼓励青年教师参加校、院级的实践教学技能大赛，并通过获奖激励教师自己不断学习；结合“电力系统分析”课程，到内地知名企业参加各类课程建设、提升与专业能力相关的专业实践培训；组织学生参加电子竞赛、指导大学生创新创业训练计划项目，培养学生综合运用所学知识独立分析问题和解决问题的能力，使学生初步掌握科学研究过程，培养学生的专业兴趣，从而更好地促进本专业学习。

3 结语

本文根据“电力系统分析”课程理论性强、电压等级高、实验难做的现实问题，提出实践教学环节对“电力系统分析”课程理解的影响，围绕电力系统的发展要求，改革“电力系统分析”课程的实践环节，搭建仿真平台。通过建设实验室和实训基地，完善实验课程、课外实训和电力系统综合课程设计，改革实践教学模式，为提高学生的工程实践能力提供技术参考。