面向新一代电力系统的电力系统分析金课构建

任洲洋 杨 帆 夏威夷

（重庆大学电气工程学院，重庆 400044）

电力系统分析是电气工程及其自动化专业的专业必修课程，也是该专业最为核心的主干课程，它是本科阶段后续课程继电保护原理以及发电厂电气部分的基础，更是学生毕业后从事相关专业的基础。本课程主要围绕电力系统运行状态的相关知识进行讨论，包括电力系统中各种元件的模型和参数计算、电力系统的潮流分布、电压无功的调整、有功频率的调节、短路故障分析以及电力系统的稳定性。而电力系统作为人类创造的最为复杂的系统之一，具有强非线性和强耦合性，因此在描述电力系统的运行状态时，教材采用了大量的物理概念以及数学知识。这也导致这门课程理论性很强，学生反映很抽象，不容易学懂。因此，要让学生学好这门课程，学生的学习态度很重要，而课程的教学模式更是关键。

另外，随着电网规模的扩大、供电需求的增加、能源的枯竭，电力系统需要更加高效的管理模式以及多样化的发电形式，由此诞生了“智能电网”“分布式发电”“微电网”“虚拟电厂”“云计算”“大数据”“物联网”“人工智能”“能源互联”等诸多新概念和新技术。目前，这些新概念和新技术已经或者即将在电网中得以应用，让如今的电力系统成了结构更复杂、运行方式更灵活的新一代电力系统。这也意味着，为了让学生毕业之后能尽快适应岗位需求，学校及教师必须随着电网的发展，与时俱进地调整电力系统分析课程的授课内容，并开展相应的实践教学活动，让学生能通过深入的理论学习以及实验操作，理解电力系统的新概念和新技术，适应新一代电力系统的要求。

而高等教育面临的更大挑战是，2018 年8 月，教育部印发了《关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》，提出“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，要提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度，拓展课程深度，扩大课程的可选择性，淘汰‘水课’，打造具有高阶性、创新性和挑战度（两性一度）的‘金课’”。从这个通知发布以来，全国高校掀起了打造“金课”的热潮。电力系统分析课程作为电气工程及其自动化专业的核心课程，同样面临打造“金课”的挑战。

一、课程现状及问题

目前，电力系统分析课程的教学距离新一代电力系统的要求以及“金课”的要求还有差距，具体体现在以下三个方面。

（一）教学模式不够灵活，教学内容陈旧

目前大多数教师仍然采用满堂灌的方式，学生没有思考的空间，导致学生学习兴趣不高；同时，教师授课时往往只按照教材上的内容“照本宣科”，而教材的内容抽象且比较陈旧。因此，目前的理论教学无法满足新一代电力系统对学生的要求，当然也就不具备“金课”要求中的“高阶性”。

（二）实践教学项目形式单一

现代电力系统是集发电、输电、配电和用电为一体的复杂非线性网络系统，具有高电压、大电流的特点。为了保证实际运行的电力系统的安全稳定性以及人身安全，不便采用在线物理试验的方法对实际电力系统的运行状态进行研究。因此，目前电力系统分析课程的实践教学环节主要是利用电力系统仿真软件或者实验设备对电力系统进行离线仿真研究。由于诸多原因，现在很多高校的电力系统分析课程实践教学项目都比较单一，比如利用某一种仿真软件只做潮流计算实验或者只做短路实验，这显然无法让学生全面深入地理解电力系统的运行状态，更无法充分认识新一代电力系统的运行方式和新技术，当然也无法培养学生的创新性，满足不了“金课”的要求。

（三）课程考核方式过于简单

目前，电力系统分析课程往往只用最后期末考（甚至这些期末考试题是教师划过的重点）的卷面成绩来评价。如此一来，很多学生平时上课不努力或者根本不上课，考前临时抱佛脚，考后就完全忘记，让课程的学习丝毫没有挑战性。这当然无法培养学生毕业后快速融入新一代电力系统的适应性，更无法达到“金课”要求中的“挑战度”。

