面向新一代電力系統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析金課構(gòu)建

任洲洋 楊帆 夏威夷

[摘 要]針對電力系統(tǒng)分析課程理論性較強(qiáng)、學(xué)生不容易學(xué)懂等問題，結(jié)合新一代電力系統(tǒng)的發(fā)展要求以及教育部下發(fā)的打造本科教學(xué)“金課”的通知，文章從理論教學(xué)、實踐教學(xué)以及課程考核方面闡述了電力系統(tǒng)分析課程的改革措施，以期打造面向新一代電力系統(tǒng)的“金課”。

[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng)分析課程;新一代電力系統(tǒng);金課

[中圖分類號] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）02-0110-03

電力系統(tǒng)分析是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)必修課程，也是該專業(yè)最為核心的主干課程，它是本科階段后續(xù)課程繼電保護(hù)原理以及發(fā)電廠電氣部分的基礎(chǔ)[1-2]，更是學(xué)生畢業(yè)后從事相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)。本課程主要圍繞電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)知識進(jìn)行討論，包括電力系統(tǒng)中各種元件的模型和參數(shù)計算、電力系統(tǒng)的潮流分布、電壓無功的調(diào)整、有功頻率的調(diào)節(jié)、短路故障分析以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而電力系統(tǒng)作為人類創(chuàng)造的最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，具有強(qiáng)非線性和強(qiáng)耦合性，因此在描述電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)時，教材采用了大量的物理概念以及數(shù)學(xué)知識。這也導(dǎo)致這門課程理論性很強(qiáng)，學(xué)生反映很抽象，不容易學(xué)懂。因此，要讓學(xué)生學(xué)好這門課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度很重要，而課程的教學(xué)模式更是關(guān)鍵。

另外，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、供電需求的增加、能源的枯竭，電力系統(tǒng)需要更加高效的管理模式以及多樣化的發(fā)電形式，由此誕生了“智能電網(wǎng)”“分布式發(fā)電”“微電網(wǎng)”“虛擬電廠”“云計算”“大數(shù)據(jù)”“物聯(lián)網(wǎng)”“人工智能”“能源互聯(lián)”等諸多新概念和新技術(shù)[3]。目前，這些新概念和新技術(shù)已經(jīng)或者即將在電網(wǎng)中得以應(yīng)用，讓如今的電力系統(tǒng)成了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、運(yùn)行方式更靈活的新一代電力系統(tǒng)。這也意味著，為了讓學(xué)生畢業(yè)之后能盡快適應(yīng)崗位需求，學(xué)校及教師必須隨著電網(wǎng)的發(fā)展，與時俱進(jìn)地調(diào)整電力系統(tǒng)分析課程的授課內(nèi)容，并開展相應(yīng)的實踐教學(xué)活動，讓學(xué)生能通過深入的理論學(xué)習(xí)以及實驗操作，理解電力系統(tǒng)的新概念和新技術(shù)，適應(yīng)新一代電力系統(tǒng)的要求。

而高等教育面臨的更大挑戰(zhàn)是，2018年8月，教育部印發(fā)了《關(guān)于狠抓新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神落實的通知》[4]，提出“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，要提升大學(xué)生的學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度，合理增加課程難度，拓展課程深度，擴(kuò)大課程的可選擇性，淘汰‘水課’，打造具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度（兩性一度）的‘金課’”。從這個通知發(fā)布以來，全國高校掀起了打造“金課”的熱潮。電力系統(tǒng)分析課程作為電氣工程及其自動化專業(yè)的核心課程，同樣面臨打造“金課”的挑戰(zhàn)。

一、課程現(xiàn)狀及問題

目前，電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)距離新一代電力系統(tǒng)的要求以及“金課”的要求還有差距，具體體現(xiàn)在以下三個方面。

（一）教學(xué)模式不夠靈活，教學(xué)內(nèi)容陳舊

目前大多數(shù)教師仍然采用滿堂灌的方式，學(xué)生沒有思考的空間，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高;同時，教師授課時往往只按照教材上的內(nèi)容“照本宣科”，而教材的內(nèi)容抽象且比較陳舊。因此，目前的理論教學(xué)無法滿足新一代電力系統(tǒng)對學(xué)生的要求，當(dāng)然也就不具備“金課”要求中的“高階性”。

