基于ETAP電力系統(tǒng)仿真分析軟件的電力系統(tǒng)分析課程改革實踐

趙 瑩，李 霜，李 媛，劉禹良

(重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053)

電力系統(tǒng)是由發(fā)、輸、變、配、用等環(huán)節(jié)中的大量電氣設備組成，結構復雜，狀態(tài)多變。電力系統(tǒng)分析課程是高職院校發(fā)電廠及電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)繼電保護與自動化技術、電力系統(tǒng)自動化技術等強電類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，有著承上啟下的作用。學習這門課程需要綜合運用數學、物理、電路、磁路、電子技術、電機學、計算機技術等多門課程的知識，對學習者的分析計算能力要求較高。在高職教育重應用的背景下，目前該課程教學方式存在很多問題急需解決。

ETAP電力系統(tǒng)仿真軟件(以下簡稱ETAP)是美國OTI集團公司研發(fā)生產的電力、電氣系統(tǒng)綜合計算分析軟件，功能全面，能為發(fā)、輸、配電等的規(guī)劃、設計、分析、計算、運行、模擬提供全面的分析和解決方案。高校引入該軟件主要應用于技術研究，很少應用于教學，因此該軟件在高職院校中少有院校引入，導致基于ETAP的電力系統(tǒng)分析課程模塊化教學模式改革在國內少有研究。

本文提出結合ETAP進行電力系統(tǒng)分析課程的項目化教學改革，以項目任務驅動學習。利用軟件的建模和計算功能，讓學生在實際工程案例的構建過程中逐步完成對電力系統(tǒng)的基本概念、潮流分析、調頻調壓、經濟性、短路分析及穩(wěn)定性知識的學習。在避開繁雜的計算環(huán)節(jié)，強化工程應用，增強趣味性的同時，也可以降低學習難度。

1 教學現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 課程學習難度大，學習畏難情緒嚴重

電力系統(tǒng)分析課程理論性強，計算分析過程繁瑣，密切聯(lián)系電力生產實際，即便是對本科院校的學生來說，該門課程也是最具難度的專業(yè)課之一。對高職學生而言，其學習理解難度更大，很容易讓學生產生畏難情緒。即便是有課程資源庫，可以運用翻轉課堂式教學等方法，但由于高職院校學生學習自覺性、主動性較差，課程本身趣味性差、難度太大，所以教學效果差強人意，以致電力系統(tǒng)分析這門課程近幾年掛科率居高不下。

1.2 現(xiàn)有教學模式下能力目標難實現(xiàn)

高職院校的電力系統(tǒng)分析課程一般是將重要概念、基本原理及簡要計算分析等設定為章節(jié)的教學目標，從而造成教師一味地講述知識點和計算方法，忽視了對學生的分析、解決問題等綜合能力的培養(yǎng)。在教學內容上，側重于講述基礎，學生對于較抽象難懂的知識一知半解，即便引入電力系統(tǒng)的工程實例輔助教學，學生還是難以理解接受。

在職業(yè)教育背景下，電力系統(tǒng)分析課程中大量的計算環(huán)節(jié)不應再作為高職院校中該課程教學的重點，該課程應注重學生分析、解決問題的綜合能力的培養(yǎng)。教師需要探尋新的課程教學模式，比如借助仿真軟件。已經有嘗試將ETAP應用于教學的案例，并得到學生良好的反饋，對提高電力系統(tǒng)分析課程的教學效果有一定幫助。文獻[1-5]介紹了ETAP在教學中的應用，但就目前職業(yè)教育要求來看，仍有很大改進空間。

2 課程項目化改革

2.1 教學改革思路

電力系統(tǒng)分析課程將結合真實電力系統(tǒng)，借助ETAP構建電力系統(tǒng)模型，通過軟件仿真，展示區(qū)域電力網絡保障區(qū)域供電的過程，構建教學項目[6]，將電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、調度、優(yōu)化等方面的規(guī)范貫穿于教學全過程，完成電力系統(tǒng)分析課程知識重構，以有效提升學生的理論知識理解及運用能力，切實培養(yǎng)學生的工程能力，并將電力系統(tǒng)分析的基本要求深深鐫刻在學生記憶、行為中，讓學生在學好電力系統(tǒng)分析課程的同時，為后續(xù)課程奠定堅實基礎。通過使用ETAP促進學生對電力系統(tǒng)分析課程知識的學習，有效提升學生的理論知識理解及工程實際運用能力，切實培養(yǎng)學生的動手能力。