那么，如何在电网规模日益扩大以及相关技术快速发展的今天，打造电力系统分析课程“金课”呢？下面，就将从理论教学、实践教学以及课程考核方式三个方面的改革来阐述。

二、理论教学方面的改革

如前所述，鉴于电力系统分析这门课程的强理论性，其教学模式是学生学好这门课的关键；另外，随着电网的发展，电力系统方面的前沿知识越来越多，也越来越重要，这意味着电力系统分析课程的教学内容也应该随之增加。因此，电力系统分析课程的理论教学改革就应该包括教学内容的改革和教学模式的改革。

（一）教学内容的改革

在电力系统分析课程理论教学过程中，在讲透教材上基础知识的前提下，应该根据相应章节增加新的教学内容。比如，在开始讲授这门课程时，就应该让学生充分认识新一代电力系统的构成，即在传统电力系统的基础上，给学生讲解一些新能源发电、微电网、智能电网、负荷预测等方面的知识。当然这些知识暂时只能停留在概念层面上，目的是要告诉学生这些知识出现的原因，在电力系统中的哪些环节会用到，涉及什么样的先进技术。又比如，在讲电力系统潮流计算的时候，可以给学生适当讲解有新能源参与情况下的电力系统潮流应如何计算和分析。同样，教学电压无功调整和有功频率节的内容时，可以给学生讲解新一代电力系统中无功电压调整方法以及有功频率调节方法。在教学电力系统的稳定性时，可以给学生讲解目前电力系统稳定性控制方面有哪些措施和新技术。只有不断将课堂教学内容更新，才能让学生更深入了解新一代电力系统，才能让这门课程的知识具有“高阶性”。

在增加授课内容的同时，考虑到这门课程的抽象性，对那些不容易理解的内容，教师可以制作动画，或者从网络上找一些相关视频资料放给学生看，加深学生的理解。比如，在刚开始讲这门课程时，为了让学生充分了解电能的生产和传输过程，可以找一些实际电能生产和传输的视频，让学生观看。同时，在课件制作过程中，要保证授课内容逻辑清晰，让学生容易看懂。

（二）教学模式的改革

目前，对于教学模式的改革而言，常用的有线上线下模式以及研讨模式。

1.线上线下模式

如前所述，电力系统分析课程需要增加很多新的授课内容，但由于诸多原因，课时量并没有增加。因此，为了在短时间内讲完这么多内容，必须对教学模式进行改革。线上线下模式可以很好地解决这个问题。对于那些简单的或者需要自学的内容，可以让学生在线上自学，线下面授时只需要做一个简单的总结，引导学生思考问题即可。而对于那些较难而且很重要的内容，则要求学生先在线上预习，线下面授时则重点针对这些内容进行讲解。这样一来，既给了学生思考问题的时间，又提高了学生发现问题、分析问题以及自主学习的能力，还能给课程提供更多的时间以完成更多的授课内容。

2.研讨模式

为了增强学生学习的兴趣，以及提高学生的创新性，教师可以对课程中的一些重要的内容或者具有争议的内容进行延伸，引导学生在掌握基础知识的情况下，进一步挖掘知识的深度，通过讨论的模式来加深对知识的理解。比如潮流计算部分，可以让学生在掌握计算机潮流算法的基础上，进一步查阅相关资料，分析总结各种潮流计算方法的优缺点和适用范围，并进行课堂讨论。这样一来就可以让学生充分学透电力系统的潮流计算。在此基础上，还可以让学生查阅有新能源参与的电力系统潮流计算方法，引导学生思考新能源参与之后电力系统的潮流分布会有什么不同，从而开发学生的创新思维。针对电压无功调整、有功频率调节以及电力系统稳定性等内容，同样可以在讲解基础知识的情况下，开展研讨模式教学。

通过线上线下模式以及研讨模式，既能让学生多学一些新一代电力系统法方面的知识，也能从一定程度上满足“金课”要求中的“高阶性”和“创新性”。

三、实践教学方面的改革

鉴于电力系统分析课程的强理论性，要让学生学好这门课程，必须加强实践教学。而又由于电力系统本身的特殊性，实践教学无法在实际系统上完成，所以要想通过实验达到充分认识电力系统的目的，实践教学环节不能过于单一。下面就从电力系统仿真软件的使用以及虚拟仿真实验平台的开发和使用来阐述实践教学环节的实施。