（二）實踐教學(xué)項目形式單一

現(xiàn)代電力系統(tǒng)是集發(fā)電、輸電、配電和用電為一體的復(fù)雜非線性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有高電壓、大電流的特點。為了保證實際運(yùn)行的電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性以及人身安全，不便采用在線物理試驗的方法對實際電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研究。因此，目前電力系統(tǒng)分析課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要是利用電力系統(tǒng)仿真軟件或者實驗設(shè)備對電力系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真研究。由于諸多原因，現(xiàn)在很多高校的電力系統(tǒng)分析課程實踐教學(xué)項目都比較單一，比如利用某一種仿真軟件只做潮流計算實驗或者只做短路實驗，這顯然無法讓學(xué)生全面深入地理解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，更無法充分認(rèn)識新一代電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和新技術(shù)，當(dāng)然也無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性，滿足不了“金課”的要求。

（三）課程考核方式過于簡單

目前，電力系統(tǒng)分析課程往往只用最后期末考（甚至這些期末考試題是教師劃過的重點）的卷面成績來評價。如此一來，很多學(xué)生平時上課不努力或者根本不上課，考前臨時抱佛腳，考后就完全忘記，讓課程的學(xué)習(xí)絲毫沒有挑戰(zhàn)性。這當(dāng)然無法培養(yǎng)學(xué)生畢業(yè)后快速融入新一代電力系統(tǒng)的適應(yīng)性，更無法達(dá)到“金課”要求中的“挑戰(zhàn)度”。

那么，如何在電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大以及相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的今天，打造電力系統(tǒng)分析課程“金課”呢？下面，就將從理論教學(xué)、實踐教學(xué)以及課程考核方式三個方面的改革來闡述。

二、理論教學(xué)方面的改革

如前所述，鑒于電力系統(tǒng)分析這門課程的強(qiáng)理論性，其教學(xué)模式是學(xué)生學(xué)好這門課的關(guān)鍵;另外，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)方面的前沿知識越來越多，也越來越重要，這意味著電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)該隨之增加。因此，電力系統(tǒng)分析課程的理論教學(xué)改革就應(yīng)該包括教學(xué)內(nèi)容的改革和教學(xué)模式的改革。

（一）教學(xué)內(nèi)容的改革

在電力系統(tǒng)分析課程理論教學(xué)過程中，在講透教材上基礎(chǔ)知識的前提下，應(yīng)該根據(jù)相應(yīng)章節(jié)增加新的教學(xué)內(nèi)容。比如，在開始講授這門課程時，就應(yīng)該讓學(xué)生充分認(rèn)識新一代電力系統(tǒng)的構(gòu)成，即在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，給學(xué)生講解一些新能源發(fā)電、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、負(fù)荷預(yù)測等方面的知識。當(dāng)然這些知識暫時只能停留在概念層面上，目的是要告訴學(xué)生這些知識出現(xiàn)的原因，在電力系統(tǒng)中的哪些環(huán)節(jié)會用到，涉及什么樣的先進(jìn)技術(shù)。又比如，在講電力系統(tǒng)潮流計算的時候，可以給學(xué)生適當(dāng)講解有新能源參與情況下的電力系統(tǒng)潮流應(yīng)如何計算和分析。同樣，教學(xué)電壓無功調(diào)整和有功頻率節(jié)的內(nèi)容時，可以給學(xué)生講解新一代電力系統(tǒng)中無功電壓調(diào)整方法以及有功頻率調(diào)節(jié)方法。在教學(xué)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性時，可以給學(xué)生講解目前電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方面有哪些措施和新技術(shù)。只有不斷將課堂教學(xué)內(nèi)容更新，才能讓學(xué)生更深入了解新一代電力系統(tǒng)，才能讓這門課程的知識具有“高階性”。

在增加授課內(nèi)容的同時，考慮到這門課程的抽象性，對那些不容易理解的內(nèi)容，教師可以制作動畫，或者從網(wǎng)絡(luò)上找一些相關(guān)視頻資料放給學(xué)生看，加深學(xué)生的理解。比如，在剛開始講這門課程時，為了讓學(xué)生充分了解電能的生產(chǎn)和傳輸過程，可以找一些實際電能生產(chǎn)和傳輸?shù)囊曨l，讓學(xué)生觀看。同時，在課件制作過程中，要保證授課內(nèi)容邏輯清晰，讓學(xué)生容易看懂。

（二）教學(xué)模式的改革

目前，對于教學(xué)模式的改革而言，常用的有線上線下模式[5]以及研討模式[6]。

1.線上線下模式

如前所述，電力系統(tǒng)分析課程需要增加很多新的授課內(nèi)容，但由于諸多原因，課時量并沒有增加。因此，為了在短時間內(nèi)講完這么多內(nèi)容，必須對教學(xué)模式進(jìn)行改革。線上線下模式可以很好地解決這個問題。對于那些簡單的或者需要自學(xué)的內(nèi)容，可以讓學(xué)生在線上自學(xué)，線下面授時只需要做一個簡單的總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生思考問題即可。而對于那些較難而且很重要的內(nèi)容，則要求學(xué)生先在線上預(yù)習(xí)，線下面授時則重點針對這些內(nèi)容進(jìn)行講解。這樣一來，既給了學(xué)生思考問題的時間，又提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及自主學(xué)習(xí)的能力，還能給課程提供更多的時間以完成更多的授課內(nèi)容。

