新能源发展背景下的电气工程专业实践教学改革

方胜利 侯贸军 马春艳 叶金凤

摘  要  新能源发展深刻改变了电力系统格局，极大丰富了电气工程的专业内涵。针对当前电气工程专业实践教学仅面向传统电力系统的局限性，以专业各知识点为核心要素，以计算机仿真为手段，在集成新能源微电网与传统电力系统的基础上搭建新型电力系统实践教学平台，实施实践教学改革，提高学生的电气工程专业素养。

关键词  电气工程；新能源发展；实践教学改革；实践教学仿真平台

中图分类号：G642.0   文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）21-0124-04

0  引言

随着我国“双碳”目标下各项碳减排政策的落地实施，电力能源正逐步实现绿色转型，而作为电力转型中的重要部分，新能源发展将具有清洁环保、地理位置分布式、能量时域波动性、电能就近消纳且柔性交互等特性的新型微电网融入传统电力系统中，不仅深刻改变了当前电力系统的结构，而且丰富了电力系统专业内涵[1-2]。而当前电气工程专业的实践教学已无法满足新能源发展背景下电力系统变革对电气人才专业素质的需求。

面对该状况，目前部分高校已对电气工程专业进行实践教学改革，主要包括新技术的应用、教学内容的调整、教学模式的创新等[3-5]，在一定程度上增强了电气工程专业实践教学效果，但基本上仍采用课程实验的方法开展实践教学，没有体现电气工程各专业知识点间相互关联的系统属性，且缺乏新能源与传统电力系统之间能量柔性传输、协同运行的实践内容。此外，实践教学改革过程不够具体，可操作性较差，无法从根本上全面解决新能源发展背景下电气工程人才的培养问题。

基于此，本文在梳理、整合核心知识点的基础上，采用计算机仿真技术，搭建包含新能源微电网的新型电力系统模型，以该模型为实践平台开展综合性实践教学，提高学生新能源技术与传统电气工程技术的综合应用能力。

1  搭建实践教学仿真平台

融合新能源的电气工程涉及发电、变电、输电、配电及用电各环节，结合专业实践课程在学生专业培养方面承担的任务及在毕业要求矩阵中对应的指标点，主要锻炼学生在发电机组功率调控、电力系统分析及设计、输电系统继电保护等方面的专业能力，对应的核心知识点主要包括新能源发电调节、发电机组并网控制、系统频率与发电机有功功率、系统电压与发电机励磁之间的相互影响关系及调节、电力系统潮流计算及分析、电气设备的机械稳定性和热稳定性校验、电力系统稳定性分析、三段式继电保护整定及分析验证等，涉及专业课程主要包含新能源发电技术、电力技术、电力系统自动装置、电机学、电力系统分析、继电保护原理等。且实践核心要素相互关联、协同运行，为了真实地再现电力系统内部复杂的作用机理，传统实践需要购置大量电气设备，不仅实践成本高、效率低、安全风险大，而且难以再现部分核心要素的整个变化过程，导致实践效果差。

基于此，本次实践教学改革摒弃以往传统的分离性实体实验方式，充分借用计算机仿真技术，以仿真手段开展基于完整电力工程的综合实践教学，促进学生系统性、全局性思维的培养，帮助学生提高实际工程能力。

结合电气工程专业核心知识点，在典型的三机九节点电力系统中加入光伏微电网，构建综合实践平台，其电气主接线如图1所示。

2  设置实践教学内容

基于图1所示的电气工程专业综合实践平台，学生需在掌握相关专业知识、熟练应用相关专业工具的基础上开展实践教学。因此，设置实践内容须与专业知识、专业能力相适应，一方面要囊括本专业核心知识点，引导学生将实践内容与相应理论课程进行关联，深化学生对各专业知识点的理解，达到学以致用的目的；另一方面要突出学生的系统性思维在解决工程问题中的重要性，引导学生从系统大局入手，通过相关特征变量的变化趋势，分析电力系统特性，并在各知识点的关联作用下找出核心调节因素，最终达到系统性解决工程问题的目的。基于此，本次教学改革的实践内容分為以下三大模块。

2.1  专业工具的应用

由于电气工程专业研究对象的特殊性，学生必须熟练应用一定的仿真工具，因绝大多数电气工程专业学生前期已修读MATLAB电力系统仿真技术课程，故需要在综合实践中按照已知系统参数在仿真软件中搭建正确的仿真模型，包括电气一次侧主回路模型及系统二次侧控制模型（如光伏发电MPPT、光伏逆变并网、水力/火力发电机励磁及调速等），并利用软件中的可视化控件对相关特征电气参数进行实时显示，以便进行分析。

2.2  理论计算

在电力系统前期规划设计过程中，需要按照给定条件进行电气量的标定，以便进行设备选型及系统优化。因学生前期已修读电力电子技术、电力系统分析、电力系统继电保护等课程，故需要根据相关课程中的知识点进行理论分析、计算，包括光伏板逆变电气参数、输电线路参数、系统短路电流、继电保护装置整定值等。在此过程中，要求学生给出详细的理论计算过程及依据。

