RTDS課程實驗教學改革的啟迪

徐青菁， 姜建民， 王君艷

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引言

目前，電力系統動態模擬實驗是國內高校進行電力系統實驗教學最主要的教學方式。動模實驗屬于電力系統的物理模擬，是按照相似性原理建立的縮小的實際物理模型，能反映電力系統的動態特性，具有直觀形象的特點。但動模實驗存在以下局限性:① 投資大，建設周期教長，具有動模的高校還是少數;②無法組建大規模實驗系統，難以幫助學生建立大系統概念;③系統組建變化有限，難以充分發揮學生的創造性;④所能覆蓋的教學實驗內容比較有限;⑤ 出于安全方面考慮，很多步驟不能讓學生親自動手操作，而且不可能每人配置一套設備，只能分組實驗，這大大降低了教學效果和學生學習的積極性[1-3]。

近年來，隨著計算機和實時仿真技術的飛速發展，利用數字仿真進行電力系統教學實驗逐漸為高校所認同。數字仿真試驗具有安全、經濟、方便、靈活的優點，是現代仿真與試驗系統的重要發展方向。與動模實驗一樣，數字仿真已成為電力系統仿真試驗、教學實驗和技術培訓的主流選擇。

基于數字仿真的電力系統教學實驗系統作為動模實驗的有益補充和改革，與傳統的物理模擬方法不同，數模實驗采用實時數字仿真器(Real-Time Digital Simulator，RTDS)設備對電力系統進行數字化模擬。基于處理器卡的強大計算能力，在一個仿真步長內(50～60 μs)完成采集外部信號、實時求解模型、對物理裝置執行激勵、控制等功能，實現對實際裝置的閉環仿真。在運行于工作站上的RSCAD軟件中，用戶可以使用元件庫中的各種電力系統元件模型，方便快速地搭建電力系統模型，編譯后下載到處理器卡(GPC)中計算，在全數字仿真系統運行過程中能夠通過工作站對所仿真的電力系統進行狀態觀測及操作、控制。相比傳統的物理模擬方法，數字模擬方法具有建模周期短、靈活性強、安全性好、結果直觀等特點，由于其模型使用已經大量實踐驗證的電磁暫態模型，其計算精度和模型的合理性是可以信賴的。

2010年，電氣工程實驗中心從加拿大曼巴托尼HVDC研究中心進口RTDS設備3套，開設“電力系統RTDS教學實驗”并成功申報了上海交通大學特色實驗項目，承擔了兩大類教學實驗:① 全數字仿真分析實驗，涉及課程包括電力系統基礎、電力系統故障分析和電力系統穩定控制;② 硬件在環(閉環)實驗，主要課程為電力系統繼電保護和安全自動裝置。本實驗課程使學生了解電力系統的結構和運行方式、電力元件的機理和模型，建立電網全局大系統觀念，增強對電網運行的直觀感受。系統與上海交通大學電氣實驗中心原有的繼電保護屏柜相結合，構成了一個高規格數字動模實驗室，對教學和科研的開展起到了很好的推動作用[4-6]。

此外，高等工程教育要強化主動服務國家戰略需求、主動服務行業企業需求的意識，確立以德為先、能力為重、全面發展的人才培養觀念，創新高校與行業企業聯合培養人才的機制，改革工程教育人才培養模式，提升學生的工程實踐能力、創新能力和國際競爭力，構建布局合理、結構優化、類型多樣、主動適應經濟社會發展需要的、具有中國特色的社會主義現代高等工程教育體系，加快我國向工程教育強國邁進。為此，電氣工程實驗中心為響應“卓越工程師培養”計劃戰略，將RTDS電力系統教學實驗和課程設計引入本科教學計劃，為培養專業知識扎實，實踐和動手能力強，創新能力突出的卓越工程師打好基礎[7-9]。

1 RTDS實驗教學改革

電氣工程實驗中心于2010年建設了基于RTDS的實時數字仿真中心，同時充分利用配套的機房設備與相應的軟件資源，初步建成了基于RTDS的綜合實驗教學系統，應用于電力系統實驗教學，并編寫了《基于RTDS電氣系統應用綜合實驗指導書》，這是電力系統教學實驗改革的一個很好的嘗試。本實驗中心共有RTDS實驗設備2套，輔助計算機工作站30臺，RTDS專業教師2名，系統在教學實驗改革的實踐中取得了顯著的效果。

