“電力系統自動裝置原理”課程的綜合性習題

解 大，顧羽潔

(上海交通大學電氣工程系上海，200240)

“電力系統自動裝置原理”課程是介紹電力系統自動化裝置的原理及運行要求的一門專業(yè)課?！半娏ο到y自動裝置原理”課程改變了傳統的習題訓練模式，增加綜合性習題的比重。綜合性習題強調學科知識的綜合化，從學科內容出發(fā)，結合生活實際，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力［1-3]。

1 綜合性習題的設計

1.1 整體考慮

電力系統分布在廣闊的地區(qū)，其組成如圖1所示。調度控制中心對所管轄的電力系統進行監(jiān)控和控制，其主要任務是合理地調度所屬各發(fā)電廠的出力，制定運行方式。及時處理電力系統運行中所發(fā)生的問題，確保系統的安全經濟運行。發(fā)電廠和變電所電氣主接線設備運行的控制與操作的自動裝置，是直接為電力系統安全、經濟和保證電能質量服務的基礎自動化設備。同步發(fā)電機是轉換產生電能的機械。它有兩個可控輸入量—動力元素和勵磁元素，其輸出量為有功功率和無功功率，它們分別與電網的頻率和發(fā)電機端電壓的電能質量有關。

“電力系統自動裝置原理”課程對同步發(fā)電機勵磁自動控制和頻率—有功功率自動控制進行了較為深入的討論。

1.2 習題設計的思路與原則

根據電力系統的特點和課程目標，我們在綜合習題設計上采用如下思路和原則。

圖1 電力系統的組成

1)注意與實際問題相結合—傳統的習題都是已知某些條件，然后求出結果。但是實際處理問題時，已知和求解需要我們自己去解析和簡化出來，因此這樣的題目與實際問題的解決還相差較遠。所以綜合性習題的設計應該與實際緊密相連。

2)難度適中—如果題目太難，會打擊學生的積極性和自信心，不利于學生的自主學習性。

3)注意突出課程的重點和難點，合理安排考察點。

2 典型習題考評

2.1 典型習題范例

［例1] 華東電力系統如圖2所示。

圖2 華東電力系統分布圖

已知:如圖2(a)所示的華東電力系統采用TBC/AGC方式調頻，上海、江蘇、浙江和安徽四個區(qū)域網都具有不同的調頻能力。其中，上海調頻機組容量P1MW，江蘇調頻機組容量P2MW，浙江調頻機組容量P3MW，安徽具有二次調頻能力。圖2(b)表示四個區(qū)域協議功率流向。當電網發(fā)生擾動時，江蘇向上海輸送功率增加P1MW，上海從浙江接受的功率增加P2MW，浙江向江蘇輸送的功率增加ΔP3MW，安徽分別向江蘇、浙江輸送的功率增量分別為ΔP4MW和ΔP5MW。已知TBC控制中βA、βB、βC和βD。

試分析如下問題。

1)調頻問題:①華東系統在上述條件下通過TBC/AGC進行調頻，可能發(fā)生的頻率偏差為多少?②在發(fā)生如上的頻率偏差時，四個區(qū)域電網可以承受的負荷變化分別是多少?

2)同期與勵磁問題:穩(wěn)定時系統頻率為50Hz。假設系統發(fā)生故障，導致江蘇-浙江連接線路跳閘，故障使江蘇區(qū)域損失S2MVA發(fā)電容量，使浙江切除S3MVA負荷，故障切除后江蘇區(qū)域頻率為f2Hz，浙江區(qū)域頻率為f3Hz。假設故障時江蘇—浙江連接線的待同期母線電壓分別為:江蘇=U1m∠θ1o，浙江=U2m∠θ2o。

(1)為使系統能夠盡快并網，TBC/AGC不動作，求并網時間。假設U1處等值發(fā)電機無功電壓調差系數為δ1，等值后機組無功額定為QN1MVar，U2處等值發(fā)電機的無功電壓調差系數為δ2，等值后機組無功額定為QN2MVar，求故障引起兩點電壓下降情況。

(2)如果同期規(guī)定并網電壓差小于0.1%，問上述情況是否可以同期?如果不可以同期，系統采用強勵及其他手段進行調節(jié)，調節(jié)時間為to，系統最快并網時間?求并網后系統頻率。

2.2 綜合習題點評

1)各問題點評

本道題考察了調頻、同期和勵磁三個方面的內容。調頻問題中的第一小問考察的是聯合電力系統的調頻問題。本題的系統是四個地區(qū)的聯合系統。采用頻率聯絡線路功率偏差控制(TBC)調頻方式，不僅要消除頻差(△f=0)，而且還要消除聯絡線路中的交換功率偏差(△Pt=0)。這就是說，每個控制區(qū)負責本區(qū)域的功率調整，通常把本區(qū)域調節(jié)作用的信號稱為區(qū)域控制誤差ACE(Area Control Error)。學生要了解二次調頻的作用以及意義，掌握二次調頻與ACE之間的關系，理解ACE的調節(jié)特點，才能順利解答此問。第二小問考察的是聯合電力系統調頻對于負荷變化的影響。要求學生能夠掌握調頻的基本原理和公式:

上式表明，汽輪機功率增量△PTi與負荷增量△PLi間差值，由負荷頻率調節(jié)效應KLi△f和聯絡線路增量△Pti來平衡。

同期與勵磁問題的第一問有兩個問題。第一個問題考察的重點是同期并網的基本原理和條件。發(fā)電機并網的理想條件是并列斷路器兩側電源的三個狀態(tài)量全部相等，即頻率相等和電壓幅值相等和相角差為0。根據同期并網的條件以及自動并列裝置的原理可以計算出發(fā)電機并網時間。第二個問題考察的是勵磁調節(jié)中并聯運行機組間無功功率的分配問題。幾臺發(fā)電機在同一母線上并聯運行時，改變任何一臺機組的勵磁電流不僅影響該機組的無功電流，而且還影響同一母線上并聯運行機組的無功電流，與此同時也引起母線電壓的變化。這些變化與機組的無功調節(jié)特性相關。根據無功調節(jié)特性可以算出電壓降落情況。

同期與勵磁問題的第二問可以直接根據第一問的結果算出來。第三問是從電力系統實際的調節(jié)特性出發(fā)，考察同期并網條件。第四問主要是區(qū)域聯系調節(jié)系統的頻率調節(jié)問題，主要考察學生對于區(qū)域調節(jié)特性的掌握情況。

2)綜合點評

這是一道用來考察電力系統自動裝置原理的綜合性題目，從中我們可以看出五點。

(1)習題基本涵蓋“電力系統自動裝置原理”課程的重點難點。本課程主要講了三個方面的內容:同步發(fā)電機的自動并列、同步發(fā)電機勵磁自動控制和電力系統頻率和有功功率調節(jié)。這三個方面的內容體現了發(fā)電廠發(fā)電機自動裝置運行的全過程，也是本課程的重點與難點。

(2)習題的綜合性非常高。從整體上看，本道題綜合考察了發(fā)電廠所有自動裝運行的原理。我們可以看出考察的知識點很多，綜合程度比較高。例如“同期與勵磁問題”中的第一小問題既考察了同步發(fā)電機并網的條件，自動并列裝置的原理，還考察了勵磁部分并聯運行機組無功功率分配的問題。

(3)注意與實際問題相結合。本題的設計以華東電網為背景，所給出的條件都是華東電網的實際數據，題目中假設的問題也是電網中常常碰到的問題，工程性很強。

(4)每個小問題考察的知識點都很詳細和深刻，需要學生對該知識點的深入掌握，并能靈活運用。

(5)難度適中。本道題考察的都是些基本理論，學生只要理解了相關的知識點以及知識點間的關聯性，就能解答。

3 綜合性習題的作用

3.1 教學效果評估

以應用綜合性習題考核的“電力系統自動裝置原理”課程教學實踐為例，該課程共計54學時，設置有期中、期末兩次考核。該課程2007-2008學年之前一直采用常規(guī)習題進行訓練與考核，自2009-2010學年起開始采用綜合性習題教學與考核模式。

圖3考試成績分布對比直方圖

圖3(a)和圖3(b)分別為2007-2008-2教學班和2009-2010-2教學班的成績分布直方圖。試卷分析的數據顯示，采用綜合性習題之前，平均得分為67.71，成績分布最多的分數段為60-64，低分較多，高分較少，成績分布散，教學成果不理想。采用綜合性習題之后，平均分71.96，成績分布最多的分數段為70-74，低分成績減少，80分以上成績增多，成績分布較為集中，更加符合正態(tài)分布的教學規(guī)律。以上的考核結果表明，綜合性習題的訓練與考核對“電力系統自動裝置原理”課程的教學能夠起到重要的作用。

3.2 綜合性習題的意義

1)綜合性習題可以有效提高學生復習效率，鞏固理論知識。該課程的綜合性習題與傳統習題相比，知識點覆蓋面大，學生的解題過程就是梳理知識點的過程。比如上面的典型習題，做完這一道題基本上就將本課程的重點與難點系統地復習了一遍，而且能將各個知識點串聯起來。

2)綜合性習題能夠提高學生靈活運用知識的能力，培養(yǎng)學生思維的深刻性和獨立思考的能力。綜合性習題考察的不是單個知識點，而是很多知識點的整合。

3)綜合性習題能夠培養(yǎng)學生的工程觀念，提高學生的學習自主性。有助于將學生從應試思維轉變?yōu)楣こ趟季S，培養(yǎng)學生理論聯系實際的意識。

4)綜合性習題能夠激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。

5)綜合性習題有助于學生系統地掌握電力系統的專業(yè)知識，弄懂整個電力系統的運行過程。綜合性習題注重知識點間的關聯性，知識的綜合運用，能夠系統訓練學生的專業(yè)知識，培養(yǎng)學生宏觀的系統的觀念，有助于學生更好地理解電力系統。

6)綜合性習題能夠更客觀地衡量教學效果是促使學生將應試思維方式轉為工程思維方式。

4 結語

“電力系統自動裝置原理”作為精品課程，突破了傳統的作業(yè)和考核模式，用綜合性習題來訓練和考察學生的能力。教學實踐結果表明，綜合性習題與傳統習題相比，不僅能夠鞏固學生的理論知識，還能提升學生多方面的能力，激發(fā)學生的自主學習性和創(chuàng)新意識，同時也能夠更加客觀地反饋學生的學習效果，有助于教師提高教學水平，保證教學質量。

［1] 顧曉利.“化工原理“教學應重視工程觀念的培養(yǎng)［J] .北京:中國林業(yè)教育，2008，26(4):42-44

［2] 林少華，王鄭，荊肇乾.多樣化習題訓練對教學效果的強化［J] .北京:創(chuàng)新教育，2008(32):156-157

［3] 韓麗娟.新課程習題與三維目標的現狀調查及實踐研究［J] .天津:天津師范大學化學系，2009