電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

胡少?gòu)?qiáng) 王智東 林聲宏

華南理工大學(xué) 廣東廣州 510640

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

胡少?gòu)?qiáng) 王智東 林聲宏

華南理工大學(xué) 廣東廣州 510640

為了改變實(shí)驗(yàn)課時(shí)少、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法形成系統(tǒng)性、實(shí)驗(yàn)效果差等問(wèn)題，在電氣工程專業(yè)設(shè)置的電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，加大了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室改造、進(jìn)行課程改革、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)管理等舉措，完善了電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真綜合性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)的效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；綜合性實(shí)驗(yàn)；電力系統(tǒng)；動(dòng)模

電力系統(tǒng)分析是電氣工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程,在電力類課程教學(xué)中處于核心地位,學(xué)生對(duì)該課程的理解和掌握直接影響其專業(yè)基礎(chǔ)和技能發(fā)展。該課程具有很強(qiáng)的理論性,內(nèi)容豐富、抽象,不容易理解和掌握,學(xué)生很容易陷入死記硬背公式和不求甚解的復(fù)雜計(jì)算中；而該課程的實(shí)驗(yàn)課“電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)”在加強(qiáng)學(xué)生的直觀理解、培養(yǎng)動(dòng)手能力方面起著重要的作用。

一、綜合性實(shí)驗(yàn)課程重要性

綜合性實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段改革的重要教學(xué)模式，由于綜合性實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)合性、實(shí)驗(yàn)方法的多元性、實(shí)驗(yàn)手段的多樣性，所以它與常規(guī)的、單一內(nèi)容的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)有著很大的區(qū)別。以我學(xué)院的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)為例子，在開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)前,安排了8學(xué)時(shí)的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。而動(dòng)模實(shí)驗(yàn)不僅涉及動(dòng)模原理等理論知識(shí)，又包含具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,既需了解和熟悉設(shè)備的功能和特點(diǎn)，又需掌握具體的實(shí)操。因此，學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程有較深入的了解和掌握,特別是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種運(yùn)行工況、結(jié)果的理解和掌握,實(shí)驗(yàn)效果不理想。

以往的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)模實(shí)驗(yàn)作為電力系統(tǒng)分析教學(xué)組成部分，在授課期間穿插做實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容分散，很難形成系統(tǒng)性。導(dǎo)致學(xué)生對(duì)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的重視程度不夠，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只是機(jī)械地聽(tīng)從教師的指示進(jìn)行操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容比較模糊，動(dòng)模實(shí)驗(yàn)本應(yīng)具有的直觀性等優(yōu)點(diǎn)未能充分體現(xiàn)。

繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等電力專業(yè)課程都有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，但這些實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)該課程的內(nèi)容，知識(shí)面較窄，初學(xué)者易于將其局限于某一課程，較難以將知識(shí)點(diǎn)融合，形成系統(tǒng)的電力知識(shí)。而動(dòng)模實(shí)驗(yàn)既包含了發(fā)電（原動(dòng)機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)等）、輸電等一次系統(tǒng)內(nèi)容，又包含了保護(hù)、并網(wǎng)控制等二次系統(tǒng)知識(shí)，是最易實(shí)現(xiàn)電力諸多知識(shí)點(diǎn)融合的實(shí)驗(yàn)課程。而且，當(dāng)前課程的交叉性越來(lái)越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)課程也需相應(yīng)地進(jìn)行整合，而綜合性實(shí)驗(yàn)是最有前途的路徑之一，這有利于克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只停留在分散的驗(yàn)證某個(gè)概念、理論、方法的較低水平上。通過(guò)綜合性實(shí)驗(yàn)，改變學(xué)生從原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合性實(shí)驗(yàn)的思路和方法，引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在展示知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系上。

二、綜合性實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐

數(shù)字模擬具有靈活性好、容易搭建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，但在直觀性方面略顯不足。從本科教學(xué)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓初學(xué)者加強(qiáng)對(duì)概念、原理的理解和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行方式的掌握比對(duì)抽象的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的模擬更重要。因此，我們選擇物理模擬作為動(dòng)模綜合性實(shí)驗(yàn)課程的主要方式，并加大了動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室改造、進(jìn)行課程改革、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)管理等舉措。

