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电力系统分析论文

时间:2022-04-24 03:50:27

摘要:“电力系统分析”课程是一门理论性和实用性都较强的专业基础课程。为满足农业电气化与自动化专业人才的培养目标,在教学中注重教学内容的优化,实行教学方法和教学手段的多样化,注重教学理论和实践的结合。通过多年的教学实践和探索,有效地激发了学生的学习兴趣,使学生能系统掌握课程内容,理论分析能力和解决实际问题的能力也得到了提高,达到了良好的教学效果。

关键词: 电力系统分析 电力论文 电力

电力系统分析论文

电力系统分析论文:ETAP仿真软件在“电力系统分析”教学中的应用

摘要:针对“电力系统分析”课程教学中普遍存在“老师难教,学生难学”的问题,使用ETAP仿真软件进行辅助教学,使抽象难懂的理论学习变得直观易懂。以电力系统的电压调节方法为例,进行ETAP仿真软件教学案例设计,实现可视化仿真与课堂理论教学的紧密结合。实践证明,这种教学方法激发了学生的学习兴趣,明显提高了课堂教学效果。

关键词:电力系统分析;ETAP仿真软件;电压调节方法

“电力系统分析”是电气工程及其自动化专业的一门专业骨干基础课程,是学习其他后续课程(如“电力系统继电保护”、“电力系统自动化”、“电力系统微机继电保护”)的基础。学习这门课程需掌握电路、电机、电磁场和高等数学等方面的知识,所涉及的知识面广,理论性强,又包含大量的计算和画图,学生学起来抽象、难理解,会影响后续课程的学习。近年来,随着电力系统的不断发展,电力系统的规模日益增大,新技术不断被应用到该领域中,迫切需要新的教学方法来适应电力系统发展对课堂教学的要求。ETAP是电力系统运行分析的专业仿真软件,它提供完整的图形化编辑器,以简洁的方式对电力系统进行建模,且能快速准确地对系统进行仿真分析,分析结果能以多种形式直观地输出。若在课堂教学中引入ETAP仿真软件,将有助于学生直观系统、深入地学习“现代电力系统分析”课程。而“电力系统分析”教学中引入ETAP仿真软件辅助教学,目前国内处于开始阶段,仅有有限高校引进并开始使用ETAP仿真软件辅助教学,是一个新的发展趋势。本文针对ETAP仿真软件和教学紧密结合以提高学生学习效果,进行了探讨和分析。

一、ETAP仿真软件介绍

ETAP仿真软件是美国OTI公司从1996年开始发行的第一个真正32位Windows环境下电力系统分析计算应用程序,也是全美第一个特许提供给核电站进行电力系统分析的商用软件。[1]ETAP仿真软件确立了电力系统设计和分析软件的标准,经过多年的开发与完善,可以提供全图形的用户界面,以最简洁的方式建立单线图、阻抗图、继电保护图、分析计算图等100多种不同的图形。利用用户界面的编辑工具条,可以很方便地增加、删除、移动和连接元件,放大、缩小和翻转图形,显示或隐藏网络,在用户界面上点击元件后可直接输入元件的各类参数、属性及运行状态等,使用起来非常方便灵活。[2]

ETAP软件还具有强大的计算分析和设计功能,可以进行潮流计算、短路计算、继电保护配合、谐波分析、暂态分析、电机起动分析、接地网设计和低压配电系统的设计等。ETAP软件可以将分析结果以直接显示、文本报告的形式、曲线的形式等多种形式直观地输出。[3]因此,ETAP仿真软件其良好的人机界面、强大的计算分析和设计功能、直观简单的电气操作等优点在我国电力系统行业中得到广泛应用。特别是近年来,随着我国电力系统事业的发展,电力系统的容量及单机容量越大,电力系统的结构越来越复杂,学习、掌握优秀的电力系统仿真软件ETAP,将对电力系统规划、分析与实时监控等有很大的帮助。[4]一些高校为了学生更加系统、深入地学习电力系统分析课程,以及在毕业后能尽快地适应工作需要,引入了ETAP仿真软件。

二、ETAP软件仿真与课堂授课的结合

在引进ETAP软件之后,结合多年的课堂教学经验,对“电力系统分析”课程中的若干关键知识点和难点进行了仿真教学案例设计,并应用于课堂教学。电力系统的电压调节方法是“电力系统分析”课程的重要内容,下面就以这部分内容为例,讲解ETAP软件仿真与课堂授课的结合。

1.理论分析

在图1所示的电力系统中,分别采用改变变压器变比、改变无功功率分布的方法调节母线3的电压。画出系统的等值电路,如图2所示。等值电路中,变压器的励磁支路和电缆线路的导纳支路都略去。变压器归算到低压侧的阻抗为ZT,线路的阻抗为Zl。按照“电力系统分析”课程中变压器等值电路与参数计算的理论分析,参数计算如下:,

,通过以上两式计算得到:。电缆阻抗参数为。变压器和线路的总阻抗为,系统中的负荷。母线1的电压为35kV,且保持不变,则理想变压器二次绕组的电压为11kV,线路和变压器阻抗上的压降,母线3的电压,以百分数形式表示。[5]

通过以上公式推导、计算,求得母线3的电压为95.8%。很显然,此电压偏低,若通过并联静电电容器的方法改变其功率分布,需要计算并联的静电电容器应该提供的无功功率,才能将其电压提高到98%。根据静电电容器无功功率计算公式,求得。[6]经过以上的理论分析可知,为将母线3的电压升高到98%,并联的静电电容器需提供1.7Mvar的无功功率。

若通过改变变压器分接头进而改变其变比的方法将母线3的电压提高到98%,需要通过计算选择合适的变压器分接头。系统中的变压器有五个分接头,此时接在主接头上,母线3的电压为95.8%,现若将母线3的电压提高到98%,分接头电压应为,因35-2.5%分接头对应的电压为34.125kV,与此分接头的电压最接近,因此为使母线3的电压提高到98%,分接头改接到35-2.5%。

以上是电力系统电压调节方法的理论分析,整个过程中学生接触到的只有数字和公式,普遍反应抽象、难以理解,若此时通过ETAP软件仿真分析一下,增加学生对电压调节方法的感性认识,将会使电压调节过程变得更加直观、具体和丰富有趣,达到最好的教学效果,从而大大调动学习的积极性,激发学习本门课程的兴趣。

2.ETAP软件仿真分析

首先建立该系统的ETAP软件仿真模型,模型中无穷大功率电源用等效电网U1表示,母线1对应的节点设为平衡节点,负荷1和2分别用电动机Mtr3和等效负荷Lump3表示,并设置好各元件的参数。下面只需点击潮流分析功能模块按钮,再点击运行潮流按钮,即可进行潮流仿真分析。分析结果在建模图上直观显示输出,如图3所示,母线3的电压为95.81%,与理论分析结果一致。不过,此电压值偏低,为改善电压质量,现在通过改变功率分布的方式调节母线3的电压。将静电电容器并联在母线上,设置好其参数,进行ETAP软件潮流仿真分析,其结果如图4所示。从该图中可以看出,并联静电电容器后,母线3的电压升高到98%,此时并联电容器提供的无功功率恰好为1700kvar,与前面的理论分析结果一致。

下面通过改变变压器变比来进行调压的ETAP仿真分析。原来变压器分接头接在主接头上,通过刚才的潮流仿真分析结果看到,对应母线3的电压为95.81%。根据刚才的理论分析,为将母线3的电压升高到98%,需将其分接头改接到35-2.5%上。在ETAP软件中,改变变压器的分接头为35-2.5%,如图5所示。对改变变压器分接头后的系统进行ETAP软件潮流仿真分析,其分析结果如图6所示。从图中可以直观地看到,此时母线3的电压为98.03%,其电压质量提高,和理论分析结果一致。

从上面的分析可以看到,对于电力系统的电压调节方法这部分内容,传统授课方式往往以繁琐的公式推导结合抽象的数学描述进行讲解,学生学习时感觉抽象、枯燥,难以深刻理解并掌握。对于这部分内容,充分利用ETAP仿真软件,多角度地对电压调节方法进行较为全面的论述和论证演示,不仅可以直观地看到系统原来的运行状态,也可以看到并联电容器和变压器变比改变后系统的运行状态,很显然系统的运行状态得到了改善,电压质量得到了提高。整个仿真过程很直观,这样有助于学生对重点和难点部分的理解,同时激发了学习本门课程的兴趣,获得不错的教学效果。

三、结论

ETAP仿真软件能很方便地对各种电力系统进行建模,快速准确地对电力系统进行多种不同运行方式下的仿真分析,且能对比不同运行方式下的结果,丰富课堂内容和教学形式,使学生更加深刻理解电力系统的运行。

本文探讨了ETAP仿真软件在教学中的应用,通过ETAP软件仿真演示,使得相关教学内容实现了直观可视化效果,增强了学生对电力系统运行的感性认识。教学效果反馈也表明学生对相关概念方法的理解更加迅速、概念更加清晰,充分体现了ETAP仿真软件在课程教学中的优势。同时,ETAP仿真软件的学习,使学生真正具备运用理论知识对电力系统仿真分析和计算的能力,有助于学生成为电力系统方面的工程技术、研究复合型人才,为以后从事电气工程设计、运行、分析、控制和保护等工作打下坚实的基础。

电力系统分析论文:广域测量系统在电力系统分析及控制中的应用综述

[摘要]:广域测量系统WAMS(Wide Area Measurement System)利用全球定位系统GPS时钟同步,进行广域电力系统的状态测量,以满足电力系统在空间上广域以及时间之上的同步需求。以下通过对电力系统稳态分析、全网动态过程记录和事后分析等方面的WAMS的应用综述,可见WAMS为电力系统分析和控制提供了新的视角和解决方式,十分具有研究意义。

[关键词]:WAMS GPS 电力系统

一、引言

广域测量系统WAMS是近年以来运用在电力系统前沿技术当中属于最是活跃的领域之一,其核心技术就是PMU,即相角测量单元。目前对于大规模互联电力系统进行动态分析以及控制还存在困难,而广域测量系统的运用在一定程度上缓解了这个难题。

二、PMU测量的原理

PMU是在GPS的相量测量单位的基础之上进行,它属于一种多功能的信号采集系统。除了需要对电压相角的实时测量并且以此来获得参考相位角,还需要实现对电压、电流、有功的实时测量和计算,最终再将得出的数据帧送到调度中心。

PMU的测量原理是:先要通过GPS接收器给出1pps(1个脉冲每秒)信号,然后经过锁相振荡器将这个信号划分成一定的数量以便于采样,被滤波处理之后的交流信号又通过A/D转换器的量化,最后通过微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算得出相量。测量当中相角的测量是一个关键,因为只要有1ms的误差就会相应的带来18°工频相角误差,如果误差需要控制在0.1°,则时间同步的精度需要为5μs。为了保证最后的相位测量,GPS脉冲信号和国际标准同步误差应当小于1μs。

三、广域测量系统的应用

(一)全网的动态过程记录和事故分析

因为WAMS中的PMU能够在同一参考时间框架之下获得在各种扰动之下全网的动态过渡过程信息,所以仅从这个意义上来讲WAMS就相当于是一个大的故障录波器。PMU不仅可以实时上传得到的动态过渡过程信息起到一个监视作用,而且在事故发生之后也能够被用在事故分析之上。

(二)稳态分析

PMU的测量精度较高,一般可以直接对所装节点的电压幅值以及相角进行测量,并且可以避免一般的潮流计算或者状态估计的迭代过程,如果和现有的SCADA系统结合使用的话,可以大大提高系统状态估计的精度。由于现在谐波问题日益严重,可以在相量测量的电力系统的谐波状态估计方法的基础之上,把全系统范围内的谐波状态估计问题转化成为多个单母线系统的状态估计问题,这样做能够从很大程度上降低问题的求解难度。

(三)暂态稳定预测以及控制

如今已经被实际应用在工业当中的稳定控制系统可以分成两种模式:一是“在线预决策、实时匹配”;二是“离线计算、实时匹配”。不过当遇见那些不可预见的连锁故障所引起的大停电之时,这两种模式可能无法得到响应。为了达到对各种系统的运行工况、各种类型故障的完全自适应,可以选择采用WAMS。首先,WAMS提供的系统动态过程的时间序列响应,可以直接应用在某种时间序列预测方法或者人工智能方法系统未来的受干扰轨迹,并且判断出系统的稳定性。但受到电力系统在动力学之上的复杂性影响,此种方式可靠性尚且需要考究。

