胡少強 王智東 林聲宏

華南理工大學(xué) 廣東廣州 510640

電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真綜合性實驗教學(xué)研究*

胡少強 王智東 林聲宏

華南理工大學(xué) 廣東廣州 510640

為了改變實驗課時少、實驗內(nèi)容無法形成系統(tǒng)性、實驗效果差等問題，在電氣工程專業(yè)設(shè)置的電力系統(tǒng)動模實驗基礎(chǔ)上，加大了動模實驗室改造、進(jìn)行課程改革、優(yōu)化實驗內(nèi)容、加強實驗管理等舉措，完善了電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真綜合性實驗的內(nèi)容，提高了實驗的效果。

實驗教學(xué)；綜合性實驗；電力系統(tǒng)；動模

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)雜計算中；而該課程的實驗課“電力系統(tǒng)動模實驗”在加強學(xué)生的直觀理解、培養(yǎng)動手能力方面起著重要的作用。

一、綜合性實驗課程重要性

綜合性實驗是實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法和手段改革的重要教學(xué)模式，由于綜合性實驗具有實驗內(nèi)容的復(fù)合性、實驗方法的多元性、實驗手段的多樣性，所以它與常規(guī)的、單一內(nèi)容的驗證性實驗有著很大的區(qū)別。以我學(xué)院的動模實驗為例子，在開設(shè)綜合性實驗前,安排了8學(xué)時的動模實驗。而動模實驗不僅涉及動模原理等理論知識，又包含具體實驗項目；實驗過程中,既需了解和熟悉設(shè)備的功能和特點，又需掌握具體的實操。因此，學(xué)生很難在短時間內(nèi)對實驗過程有較深入的了解和掌握,特別是實驗過程中的各種運行工況、結(jié)果的理解和掌握,實驗效果不理想。

以往的教學(xué)實驗中，動模實驗作為電力系統(tǒng)分析教學(xué)組成部分，在授課期間穿插做實驗，內(nèi)容分散，很難形成系統(tǒng)性。導(dǎo)致學(xué)生對動模實驗的重視程度不夠，實驗過程中只是機械地聽從教師的指示進(jìn)行操作，對實驗的內(nèi)容比較模糊，動模實驗本應(yīng)具有的直觀性等優(yōu)點未能充分體現(xiàn)。

繼電保護(hù)、自動裝置等電力專業(yè)課程都有相應(yīng)的實驗課程，但這些實驗主要針對該課程的內(nèi)容，知識面較窄，初學(xué)者易于將其局限于某一課程，較難以將知識點融合，形成系統(tǒng)的電力知識。而動模實驗既包含了發(fā)電（原動機和勵磁調(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，是最易實現(xiàn)電力諸多知識點融合的實驗課程。而且，當(dāng)前課程的交叉性越來越強，實驗課程也需相應(yīng)地進(jìn)行整合，而綜合性實驗是最有前途的路徑之一，這有利于克服傳統(tǒng)實驗只停留在分散的驗證某個概念、理論、方法的較低水平上。通過綜合性實驗，改變學(xué)生從原來的驗證性實驗到綜合性實驗的思路和方法，引導(dǎo)學(xué)生把實驗的重點放在展示知識的內(nèi)在聯(lián)系上。

二、綜合性實驗課程實踐

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，但在直觀性方面略顯不足。從本科教學(xué)經(jīng)驗來看，通過實驗讓初學(xué)者加強對概念、原理的理解和現(xiàn)場運行方式的掌握比對抽象的復(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模綜合性實驗課程的主要方式，并加大了動模實驗室改造、進(jìn)行課程改革、優(yōu)化實驗內(nèi)容、加強實驗管理等舉措。

1.加大動模實驗室改造

我院動模實驗室自1991年建成以來，已成為教學(xué)、科研的重要基地，同時，還先后為廣州供電局、廣東省電力工業(yè)局試驗研究所進(jìn)行了線路測距裝置及發(fā)電機進(jìn)相運行監(jiān)控裝置的仿真實驗。通過對動模實驗室的改造，使動模實驗室已初步形成了多機組、多回路、多個電壓等級的電力網(wǎng)絡(luò)，主要設(shè)備包括：1臺15kVA、2臺5kVA的模擬發(fā)電機組，兩組無窮大電源及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.實驗課程改革

