基于ETAP电力系统仿真分析软件的电力系统分析课程改革实践

赵 莹，李 霜，李 媛，刘禹良

(重庆电力高等专科学校，重庆 400053)

电力系统是由发、输、变、配、用等环节中的大量电气设备组成，结构复杂，状态多变。电力系统分析课程是高职院校发电厂及电力系统、电力系统继电保护与自动化技术、电力系统自动化技术等强电类专业的一门专业核心课程，有着承上启下的作用。学习这门课程需要综合运用数学、物理、电路、磁路、电子技术、电机学、计算机技术等多门课程的知识，对学习者的分析计算能力要求较高。在高职教育重应用的背景下，目前该课程教学方式存在很多问题急需解决。

ETAP电力系统仿真软件(以下简称ETAP)是美国OTI集团公司研发生产的电力、电气系统综合计算分析软件，功能全面，能为发、输、配电等的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供全面的分析和解决方案。高校引入该软件主要应用于技术研究，很少应用于教学，因此该软件在高职院校中少有院校引入，导致基于ETAP的电力系统分析课程模块化教学模式改革在国内少有研究。

本文提出结合ETAP进行电力系统分析课程的项目化教学改革，以项目任务驱动学习。利用软件的建模和计算功能，让学生在实际工程案例的构建过程中逐步完成对电力系统的基本概念、潮流分析、调频调压、经济性、短路分析及稳定性知识的学习。在避开繁杂的计算环节，强化工程应用，增强趣味性的同时，也可以降低学习难度。

1 教学现状及存在的问题

1.1 课程学习难度大，学习畏难情绪严重

电力系统分析课程理论性强，计算分析过程繁琐，密切联系电力生产实际，即便是对本科院校的学生来说，该门课程也是最具难度的专业课之一。对高职学生而言，其学习理解难度更大，很容易让学生产生畏难情绪。即便是有课程资源库，可以运用翻转课堂式教学等方法，但由于高职院校学生学习自觉性、主动性较差，课程本身趣味性差、难度太大，所以教学效果差强人意，以致电力系统分析这门课程近几年挂科率居高不下。

1.2 现有教学模式下能力目标难实现

高职院校的电力系统分析课程一般是将重要概念、基本原理及简要计算分析等设定为章节的教学目标，从而造成教师一味地讲述知识点和计算方法，忽视了对学生的分析、解决问题等综合能力的培养。在教学内容上，侧重于讲述基础，学生对于较抽象难懂的知识一知半解，即便引入电力系统的工程实例辅助教学，学生还是难以理解接受。

在职业教育背景下，电力系统分析课程中大量的计算环节不应再作为高职院校中该课程教学的重点，该课程应注重学生分析、解决问题的综合能力的培养。教师需要探寻新的课程教学模式，比如借助仿真软件。已经有尝试将ETAP应用于教学的案例，并得到学生良好的反馈，对提高电力系统分析课程的教学效果有一定帮助。文献[1-5]介绍了ETAP在教学中的应用，但就目前职业教育要求来看，仍有很大改进空间。

2 课程项目化改革

2.1 教学改革思路

电力系统分析课程将结合真实电力系统，借助ETAP构建电力系统模型，通过软件仿真，展示区域电力网络保障区域供电的过程，构建教学项目[6]，将电力系统规划、设计、调度、优化等方面的规范贯穿于教学全过程，完成电力系统分析课程知识重构，以有效提升学生的理论知识理解及运用能力，切实培养学生的工程能力，并将电力系统分析的基本要求深深镌刻在学生记忆、行为中，让学生在学好电力系统分析课程的同时，为后续课程奠定坚实基础。通过使用ETAP促进学生对电力系统分析课程知识的学习，有效提升学生的理论知识理解及工程实际运用能力，切实培养学生的动手能力。

2.2 课程知识重构

根据企业调研，编制与区域经济发展历程相对应的电力系统各发展阶段的ETAP单线图。根据各发展阶段的ETAP单线图模型及ETAP功能模块，构建了4个教学模块、9个项目，模块下细分任务，在任务中融入细化的知识点。

模块一：电力系统潮流分析，如表1所示。在构建网络结构的过程中介绍电力系统基本概念，根据地区经济发展负荷的增加扩建网络，并在此过程中融入相关知识。网络搭建完成后，在参数设置过程中融入电力网相关设备参数及等效电路知识。通过潮流分析模块计算已构建的系统的潮流，分析数据过程中融入潮流计算相关知识。

表1 模块一 电力系统潮流分析

模块二：电力系统分析与调整优化，如表2所示。利用ETAP潮流分析模块，结合模块一构建好的电力系统，通过仿真模拟各种措施，以软件为辅助，让学生直观看到各种措施的效果，并学习电力系统调整优化相关知识。

表2 模块二 电力系统分析与调整优化

模块三：电力系统故障分析，如表3所示。利用ETAP的短路分析模块，结合模块一构建好的电力系统，通过仿真模拟构建电力系统实际发生过的短路故障，可在此过程中融入短路相关知识。