其次,WAMS通过对系统故障之后的状态初始值的提供,经过在巨型机或者PC机群之上进行一个电力系统超实时暂态时域仿真,通过仿真的结果来得到系统未来的受干扰轨迹,然后根据这个轨迹来判断系统的稳定性。

最后,根据WAMS所提供的系统动态过程时间序列的响应,先利用某种辨识方法得到一个简化系统动态模型,再对这个模型通过超实时仿真,通过这个仿真最后能够得到系统未来的受干扰轨迹,并且以此来判断系统的稳定性。

(四)电力系统动态模型辨识和模型的矫正

一个正确有效的电力系统动态模型是对所有的电力系统进行动态分析和控制的起点。电力系统动态模型可以通过在各离散时间点之上差分化为一系列的非线性方程,然后利用WAMS所获取的全网动态过程的时间序列信息对其动态模型进行辨识和模型的矫正工作,最终使负荷建模的准确性得到提高。

(五)低频振荡分析和抑制

随着大电网的互联,区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行构成威胁。一般情况如果只在本地信息的阻尼控制器基础上去抑制区域间的低频振荡效果不会非常好,面对这样的情况可以选择采用WAMS信号的区间阻尼控制器附加至发电机励磁控制器当中,从而达到抑制区域间振荡的目的。在使用WAMS信号作为控制器输入的时候,需要注意信号的时滞问题,当时滞太大的时候就很有可能会导致闭环系统不够稳定。

(六)电压、频率稳定监视及控制

因为静态电压问题以及频率稳定是属于慢动态的范围,所以相较于暂态稳定的问题,前者更容易利用WAMS信息来实现稳定的监视以及控制。可以利用WAMS提供的实测信息辨识出一个用于稳定电压分析的系统动态模型,并且在此基础之上预测系统电压的稳定性。也可以利用WAMS得到各个节点的电压相量测量值,并且将系统通过等值的方式分成两节点系统,这样的方式可以快速给出电压稳定裕度。在电压稳定控制方面可以利用WAMS提供的实测信息辨识出一个用在低频减载系统的动态模型,并且在此基础之上预测出系统的频率稳定性,然后对某一个给定的频率门槛值给出应当要切除的负荷量。

(七)全局反馈控制

对于全局信息的反馈和控制,可以在WAMS信号的全局电力系统稳定器控制的基础之上,通过仿真得出全局电力系统稳定器比分散/就地电力系统稳定器的控制效果更好。考虑到电力系统的固有非线性,可以在WAMS信号的全局非线性励磁控制器的基础之上,通过仿真的结果表明,和完全分散的非线性励磁控制进行比较,它明显可以更大的提高系统的暂态稳定性。

(八)故障定位及线路参数测量

故障定位的方法主要有两种:第一是阻抗法,这种方法有一个缺陷,是不能排除故障对于过渡电阻的影响。第二是行波法,行波法相较于阻抗法是可以达到不受过渡电阻影响的目的。而WAMS的使用,可以通过PMU来获取电流相量以及输电线路实时的电压,然后再通过一种经过改进而得到的离散傅立叶变换提取当中暂态电气量的基频分量,这样做就可以大大提高定位的精度。

结语

通过以上对WAMS在全网的动态过程记录和事故分析、故障定位及线路参数测量等方面的应用综述,可以看出WAMS的优势很多,在以后的研究当中可以更加充分利用它的优越性以更好的分析和控制电力系统。

电力系统分析论文:关于并行处理在电力系统分析中的探讨

摘要:近十几年来, 电力系统并行计算技术发展很快, 一些机电暂态仿真并行算法不断地被提出。从实现原理来看, 所提出的并行算法大致可分为空间并行算法、时间并行算法或两者的结合—时空并行算法。其中, 空间并行算法是将系统分割为小的子系统后并行处理各个子系统; 时间并行算法则是通过同时求解多个积分步长来实现。从参与并行计算子任务的计算量来看, 又可把并行算法划分为细粒度并行算法和粗粒度并行算法。

关键词:电力系统分析计算并行处理分 布式处理

引言:

并行处理是一种极有发展前途的技术。复杂故障计算是电力系统仿真计算中最重要、计算量最大的部分之一,己经成为大型电力系统实时仿真的瓶颈。由于求解故障端口间等值阻抗的复杂性, 传统方法不适用于并行处理。作者提出了一种可用于大型电力系统数字仿真的复杂故障并行计算方法。算法中采用了故障处理局部化、降维网络方程的构造和线性方程组并行处理等多种技术, 以减少并行计算量和通讯量。

1 并行处理技术概述

并行处理仅有不足20 年的历史, 是半个世纪来在微电子、印刷电路、高密度封装技术、高性能处理机、存储系统、外围设备、通信通道、语言开发、编译技术、操作系统、程序设计环境和应用问题等研究和工业发展的产物。并行处理已成为现代计算机的关键技术之一, 并以不同的方式, 在不同的级别上渗透到其他应用领域。

计算机应用可以归纳为向上升级的4 类: 数据处理、信息处理、知识处理和智能处理。无论是哪种处理, 都具有能同时进行运算或操作的特性, 称为并行性。并行性在不同的处理级别中可表现为多种形式, 如先行方式, 流水方式, 向量化、并发性、同时性、数据并行性、划分、交叉、重叠、多重性、重复、时间共享、空间共享、多任务处理、多道程序、多线程方式和分布式计算。开发并行性的目的是为了能用并行处理来提高计算机的求解效率。并行处理是通过两个或多个处理器以及处理器之间的通信系统的协作完成问题的求解。它着重于发掘被求解问题中的并行性, 使其达到较高的级别。

分布式处理是利用计算机网络来实现并行处理的一种技术。网络中各计算机以并行方式共同完成某项事务处理, 或将一个大处理流程分开由各点计算机处理, 在网络内各计算机彼此能相互存取信息和寻址, 多个计算机同时工作这一点对用户来说是透明的。

并行处理技术是硬件、软件、语言、算法、性能评价等多方面技术的综合。可以分为: 并行系统结构、并行算法、并行操作系统、并行语言及其编译系统等。

并行系统结构研究以何种方式将众多的处理机与存储系统、1/ 0 系统组成一个完整的并行处理系统的技术问题, 如硬件的器件和互联拓扑结构的选择, 同步通信机制的设置, 以及并行软件的配置等。并行操作系统用于支持并行处理, 实现进程(或线程) 间的通信和负载均衡等问题。目前并行操作系统主要有多处理机并行操作系统和多计算机操作系统。

2 并行处理技术在电力系统中的应用

2.1 在潮流问题中的应用

潮流问题描述了电力系统的稳态情况, 因而潮流公式或经过一些修改的潮流公式是优化潮流和暂态稳定等重要问题的基本成分。一个有效的潮流并行化方法同样也会有助于加快其它问题的求解, 因而早期关于并行处理在电力系统中应用的研究主要集中于并行化潮流问题的求解上。虽然问题并没有解决, 但近年来关于这方面的报道明显减少了。

潮流计算是求解一组由潮流方程描述的非线性代数方程。传统的串行解法充分利用了稀疏矩阵技术、三角分解前代/ 回代技术、节点优化编号技巧和快速分解法, 使得潮流计算已经能够在线运行, 从而大大减小了并行化潮流计算的动力。

已有的并行化潮流计算的许多工作都集中在并行化三角分解、前代/ 回代上, 如: 通过对矩阵的重新组合分块来发掘并行性; 降低由最大因子路径长度决定的顺序执行步数; 采用适合于向量机的向量化算法; 多重因子分解方案和稀疏逆因子方案; 基于电力系统运行模式及人工神经网络的潮流并行算法; 利用超立方体结构寻找稳态稳定大矩阵的特征值和特征向量。在超立方体结构并行机上的一个实践表明, 快速分解牛顿潮流法的并行算法可以获得近似10 的加速比。在B al a nc e 和A li a nt 共享内存并行机上, 松弛牛顿法也可以获得几乎相同的加速比脚。

2. 2 在电力系统暂态稳定中的应用

电力系统暂态稳定分析需要求解描述旋转运动的时变微分方程和描述电网的代数方程, 这组微分代数方程(D A E ) 具有多种非线性, 数值方法中的逐步积分法被用来获得时域解。如果通过并行处理技术, 能极大地提高速度, 在线暂态稳定分析也将具有很好前景。

将暂态稳定问题并行化有两个途径: 1. 将系统的变量分组, 称为( 变量) 空间并行化; 2.使几个时间段可以同时求解, 称为时间并行化。非常明显的空间并行化是将微分方程分解成每个发电机一组的多个方程组, 而由代数方程提供它们之间的藕合。时间上的并行是形成每个时间段的牛顿方程, 然后同时求解。龙格库塔法和隐式积分法也被并行化过, 但问题的分解和随之而来的松弛会产生许多新的变量, 使求解复杂化。有的先将网络方程分解, 然后在微分方程或差分化的方程组上实施松弛法, 如对微分方程实施的波形松弛法。有的将差分化的微分方程和代数方程一起, 对每一个系统变量在所有的时间段中通过皮卡德( Pi ca rd ) 松弛法分解并同时求解, 从而提供在时间和空间上最大程度并行化的方法。有的在频域中将暂态稳定问题向量化以获得并行性。上述方法的共同困难是收敛性较差, 通常要经过更多的迭代次数才能收敛, 有时甚至难以收敛。

对暂态问题的细粒度并行化, 也遇到了许多困难, 所获得的效果不很理想。为此粗粒度的并行化也被研究过, 如通过同时计算在不同节点上的故障来并行化, 当S Y R E IJ 稳定计算程序在一个16 节点的超立方体计算机上实现时, 可以获得一个数量级的加速比。与之相似的是在一个基于D O S 共享内存的多处理机上的实验也表明, 多区域可靠性计算、采用蒙特卡洛法的水电发电费用仿真和针对不同故障的矫正方案计算, 是可以被高效并行化的。

3 对并行处理在电力系统应用的若干看法

3.1 充分利用已有的分解/ 聚合技术

在并行处理成为一个研究热点之前, 已经从时间和存储角度出发, 针对电力系统的一些问题开发了分解/ 聚合的方法, 即将大问题分解, 在串行机上分别求解, 然后聚合得出整个问题的解。所以在并行处理中, 应充分利用这些已有的分解/ 聚合技术, 对所要求解的大问题进行合理的分解, 调节子问题间的祸合度、相关性, 使整个问题的求解效率最高。

3.2 结合问题本质选择合理的并行粒度

由以上分析可知, 在电力系统基本问题的数学结构中, 并没有显著的内在的并行性。开发细粒度的并行算法(如在潮流问题中和电磁暂态问题中), 难度很大。并行计算理论、并行处理系统(硬件、语言、编译器)等方面的不成熟, 也为开发细粒度的并行算法造成了障碍。而类似于在暂态稳定分析中, 对不同算例计算的并行; 能量管理系统中, 基于功能划分的并行; 系统规划中, 基于不同方案的并行等, 都是在粗粒度上的并行, 各并行子问题间的相关性很少或没有相关性, 从而可以获得很高的并行加速比, 并能充分利用现有的网络资源、计算机资源、软件资源,使系统的性能价格比较高。

3.3 加强测试与评估

以往的研究大部分都集中在并行算法的开发上, 算法在并行处理系统上的测试很少, 仅有的测试结果并不很理想, 在并行加速比的强壮性方面, 也并未提供有价值的信息。实际上, 计算的效率取决于并行算法对并行处理系统的适应程度。对于一个特定问题的一种并行化方案, 必须在实际的并行处理系统上对大量不同的算例进行测试、评估。

3.4 考虑生产的实际需要

并行处理的根本目的是以尽可能小的代价获得尽可能高的生产效率。并行处理的开发要依据生产需要, 并不是任何问题都需要或适合于并行处理。由于单个处理器能力的提高, 使得某些问题采用串行算法在一台计算机上也能满足要求, 因而对这些问题进行并行化研究的实用价值就很小。

4 结语:

并行处理技术的发展, 为解决电力系统问题提供了一个颇具吸引力的机会。但由于并行处理技术的研究刚刚起步, 并行处理的理论、软硬件技术和有关并行处理应用的实践经验, 都还在不断地完善之中, 如何有效地将并行处理技术同电力系统问题结合起来, 满足电力生产的需要, 需要认真考虑。本文首先简述并行处理及其分布式实现, 接着对并行处理在电力系统中的应用进行了分析。