在原先的動模實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，設(shè)置獨立的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬綜合性實驗。綜合性實驗作為電氣工程及其自動化專業(yè)必修課程，有專門的學(xué)分，占32個學(xué)時。由于綜合性實驗對專業(yè)知識要求較高，涉及的知識點多，在專業(yè)課程（一般在第3年級開設(shè)）完成后進(jìn)行；而且該課程是實驗課程，針對當(dāng)前大學(xué)生普遍存在的動手能力差的薄弱環(huán)節(jié)，故開課時間安排在第4年級第1學(xué)期。課程涉及了理論和實驗兩部分，安排4個學(xué)時介紹動模的理論知識，再進(jìn)入實驗環(huán)節(jié)。教學(xué)中采用理論知識與操作實際相結(jié)合、多媒體講授與現(xiàn)場實物介紹等多種手段結(jié)合的方式，實驗過程中讓學(xué)生自己動手，并引導(dǎo)學(xué)生如何將所學(xué)的知識和技能來解決實驗中遇到的各種問題。

3.優(yōu)化實驗內(nèi)容

根據(jù)本院動模實驗現(xiàn)狀,針對性地開展教學(xué)活動,編寫了電力系統(tǒng)綜合性實驗指導(dǎo)書,系統(tǒng)介紹了動模理論知識,包括：動模概論(動模仿真簡述、動模仿真室的作用)、電力系統(tǒng)動態(tài)模擬(模擬理論、同步發(fā)電機的模擬、原動機的模擬、勵磁系統(tǒng)模擬、變壓器模擬、輸電線路模擬、負(fù)荷的模擬、無窮大系統(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)。

從整個電力專業(yè)特點系統(tǒng)化地完善課程設(shè)置,遵循從簡單到復(fù)雜循序漸進(jìn)地開設(shè)實驗：發(fā)電機組的基本操作；發(fā)電機有功、無功調(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)荷投切實驗；發(fā)電機失磁實驗；電力系統(tǒng)故障分析；同步發(fā)電機靜態(tài)安全運行極限的測定；同步發(fā)電機進(jìn)相運行等實驗。

4.完善測量技術(shù)

測量手段關(guān)系到實驗的方便性和實驗數(shù)據(jù)與結(jié)果的準(zhǔn)確性。實驗過程采用模擬顯示屏和數(shù)字測試儀互相配合使用。模擬顯示屏具有顯示直觀、便于觀察等優(yōu)點，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)動機機端側(cè)和線路側(cè)分別接有數(shù)字測試儀，能記錄電流、電壓、有功和無功等電氣量，1臺數(shù)字測試儀可同時顯示3個所需的電氣量值，并可以通過計算機串口進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲。目前還準(zhǔn)備進(jìn)行錄波器的投運，建成后將可以直接觀察電氣量的波形圖，更具直觀性。

5.加強實驗指導(dǎo)與管理

動模實驗一般運行1臺或2臺機組，需要合理分工、多人協(xié)調(diào)，如何進(jìn)行實驗管理不僅影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還直接影響到實驗效果。實驗過程中，將學(xué)生分成3個主要小組負(fù)責(zé)不同的功能：控制臺、原動機控制和勵磁控制，并且有序地輪流替換。比如“同步發(fā)電機V型曲線測定實驗”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、實驗效率和培養(yǎng)能力等功能。實驗報告是綜合性實驗重要環(huán)節(jié)之一，要正確指導(dǎo)學(xué)生通過實驗數(shù)據(jù)來總結(jié)實驗情況和進(jìn)行效果分析，解決實驗中遇到的問題，寫出質(zhì)量高、有實驗創(chuàng)新點的實驗報告。

三、效果及展望

從本校2006級電氣工程及其自動化專業(yè)約200名同學(xué)參加實驗的情況來看，已初步顯現(xiàn)良好的實驗效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和直觀認(rèn)識，增強了學(xué)生的知識融合和實踐動手的能力。

綜合性實驗不僅有利于加強課堂教學(xué)，而且能彌補生產(chǎn)實習(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)實習(xí)項目，但從需參加實習(xí)的學(xué)校多、學(xué)生人數(shù)多、實習(xí)單位難以接待等實際困難來看，生產(chǎn)實習(xí)更多流于參觀的層面，綜合性實驗的開設(shè)，在一定程度上彌補了缺乏實際操作的機會，有助于加強和鞏固對理論概念和原理的理解并具體化。

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

目前,在現(xiàn)有的動?；A(chǔ)上,我院也在探索Hypersim實時數(shù)字仿真系統(tǒng)在動模實驗室的應(yīng)用,把電力系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真與數(shù)字仿真有機地結(jié)合起來,充分發(fā)揮數(shù)字仿真和物理模擬各自的優(yōu)勢,并探討其在教學(xué)的應(yīng)用規(guī)律,爭取向本科和研究生實驗教學(xué)等開放。

[1]何仰贊.電力系統(tǒng)分析(上下冊)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)綜合實驗原理與指導(dǎo)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004

[3]趙成勇.基于虛擬儀器的電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗數(shù)字化改造[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,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

胡少強,高級工程師，電力實驗中心主任。王智東,碩士。林聲宏,高級實驗師。

*本文系華南理工大學(xué)校級實驗教學(xué)改革項目。