2.2 課程知識重構

根據企業(yè)調研，編制與區(qū)域經濟發(fā)展歷程相對應的電力系統(tǒng)各發(fā)展階段的ETAP單線圖。根據各發(fā)展階段的ETAP單線圖模型及ETAP功能模塊，構建了4個教學模塊、9個項目，模塊下細分任務，在任務中融入細化的知識點。

模塊一：電力系統(tǒng)潮流分析，如表1所示。在構建網絡結構的過程中介紹電力系統(tǒng)基本概念，根據地區(qū)經濟發(fā)展負荷的增加擴建網絡，并在此過程中融入相關知識。網絡搭建完成后，在參數設置過程中融入電力網相關設備參數及等效電路知識。通過潮流分析模塊計算已構建的系統(tǒng)的潮流，分析數據過程中融入潮流計算相關知識。

表1 模塊一 電力系統(tǒng)潮流分析

模塊二：電力系統(tǒng)分析與調整優(yōu)化，如表2所示。利用ETAP潮流分析模塊，結合模塊一構建好的電力系統(tǒng)，通過仿真模擬各種措施，以軟件為輔助，讓學生直觀看到各種措施的效果，并學習電力系統(tǒng)調整優(yōu)化相關知識。

表2 模塊二 電力系統(tǒng)分析與調整優(yōu)化

模塊三：電力系統(tǒng)故障分析，如表3所示。利用ETAP的短路分析模塊，結合模塊一構建好的電力系統(tǒng)，通過仿真模擬構建電力系統(tǒng)實際發(fā)生過的短路故障，可在此過程中融入短路相關知識。

表3 模塊三 電力系統(tǒng)故障分析

模塊四：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，如表4所示。利用ETAP穩(wěn)定性分析模塊，結合模塊一已構建的電力系統(tǒng)，通過設置系統(tǒng)實際出現(xiàn)過的大、小擾動來仿真模擬靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定，可在此過程中融入穩(wěn)定性相關知識。

表4 模塊四 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

2.3 教學過程設計

1)利用ETAP電力系統(tǒng)仿真分析軟件構建電力網絡，通過單線圖繪制，讓學生認識電力系統(tǒng)中發(fā)輸變備用各環(huán)節(jié)的設備元件，了解系統(tǒng)結構和特點等；通過設備元件參數設定，讓學生掌握設備元件的數學模型。同時根據經濟發(fā)展，電流網絡逐步擴大到變、輸、配、用，再到發(fā)變、輸、配、用復雜網絡，電壓等級由35 kV向110 kV、220 kV逐步提升，網架結構由薄弱向堅強發(fā)展，學生可在此過程中學習電力系統(tǒng)接線知識，并完成項目1相關知識的學習。

2)根據已構建的電力系統(tǒng)學習潮流計算相關知識。通過軟件調試、錯誤警示信息，排查數據輸入錯誤，得到正確結果，進而學習對潮流結果的識讀、分析、判斷等。此階段注重實用性，以完成項目2相關知識的學習。

3)調整設備參數或網絡結構，根據電力系統(tǒng)分析基本要求，通過改變負荷功率、增加無功補償設備等措施，以達到滿足電能質量和電力系統(tǒng)分析經濟性的要求。這部分內容避開了復雜計算，將重點轉移到對實際系統(tǒng)工程的調試等工程應用能力的培養(yǎng)上，以完成項目3、4、5相關知識的學習。

4)設置系統(tǒng)各類故障，通過軟件調試、錯誤警示信息，排查錯誤，得到短路計算結果過程，學習短路基本知識；根據ETAP仿真的短路計算結果，讀取有用數據，并根據數據分析短路。通過各個發(fā)展階段的電力系統(tǒng)短路案例對比分析不同結構的系統(tǒng)在相同地點發(fā)生短路后的影響，拓展知識。避開復雜計算，注重應用，完成項目6、7、8相關知識的學習。