电力系统分析论文:电气工程专业“电力系统分析”教学改革探索

摘要:根据应用型人才培养的特点,对电气工程及其自动化专业“电力系统分析”课程的教学模式、教学方法与教学手段进行改革与实践。在理论研究和实践探索的基础上,构建了“理论、实践、应用”三大模块的教学模式,将理论教学、课程设计、综合实验三者进行有机的结合,强化了人才培养质量,提高了学生的综合素质。

关键词:电气工程及其自动化;电力系统分析;课程改革;能力培养

高等工科学校培养的是应用型高级专业技术人才,其将来从事的是一些专业性质较强的工作,其目标是培养基础扎实、适应能力强、创新能力强、工程实践能力强、素质高的高级复合人才。在更新教育思想观念的基础上,改革高校的人才培养模式,构建新型应用型人才培养模式,是工科高等教育改革的主要内容。电气工程及其自动化专业是长春工程学院电气与信息学院的主干专业、试点专业,是国家级特色专业,“电力系统分析”课程是电气工程及其自动化专业的主干课程,是校级精品课课程,也是考研课程。该课程在电力系统知识体系中起到承上启下的作用,本课程教学质量的好坏,直接影响到后续专业课的教学,因此对该课程进行教学改革具有十分重要的意义。

一、课程改革的主要思路

“电力系统分析”课程系统性、实践性强,它涉及到整个电力系统规划、设计和运行的多个方面,内容丰富,综合性强,适合实施新型教学模式。为了提高学生的综合素质,强化能力的培养,在提高课堂教学质量的基础上,对原有课程设置的内容及实践环节进行多方面的改革,主要思路是:跟上信息时展的步伐,合理整合理论教学内容,加强实验与实践环节的教学,加强计算机应用的能力,强化实践教学的效果,利用好现有的实验室和实习基地,构建“理论、实践、应用”三大模块的教学模式,使学生在实际动手能力、独立创新能力、团队合作能力方面有所提高。

二、教学内容的改革

“电力系统分析”课程具有很强的理论性和实践性,注重理论与实践的密切结合是改革的关键问题。经过多年的研究与实践,构建了“理论、实践、应用”三大模块的教学模式。

1.理论教学内容的整合

合理整合理论教学内容,压缩理论课的学时是课程改革的一个主要内容。以往理论教学的内容由两门课程分两个学期进行,即“电力系统分析”与“电力系统计算机辅助计算”,前者包括电力系统稳态与暂态的全部理论内容,学时数为75学时;后者包括电力网络的数学模型,电力系统短路电流、潮流、稳定计算的计算机算法的原理、计算程序及上机实践,学时数为30学时,两学门课程的总学时数为105学时。

改革后将两门课程合并为一门,将“电力系统计算机辅助计算”中计算机算法的原理内容放在“电力系统分析”课程中进行教学,将“电力系统计算机辅助计算”中程序的使用、上机实践操作放在课程结束后的课程设计中进行。此外,将“电力系统分析”课程的部分内容进行精减,学时数压缩到72学时。在教学中,对于重点内容突出基本概念、基本原理;对于难点内容的处理有两种方式:既是难点又是重点的内容,强调基本概念和原理,是难点但不是重点的内容,以够用为度。

几年来,对教学内容进行了多次修改。基本原则为注重基本概念、基本原理,强化应用能力培养。优化后的教学内容,以“够用为度、注重应用”为指导思想,着重阐明电力系统的基本理论和基本概念,注重理论联系实际及计算机的应用能力,内容由浅入深、逻辑性强、重点突出、易于理解。

2.实践教学内容的整合

实践教学的改革是“电力系统分析”课程改革的另一个主要内容,改革后的实践教学包括课程设计、综合实验。

课程设计在“电力系统分析”课程结束后进行,时间为2周。以往的课程设计包括两个方面,一方面是电力网络方案的确定,另一方面是对最佳方案进行潮流计算(手算法)、无功平衡验算、变压器分接头的选择。改革后的课程设计,一是进行网络方案选择的常规设计,二是对最佳方案进行潮流、短路电流的计算,计算方法采用计算机算法,要求学生结合所确定的网络方案编写数据文件并上机实践。计算机算法上机实习不占用理论教学的学时,这样既减少了理论课的学时又增强了学生的计算机应用能力,也为毕业设计及今后的工作打下了基础。

以往的课内实验是在理论课教学过程中进行,受学时数限制通常做两个实验。由于电力系统实验较多,每个实验需要的时间较长,为使学生能够连贯完成各项实验,也为了节省理论课学时,我们将课内实验取消,改为在理论课和课程设计结束后集中一周时间进行电力系统综合实验,并增加了实验项目。改革后的“电力系统分析”综合实验开设同步发电机的启动和调整实验、稳态运行方式实验、电力系统功率特性实验、电力系统暂态稳定实验、复杂电力系统运行方式实验等。通过综合实验,提高学生对“电力系统分析”课程核心内容的理解,提高他们对于电力系统设计、规划、优化运行与控制的认识,为学生毕业后从事该领域的工作建立一个专业基础背景。

3.应用能力的提高

电力系统的综合实验包括验证性实验、综合设计性实验,学生通过实验的设计、参数的调整和在教师指导下的问题排查,不仅激发了学生学习兴趣,提高了学生主动学习的积极性和自觉性,而且使学生工程能力得到了训练和提高。学院制定了有关实验室开放的管理制度,从人、财、物上确保实验室开放工作到位。为了满足学生做实验、进行毕业设计(论文)的需要,有关实验室调整开放时间,尽量满足学生的实验要求,合理安排开放的时间和内容。实践表明,实验室开放为学生实验、学生课外科技活动创造了良好条件,学生毕业设计(论文)的水平不断提高,参加各种科技竞赛的成绩也不断提高。

三、教学方法的改进

受传统教学思想影响,高等工科院校的课堂教学,主要以注入式应试型为主。在教学内容上偏重于讲授原理、法则、公式、方法,对知识的背景与产生过程,知识的实际应用,知识与能力素质培养的协调关系重视不够,妨碍了知识传授中能力与素质教育的实施。为此,我们对教学方法进行了改进。

1.启发性的探索式、讨论式教学方法

在教学过程中,尽可能提高学生学习的主动性,提高学生横向思维的能力,特别注重师生间的双向交流,发挥学生的积极性、创造性、参与性。在教学过程中,适当地引出一定量的问题让学生思考,如:“调压与调频有何不同?“串联电容补偿与并联电容补偿在调压上有何异同?”等。或者是要求学生自己对问题提出看法,向教师提问,在学生提问的过程中,也向教育者自身提出了有利的挑战,为教育者提供了实践的教学素材。经常举一些实际的例子帮助学生理解所学理论,同时也使学生对本学科的前沿知识及发展趋势有所了解。这种教学方式实质上就是从“灌输式”教学向“启发式”教学的转变。

2.课外研究性、设计性学习法

由于“电力系统分析”课程涉及到整个电力系统的规划、设计和运行,内容丰富,综合性强。要学好这门课程,学生需要较大的课外投入。由于课堂学时十分有限,为了更好地引导学生进行课外学习,提高学习效率,我们设计了研究性课题,以专题研究的形式,让学生讨论,如:“改变变压器变比调压,低压侧要求的电压作为已知条件给出时有几种给出方式”,这个问题让学生讨论、总结、归纳。这种教学方法激发了学生的学习研究兴趣,鼓励学生积极去做,培养学生分析问题、解决问题的能力。再比如,“教材上介绍调压的方法有四种,那现场实际是否也是采用这四种方法?”这个问题让学生上电力网站查询。这种教学方法可结合工程实际将现代科技、运营机制在电力系统中的应用情况、各种新技术新设备的应用情况有效而合理地体现在教学之中。

3.自学法

由于学时数有限,教师不可能也没必要将所有内容都在课上进行详细讲解。为了提高学生的自学能力,对部分章节内容安排学生自学、讨论,教师辅导或做小结。

四、教学手段的运用

现在的教学手段绝大多数采用多媒体教学,虽然减少了板书和画图时间,增加了信息量,但也会带来新的问题:由于信息变化太快,学生没有时间思考,对所学内容都是一知半解,从而加重了学生课后负担。因此,采用黑板、粉笔等传统教学与多媒体教学相结合的教学手段是提高教学效果、教学质量的一项重要内容。

1.采用多样化的教学手段

在近几年的教学过程中,我们注重多样化的教学,对于简单内容,让学生自学;对于重要的概念、公式等需要严密推导、细心消化的内容还是采用传统的黑板粉笔模式,以加深学生的印象;对于平面图、程序框图、结构原理的介绍,直观形象、动态变化的内容和最新的技术发展内容采用多媒体投影设备、相关的影像资料及CAI课件的形式进行教学;对于复杂的计算,运用计算机程序进行演示;同时充分利用网络资源与学生们建立互动关系。这种多样化的教学收到了很好的教学效果。

2.现代教育技术的应用

(1)与课程教学相匹配的CAI课件。为配合课程教学,自行制作了“电力系统分析”课程CAI课件,并进行了多次修改与完善。CAI课件对教学起到了极大的辅助作用,提高了教学效果。

(2)MATLAB计算软件平台及计算程序。“电力系统分析”课程的计算机辅助教学,可以培养学生运用计算机解决专业问题的能力,引导学生掌握现代系统分析与设计的手段。我们编写了节点导纳矩阵形成、节点阻抗矩阵形成、故障计算、潮流计算、稳定计算等15个程序,并运用VC语言开发了可视化的软件平台,使学生掌握运用计算机解决实际问题的方法,为毕业设计和今后实际工作中计算机开发能力的养成奠定基础。

(3)“电力系统分析”独立网站。建成了“电力系统分析”独立网站,网站涵盖整个教学的各个环节,即:课前预习、课堂教学、课后复习、实践教学等,内容主要包括:课程简介、教学大纲、电子教案、课件、习题库等10多个模块。

借助于学校方便、快捷、覆盖面广的局域网,学生可进行课程学习、自测等自主学习,借助“网上答疑系统”可突破时空的限制,通过师生之间的交流,及时解决学习中遇到的疑难问题。另外,本网络教学平台还提供了辅助教学资料,通过这些教学资料的阅读,极大调动了学生学习的积极性。

五、结束语

几年来,在教学观念、教师队伍、教学内容、教学方法、教学手段、实践教学等方面进行了全面的改革研究与实践,构建了“理论、实践、应用”三大模块的教学模式。“电力系统分析”的课程建设经过多年的探索与实践已取得成效。实践证明,只有优化理论课程,强化实践环节,探索课程建设,才是提高教学效果的有效途径。

电力系统分析论文:“电力系统分析”教学改革研究及实践

摘要:为了应对现代工程教育的发展,更好地适应社会及企业对专业人才的需求,从课程理论体系构建、实验环节强化、考评方式优化等几方面对“电力系统分析”课程进行了探索和改革。实践证明该课程改革教学效果良好,学生的综合素质得到有效提高,为其他工程专业课程改革提供了借鉴经验。

关键词:电力系统;专题讨论;综合实验

大学教学改革是大学教学发展的最主要途径,[1]课程改革是大学教学改革的核心环节。山西大学工程学院(以下简称“本校”)作为地方应用型大学,其人才特征和培养模式要适应地方经济社会的需要。围绕山西综合改革实验区的建设和山西电网中长期规划,本校开展对涉电专业课程教学改革,其中“电力系统分析”是首门试点课程。它是本校电气工程及其自动化专业的必修课,由电力系统稳态分析、电力系统暂态分析和实验课组成。学生对该课程的掌握程度直接影响其后续课程的学习及今后的就业和工作。

随着现代电子计算机技术、信息通讯技术及控制技术的快速发展,电力系统也发生了巨大的变化,许多新原理、新技术广泛应用于电力企业,与此对应的电力系统学科也发生了变化,原有的学科体系与现代人才培养目标存在较大差异,已经不能适应现代电力工程教育发展的要求。[2]