2.研討模式

為了增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，以及提高學(xué)生的創(chuàng)新性，教師可以對課程中的一些重要的內(nèi)容或者具有爭議的內(nèi)容進(jìn)行延伸，引導(dǎo)學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識的情況下，進(jìn)一步挖掘知識的深度，通過討論的模式來加深對知識的理解。比如潮流計算部分，可以讓學(xué)生在掌握計算機(jī)潮流算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步查閱相關(guān)資料，分析總結(jié)各種潮流計算方法的優(yōu)缺點和適用范圍，并進(jìn)行課堂討論。這樣一來就可以讓學(xué)生充分學(xué)透電力系統(tǒng)的潮流計算。在此基礎(chǔ)上，還可以讓學(xué)生查閱有新能源參與的電力系統(tǒng)潮流計算方法，引導(dǎo)學(xué)生思考新能源參與之后電力系統(tǒng)的潮流分布會有什么不同，從而開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。針對電壓無功調(diào)整、有功頻率調(diào)節(jié)以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等內(nèi)容，同樣可以在講解基礎(chǔ)知識的情況下，開展研討模式教學(xué)。

通過線上線下模式以及研討模式，既能讓學(xué)生多學(xué)一些新一代電力系統(tǒng)法方面的知識，也能從一定程度上滿足“金課”要求中的“高階性”和“創(chuàng)新性”。

三、實踐教學(xué)方面的改革

鑒于電力系統(tǒng)分析課程的強(qiáng)理論性，要讓學(xué)生學(xué)好這門課程，必須加強(qiáng)實踐教學(xué)。而又由于電力系統(tǒng)本身的特殊性，實踐教學(xué)無法在實際系統(tǒng)上完成，所以要想通過實驗達(dá)到充分認(rèn)識電力系統(tǒng)的目的，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)不能過于單一。下面就從電力系統(tǒng)仿真軟件的使用以及虛擬仿真實驗平臺的開發(fā)和使用來闡述實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施。

（一）電力系統(tǒng)仿真軟件的使用

目前，用于電力系統(tǒng)分析課程的仿真軟件種類較多[7]，常用的有：中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的PSASP以及PSD-BPA、美國MathWorks公司開發(fā)的MATLAB、美國PTI公司開發(fā)的PSS/E、加拿大Powertech Labs開發(fā)的電力系統(tǒng)安全分析軟件包DSA。這些軟件可以用來計算電力系統(tǒng)潮流，進(jìn)行最優(yōu)潮流分析、短路故障分析以及系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算。還有常用于電磁暫態(tài)的仿真軟件：電磁暫態(tài)程序EMTP、中國電力科學(xué)研究院在EMTP的基礎(chǔ)上開發(fā)的EMTPE、加拿大Manitoba直流研究中心開發(fā)的EMTDC/PSCAD。還有常用的實時物理仿真工具RTDS。實時物理仿真，是仿真的時間刻度與真實物理時間進(jìn)度嚴(yán)格同步的仿真。這樣可以把仿真與現(xiàn)實物理系統(tǒng)對接起來，把純軟件仿真嵌入真實世界中，成為在實時仿真器中運(yùn)行的“虛擬電網(wǎng)”。這些軟件不但可以實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的計算和分析，而且對于有新能源（比如光伏、風(fēng)能等）參與的電網(wǎng)，同樣可以進(jìn)行計算分析。

因此，在電力系統(tǒng)分析課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中可以充分利用上述仿真軟件的各種功能模塊，開展多個實驗項目，讓學(xué)生深入理解電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，讓知識具有“高階性”，同時也充分培養(yǎng)學(xué)生的“創(chuàng)新性”思維。

（二）購買或者開發(fā)虛擬仿真實驗項目

電力系統(tǒng)是一個抽象復(fù)雜的系統(tǒng)，僅僅通過仿真軟件來計算分析，還是會讓學(xué)生覺得難以理解，利用3D虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)逼真的虛擬仿真實驗，能夠很好地解決電力系統(tǒng)分析課程的實驗教學(xué)難題。虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬教學(xué)場景能夠突破實際場景限制，有助于學(xué)生直觀地理解抽象的教學(xué)內(nèi)容[8]。