1.加大動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室改造

我院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室自1991年建成以來(lái)，已成為教學(xué)、科研的重要基地，同時(shí)，還先后為廣州供電局、廣東省電力工業(yè)局試驗(yàn)研究所進(jìn)行了線路測(cè)距裝置及發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行監(jiān)控裝置的仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的改造，使動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室已初步形成了多機(jī)組、多回路、多個(gè)電壓等級(jí)的電力網(wǎng)絡(luò)，主要設(shè)備包括：1臺(tái)15kVA、2臺(tái)5kVA的模擬發(fā)電機(jī)組，兩組無(wú)窮大電源及500kV和220kV模擬線路，三相模擬變壓器以及相關(guān)配套和控制設(shè)備。

2.實(shí)驗(yàn)課程改革

在原先的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，設(shè)置獨(dú)立的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬綜合性實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)必修課程，有專門的學(xué)分，占32個(gè)學(xué)時(shí)。由于綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)專業(yè)知識(shí)要求較高，涉及的知識(shí)點(diǎn)多，在專業(yè)課程（一般在第3年級(jí)開(kāi)設(shè)）完成后進(jìn)行；而且該課程是實(shí)驗(yàn)課程，針對(duì)當(dāng)前大學(xué)生普遍存在的動(dòng)手能力差的薄弱環(huán)節(jié)，故開(kāi)課時(shí)間安排在第4年級(jí)第1學(xué)期。課程涉及了理論和實(shí)驗(yàn)兩部分，安排4個(gè)學(xué)時(shí)介紹動(dòng)模的理論知識(shí)，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。教學(xué)中采用理論知識(shí)與操作實(shí)際相結(jié)合、多媒體講授與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物介紹等多種手段結(jié)合的方式，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中讓學(xué)生自己動(dòng)手，并引導(dǎo)學(xué)生如何將所學(xué)的知識(shí)和技能來(lái)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題。

3.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)本院動(dòng)模實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀,針對(duì)性地開(kāi)展教學(xué)活動(dòng),編寫(xiě)了電力系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),系統(tǒng)介紹了動(dòng)模理論知識(shí),包括：動(dòng)模概論(動(dòng)模仿真簡(jiǎn)述、動(dòng)模仿真室的作用)、電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬(模擬理論、同步發(fā)電機(jī)的模擬、原動(dòng)機(jī)的模擬、勵(lì)磁系統(tǒng)模擬、變壓器模擬、輸電線路模擬、負(fù)荷的模擬、無(wú)窮大系統(tǒng)的模擬)、模擬系統(tǒng)方案的選擇和參數(shù)調(diào)整(原型系統(tǒng)及其參數(shù)、模擬發(fā)電機(jī)的選擇及參數(shù)調(diào)整、模擬變壓器的選擇及參數(shù)調(diào)整、輸電線路模擬的選擇及參數(shù)調(diào)整)。

從整個(gè)電力專業(yè)特點(diǎn)系統(tǒng)化地完善課程設(shè)置,遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜循序漸進(jìn)地開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)：發(fā)電機(jī)組的基本操作；發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功調(diào)節(jié)；電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性研究；電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究；負(fù)荷投切實(shí)驗(yàn)；發(fā)電機(jī)失磁實(shí)驗(yàn)；電力系統(tǒng)故障分析；同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)安全運(yùn)行極限的測(cè)定；同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行等實(shí)驗(yàn)。

4.完善測(cè)量技術(shù)

測(cè)量手段關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的方便性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用模擬顯示屏和數(shù)字測(cè)試儀互相配合使用。模擬顯示屏具有顯示直觀、便于觀察等優(yōu)點(diǎn)，但顯示精度不高，難以適應(yīng)數(shù)據(jù)分析和處理的需要。因此，除了模擬顯示屏，還在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)端側(cè)和線路側(cè)分別接有數(shù)字測(cè)試儀，能記錄電流、電壓、有功和無(wú)功等電氣量，1臺(tái)數(shù)字測(cè)試儀可同時(shí)顯示3個(gè)所需的電氣量值，并可以通過(guò)計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)。目前還準(zhǔn)備進(jìn)行錄波器的投運(yùn)，建成后將可以直接觀察電氣量的波形圖，更具直觀性。