为此,笔者从理论教学体系和实践环节等几方面,对“电力系统分析”课程进行了一系列有益的探索和研究,以加强学生理论知识水平和实践动手能力。

一、“电力系统分析”课程现状分析

“电力系统分析”课程理论性较强,内容丰富、抽象,公式繁多,客观上使学生不易理解和掌握;另外还存在如下主要问题,使学生在校所学的知识技能不能适应实际工作。

部分知识陈旧,目前的教学内容大多处于上世纪90年代水平,而近十多年来是电力系统发展最快的时期之一,现在的教学内容没有很好地反映这些变化;课程内容安排不太合理,部分知识点在逻辑上有不连贯之处;教学手段比较机械单一,多媒体技术应用不广或效果较差,难以吸引学生的注意力,学生学习兴趣不高;电力系统企业厂网分家,发输分离,市场化等改革及学校实习经费的减少,使学生现场实习的机会更少,实践环节被严重弱化,[3]认识实习、专业实习流于形式,难以达到理想的效果。

二、理论课程体系构建

1.优化课程内容和结构

根据本校培养应用型高级人才的目标,课程以知识面为单元,理论课紧凑、系统化,体现小而精的思路,各单元之间既相互独立,又相互联系,本课程组将“电力系统稳态分析”和“电力系统暂态分析”两门课程共计118学时压缩到72学时;将“电路”、“电机学”等基础课程安排在前一学期完成,按照潮流计算、调频调压、短路分析、故障计算、稳定性分析等次序安排章节,删减前期课程学过的内容。例如:“电路”课程讲过的导纳矩阵的计算机形成及修改,“电机学”学过的电机等效模型及电压磁链方程等内容,去除无功补偿装置手工整定等工程经验性强、应用性差的内容。

课程组还补充了近十几年来电力系统专业的新理论、新方法、新技术等成果,以体现现代电力系统的实际情况。例如,在介绍新能源发电中,补充了高渗透率下大规模风电场接入电网对电力系统的影响;风光互补对提高新能源并网稳定性等;电力市场环境下电力系统经济性分析;智能微电网的运行与控制策略;特高压交直流输电概述等内容。

同时,根据实际情况,不定时请行业知名专家举办讲座,介绍电力系统的新发展及典型案例等。例如,8.14美加大停电、国家电网“十二五”规划解读、印度7.30-31东北部大停电等,讲座提高了学生的学习兴趣,强化了专业教育,扩展了专业背景,深受学生的欢迎,收到了很好的效果。

2.多种教学方法综合应用

“电力系统分析”课程中大部分内容是很多年来形成的成熟知识,具有很强的工程性,逻辑性相对较弱,对此,笔者在教学中进行了如下几方面的改革:

(1)打破传统的单向授课方式,与学生适当互动。笔者针对每堂课的内容,在上课前,为学生提出2~3个经过精心准备的问题,鼓励学生带着问题听课,积极主动思考,并进行少量的问答讨论,让其在积极的气氛中学习,培养他们的创新思维和自主学习兴趣。

(2)采用相似教学法,易于学生理解。将抽象难懂的问题转换成学生熟悉的事物,进行相似性变换讲解,这样对学生理解难点非常有帮助。例如:将电力系统功角稳定问题类比为多匹马共拉一辆车的情况;无功变换类比为弹簧伸缩问题等,这些都给学生留下深刻的印象。

(3)采用先进的教学手段。笔者利用现代先进的计算机和丰富的信息资源,制作了大量生动的多媒体课件,极大提高了学生的学习兴趣及学习效率,丰富了教学内容。

本校组织教学经验丰富的教师、计算机水平较高的教师和学生代表,从各种资源库中找到的彩色实物图片和相关视频,制成多套动画及ppt,将原理、控制过程与实物结合起来一起讲解,使电力系统难以理解的概念、原理、控制过程等形象化。例如:讲解PARK变换时,将abc轴系与dq0轴系各向量之间的关系用形象的动画表达出来,使原来需要用30分钟讲解的内容缩短到15分钟,而且过程清楚形象,学生容易理解。

三、实践环节设计

充分利用先进的实验室资源,加强学生对概念、原理等的理解,更好地了解和掌握电力系统现场运行情况。

1.进行综合性实验

在以往的实验课中,大部分是验证性实验,内容比较单调、机械。本校从2010年开始,利用中央财政支持地方高校建设资金建立了电网综合自动化实验室,购买了PSASP,PSCAD/EMTDC等电力系统分析软件,丰富了实验资源。电网综合自动化实验室有3台发电机,可以模拟多个电压等级的开、闭环系统,可以进行电力系统要求的相关实验,实验教师设置故障及异常,学生根据现象分析问题,解决问题;或者教师提出具体要求,学生根据要求设计电路,观测实验现象,教师进行指导评价,在整个实验过程中,学生自己动手,充分发挥他们的能动性,有利于培养他们的工程素养。

2.优化实验内容

教师应从实际电力系统的特点及“电力系统分析”课程的特点出发科学安排实验内容,从简单到复杂开设实验,具体顺序为:系统潮流分析、发电机运行方式改变、电力系统静态稳定分析、切负荷、电力系统短路分析、故障分析等。

3.将科研成果转化为实验资源

多年来,课程组教师们承担了大量的省级纵向研究课题及山西电力公司等企业横向项目,取得一定的科研成果并将它们应用到实验中。例如,电压型SVC补偿装置研究,获得山西省科技进步二等奖,利用此项目改进了调压实验;特高压操作过电压柔性限制措施研究,获得山西电力公司科技进步三等奖,利用该项目成果开设电力系统过电压仿真实验,同时为研究生进行科研创造了一定的条件;通过山西省科技重大专项“风力发电机组远程监控和故障诊断”,建立了微电网实验平台,并开设了微电网运行与控制方法实验。这些都丰富了实验内容,强化了与电力系统实际工程的结合。引导学生通过观测实验数据和分析现象,进行机理分析,紧密与理论课相结合,极大调动了学生自己动手的积极性,收到了良好的效果。

四、实施方案及应用情况

经过两年多的研究,本课程组的改革方案已于2010年在电气工程及其自动化专业本科生中开始实施,从改革之初就受到学校和系两级领导的高度重视,得到山西省特色专业建设项目资助,并且“电力系统分析”已成为校级精品课程。

整个课程的考评由笔试、专题讨论和实验三部分组成,所占比例分别为40%、30%和30%。笔试根据教学大纲进行。专题讨论的题目提前两周给出,论题的主要内容包括:电力系统无功补偿、特高压输电过电压限制措施、潮流计算机算法等。学生充分利用课外时间,广泛阅读、讨论和思考,培养他们进行科学研究的基本素质,最后教师根据学生撰写的研究报告及小组答辩情况给出成绩。实验部分以综合实验为主,教师根据学生在实验中的表现及最后提交的实验报告确定成绩。

该方案实施两年多来,受到学生的普遍欢迎和学校的认可。由学校相关部门组织,对本校2010级、2009级电专业各30个随机抽查的学生进行的综合测试中,2010级学生的合格率达到89%,高出2009级近十个百分点,这表明该课改方案教学效果非常明显。它同时也成为学校教学改革的典型,在本校动力工程系、自动化系等工科类系推广。

五、结论

围绕培养应用型高级人才的目标,课程组对“电力系统分析”课程在教学内容、结构、实践及考评方式等方面进行了较大地改革。该方案优化了理论教学,增加了实践环节,使学生的综合能力得到提升,得到师生的普遍认同,更加适应现代电力工程教育的发展趋势。

电力系统分析论文:应用型本科“电力系统分析”教学内容与方法探讨

摘要:“电力系统分析”是电力工程的基础理论,是电气工程及其自动化专业的核心课程,该课程具有理论性强同时又密切联系工程实际的特点,在专业课程体系中占有十分重要的地位。结合皖西学院建设“省级示范应用型本科”的背景,对新办的电气工程及其自动化专业的“电力系统分析”课程的教学内容和方法进行广泛、深入地探讨与研究,并就目前面临的困难和问题提出可能的解决思路,为更好地适应学校定位,培养出合格乃至优秀的专业技术人才奠定基础。

关键词:应用型本科;电力系统分析;教学内容;教学方法

电气工程及其自动化专业是本校于2009年新申办的本科专业,2011年春学期首次开设“电力系统分析”课程,对于该课程的教学内容和教学方法,本校没有任何经验,只能借鉴其它学校的做法,但由于各个学校的办学定位和专业培养方案不同,其经验往往不能照搬照抄,而必须结合本校的实际情况加以适当地调整和修改。在本校该专业的课程体系下,如何合理地协调“电力系统分析”和其它相关课程之间的关系,使得该课程能够较好地满足建设示范应用型本科的工程实践要求,同时激发学生的学习兴趣,提高课堂教学效果,是当前亟须解决的问题。

电力系统是由电能的生产、输送、分配和消费的各环节组成的一个复杂整体,[1]与别的工业系统相比较,它的规划、设计、建设、运行和管理是一项更为庞大、复杂的系统工程。“电力系统分析”课程是这项系统工程的理论基础,其作为电气工程及其自动化专业的核心课程,是由通识课程、基础理论课程向专业课程过渡的纽带,具有承上启下的作用。该课程不仅具有很强的理论性,同时又密切联系工程实际,其一方面讲述了电力系统中最基本的理论知识和分析方法,另一方面其内容涉及到“电子技术”、“电机学”、“控制理论”、计算机等课程的知识,使学生必须将已学习的相关基础课程知识应用到该课程中,是电力专业人才必须熟练掌握的基本理论和计算技能,对电力系统工程学科的学习起到至关重要的作用。

本文在借鉴其它学校经验的基础上,结合本校的办学定位和该专业的培养方案,通过对该课程教学内容和方法进行全面、深入地探讨和研究,提出了“立足基础,了解全局,工程优先,兼顾理论”的课程教学内容设置原则,确定了采用理论教学与工程实践互补、课堂讲授和现场演示结合、强化教学互动等教学方法。

一、教学中面临的主要问题

调查结果表明,多年来大部分高校一般都将“电力系统分析”的教学分为两个部分进行,即电力系统稳态分析和电力系统暂态分析。课程的主要内容包括电力系统的基本概念、电力系统各元件的特性和数学模型、电力系统的潮流计算和控制、电力系统的运行调度和优化、电力系统故障分析以及电力系统的稳定性等。[1-3]选用的教材主要有中国电力出版社的《电力系统稳态分析》、《电力系统暂态分析》和华中科技大学出版社的《电力系统分析》(上、下册)等,课时通常为96~120个学时。在教学过程中,教师往往更加注重于理论分析和手算部分的教学。

随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展,以及当前用人单位对本科人才质量需求地不断变化,原有的“电力系统分析”的教学内容和教学方法有些已难以适应现代人才培养需要,尤其是对应用型专业技术人才培养的需要。在该课程的理论课程教学上,目前普遍面临着如下问题:

课程的理论分析内容过多,面面俱到且系统性不强,内容抽象、难点很多、学时多,学生学习负担很重,容易失去学习信心;公式多,且其中有较大部分源于工程实践(有些为经验公式),逻辑性和系统性不强,教学时比较容易让人感到枯燥乏味和理解困难,学生的学习兴趣不高;新科研成果更新较快,而多数教材的内容仍处于21世纪初的水平,没有充分体现近十年来本学科的最新进展,例如,未能重视电力系统分析中的计算机计算与仿真方法、柔性交流输电系统(FACTS)的基本原理、高压直流输电系统(HVDC)等;教学方法比较单一,仅对教学内容进行抽象地理论分析和推导,很难使学生记忆深刻,而且,学生不知道如何应用相关理论解决实际工程问题,教学效率和效果偏低,更难以适应应用型人才培养的需要。

二、课程内容设置探索

本校属地方性本科高校,电气工程及其自动化专业是为了适应地方社会经济发展,满足对应用型人才的需求而申办的新专业,其定位为服务地方经济建设,培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、具有创新意识和创新能力的应用型高级技术人才。因此,本校在该课程内容设置时,除了需要考虑上述的通性问题还必须兼顾以下特点:

为了适应本校应用型人才培养的需要,该专业的课程体系中设置的实践类课程较多,而理论类课程偏少,相应地在电力系统工程方面的专业基础课程设置也较少。本课程作为该专业的一门核心专业课程,其不仅承担着培养学生掌握电力系统分析的理论与方法的任务,还必须兼顾使学生全面了解电力系统及其运行控制原理等基础知识的重任。

考虑到本校的办学层次和“应用型本科高校”的定位,学生的理论基础与重点大学相比有一定差距,而且就业领域也主要面向工程实践和生产一线,因此,该课程开设过程中需要强化基本分析方法的学习和应用,着重培养学生应用基本理论与方法解决实际工程问题的能力。