（一）电力系统仿真软件的使用

目前，用于电力系统分析课程的仿真软件种类较多，常用的有：中国电力科学研究院开发的PSASP以及PSD-BPA、美国MathWorks 公司开发的MATLAB、美国PTI 公司开发的PSS/E、加拿大Powertech Labs 开发的电力系统安全分析软件包DSA。这些软件可以用来计算电力系统潮流，进行最优潮流分析、短路故障分析以及系统稳定分析计算。还有常用于电磁暂态的仿真软件：电磁暂态程序EMTP、中国电力科学研究院在EMTP 的基础上开发的EMTPE、加拿大Manitoba直流研究中心开发的EMTDC/PSCAD。还有常用的实时物理仿真工具RTDS。实时物理仿真，是仿真的时间刻度与真实物理时间进度严格同步的仿真。这样可以把仿真与现实物理系统对接起来，把纯软件仿真嵌入真实世界中，成为在实时仿真器中运行的“虚拟电网”。这些软件不但可以实现传统电网的计算和分析，而且对于有新能源（比如光伏、风能等）参与的电网，同样可以进行计算分析。

因此，在电力系统分析课程的实践教学环节中可以充分利用上述仿真软件的各种功能模块，开展多个实验项目，让学生深入理解电力系统的运行状态，让知识具有“高阶性”，同时也充分培养学生的“创新性”思维。

（二）购买或者开发虚拟仿真实验项目

电力系统是一个抽象复杂的系统，仅仅通过仿真软件来计算分析，还是会让学生觉得难以理解，利用3D 虚拟仿真技术实现逼真的虚拟仿真实验，能够很好地解决电力系统分析课程的实验教学难题。虚拟仿真技术构建的虚拟教学场景能够突破实际场景限制，有助于学生直观地理解抽象的教学内容。

目前电力系统方面有很多高校联合企业开发了相应的虚拟仿真实验项目，比如，山东大学的“东北亚能源互联网虚拟仿真实验教学项目”、清华大学的“基于云仿真的光储微电网运行控制虚拟实验”、华东理工大学的“电能的产生、传输与应用虚拟仿真实验”、哈尔滨工程大学的“电力传输特性与传输稳定极限实验”、天津大学的“分布式发电与智能微电网虚拟仿真实验”、福州大学的“配电网单相接地故障保护虚拟仿真实验”、内蒙古农业大学的“电力系统虚拟仿真实验”、辽宁工业大学的“含新能源发电的电力系统运行状态虚拟仿真实验”、四川大学的“电力系统频率调整的原理与控制虚拟仿真实验”、中国矿业大学银川学院的“电力系统虚拟仿真教学实验项目”。这些虚拟仿真实验平台均可以购买或者付费使用。

当然，学校也可以联合企业，根据本校的实际需要情况，开发相应的虚拟仿真实验项目。就专注于虚拟仿真实验项目开发的企业而言，北京润尼尔网络科技有限公司拥有丰富的电气类虚拟仿真实验项目建设经验，该公司目前已经和国内多所高校合作成功开发了国家级及省级虚拟仿真实验项目。

因此，电力系统分析课程的实践教学环节可以充分利用虚拟仿真实验项目，让学生对新一代电力系统有更形象化的概念。这也是教育部提出的“金课”要求中所倡导的。

四、课程考核方式的改革

要达到“金课”中“挑战度”的要求，电力系统分析课程的考核形式不能过于简单。评价时，可以规定，期末考试卷面成绩占40%，实验成绩占30%，平时成绩占30%，目的是让学生在平时的理论教学中和实验过程中积极参与到课程中来，让学生意识到必须通过长期坚持不懈的努力才能获得相应的学分，使得该门课程具有“挑战度”。

其中，平时成绩的考核主要包含如下两个方面：线下教学的参与情况（包括出勤、课堂测试与课堂讨论）、线上教学的参与情况（包括线上学习、线上测试）。而实验成绩的考核则主要包含实验课程的参与情况，以及最后的实验报告整理情况。

五、结论

电力系统分析课程内容抽象，再加上新一代电力系统对人才的高要求，以及教育部提出的打造“金课”的通知，诸多因素都使得电力系统分析课程的教学面临巨大的挑战。鉴于此，本文从理论教学、实践教学以及课程考核方面进行了阐述，提出了电力系统分析课程改革的一些举措，以求这门课程的教学能顺应时代的发展和要求，达到“金课”要求中的“两性一度”，培养出更多符合行业需求的人才，推动社会经济的发展。