王莉麗

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206)

“電力系統(tǒng)潮流上機(jī)計(jì)算”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的必修課程，也是北京市精品課程“電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)”的配套實(shí)踐課[1]。該課程的內(nèi)容不斷得到充實(shí)，教學(xué)方法持續(xù)改進(jìn)。

1 課程介紹

潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)中最基本最重要的計(jì)算。所謂潮流計(jì)算，就是已知電網(wǎng)的接線方式與參數(shù)及運(yùn)行條件，計(jì)算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行各母線電壓、各支路電流與功率及網(wǎng)損。對(duì)于正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)，通過(guò)潮流計(jì)算結(jié)果可以判斷電網(wǎng)母線電壓、支路電流和功率是否越限。對(duì)于正在規(guī)劃的電力系統(tǒng)，通過(guò)潮流計(jì)算，可以為選擇電網(wǎng)供電方案和電氣設(shè)備提供依據(jù)。潮流計(jì)算還可以為繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置整定計(jì)算、電力系統(tǒng)故障計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算等提供原始數(shù)據(jù)[2-3]。

“電力系統(tǒng)潮流上機(jī)計(jì)算”課程的內(nèi)容是用兩周的時(shí)間利用Visual C語(yǔ)言完成一個(gè)直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)牛頓-拉夫遜潮流算法的程序，并利用標(biāo)準(zhǔn)IEEE9/14節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行驗(yàn)證。

2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法應(yīng)用于課程的探索

2.1 課程制定清晰明確的總體目標(biāo)

“電力系統(tǒng)潮流上機(jī)計(jì)算”課程開設(shè)初期采用了以教師、教材和課堂為中心，重視教師對(duì)學(xué)生的傳授[4]。但是我們遇到了嚴(yán)重的問(wèn)題:大部分學(xué)生接到計(jì)算任務(wù)后無(wú)從下手，找不到切入點(diǎn)，從而選擇放棄或者抄襲他人的程序。每個(gè)班里僅有為數(shù)不多的學(xué)生能夠完成任務(wù)，此外，少數(shù)學(xué)生理論知識(shí)扎實(shí)又具有編程基礎(chǔ)，他們用大約一周的時(shí)間就完成了所有的內(nèi)容，認(rèn)為課程無(wú)挑戰(zhàn)性，滿足不了他們的求知欲。課程一度陷于各類學(xué)生積極性都不高的消極局面。為了改變這種局面，教學(xué)方法的改革勢(shì)在必行。我們經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和不斷的探索嘗試，得出結(jié)論:對(duì)于這種任務(wù)明確、工程化較強(qiáng)的實(shí)踐課程采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法能夠取得很好的教學(xué)效果[5]。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法是一種建立在建構(gòu)主義教學(xué)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法，這種方法將傳授的新知識(shí)隱含在一項(xiàng)或幾項(xiàng)任務(wù)中，學(xué)生通過(guò)對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析討論，明確完成任務(wù)所涉及的知識(shí)以及內(nèi)含的新知識(shí)點(diǎn)，在教師的指導(dǎo)下找出解決問(wèn)題的辦法[6]。

潮流數(shù)值算法是在明確電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，求取網(wǎng)絡(luò)方程系數(shù)矩陣，建立非線性的節(jié)點(diǎn)電壓網(wǎng)絡(luò)方程，用迭代的方法對(duì)方程進(jìn)行求解。教師要將任務(wù)總目標(biāo)明確為:編制一個(gè)通用、可移植的潮流計(jì)算機(jī)算法程序。

2.2 分解任務(wù)與實(shí)施實(shí)例先導(dǎo)

采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法將總?cè)蝿?wù)分解為若干個(gè)子任務(wù)，學(xué)生就可以依次逐個(gè)進(jìn)行思考分析。將每個(gè)子任務(wù)看成是一個(gè)模塊，考慮“每個(gè)模塊的輸入和輸出內(nèi)容”，“各個(gè)模塊之間的關(guān)聯(lián)方式”，“哪些模塊參與了循環(huán)”等等。這樣就可以避免因?yàn)楦髯兞恐g復(fù)雜耦合關(guān)系而出現(xiàn)思路混亂。在分析的過(guò)程中，學(xué)生自然會(huì)把要用到的預(yù)備知識(shí)進(jìn)行梳理。

潮流上機(jī)計(jì)算可根據(jù)功能模塊可分解為九個(gè)子任務(wù):①構(gòu)建工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);②讀入原始數(shù)據(jù);③形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣;④計(jì)算節(jié)點(diǎn)不平衡量;⑤生成雅可比矩陣;⑥求解修正方程;⑦迭代求解潮流結(jié)果;⑧計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)功率;⑨求線路功率和線路損耗。

各子任務(wù)難易程度不同，完成時(shí)間不同，教師的引導(dǎo)方式也有所側(cè)重。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式是以實(shí)例為先導(dǎo)的，學(xué)生可以先根據(jù)課本中的例題進(jìn)行程序編制，因?yàn)榇死}附帶完整的中間計(jì)算結(jié)果，學(xué)生在編程過(guò)程中可以隨時(shí)檢查結(jié)果的正確性。程序完成后再將指導(dǎo)教師提供的標(biāo)準(zhǔn)IEEE9/14節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)讀入程序，計(jì)算潮流結(jié)果。

2.3 學(xué)生面臨的三重考驗(yàn)

我們?cè)趯?shí)際教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)潮流程序編制過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到如下三重考驗(yàn)。