随着社会对高层次人才的需求不断加大,很多毕业生选择报考硕士研究生继续升造,而“电力系统分析”几乎是电力系统及其自动化专业必考的专业课,因此,本课程的内容应该尽可能涵盖考研需要的知识点,为学生的研究生入学考试和未来的研究奠定较好的基础。

基于上述要求,本文提出“立足基础,了解全局,工程优先,兼顾理论”的教学内容设置原则,在课程内容设置时尽量合理简化课程内容,注重学生对基本概念的理解和掌握,并注重新知识的适当引入使其能学有所用。拟设置的课程内容及其相关要求如表1所示。[4,5]

三、教学方法探讨

为了提高教学效率与质量,突出学生的主体地位,使学生能够积极主动地参与课程教学,提出问题并尝试解决问题,激发学生的学习兴趣,培养学生的创造与创新能力,本校积极探索合适的教学方法和手段。本课程教学中的具体措施如下:

1.通过多种途径激发学生学习兴趣

兴趣是学习的最好推动力,其能够增强学生的主动意识,避免被动学习的低效率和缺乏创造性的问题。为了提高学生对本课程的学习兴趣,课程教学过程中可以通过多种措施激发学生的学习兴趣。例如,适当介绍本学科最新的发展前沿动态,阐述电力系统目前存在的问题和可能解决方案,并说明其与本课程内容的关联性;组织学生与相关专业教师座谈,让其从教师的科研课题中认识本课程的重要性和实用性;以硕士研究生入学考试为例,从进一步深造的角度让学生体会这门课程的地位,从中体会到学好本课程的必要性,等等。

2.注重与实践环节相结合,及时巩固相关理论知识

“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。”本课程的教学内容相对比较抽象,且电力系统不同于其他的控制系统,十分复杂、宏观,学生很难凭想象建立起基本概念的知识体系,要求学生深刻理解、掌握和应用基本的理论方法就更加困难。因此,教师可以通过适当的课外实践环节去巩固学生相关理论知识。例如,在课余时间组织学生参观本市的发电厂、变电站等电力设施,通过一线操作师傅的现场讲解和答疑,让学生了解电力系统、控制中心、变电站的结构和基本工作原理,对电力系统有较为系统、全面的认识,有助于对理论课程中概念的理解;通过同步开设相应的实验课程,加深学生对基本理论方法的掌握和应用;另外,可以将课堂教学和软件仿真实验相结合,例如,将PSASP、PSCAD和MATLAB等电力系统分析软件引入课程教学中,可以更直观、生动地阐述电力系统分析计算过程,使电力系统分析内容不再是抽象的概念和理论,能够增强学生的参与意识,让其做到学以致用。

3.充分利用现代教学技术,丰富教学手段和知识表达方式

近年来,计算机辅助教学手段已经被广泛的采用。在教学过程中采用多媒体技术,可省去大量的板书时间,可以有更多时间用于讲解重、难点知识,有助于学生理解和掌握每一章的重点内容。并且多媒体教学集文字、图形、声音、图像、图片、影像等于一体,直观、形象、生动,能够调动学生学习主动性和积极性,激发学生学习的兴趣,吸引学生的注意力,大大地增加了课堂信息量,提高了教学效率。[6]但是,多媒体教学能否充分发挥其应有的优点,往往取决于应用的合理性,其首先体现在多媒体教学课件的开发方面。目前很多课件仅仅是将教材内容通过PPT按部就班地进行展示,并没有体现出“多媒体”的特点,这样不仅不能充分发挥计算机辅助教学的优点,还可能适得其反。为了提高“电力系统分析”教学效果,在开发课件时,笔者采用大量的与课程内容相关的实物图片,以便于学生建立基本的概念知识体系;同时,可以将电力系统的动态过程通过多媒体技术进行演示,这样有助于学生加深对理论方法的理解。另外,必须将多媒体教学和传统教学方式有机结合。由于多媒体课件演示速度快,单纯地采用多媒体方式难以调动学生听课的主动思维,从而降低教学效果。[7]因此,在合理应用多媒体教学的同时,还必须有机结合传统教学的优势,以达到教学效果的最优化。

4.积极开展教学互动活动

教学互动是提高学生学习的积极性、主动性和检验学生学习效果的重要手段,在学习过程中具有重要的作用。为了提高本课程的教学效果,可以通过课堂讨论、课后练习、基于互联网的习题与模拟题库等途径实现多形式、多层次的教学互动。课堂讨论能够及时反馈学生对所学内容的掌握情况,教师可以对学生没有听懂或者非常感兴趣的问题进一步分析,同时可以在讨论过程中培养学生的创新性思维。课后练习则是使课堂教学的成果得到巩固和提升的重要手段,通过老师批改作业和课堂点评等环节,可以加深学生对授课内容地理解,也非常有利于教师检查课堂教学效果和学生对知识点的掌握情况。另外,随着信息技术的发展,互联网已成为知识表达和传播的重要载体,已经对学生的学习和生活产生重要影响,“在线”已成为常态,因此,充分开发和利用基于互联网平台的教学资源,引导学生合理使用网络资源,可以使教学互动更加便捷,同时节省大量的人力和物力。

四、结束语

“电力系统分析”作为电气工程及其自动化专业的一门核心专业课程,在整个课程体系中起到承上启下的作用,其重要性不言而喻。由于该课程内容繁多,理论性强且知识更新较快,其教学内容和方法一直受到广泛关注。本文结合本校实际情况,借鉴其它高校的教学经验,通过分析该课程开设过程中所面临的问题,提出了适合于本校建设“省级示范应用型本科”的课程内容体系和教学方法,从而为更好地促进该课程建设,切实为提高人才培养质量奠定基础。

电力系统分析论文:基于Matlab电力系统分析机电暂态仿真机理

摘要:研究了Matlab 中电力系统工具箱用于机电暂态仿真的可行性。针对机电暂态仿真的特点,在算法上采用了滤去直流与谐波分量计算的相量法.应用自适应变步长技术避免了通过试算确定仿真步长的繁琐工作,简化了工作量。陈述了SPS机电暂态仿真的主要步骤,并分别对单机无穷大系统和三机九节点系统进行了小扰动和大扰动下的功角稳定仿真,同时讨论了其仿真环境的设置与加速技巧。结果表明,SPS可用于电力系统机电暂态分析。且提高了仿真速度。

关键词:PSB模型 Matlab软件 电力系统 仿真分析

0引言

国内常用的电力系统仿真软件是中国电力科学研究院的综合程序PSASP[2-,它涵盖了电力系统分析的常见功能.并允许用户按照自己的需要设计特殊的模型而无须了解PSAsP内部结构和编程设计的条件.但是用户建模时的数据环境必须使用系统表内规定的信息,所以在仿真较复杂的控制手段时灵活性较差[3]。与PSASP相比SPS建模方便灵活。在Simulink环境下SPS可以结合其他功能强大的工具箱构造出令人满意的模型,实现对复杂控制的仿真,SPS还允许用户使用现有的基本功能模块与自己编制的算法生成自定义模块并将其加入到元件库中,从而最大限度地减少模型误差、提高精度[1]。

1 主电路设备选择和分析计算

低压无功补偿装置主要用丁^10 kv线路的配电变压器低压侧,补偿公用变、专用变低压用户设备运行中需要的元功功率。这砦公用变、专用变的容量一般在500 kV-A以下,设计有30 kvar,45 kvar,60 kvar和90 kv8r等4种标准无功补偿装置。对4种标准容量的无功补偿装置,大容量的装置按4—2一1分组组合,可对无功功率实现7级阶梯式调节;小容量的装置可采川2—1分组组合和固定补偿加2—1分组组合的调节方式。斟3给出的是总容量为60 kvar无功补偿装置[2]。

2 PSB模型与算法特点

定补偿加2一1分组组合的调节方式:其中.固定补偿容量为15 kvar,采用BsMJ0.4一15—3型电容器;单元l的补偿容晕也是15 kvar,电容器型号与圊定补偿电容器牛u同;单元2的补偿容量为30 kvar,用BSMJ0.4—30一3型电容器。补偿装置分组容嚣和接线确定之后,依据各回路中的额定电流,主电路没备不难选择和确定。主电路设备、元件选择的原则是保证补偿装置能可靠工作对本例补偿装置的主开关为Dz20J一200刊125 A的空气断路器;与单元l和单元2配合的交流接触器,分别为CJ20—40和cJ20—63型接触器;装置熔断器、避雷器、导体等器件的正确选择,都是保证装置可靠]:作的前提本例机电一体开关控制单元无功补偿装置,电存器组采用A,c两相控制的二三角形接线方式,机电一体7F关单元的晶闸管元件总是在电流过零时断开,所以断开电容器上的电压常处于最大值(或正或负),由于电容器内部装设的放电电阻自放电现象,电容器上的电压会逐渐降低[3]。

3 仿真环境设置

在晶闸管重新投入时,需要考虑电容器上的剩余电压,当系统电压和电容器残压相等时,就是晶闸管开关投人的触发点。否则由丁电容器两端的电压不能突变,在系统电压和电容器残压羞值较大时触发晶闸管会产生很大的冲击。

4 开设Matlab技术课程的意义

计算机辅助设计技术,简称Matlab技术,是计算机科学技术的重要分支.它对T程设计、工业生产、机器制造和科学研究等领域产生了极其深刻的影响。进入20世纪90年代,Matlab技术呈现加速发展的态势.受到社会的普遍重视。许多高校,特别是工科院校对Matlab技术的重要性和必要性的认识不断得到提高.在T科类专业普遍开设{Matlab)课.重视和加强(Matlab}课教学,是目前高校,特别是T科院校的重要举措,也是高校培养2l世纪高素质T程技术人才的迫切要求[3][4]。下科类专业有着共同的特点。它们的培养目标都是面向工程设计、工业生产、机器制造和科学研究等领域,Matlab技术在这些领域中发挥着极其重要的作用。

5 仿真结果分析

在计算机科学技术飞速发展的今天.Matlab技术已成为工厂、企业、科研单位提高技术创新能力.加快产品开发速度。降低产品生产成本.促进科技成果转化.增强社会竞争力的一项必不可少的关键技术。目前.Matlab技术的发展突飞猛进,Matlab应用T作正在向深度和广度进军.世界发达国家已把掌握Matlab技术手段作为抢占制高点、增强竞争力、加快发展的重要条件.Matlab技术应用水平已成为体现现代化的重要标志之一[5]。面X寸CAI)技术的飞速发展和广泛应用.

6 结论

了解和掌握Matlab技术是对工科学生提出的一项最基本和最迫切的要求,也是工科学生走向社会.参与竞争.促进发展的前提和条件。系统介绍Matlab技术基本知识、基本概念和基本操作的{Matlab)课必须及时反映Matlab技术的最新成果,保持教学内容、教学方法和教学手段的先进性。承担培养人才重任的高等院校,特别是工科院校.对(Matlab)课的教学必须给予足够重视,培养和建立一支经验丰富和相对稳定的(Matlab)课教师队伍,组织教师积极开展{Matlab)课的教学改革.I:作,从教学内容、教学方法和教学手段卜精心研究、积极探索和大胆实践.逐步提高(Matlab)课的教学质量。促进学生计算机应用能力的提高.增强学生的社会竞争力。

电力系统分析论文:高职院校《电力系统分析》教材立体化建设有感

摘 要:本文首先分析了电力系统分析课程教学的现状与问题,提出了高职院校《电力系统分析》理论教材改革的思路,并提出通过《电力系统分析》立体化教材开发建设,加强理论与实训的结合,激发学生的学习兴趣,提高他们对实际问题的分析和处理能力,增强就业的竞争力。

关键词:高职 电力系统分析 教材立体化 视频库和仿真教学软件

电力系统分析课程是高职高专院校电力类专业的主要课程之一,是从基础理论课、技术理论课通向专业课学习和工程应用的纽带。在内容上它有大量的基本知识、基本理论和计算,理论性较强,也有与实践相结合的部分,是应用性较强的一门学科。由于课程内容与电力系统生产运行过程密切相关,理论性和工程性都很强,不少高职学生学习过程中容易感到枯燥和困难。

为了提高学生的学习兴趣,适应新的理实一体化教学模式,我们对高职院校“电力系统分析”立体化教材体系进行了探索和建设。所谓教材立体化的建设是指为了适应现代高等教育的新教学模式的需要,开发出一套理论与实训结合、书本与现代化教学手段相结合的适用于高职院校的立体化教学体系。它不仅仅包括教材、课程标准、授课计划、习题集等传统意义上的教学资料,还应该包括多媒体课件、仿真教学软件、视频库等现代化教学资源库的建设。