目前電力系統(tǒng)方面有很多高校聯(lián)合企業(yè)開發(fā)了相應(yīng)的虛擬仿真實驗項目，比如，山東大學(xué)的“東北亞能源互聯(lián)網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)項目”、清華大學(xué)的“基于云仿真的光儲微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬實驗”、華東理工大學(xué)的“電能的產(chǎn)生、傳輸與應(yīng)用虛擬仿真實驗”、哈爾濱工程大學(xué)的“電力傳輸特性與傳輸穩(wěn)定極限實驗”、天津大學(xué)的“分布式發(fā)電與智能微電網(wǎng)虛擬仿真實驗”、福州大學(xué)的“配電網(wǎng)單相接地故障保護(hù)虛擬仿真實驗”、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的“電力系統(tǒng)虛擬仿真實驗”、遼寧工業(yè)大學(xué)的“含新能源發(fā)電的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)虛擬仿真實驗”、四川大學(xué)的“電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的原理與控制虛擬仿真實驗”、中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院的“電力系統(tǒng)虛擬仿真教學(xué)實驗項目”。這些虛擬仿真實驗平臺均可以購買或者付費(fèi)使用。

當(dāng)然，學(xué)校也可以聯(lián)合企業(yè)，根據(jù)本校的實際需要情況，開發(fā)相應(yīng)的虛擬仿真實驗項目。就專注于虛擬仿真實驗項目開發(fā)的企業(yè)而言，北京潤尼爾網(wǎng)絡(luò)科技有限公司擁有豐富的電氣類虛擬仿真實驗項目建設(shè)經(jīng)驗，該公司目前已經(jīng)和國內(nèi)多所高校合作成功開發(fā)了國家級及省級虛擬仿真實驗項目。

因此，電力系統(tǒng)分析課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)可以充分利用虛擬仿真實驗項目，讓學(xué)生對新一代電力系統(tǒng)有更形象化的概念。這也是教育部提出的“金課”要求中所倡導(dǎo)的。

四、課程考核方式的改革

要達(dá)到“金課”中“挑戰(zhàn)度”的要求，電力系統(tǒng)分析課程的考核形式不能過于簡單。評價時，可以規(guī)定，期末考試卷面成績占40%，實驗成績占30%，平時成績占30%，目的是讓學(xué)生在平時的理論教學(xué)中和實驗過程中積極參與到課程中來，讓學(xué)生意識到必須通過長期堅持不懈的努力才能獲得相應(yīng)的學(xué)分，使得該門課程具有“挑戰(zhàn)度”。

其中，平時成績的考核主要包含如下兩個方面：線下教學(xué)的參與情況（包括出勤、課堂測試與課堂討論）、線上教學(xué)的參與情況（包括線上學(xué)習(xí)、線上測試）。而實驗成績的考核則主要包含實驗課程的參與情況，以及最后的實驗報告整理情況。

五、結(jié)論

電力系統(tǒng)分析課程內(nèi)容抽象，再加上新一代電力系統(tǒng)對人才的高要求，以及教育部提出的打造“金課”的通知，諸多因素都使得電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)面臨巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文從理論教學(xué)、實踐教學(xué)以及課程考核方面進(jìn)行了闡述，提出了電力系統(tǒng)分析課程改革的一些舉措，以求這門課程的教學(xué)能順應(yīng)時代的發(fā)展和要求，達(dá)到“金課”要求中的“兩性一度”，培養(yǎng)出更多符合行業(yè)需求的人才，推動社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 張靠社，張欣偉，寧聯(lián)輝，等.《電力系統(tǒng)分析》課程的教學(xué)改革和實踐[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2008（2）：126-128.

[2] 王世山，高欣欣，陳杰，等.“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)革新探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017（5）：46-49.

[3] 張巍.能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的《電力系統(tǒng)分析》教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2017（42）：78-79.

[4] 吳巖.建設(shè)中國“金課”[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（12）：4-9.

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[7] 許彥峰，符瀟月.仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國林業(yè)教育，2018（4）：26-28.

[8] 侯寶華，李建軍.基于虛擬仿真平臺的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革探究[J].無線互聯(lián)科技，2019（8）：74-75.

[收稿時間]2020-08-21

[基金項目]重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項目（項目編號2019Y30），重慶市教委重大教改項目（項目編號：171004）。

[作者簡介]通信作者：任洲洋（1986—），男，重慶人，博士，副教授，院長助理，研究方向：電力系統(tǒng)分析教學(xué)、電力系統(tǒng)的可靠性評估和規(guī)劃以及電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析等。楊帆（1980—），男，重慶人，博士，教授，副院長（教學(xué)），研究方向：電氣工程專業(yè)本科教學(xué)管理、電磁場理論教學(xué)、電力系統(tǒng)電磁兼容和多物理場的計算應(yīng)用等。夏威夷（1996—），女，重慶人，碩士研究生在讀，研究方向：電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析等。

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