表3 模块三 电力系统故障分析

模块四：电力系统稳定性分析，如表4所示。利用ETAP稳定性分析模块，结合模块一已构建的电力系统，通过设置系统实际出现过的大、小扰动来仿真模拟静态、暂态稳定，可在此过程中融入稳定性相关知识。

表4 模块四 电力系统稳定性分析

2.3 教学过程设计

1)利用ETAP电力系统仿真分析软件构建电力网络，通过单线图绘制，让学生认识电力系统中发输变备用各环节的设备元件，了解系统结构和特点等；通过设备元件参数设定，让学生掌握设备元件的数学模型。同时根据经济发展，电流网络逐步扩大到变、输、配、用，再到发变、输、配、用复杂网络，电压等级由35 kV向110 kV、220 kV逐步提升，网架结构由薄弱向坚强发展，学生可在此过程中学习电力系统接线知识，并完成项目1相关知识的学习。

2)根据已构建的电力系统学习潮流计算相关知识。通过软件调试、错误警示信息，排查数据输入错误，得到正确结果，进而学习对潮流结果的识读、分析、判断等。此阶段注重实用性，以完成项目2相关知识的学习。

3)调整设备参数或网络结构，根据电力系统分析基本要求，通过改变负荷功率、增加无功补偿设备等措施，以达到满足电能质量和电力系统分析经济性的要求。这部分内容避开了复杂计算，将重点转移到对实际系统工程的调试等工程应用能力的培养上，以完成项目3、4、5相关知识的学习。

4)设置系统各类故障，通过软件调试、错误警示信息，排查错误，得到短路计算结果过程，学习短路基本知识；根据ETAP仿真的短路计算结果，读取有用数据，并根据数据分析短路。通过各个发展阶段的电力系统短路案例对比分析不同结构的系统在相同地点发生短路后的影响，拓展知识。避开复杂计算，注重应用，完成项目6、7、8相关知识的学习。

5)设置各类扰动，观察系统遭受扰动后的暂态过程，了解电力系统稳定性相关知识。对比不同扰动的影响，对比各发展阶段中系统对相同扰动的暂态过程，分析系统稳定性，拓展知识，完成项目9相关知识的学习。

在以上仿真教学过程中，学生都可以根据区域电力系统实际工况，按照课堂要求，通过讨论、分析拓展，用软件仿真验证效果，来真正提升技能。这有利于提升学生学习积极性和参与度，培养学生养成自主的学习习惯。

3 教学实施与成效

3.1 教学实施

以“项目1：基于ETAP搭建电力系统——任务1 电力系统单线图构建”为例，该任务将原有的电力系统分析课程第一章的电力系统基础知识有机融入构建单线图的过程中，如图1所示。教学实施过程中，学生可以边操作、边观察、边学习，让知识点的学习既有趣味性，也有实用性。

图1 任务1教学实施过程

教学实施过程是按照区域电力系统发展为引线，由最简单的负荷搭建开始，区域电力系统从最初的单一负荷电源结构，逐步跟随区域经济发展扩建为完整的包括发、输、变、配、用的电力系统。学生在边搭建、边学习、边扩建网络的过程中，学习电力系统组成、电力网、电力系统接线图、基本接线方式及特点和运行特点及要求等基本知识点。

通过ETAP单线图搭建，让学生直观体验真实的电力系统和电力网。通过扩建电力系统让学生直观了解电力系统的接线图及基本接线方式，同时学生可通过操作和互相讨论总结出接线方式的特点，及电力系统的特点和运行的基本要求。

3.2 教学效果

按照本文的教学思路设置教学过程，对重庆电力高等专科学校20级电气2013班、2014班学生开展教学实践，并与19级电气1913班、1914班学生进行对比分析。

首先，学生学习参与度高，有兴趣，学习自主性有所提升，学习效果好。以电气2013班、2014班为例，学生在课堂边仿真边学习，可操作可观察，互动讨论让学习氛围变好、趣味性提高，能做到人人参与、人人过关，有效避免偷懒、溜号、抄作业等现象。

其次，结合工程实例，学生通过ETAP操作学习知识，对其技能提升有很大帮助。例如电压管理知识，以往练习考核多为纯文字形式，如判断题“逆调压是在最大负荷时允许中枢点电压适当降低，最小负荷时允许中枢点电压适当提高”，诸如此类文字描述或者计算练习只能让学生熟悉知识点，实际技能无法得到锻炼提升。而利用ETAP则可以将问题转化为真实工程案例，让学生通过仿真案例判断工况是否满足逆调压要求，这样能让学习接近工程实际，能锻炼、提升学生技能。

最终，20级学生成绩明显提升，成绩分布更合理，这证实了方法的有效性，如表5和图2所示。

图2 成绩对比

表5 成绩对比

4 结语

本文提出基于ETAP模拟完善区域电力网络以保障区域电力需求的过程，从而构建电力系统真实模型。以此为基础重构教学内容，可以使教学过程设计合理，知识点学习有趣又有用，实践证实该方法是有效的。此外，课程所用到的软件功能是其他电力系统仿真软件也具备，任意类似软件均可按照本文思路重构教学内容，因此本文所述教学思路具有一定的推广性。