一、电力系统分析课程教学的现状

电力系统分析课程的建设一直是我国各大高校力争的目标,现已将其建设成为国家级精品课程的高校有清华大学、东北电力大学等。但高职院校《电力系统分析》教材的建设工作者未全面开展起来,以往专科教学很大程度上以传授知识为主,强调学科本身的系统性,本科压缩型的痕迹明显。而当今高职学院则是培养技能型人才,按照突出“实际、实用、实践”的原则,依据专业培养目标和专业人才的知识能力和素质结构建立理论和实践教学体系,教学内容突出了基础理论知识的应用和实践能力的培养。为了更好地进行电力类应用型人才的培养,突出高职院校的办学特色,《电力系统分析》教材立体化的建设成为笔者学院努力实现的目标。

二、《电力系统分析》理论教材的改革思路

《电力系统分析》理论教材建设应根据专业人才培养要求,结合相关的国家职业标准,始终以“职业能力培养为核心”,依据相关专业对学生从业素质、能力的要求,强调职业教育的特色,理论以够用为度,突出实践技能的教学,重视素质教育,增强学生专业技能,提高学生就业能力。教材应以培养应用型人才为目标,舍弃繁琐的理论和公式推导,引入当前电力系统的各种新趋势(如智能电网、新能源、特高压等)和新格局(我国五大发电集团和两大电网公司),为学生树立电力系统的基本概念和拓宽就业渠道打下坚实的基础,并在教材中加入电力系统面向对象的计算机软件的介绍,拉近理论和电力系统实际应用的距离,加深学生对电力系统调度和运行工作岗位的操作界面的认识。

图 电力系统分析课程学习情境设计图

为了适应高职院校培养应用型人才的需要,《电力系统分析》立体化教材体系以电气值班员、调度员的典型工作任务为载体,从电网基本操作到复杂操作,再到异常和故障处理、系统化的设计课程的学习情境,分别通过电力系统各个工作岗位的初步认识、电力系统正常运行时的监视与分析和用户电能质量下降的处理、电力系统常见故障分析4个学习情境构成教材内容。通过四个学习情境,每个情景包括若干个典型的工作任务,使学生由浅入深地学习电力系统运行、调度的基本技能。

三、利用《电力系统分析》立体化教材加强理论与实训的结合

电力行业是高危行业,从供电的可靠性及安全性考虑,直接在实际的电力系统中进行各种实验和实践训练可能性非常小。由于建立真正的电力系统实验室对硬件和软件的要求非常高,许多高职院校都没有设置专门的电力系统分析实验室,但电力系统分析又是一门系统性和理论性很强的重要课程,许多学生反应传统教材学习困难、晦涩难懂。那么如何建立适合高职院校的《电力系统分析》新型教材体系就成为本文研究和探索的主要方向。

针对高职院校是以培养应用型人才为目标的特点,《电力系统分析》立体化教材的建设可以利用理论实训一体化的新型教学手段,将原本抽象和繁琐的大量理论知识用仿真软件、多媒体课件、视频库等现代化技术展现出来,最大限度地模拟电力生产的真实工作场景。仿真技术是多门课程的组合体,是现场生产环境的情景再现。仿真教学系统集图像、声音、动画、文字于一体,避免了在现场实验或培训中可能造成的误操作引起的危害,又可以实现生产全过程的运行操作,减少了实验仪器和设备,提高了教学效果。《电力系统分析》立体化教材的建设完成后,学生可运用仿真教学软件在实训室或仿真机上学习处理较复杂事故的能力,可以用计算机模拟电力系统中各种潮流变化,用各种手段来调整用户端电压,并能计算或输出电力系统的各种参数等。

首先,我们配合教材中的四个学习情境制作了高水平的多媒体课件,利用现代化教学手段提高了学生的兴趣和效果。

其次,我们还进行了电力系统图片库建设,利用丰富的网络资源和各种理论—实训教学积累的素材,对电气设备、电力系统新趋势、实际工作场景、校内外实训基地等图片进行了收集和整理,充实了教学资源。

这次《电力系统分析》教材立体化建设中的一个亮点就是视频库的建立。电力系统分析教材中有一些知识点比较抽象、复杂,光凭书本和简单课件无法使学生掌握学习目标和技能目标。学院与企业和软件公司合作,结合当前电力系统的实践和前沿趋势,制作和拍摄了几个《电力系统分析》教材中的视频,激发学生的学习兴趣。如学生对风力发电机之前的认识接近空白,利用实物或现场教学存在很大的困难,我们就制作了教学视频,对风力发电机的结构和工作原理进行介绍。再如电力系统中的调压是教材中的一个重点知识,它对电力系统中的许多工作岗位都尤为重要。利用改变变压器分接头调压是电力系统常用的调压手段,但学生往往只对变压器外观部分有初步了解,调压机构的内部构造和操作很难掌握。而且变压器是电力生产和运行的关键设备,带有很高的电压,且机构庞大,很难在教学场所进行拆解来让学生认识,所以我们利用“变压器分接头调压机构和操作”视频进行讲解,可以大大提高教学效果。我们还邀请电气设备制造厂家和电力生产一线的技术能手,为学生进行操作示范,如视频库中的“故障录波器的调试”就是这样拍摄完成的。

为了提高学生对电力系统分析理论和实践应用的结合能力,增强就业的竞争力,并拓展对电力企业服务和培训的空间,2011年底我们完成了针对本教材配套的“电力系统分析仿真教学软件”建设,开展了对实际电力系统的故障分析仿真和稳态分析仿真的实践环节,这是我们这次立体化教材体系的重要组成部分。

仿真教学软件分为以下四个部分:电力网数学模型、电力系统潮流计算、电力系统有功功率及无功功率的调整和电力系统的调压、电力系统短路电流计算。“电力系统分析仿真教学软件”为学生提供了实验和仿真的平台,实现了全界面图形化、设备与设备属性资源管理化、操作与设计人性化和科学化。它是在基于电力系统原理结构图基础上的集图形化设计、图形化调试、图形化资源管理于一体的软件,该软件还具有报表形式的输入输出、利用滑块特征型来微调设备参数、运行状态输入与输出的保存等功能。

学生可以利用“电力系统仿真教学软件”和实训指导书对教材中许多环节进行计算和分析,不需要经过大量复杂的公式运算,直接在软件中运行即可得到相应参数和结果,通过显示和输出的结果分析出电力系统的运行状态,从而得出正确的处理措施。

四、结束语

为了检验《电力系统分析》立体化教材的实际使用效果,在制定了课程标准和授课计划后,我们完成了一整套完整的教学资料,包括授课计划、任务书、实施建议、引导文、工作单、教师手册、学生手册、习题集、评价表、学生反馈表等。同时我们安排了2011-2012下学期电自专业教学改革试点班,按照新建的《电力系统分析》立体化教材体系进行理论实训一体化教学,利用工作任务驱动的六步教学法进行实施,并注意充分运用教学仿真软件、多媒体课件、视频库、实训指导书等各种教学资源。实践证明,利用立体化的《电力系统分析》教材体系和配套的新型教学方法,激发了学生的学习兴趣和实际动手能力。教学实施中,学生对《电力系统分析》立体化教材体系使用情况和意见反馈普遍良好。

(作者单位:江西电力职业技术学院)

电力系统分析论文:基于Labview的“电力系统分析”课程仿真

摘要:Labview是测量领域的图形化编程软件,将其应用到“电力系统分析”课程教学中,可将传统教学中繁琐的公式用更为形象的图形、波形和向量图来表示。主要从复数功率、传输线模型来说明Labview仿真在教学中的优点,通过改变输入,可以看到不同参数对电力系统的影响。

关键词:Labview;电力系统分析;仿真

“电力系统分析”在电气专业中属于一门较为传统的课程,教学方式多以教材为主,较为偏重理论的分析和例题计算。而在实际情况中,电力系统是一个十分复杂、庞大的系统,而随着近年来超高压和特高压输电技术的推广,新的科技发展给其带来了较大的变化。仅靠传统的教学方式是不够的,静态的PPT演示和计算辅助程序起到的作用有限,也有采用PowerWorld来做动态潮流演示的,但需要学生有较好的基础和较强的理解能力。

从高职教育的特点来看,学生的普遍素质不高,对于系统的整体运行没有基本的概念,甚至对电压电流波形都不甚清楚。因此面对这样的教学对象,通常的数学推导计算辅助手段不能起到较好的作用。当前有许多具有图形显示功能的软件,但是具有编写简单,且能显示各种图形以及波形功能的软件并不多,其中Labview是比较突出的。本文采用此软件来编写电力系统分析教学辅助仿真程序。通过数字、电气量波形和向量图的显示,学生们可以更清楚地感受到有功功率传输和无功功率补偿的意义,而不是只能通过复杂的公式来体会电力系统的各种现象。

Labview软件除了具有强大的波形显示能力外,在配置上数字信号转换卡后,还可以直接测量外部电气信号来辅助教学,对电力系统教学也能起到较好的帮助。除此之外,如果使用CGI、Active X和Java等方式,还可以使学生在远端与服务器端的Labview程序进行通讯,因此使用Labview来进行电力系统教学仿真有较大的提升空间。本文通过其编写电力系统分析课程的仿真课件,主要从复数功率和输电线路等值模型两个项目来体现其教学辅助功能,而后续还会加上故障分析、潮流分析、标幺值转换等内容。

一、程序主框架

图1是主程序的界面,主要分为两个部分:左边是提供学习的互动式部分,右边则提出相关问题供学生们思考并检验其学习成果。使用程序者只需要按下相关按钮就可以进入相对应的子程序,使用十分简单。图2是主程序对应的后面板,通过一个循环结构,可以从主界面切换到复功率的子界面,其中使用的是Labview软件中的事件结构,可以有效地在主界面和子界面之间进行切换。通过主界面上按钮和子界面上的按钮来实现程序的转换功能。

二、复功率

复数功率计算子程序的显示面板可以同时执行两个复数功率计算,分别显示在面板的上下两个部分。面板的左边是电压电流大小(RMS值)及角度的输入,中间的波形图则对应电压电流波形,右边是复数功率计算的过程,先将电压变成相量方式表示,电流则变为电压相量的共轭值,这两个参数相乘就可以得到复数功率,接着就可以显示复数功率的两个分量P和Q。上下两个复数功率的相加和相减也显示在界面上,这样可以使学生了解实部和虚部的基本概念。图3是该界面的一个运行实例,分别输入两组相量,一组为电压10,角度30,电流5,角度60;一组为电压20,角度60,电流5,角度30。从图中可以看出复功率的不同表示和简单计算。图4为复数功率计算程序的后面板,图中左边为电压电流输入点,其值可以直接输出到相量输出表示点中(因为需要取共轭,电流相量角度要取负号)。该程序框图没有采用子程序来计算,显得较为凌乱。而图5采用子程序来处理,就显得比较简洁。子程序越多,简化效果越好。

三、输电线路等值模型

输电线路等值电路的界面中,使用时需要输入线路参数比如每公里电阻、电感、电容大小以及线路长度,另外还需要提供负载状态如负荷侧电压、功率因数、视在功率等。该程序可以计算出线路首端电压、电流、有功功率、无功功率、线路损失、电压损失率。如果是中、长线路,还可以计算出输电线路的[ABCD]参数。

图6是等值线路的后面板程序,短、中和长线路三种模型的计算分别放在面板的上、中、下位置。首先,由前面板输入的RLC参数根据阻抗子程序计算出每公里的Z和Y,再根据不同长度线路模型的计算方法求出对应的[ABCD]。其中短线路中B=Z,其他A、C、D都为0。一般情况下在计算短输电线路的时候也不使用[ABCD]参数。但是可以使用同一个子程序来计算三个不同的模型。计算得到的参数和负荷的数据作为电压损失子程序的输入,就可以得到首端电压、电流、有功功率、无功功率、线损和电压损失等结果。

图7是阻抗子程序的面板,主要功能是将L和C乘以2πf,输出时每公里的阻抗和容抗。图8是电压损失率子程序的面板,输入的负载参数首先由一个负载子程序来计算出负载有功功率、负荷电流和电压,输出为一个包括负荷端电压和电流的矩阵,该矩阵和参数[ABCD]相乘就可以得到首端电压和电流,由此再可得到首端有功功率和无功功率,而线损只需要用首端功率减去末端功率就可以得到。当矩阵元素为复数时,需要使用复数矩阵计算公式。而电压损失可由公式(1)计算得出,其中A为参数[ABCD]的A。