(1)第一重考驗(yàn):構(gòu)建工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

潮流計(jì)算中根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，構(gòu)建工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是第一步。萬(wàn)事開頭難，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)這是第一個(gè)考驗(yàn)，此時(shí)教師會(huì)給出一個(gè)典型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例供參考。

潮流計(jì)算的原始數(shù)據(jù)包括支路數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)兩大部分，所以在頭文件中先聲明一個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型BusData和一個(gè)支路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型Branch-Data。BusData中包括節(jié)點(diǎn)序號(hào)、類型、電壓值和相角等;BranchData中包括支路序號(hào)、電阻、電抗、電納和變壓器變比等。這一子任務(wù)幾乎所有的學(xué)生都能夠順利完成，這樣便有一個(gè)好的開頭，會(huì)使學(xué)生對(duì)編程的畏懼感有一定的緩解。

(2)第二重考驗(yàn):形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣

節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形成是計(jì)算機(jī)求解潮流的難點(diǎn)之一。其困難之處在于如何利用二維數(shù)組表示矩陣，還有原始數(shù)據(jù)與數(shù)組中各元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系如何確定。此處需要注意的問(wèn)題是二維數(shù)組表示的矩陣初始行列號(hào)是“0”，而原始數(shù)據(jù)文件中首個(gè)數(shù)據(jù)的序號(hào)是“1”，編程時(shí)需做處理。

節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形成應(yīng)用支路追加法[2]。首先建立維數(shù)為節(jié)點(diǎn)數(shù)的零矩陣，各條支路按照序號(hào)循環(huán)，分別將其對(duì)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的貢獻(xiàn)疊加到零矩陣上。支路追加法雖然原理簡(jiǎn)單，但對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能還會(huì)存在一定的困難，例如:“貢獻(xiàn)在編程時(shí)如何體現(xiàn)”和“變壓器非標(biāo)準(zhǔn)變比如何處理”等。

(3)第三重考驗(yàn):生成雅可比矩陣

雅可比矩陣的生成是潮流計(jì)算中最繁瑣的一部分。雖然表面看與節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形成過(guò)程相類似，都是用二維數(shù)組表示矩陣，矩陣中的元素值與所在位置有關(guān);但不同之處和難點(diǎn)是:矩陣中各位置的元素值形成關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，主要表現(xiàn)在雅可比矩陣的維數(shù)高，如果節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣維數(shù)是n，那么雅可比矩陣的維數(shù)就是2(n-1);雅可比矩陣中各元素的計(jì)算與節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中元素相比耦合變量數(shù)更多，公式更復(fù)雜;雅可比矩陣是分塊矩陣，以相鄰位置的四個(gè)元素為一個(gè)塊，塊中這四個(gè)元素的計(jì)算公式各不相同;節(jié)點(diǎn)類型不同，待求的網(wǎng)絡(luò)方程也不同;牛頓—拉夫遜法解非線性方程過(guò)程中，雅可比矩陣參與迭代。

此處學(xué)生需要有極大的耐心，反復(fù)調(diào)試程序，稍不小心就會(huì)出錯(cuò)。容易出現(xiàn)的錯(cuò)誤有:①因公式復(fù)雜發(fā)生輸入錯(cuò)誤;②循環(huán)分支嵌套多，“{}”的位置錯(cuò)誤;③分塊矩陣中，元素位置定位錯(cuò)誤;④程序中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與頭文件中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致;⑤最嚴(yán)重的錯(cuò)誤就是循環(huán)邏輯不對(duì)。

在這個(gè)子任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中除了需要有耐心還要有決心。

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明:將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法引入到“電力系統(tǒng)潮流上機(jī)計(jì)算”中，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體地位;調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)的積極性;提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

統(tǒng)計(jì)表明，有30%的學(xué)生能夠在教師計(jì)劃的時(shí)間表之前完成任務(wù)，50%的學(xué)生能與規(guī)定時(shí)間保持一致，20%的學(xué)生滯后于時(shí)間表，需要教師給予幫助才能完成任務(wù)。特別要說(shuō)的是，很多能力強(qiáng)的學(xué)生主動(dòng)增加了其他的子任務(wù)如:文件輸出子任務(wù)、復(fù)數(shù)計(jì)算子任務(wù)等，使程序更具有通用性和可移植性。學(xué)生通過(guò)帶著任務(wù)學(xué)習(xí)，養(yǎng)成了自主思考的習(xí)慣，對(duì)過(guò)程結(jié)果的分析能力明顯增強(qiáng)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)有了更深刻的理解，更善于整合運(yùn)用知識(shí)。

此教改方案實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意兩點(diǎn):第一，程序中求解線性方程組源代碼由教師提供，學(xué)生直接調(diào)用即可;第二，適當(dāng)?shù)目己朔绞揭彩谴龠M(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的手段之一，我校采用的是一對(duì)一理論知識(shí)問(wèn)答加上機(jī)程序改錯(cuò)的方法，可供兄弟院校參考。

[1]孫英云，董雷，等.基于極限編程的潮流上機(jī)實(shí)踐教學(xué)探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào).2012.34(3):90-92

[2]張伯明，陳壽孫，等.高等電網(wǎng)絡(luò)分析(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007

[3]陳珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析(第三版)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007

[4]田海梅，張燕.基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)專業(yè)課教學(xué)模式[J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理.2011.28(5):145-147

[5]劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉(zhuǎn)向:工程化的視角[J].武漢:高等工程教育研究.2006.(4):42-45

[6]張穎，張繼平，宋巖.基于“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2013，32(11):167-170