2.3  验证及优化

为验证系统设计的合理性，学生需将理论计算结果载入仿真模型中，通过示波器等可视化控件进行数据观测，并将观测结果与系统要求进行对比、分析，如光伏阵列是否完成MPPT、并网电流谐波是否满足要求、线路不同位置发生故障时继电保护装置动作是否正确、系统是否具有静态及动态稳定性、系统潮流分布是否合理等。若分析结果满足要求，则完成实践任务；否则进行系统优化，包括对系统模型的修正及对理论计算结果的验算。

3  开展实践教学

为方便进行过程性考核，本次实践教学摒弃以往传统的教学模式，改用任务与成果同步进行的方式开展，即根据学生需要完成的实践内容，按序依次开展各实践教学环节，在每个环节根据内容设置任务要求，并要求学生提交相应的成果文件，实践教师对各成果进行阶段性验收。这样不仅可以保证学生实践活动有序、高效开展，有利于倡导学生重视实践过程，引导学生积极参与实践活动，而且便于形成过程性实践记录，教师可根据各成果文件客观、公正地对学生的实践能力进行评价。实践过程如图2所示。

4  实践教学综合考核

为有效引导学生积极参与实践、客观评价学生的工程实践能力，该专业实践摒弃以往“总结报告定成绩”的考核方式，而以“过程为主、结果为辅；能力为主、知识为辅”为考核纲领，将总评成绩分为实踐操作成绩和实践报告成绩两部分，占比分别为70%和30%。其中，在实践操作成绩中，结合各实验环节难易程度，设置不同的权重系数，在每一个实践环节建立基于实践项目完成时效性、实践过程成果完整性、实践结果及分析合理性的多维度综合评价体系，结合学生的实践表现，最终给出加权后的实践操作成绩。

而在实验报告成绩中主要关注学生报告的完整性、实践过程阐述的有序性、实践分析的科学性、实践总结的全面性、实践感性的深刻性等五方面内容，从而在深化专业认知、总结实践经验的同时提高学生的文学素养。同时，为了体现各方面对学生专业能力支撑度的不同，设置不同的权重比例，最终通过加权平均获得实践报告成绩。最终将实践操作成绩与实践报告成绩按照设定的比重进行加权计算，给出实践总评成绩，以保证总评成绩的科学性和合理性。

5  实践评教及后期改进

实践教学作为学生专业课程学习及专业能力培养的重要组成部分，出发点及落脚点均为“以学生为中心”，因此，实践教学效果的重要评判标准应为学生的产出，其一方面通过具体量化的学生考核成绩直接反映，另一方面则通过学生在实践过程中的获得感和满意度间接反映，其中后者通常以学生评教的方式呈现。基于学生实践结束后的评教结果，针对性地进行后期的教学优化及改进，以形成“开发实践项目→开展实践教学→评价实践效果→改进实践教学→开展实践教学→……”的闭环，从而达到持续改进的目的。

此外，由于新技术、新理论、新方法的不断涌现以及电气工程专业内涵的不断丰富，培养电气工程人才的实践类课程需要不断丰富实践教学素材，导入顺应专业发展的新案例，并以完整电力工程的形式将其整合，一方面帮助学生构建完整的专业体系，为今后的专业发展打下基础；另一方面使学生了解当前本专业的发展趋势及研究热点，明确未来的研究方向。

6  结束语

本文以新能源发展背景下的电气工程专业实践教学为研究对象，指出当前实践教学在人才培养方面存在的诸多不足，并在梳理新能源技术及电气工程专业核心知识点的基础上，采用计算机仿真工具，搭建包含新能源微电网的新型电力系统仿真实践平台，设计基于该实践平台的教学内容、教学过程及考核方式，并阐述基于学生评教与专业发展的教学改进，旨在帮助学生将新能源技术与传统电气工程专业相结合，提高学生当前电力大系统格局下的电气工程专业能力，为国家能源行业培养高素质的工程专业人才。

参考文献

[1] 张智刚，康重庆.碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望[J].中国电机工程学报，2022，42（8）：2806-2819.

[2] 陈胜，卫志农，顾伟，等.碳中和目标下的能源系统转型与变革：多能流协同技术[J].电力自动化设备，2021，41（9）：3-12.

[3] 宋关羽，赵金利，于浩，等.面向新型电力系统发展的三层次电气工程专业实践教学体系构建与实施[J].实验技术与管理，2022，39（9）：217-221.

[4] 孙欣，黄永红.“新能源发电技术”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2011（35）：95-96.

[5] 陈晓英，任国臣，鲁宝春.基于应用型人才培养的电气工程实践教学平台的构建[J].教育现代化，2016，3（5）：10-11.

*项目来源：湖北汽车工业学院2022年度教学研究与改革项目“基于应用型人才培养的电气工程专业‘1+n模式实践教学研究与实施”（项目编号：JY2022019）。

作者：方胜利，湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，讲师，研究方向为电力系统设计及自动化监控；侯贸军，湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，副教授，研究方向为电力系统调度；马春艳，湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，副教授，研究方向为电力系统故障诊断与保护；叶金凤，湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，讲师，研究方向为发电厂系统自动监控（442002）。