(1)

四、总结语

本文介绍了通过Labview实现的电力系统教学辅助仿真软件,其包括复数功率和输电线路等值电路等“电力系统分析”课程中的若干主要内容。该辅助软件可使学生通过输入不同的计算参数,得到感观的输出结果,用数值、波形或者相量来显示。软件使用简单,学生可更清楚地将理论和实际系统相结合,抛开繁复的公式,对电力系统有一个更为简单清晰的了解。从实际教学效果来看,该软件适合作为辅助教学工具来提高“电力系统分析”课程的理论教学效果,未来除了加入更多内容外,还可以向远程辅助教学发展。

电力系统分析论文:“电力系统分析”课程的教学经验与探索

摘要:“电力系统分析课程”作为农电和电气专业的核心课程,是基础理论课和专业课的连接纽带,学好该课程具有重要的意义。通过对课程多年的教学和探索,针对课程特点,定位了课程内容,将多种教学方法应用到教学实践中,提高了学生的学习兴趣和综合素质能力,取得了一定的效果。

关键词:电力系统;教学经验;教学方法

“电力系统分析”课程是东北农业大学(以下简称“我校”)农业电气化与自动化专业和电气工程专业必修的专业基础课,是两个专业的核心课程。它连接了之前学习的电工、电子、电机、自动化、计算机、高等数学等理论基础课程,又对后续的主要专业课程(如继电保护、架空线路、发电厂、变电站电气设备等)做了理论的基础准备,因此该课程是理论课、基础理论课向专业课和工程应用研究的过渡纽带,具有承上启下的作用。同时学生的课程设计、毕业设计和专业综合实验、生产实习等实验和实践环节也要大量应用电力系统分析的课程内容,因此,学好这门课程对电气化及电气工程专业的学生具有极其重要的作用,可以说电力系统分析课程是开启电力系统学科大门的一把珍贵钥匙。

一、教学中出现的问题

一直以来,学生普遍反映“电力系统分析”课程难学、难懂、难算,教师也感到难教。这门课程之所以会存在这样的问题,原因是多方面的。教师方面,由于近年来高校对教学体系的多次改革,授课学时数大大减少,但教学内容并没有削减,使得课堂教学中课程进度较快,习题做的较少;学生方面,由于课程中概念多、计算多、公式多、数学推导多,且理论性和工程性较强,因此学生感到课程难度很大;课程方面,本课程涉及相关学科和专业的知识太多,例如电路、电机、电子、电磁场等。这些因素都直接影响了课程教学的顺利进行并增加了学生学习的难度,使学生产生了畏难的情绪,进而影响了学习的热情和学习效果。

二、教学内容优化,适应农电人才培养

电力系统分析由电力系统稳态分析和暂态分析构成。稳态分析主要针对系统在对称稳态运行下参数的分析和计算及有功、无功功率对系统运行的影响,主要内容有线路变压器的参数和模型、网络潮流计算的手算和计算机计算以及有功、无功对电压和频率的影响。电力系统暂态分析是对系统发生故障时,系统中主要参数的分析和计算以及系统稳定性的分析,内容包括对称和不对称短路时参数的计算以及系统的静态和暂态稳定性。稳态分析和暂态分析这两大体系构成了电力系统分析的全部内容,把握了这样一条主线,对学习课程可以起到事半功倍的效果。

教学中注重电力系统基本概念、基本原理及基本计算方法的讲解,而对于较繁琐的理论推导或者实际应用性不多的内容可以适当精简。如在推导长输电线路的等值电路时,用到了许多电磁场和高等数学的知识,内容复杂抽象,学生学习、理解非常困难,学习上出现畏难情绪,在授课中可将公式推导适当简化,主要掌握结论和方法,增强学生学习的信心。再如电力系统的潮流计算中,随着计算机的发展和网络系统规模的增大,手算潮流已经不能适应对现有网络进行计算,因此教学中对应用性不多的手算潮流部分做了精简,保留原理公式的推导,而把计算的重点主要放在用计算机来求潮流,既能突出教学的重点又减少了学生的负担,起到良好的效果。

三、多种教学方法的应用,提高学习兴趣和效果

1.情感交流法,营造良好的课堂气氛

“亲其师,信其道”是说当学生对老师感兴趣时也会对他讲授的内容感兴趣。因此,作为教师要注意与学生之间的情感交流,多与学生沟通,多关心学生,成为学生的良师益友。此外,加强自身能力和素质的提高,使学生能信服、甚至崇拜老师,进而喜欢上这门课程,可以激发学生学习的兴趣。

2.学习讨论法,激发学习的主动性

在每节课的最后,给学生提出下次课程的一个重点问题,作为讨论的题目,让学生独立地查阅教材、收集资料,并进行小组讨论,课堂上老师和学生共同针对题目和查阅的资料进行讨论和分析。这种学习方法能使学生成为学习的主体,充分发挥学生学习的积极性和主动性,每个学生都可以发表自己的见解,集思广益、互相启发,使教与学的过程都得到了提高。

3.多媒体教学与传统黑板教学模式的优势互补

“电力系统分析”课程是专业基础课,在课程体系中起到承上启下的作用,该课程的特点是理论性、系统性较强。在传统的黑板教学中,教师在课堂上用大量的时间进行数学公式的推导和画图,教学效率较低,且教学效果不理想。随着多媒体技术的不断推广,这种集文字、图形、声音、图片、影像于一体的教学模式被广泛应用。采用多媒体教学可以省去大量的黑板画图和公式的书写时间,节省的时间可以用于重点和难点知识的讲解,既提高了学生学习的效率又增大了课堂的信息量,激发了学生学习的兴趣。

但是多媒体教学也存在着自身的弊端:信息量大,课堂进度较快,学生的注意力不能长时间集中,造成学生跟不上教师的讲课进度,进而影响了授课的效果。因此合理地选择和使用多媒体教学的同时,还要发挥传统黑板教学的优势,使二者共同参与到“电力系统分析”课程的教学过程中,达到教学效果的最优化。例如:在讲授同步发电机的原始方程时,运用多媒体教学的图像和动画的效果,通过对发电机模型和实物的展示,使学生对同步发电机内部的结构及各绕组间的位置关系有了直观而清晰的了解和认识,对学习同步机的方程奠定了良好的基础。

4.加强实践教学,提高理论认识

“实践是检验真理的唯一标准”,可见理论与实践的结合是学好知识的关键点,而良好的实践是对理论的升华。因此在课堂授课的同时,还应注重培养学生的动手实践能力。设有专业的“电力系统分析”实验室,对电力系统稳态和暂态分析中各种主要的运行特性和状态进行了模拟实验,促进了学生对课堂知识的吸收和理解。如单机—无穷大系统稳态运行方式的实验、电力系统功率特性和功率极限的实验、电力系统不对称短路及短路波形的测试实验等。

加强实践教学的另一个做法就是使学生深入到生产工作的现场,为此专业建立了多个校外实习基地,并与省内多家电业局结成友好合作单位,通过在实习基地的学习加深了学生对理论知识的理解,也使学生了解并熟悉了专业工作特点及要求,对今后的学习有一定的促进作用。

5.考核方式的多样化

教学的目的是为了使学生掌握所学的专业知识及技能水平,而单一的考试方式已经不能全面地反映学生学习的状况,因此我们采用了闭卷+开卷+实验+实习等多种手段的考核方法,培养学生从死记书本知识向主动探索知识、提高能力、提高综合素质水平的方向发展,加大动手和实践能力在课程考核总成绩中的比重,降低笔试成绩所占比重,为培养高素质的电力人才进行探索工作。

四、探索初步成效

“电力系统分析”课程是一门理论性和实用性都较强的专业基础课程。为满足农业电气化与自动化专业人才的培养目标,在教学中注重教学内容的优化,实行教学方法和教学手段的多样化,注重教学理论和实践的结合。通过多年的教学实践和探索,有效地激发了学生的学习兴趣,使学生能系统掌握课程内容,理论分析能力和解决实际问题的能力也得到了提高,达到了良好的教学效果。

电力系统分析论文:“电力系统分析”教学方法探索

摘要:针对“电力系统分析”课程内容的特点,及课时少,且没有实验和实践环节支持的实际情况,本文探讨了提高该课程教学质量和教学效果的方法和手段,提出“一明确,二联系,三重视”的教学方法,以学生掌握知识为中心,以培养能力为重点,以提高素质为目标。该教学方法在教学实践中取得了良好的教学效果。

关键词:电力系统分析;教学研究;教学方法;教学手段

一、引言

“电力系统分析”是电气工程学科一门重要的专业必修课,在整个电气工程专业课程体系中起着承上启下的作用,一方面它将先修的课程,如“电路”、“电机学”、“电磁场”、“自动控制原理”、“计算机编程”、“高等数学”、“线性代数”等知识综合运用于电力系统运行分析与计算,对培养学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力有着重要的案例教育作用;另一方面,课程涉及电力系统分析中最基本的知识和分析方法,可为学生学习后续电力系统相关专业知识以及将来从事电力系统相关研究或工作打下重要的基础。“电力系统分析”课程的特点是,涉及面广、理论计算多、工程性强、内容抽象难懂,电力系统背景强的院校一般分为两个学期来讲授,时间一般在80个学时以上,并同步开设实验环节和工程实践环节。

结合前人的经验及笔者自身用心的摸索,笔者提出“一明确,二联系,三重视”的课程教学方法,经实践证明,该教学方法受到学生和学校督导组的肯定,学生表现出较强的学习兴趣,学校效果也良好。现总结出来,希望能给其他开设有少课时“电力系统分析”课程的兄弟院校提供有益的参考。

二、所提出的教学方法

“电力系统分析”课程的特点是,涉及面广、理论计算多、工程性强、内容抽象难懂,教学过程中,学生容易思路涣散,抓不住重点,听不懂,最终失去学习兴趣等。针对少课时“电力系统分析”课程特点,笔者探索出了一种有效的教学方法,即“一明确,二联系,三重视”教学法。

(一)一明确

“一明确”是指在教学内容上,既要明确课程总的教学目标,又要明确每一部分的教学目标,以及每一节课的教学目标,即,采用“总分总”的授课思路,让学生清楚课堂每一时段教师所讲的内容是什么,讲这些内容的目的是什么,以及这些内容在整个课程中处于什么样的位置,在电力工程实际中有什么用途等,从而让学生对授课内容有清楚的把握,置身其中,融入其中,从宏观和微观上掌握全部课程内容。例如,“电力系统分析”包括电力系统稳态分析和电力系统暂态分析两大部分,主要讲述了电力系统的三大常规计算,即潮流计算、短路计算和稳定性计算,而课程中诸如电力系统的基本概念、基本理论、数学建模和计算方法等都是为这三大计算做的铺垫,这些计算的结果又是为电力系统的各项工作。对教师而言,把握了这个教学目标,也就掌握了教学方向,对教材内容的重点和难点能做到心中有数,传授知识时效率更高。对学生而言,有明确的目标来指引课程学习,学生也就清楚了自己所学的知识点及其用途,同时也容易对这门课产生兴趣。

笔者认为,在讲授“电力系统分析”课程的第一堂课时,应该首先明确本课程的教学内容和目标是什么,本课程在电气工程专业中处于什么样的位置,有什么样的用途,应该重点掌握哪些知识,从而让学生对本门课程有个大致了解,对重点、难点知识在哪里,有较为清晰的知识的方向感。在讲每一常规计算时,也要首先明确每一子主线,如在讲潮流计算时,这一子主线是:各电力系统元件的参数计算和等值电路电力系统的等值电路节点间的电压降落和串并联支路的功率损耗电压和功率分布计算潮流计算(采用直角坐标或极坐标;迭代求解:牛顿拉佛逊法和PQ分解法)电压调整频率调整经济运行。潮流计算是主线,潮流计算前面的内容是基础知识,潮流计算后面的内容是进行潮流计算的目的。明白了它们之间的联系、关系,整个章节内容就能连成一条线进行理解和分析,潮流计算贯穿于整个内容,学起来也就相对容易些。其它两个常规计算(分支线)也可按如此方法讲解。