5)設置各類擾動，觀察系統(tǒng)遭受擾動后的暫態(tài)過程，了解電力系統(tǒng)穩(wěn)定性相關知識。對比不同擾動的影響，對比各發(fā)展階段中系統(tǒng)對相同擾動的暫態(tài)過程，分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，拓展知識，完成項目9相關知識的學習。

在以上仿真教學過程中，學生都可以根據區(qū)域電力系統(tǒng)實際工況，按照課堂要求，通過討論、分析拓展，用軟件仿真驗證效果，來真正提升技能。這有利于提升學生學習積極性和參與度，培養(yǎng)學生養(yǎng)成自主的學習習慣。

3 教學實施與成效

3.1 教學實施

以“項目1：基于ETAP搭建電力系統(tǒng)——任務1 電力系統(tǒng)單線圖構建”為例，該任務將原有的電力系統(tǒng)分析課程第一章的電力系統(tǒng)基礎知識有機融入構建單線圖的過程中，如圖1所示。教學實施過程中，學生可以邊操作、邊觀察、邊學習，讓知識點的學習既有趣味性，也有實用性。

圖1 任務1教學實施過程

教學實施過程是按照區(qū)域電力系統(tǒng)發(fā)展為引線，由最簡單的負荷搭建開始，區(qū)域電力系統(tǒng)從最初的單一負荷電源結構，逐步跟隨區(qū)域經濟發(fā)展擴建為完整的包括發(fā)、輸、變、配、用的電力系統(tǒng)。學生在邊搭建、邊學習、邊擴建網絡的過程中，學習電力系統(tǒng)組成、電力網、電力系統(tǒng)接線圖、基本接線方式及特點和運行特點及要求等基本知識點。

通過ETAP單線圖搭建，讓學生直觀體驗真實的電力系統(tǒng)和電力網。通過擴建電力系統(tǒng)讓學生直觀了解電力系統(tǒng)的接線圖及基本接線方式，同時學生可通過操作和互相討論總結出接線方式的特點，及電力系統(tǒng)的特點和運行的基本要求。

3.2 教學效果

按照本文的教學思路設置教學過程，對重慶電力高等?？茖W校20級電氣2013班、2014班學生開展教學實踐，并與19級電氣1913班、1914班學生進行對比分析。

首先，學生學習參與度高，有興趣，學習自主性有所提升，學習效果好。以電氣2013班、2014班為例，學生在課堂邊仿真邊學習，可操作可觀察，互動討論讓學習氛圍變好、趣味性提高，能做到人人參與、人人過關，有效避免偷懶、溜號、抄作業(yè)等現(xiàn)象。

其次，結合工程實例，學生通過ETAP操作學習知識，對其技能提升有很大幫助。例如電壓管理知識，以往練習考核多為純文字形式，如判斷題“逆調壓是在最大負荷時允許中樞點電壓適當降低，最小負荷時允許中樞點電壓適當提高”，諸如此類文字描述或者計算練習只能讓學生熟悉知識點，實際技能無法得到鍛煉提升。而利用ETAP則可以將問題轉化為真實工程案例，讓學生通過仿真案例判斷工況是否滿足逆調壓要求，這樣能讓學習接近工程實際，能鍛煉、提升學生技能。

最終，20級學生成績明顯提升，成績分布更合理，這證實了方法的有效性，如表5和圖2所示。

圖2 成績對比

表5 成績對比

4 結語

本文提出基于ETAP模擬完善區(qū)域電力網絡以保障區(qū)域電力需求的過程，從而構建電力系統(tǒng)真實模型。以此為基礎重構教學內容，可以使教學過程設計合理，知識點學習有趣又有用，實踐證實該方法是有效的。此外，課程所用到的軟件功能是其他電力系統(tǒng)仿真軟件也具備，任意類似軟件均可按照本文思路重構教學內容，因此本文所述教學思路具有一定的推廣性。