5.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與管理

動(dòng)模實(shí)驗(yàn)一般運(yùn)行1臺(tái)或2臺(tái)機(jī)組，需要合理分工、多人協(xié)調(diào)，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)管理不僅影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還直接影響到實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將學(xué)生分成3個(gè)主要小組負(fù)責(zé)不同的功能：控制臺(tái)、原動(dòng)機(jī)控制和勵(lì)磁控制，并且有序地輪流替換。比如“同步發(fā)電機(jī)V型曲線測(cè)定實(shí)驗(yàn)”中，分別做有功等于零和0.5倍兩條曲線，做完一條曲線后，每組換崗負(fù)責(zé)其它功能。這樣，兼顧了提高學(xué)習(xí)興趣、實(shí)驗(yàn)效率和培養(yǎng)能力等功能。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是綜合性實(shí)驗(yàn)重要環(huán)節(jié)之一，要正確指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)總結(jié)實(shí)驗(yàn)情況和進(jìn)行效果分析，解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，寫(xiě)出質(zhì)量高、有實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

三、效果及展望

從本校2006級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)約200名同學(xué)參加實(shí)驗(yàn)的情況來(lái)看，已初步顯現(xiàn)良好的實(shí)驗(yàn)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和直觀認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的知識(shí)融合和實(shí)踐動(dòng)手的能力。

綜合性實(shí)驗(yàn)不僅有利于加強(qiáng)課堂教學(xué)，而且能彌補(bǔ)生產(chǎn)實(shí)習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)的不足。高校電氣工程專業(yè)普遍都有兩周左右的生產(chǎn)實(shí)習(xí)項(xiàng)目，但從需參加實(shí)習(xí)的學(xué)校多、學(xué)生人數(shù)多、實(shí)習(xí)單位難以接待等實(shí)際困難來(lái)看，生產(chǎn)實(shí)習(xí)更多流于參觀的層面，綜合性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，在一定程度上彌補(bǔ)了缺乏實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，有助于加強(qiáng)和鞏固對(duì)理論概念和原理的理解并具體化。

電力系統(tǒng)綜合性實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新的課題，需要從課程改革、內(nèi)容整合和優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)管理、平臺(tái)建設(shè)等諸多方面進(jìn)行更深入的探討和研究，不斷積累經(jīng)驗(yàn)并在實(shí)踐中發(fā)展。

目前,在現(xiàn)有的動(dòng)?；A(chǔ)上,我院也在探索Hypersim實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用,把電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真與數(shù)字仿真有機(jī)地結(jié)合起來(lái),充分發(fā)揮數(shù)字仿真和物理模擬各自的優(yōu)勢(shì),并探討其在教學(xué)的應(yīng)用規(guī)律,爭(zhēng)取向本科和研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)等開(kāi)放。

[1]何仰贊.電力系統(tǒng)分析(上下冊(cè))第三版[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2005

[2]楊德先，陸繼明.電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)原理與指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[3]趙成勇.基于虛擬儀器的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)字化改造[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(16):87～90

Study on comprehensive experiment teaching of dynamic physic simulation in power system

Hu Shaoqiang, Wang Zhidong, Lin Shenghong
South china university of technology,Guangzhou,510640,China

To overcome problems such as insufficient experiemnt academic hours,scattered content and poor experiment result, comprehensive experiment teaching of power system dynamic simulation as a independent class is developed based on the power system dynamic simulation experiment that is commonly set up for electricity engineering specialty. Measures improving dynamic simulation laboratory ,reforming class courses, optimizing experiment contents and strengthening experiment management are applied. And better experiment teaching effect is validated.

experiment teaching；comprehensive experiment；power system；dynamic simulation

book=81,ebook=369

2009-11-17

胡少?gòu)?qiáng),高級(jí)工程師，電力實(shí)驗(yàn)中心主任。王智東,碩士。林聲宏,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。

*本文系華南理工大學(xué)校級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目。