(二)二联系

“二联系”是指在授课方法上,一是要理论联系实际;二是要前后知识联系。

“电力系统分析”课程的主干内容是三大常规计算,多数教材的主干内容围绕着此三大计算进行了详细的数学推导和分析,理论性较强,很少联系实际应用。对于少课时的”电力系统分析”课程来说,第一,绝对不能按照传统“电力系统分析”教材照本宣科,应着重推导思路的讲解,揭示其中的难点、重点和注意点,应更加格外的着重联系实际应用,向学生讲解清楚,所讲理论计算在实践中有什么用途,什么场合会用到,如何运用。第二,可结合实际电力系统,进行实例教育,而不是仅仅浮于书本上文字。比如,可以以某个地区的电网为例进行讲解,如何建立该实际电网的等值电路和数学模型,如何进行潮流计算和分析,如何将计算结果运用于电网的规划、设计和运行控制中去,并且给学生提供计算机例程,让学生了解如何运用计算机手段进行电力系统的计算和分析。这样,将一个实际的地区电网作为教学例子,始终贯穿于教学中去,从稳态分析到暂态分析,再到稳定性分析,从而给学生提供一个实际应用的例子,让学生加深理解课本内容,真正掌握电力系统的计算分析方法,提高活学活用的能力,避免出现课堂所学知识与生产实际相脱节的常见弊病。

二是要前后知识联系,包括本课程内容前后知识的联系,以及本课程知识与先修课程“电路”、“电机学”、“电磁场”等知识的联系。例如,“电路”中,学生熟悉的是直流电路和简单的单相、三相交流电路的计算,已知量和待求量是电压、电流,多采用解析法进行精确求解。在“电力系统分析”中,涉及的是复杂电力系统三相交流电路,属于工程计算,工程计算的一个特点是近似计算,应向学生阐明这一点,避免有的学生钻入牛角尖。在“电力系统分析”中,已知量和待求量不再是电压和电流,而是功率和电压矢量,方程的物理本质也发生了变化,不再是节点电流守恒,而是节点功率守恒。所以,在学习“电力系统分析”时,应引导学生注意转换思维,从所熟悉的“电路原理”的思维,转换到系统的、高压的、三相的、具有工程特点的“电力系统分析”的思维,避免理解错误和错误理解,这是在“电力系统分析”课程教学实践非常常见的问题。再例如,在电力系统稳态分析中和电力系统暂态分析中,所用的分析方法是不一样的,在稳态分析中用的是相量分析法,而分析电力系统暂态过程不能直接使用相量分析法。“为什么呢?”通过问题提问,引导学生去主动思考。接着,可简单回顾“电路”中讲授的相量分析法的基础,以及电力系统稳态和暂态有什么特点,为什么电力系统稳态可以运用相量分析法,而电力系统暂态过程不能直接运用相量分析法,而相量分析法又是三相交流电路分析计算的基础,那么如何才能使用相量分析法呢?这样一步一步地让学生能够理解到事物的本质,既知道其然,也知道其所以然,从而让学生知道如何运用所学知识去解决工程实际问题。在讲这一节时,还应补充讲解相量和向量、矢量的区别,避免出现混淆和用错。通过这种教学方法,既能巩固先修课程所学的知识,加深对先修知识的理解,又能加强对现学知识的理解。再例如,电力系统稳态分析、暂态分析和稳定性分析中,所使用的发电机模型是不一样的,在讲后面章节内容时,应解释清楚本章节所涉及的电力系统运行状态的特点,为何在本章节使用了与前面章节不同的发电机模型,或为何前面章节的发电机模型不适于本章节所述的电力系统运行状态等。从而,通过联系、对比前后知识,让学生能对所学知识融会贯通,概念清楚,避免出现用错和错用的情况。

(三)三重视

“三重视”是指在教学要素上。教学是以教案内容(知识)为载体,教师将教案内容传授给学生,帮助学生学习并掌握教案内容的活动。以“教”而言,教师为主体,不仅传授知识,而且展开其内涵;以“学”而言,学生为主体,不仅承继知识,而且深入其内涵。而学生的学是教学的最终目标。因此,教案、教师和学生组成了教学的三大要素。为了达到理想的教学效果,既要重视教案的质量和水平,又要重视教师的自身水平和讲授水平,更要重视学生的学习效果,即,要同时重视课堂教学的三大要素,任一要素不理想,都会影响最终的教学效果。

教案内容是教师的教和学生的学的对象,为了达到理想的教学效果,首先,教案内容应该是学生感兴趣的东西,在主观上愿意并乐意持续去学习并掌握的东西。因此,应清晰掌握学生的学习心理,并在教学内容上,尽最大可能的满足学生的学习预期。经调查,大学生在学习知识时往往注重实用、能学到东西、有助于未来职业发展,如果简单易懂、充满趣味,那么更好。而“电力系统分析”的主干内容是三大常规计算,理论抽象,枯燥难懂,那么,如何将课程内容往学生感兴趣的方向去靠,是值得研究的问题。笔者经过几年来的用心探索,总结出来以下几点:1、教案内容不应是课本内容的简单重述和再现,应是补充了当今生产实践中活的实际内容,应与生产实际相同步,让学生能了解到校门外、课本外、学术外的生产实际,而不仅仅是课本上死的文字和虚而不实的理论知识;2、教案内容应充满知识性,应向学生适量提供一些与本课程或本专业相关的科学与技术,以提高学生的专业能力,扩大知识面和信息量,让学生切实感受到学有所获,而不是感到虚度光阴;3、由于本课程大量运用了先修的课程内容,如“电路”、“电机学”、“电磁场”、“数值分析”等,在准备教案时,应将先学的课程知识巧妙的融会贯通于本课程内容中,一来加深对先学知识的理解,二来给学生提供一个活学活用的实例,让学生可以以此为例,在以后的工作中举一反三,提高知识应用能力;4、应补充本课程领域国内外同行当前的技术状况和发展动态,从而让学生了解就职于工作岗位上的前辈们正在从事的事情,从而对自己的未来职业有个初步的了解,意识到在学校里、课堂上还应补充的知识;以上四点是在准备教案时应注意的地方,高水平的教案是教师的水平和责任心的体现,需要多年用心的摸索、推敲和积累。

在教学中,教师的作用是编写教案、课堂教学以及解答疑惑。除了按上文提出的原则准备教案内容和进行课堂教学外,教师还应注重自身水平的不断提高与进步,包括自身知识水平的提高和讲授水平的提高。高水平的教案内容和讲课水平需要教师日复一日、年复一年的用心积累和不断摸索,平日里应心系学生,认真推敲,站在学生的角度去思考问题,准备教案。课堂师生互动环节,首先,可以引导学生去主动的思考,而不是被动的接受;二是可以让学生参与到教学中来,而不是死板地坐在下面,麻木的机械式的收听教师的讲演;三是,可以对课堂节奏,稍事停顿和修整,让学生紧绷的脑神经也得以休整。当发现学生的学习效果与预期出现偏差时,应及时调整课程进度和节奏、教学方式和方法。

三、结论

根据“电力系统分析”课程内容的特点,笔者结合前人的经验与笔者自己多年的摸索,针对缺乏实验和实践环节支持的少课时“电力系统分析”课程,探索出了“一明确,二联系,三重视”的教学方法,其涵义是:“一明确”是指在教学内容上,要明确教学目标;“二联系”是指在授课方法上,要理论联系实际,后面知识联系前面知识;“三重视”是指在教学要素上,要同时重视教师、学生和教学内容三要素的影响,在教学过程中形成以学生掌握知识为中心,以培养能力为重点,以提高专业素质为目标的教学方法。该教学方法在实践教学中取得了良好的教学效果,学生对知识的理解更透彻,对知识的掌握更扎实,同时也促进了学生知识应用能力的提高。

电力系统分析论文:《电力系统分析》课程教学改革思考

《电力系统分析》课程是电力系统自动化专业重要的专业基础课,是后续专业课程电力系统继电保护、发电厂电气部分、电力系统自动装置、电力系统自动控制等相关课程的理论基础,学好这门课程将为本专业学习打下坚实基础。

笔者目前承担我校高职电力系统自动化专业的《电力系统分析》的理论教学任务,目前我校正处于建立国家示范性高职院校之际,专业设置、课程体系改革正在不断推进,《电力系统分析》作为一门重要的专业课,也面临着教学理念、教学方法的改革。经过几个学期的教学实践,笔者认为目前高职《电力系统分析》课程的改革应该从以下几方面着手改革。

一、调整理论教学内容以适应新形势下对高职学生的培养要求

《电力系统分析》在整个教学计划和学生培养中起着十分重要的作用,一方面承接着从技术基础课向专业课的过渡,另一方面又承接着从理论学习向工程实际问题的过渡。它研究的对象是实际的电力系统,因此具有明显的工程特点。这就要求从工程实际出发,对所研究的问题进行适当的简化处理。调整优化《电力系统分析》课程教学内容的目标是:要求学生掌握和理解基本概念和基本理论,培养学生分析和解决电力工程问题的能力,以及掌握运用电子计算机解决电力系统工程问题的理论和方法。因此在大量调研和多年教学实践的基础上,对《电力系统分析》课程提出如下改革:

1.简化电力系统各元件特性和数学模型的教学。在教学实践中发现,这一章的公式推导较多,学生难于理解,经过分析,理出一条思路,注重基本物理概念的掌握和理解,以及对公式的应用,而对公式的推导则尽量简化省略。例如,在讲解线路参数计算的时候,只给出各参数的公式而不去花时间推导,学生能够理解各参数的意义和正确应用公式即可。

2.根据培养目标和学生的学习特点适当增减相关学习内容。《电力系统分析》课程的教学内容比较多,如果在实际教学中都涉及到会需要大量的理论课时,这与目前高职教育改革是相悖的,因此必须适当减少理论课时数,这就需要删减一些教学内容,比如,电力系统的潮流的计算机算法这一章对高职学生而言比较难理解,可以删减。同时,还可以适当增加一些与实际工程结合紧密的内容,这可以根据每个学校学生的就业特点而定。

二、改进教学方法和教学手段,提高学生学习的兴趣

教学质量的提高,重要的是教学方法和教学手段的提高。理论教学是目前课程教学体系中的重要环节,它直接影响教学质量。

1.课堂教学采用多媒体课件配合板书教学。“电力系统分析”课程与实际电力系统联系非常紧密,很多实际设备用语言和黑板讲授根本没办法描述清楚,学生对系统的整体认识很难。为了提高理论教学效果,课堂教学采用多媒体课件配合板书教学。一方面沿用了板书教学的优点,同时对语言讲解比较抽象的内容用多媒体形象演示,使得教学更加具体化、形象化,使学生更加容易理解,起到事半功倍的效果。

比如,讲解电力系统结构时,先将具体的电气设备用图片演示给学生,使学生对电力系统中的各电气元件有一个直观的了解,在给出系统的地理接线图和电气接线图时,学生就能够将接线图中的各电气元件的符号与实际的设备对应上,从而将抽象的系统接线图与实际的系统结构联系起来。

2.增加网络辅助教学环节。为了方便学生对“电力系统分析”课程的自学、预习与复习,将课程的大纲、电子教案、多媒体课件和习题等都挂到了校园网上,这样学生在课余时间可以随时上网查阅相关资料。在每章内容讲解之前,教师都会提出相关问题放到网上以使学生提前预习,提高了课堂教学的效果。学生在“电力系统分析”课程的学习有任何疑问,也可以在网上给教师留言询问,教师会及时给学生解答。网络教学创造了教师与学生、学生与学生之间相互交流的环境,便于学生吸收更多信息,培养自主学习能力,有利于提高教学效果,对教学方法和教学手段的改革将起到极大的推动作用。

三、注重实践环节训练加强实践能力的培养

实验教学作为教育体系的重要组成部分,是树立学生实践观念培养分析解决实际问题的能力,启迪学生创新思维提高学生综合素质的重要环节。对于强调学生的动手实践能力的高职院校,实验教学更应该得到重视,实验教学应贯穿于理论教学中。为了达到电力系统分析的教学目的,建立电力系统综合实验室和电力系统分析仿真实验室是有必要的,若资金不足可先建立电力系统分析仿真实验。

通过“电力系统分析”课程教学改革方法的研究,使该课程的教学突破传统的单一课堂板书教学模式,采用多媒体配合板书的课堂教学方法,增加网络辅助教学环节,建立科学的实践教学体系,通过综合实验环节巩固和加深学生对电力系统相关理论知识的理解,使学生能够将基础理论与工程实际联系起来,成为具有综合思维能力和综合处理问题能力的创新、复合型技术人才,这也正是我们高职教育的目的。