此外，實驗中心現已開設2門專業綜合實驗，6門課程設計(電力電子課程設計、變電站電氣部分設計、電機的DSP控制設計、繼電保護設計、高壓數字測量系統設計、智能儀表設計)，2門科技創新課程，3門特色實驗課程，每年為電氣工程相關專業本科生和研究生開展教學實驗。同時實驗室貫徹學校“加強本科生理論教學、實踐教學、科學研究三位一體的有機結合，加強實踐和第二課堂教學”的指導方針，充分利用現有設備，給學生創造良好的實踐條件，讓學生更多地走進實驗室，進行自主學習和研究性學習。2010～2012年，實驗中心先后開設了18個PRP，2個畢業設計，3個上海大學生創新活動計劃項目，在核心期刊上發表相關教學論文4篇。取得了優異的成績，獲得了學生的一致好評。

2010年至今，電氣工程實驗中心采用RTDS在教學實驗改革、本科學生畢業設計、卓越工程師培養等多方面發揮了積極的作用。

1.1 教學實驗改革

“電力系統基礎課程”利用本系統進行了電力系統運行方式及潮流計算和網損分析的實驗。利用典型實驗系統，在數字仿真的監控圖頁改變發電機出力、開關狀態和負荷參數，可以改變系統的運行方式及潮流分布。將控制條件和潮流結果進行對比分析，讓學生了解影響系統潮流的主要因素以及影響趨勢。同時，建立了幾個IEEE典型的大系統，用于大系統運行方式和潮流的演示和學習，培養學生的大系統觀念。另外，利用典型實驗系統，在數字仿真的監控圖頁改變發電機出力、開關狀態和負荷參數，包括改變負荷的功率因數，數字仿真可計算各級電壓等級電網的網損。通過將控制條件和網損結果進行對比分析，讓學生了解影響網損的主要因素以及影響趨勢。設計了一個電容就地無功補償的實驗，闡述在線路上無功傳輸減少的情況下，有功損耗即網損就會下降的現象，加深了學生對無功和網損關系的理解[10-11]。

“電力系統故障分析課程”利用本系統進行了電力系統橫向和縱向(斷線)故障分析實驗。在典型實驗系統上設置各種短路故障、斷線故障和復合故障。一方面，可設置各種故障條件、改變故障位置以及改變運行方式，觀察系統短路電流的分布情況;另一方面，在數字仿真的監控圖頁上利用觸發按鈕觸發一個故障或一個故障序列，了解各種故障下的系統各序電壓和電流變化過程。在故障過程中，不僅讓學生認識到了短路電流的大小，而且讓學生對故障的暫態過程有所了解，認識了電流暫態過程中的諧波、不對稱等現象[12]。

“電力系統繼電保護課程”利用本系統進行各種成套保護裝置的調試與分析實驗。利用眾多典型的實驗系統，對各類保護裝置進行閉環試驗，讓學生對線路保護和元件保護的原理和工作特性有了更為深入的認識。典型實驗系統的試驗對象包括線路保護、母線保護和變壓器保護。在實驗系統中設置各種簡單故障和復雜故障，或者在數字仿真的監控圖頁用觸發按鈕觸發故障或故障序列，觀察各種故障下的電壓和電流波形，通過對故障電壓和電流的定量分析以及各類繼電保護裝置出口和斷路器的狀態判斷裝置的動作是否正確。包括在串補電容條件下，保護動作的特殊性認識。

“電力系統課程設計”也充分利用了本系統。學生發揮自己的創造力，自行建立實驗系統，并輸入參數，在教師的指導下，調整參數直至系統穩定運行，然后在該系統中進行一系列實驗。課程設計的題目包括實驗方案中的幾個題目:電力網接線方案的技術論證及經濟比較、發電廠和變電所主接線選擇以及網絡潮流計算和電壓計算，還有其他的課程設計題目。同時，在上海交通大學的使用實踐表明，本系統也是教師和研究生開展課題研究和技術開發的仿真和試驗平臺。

此外，2011～2012學年設置的RTDS本科教學實驗還有“分壓器”、“交流系統模型”、“輸電線路參數測量”、“電力變壓器實驗”、“同步電機實驗”、“發電機并網實驗”等，整個實驗過程都是在學生獨立操作下完成，當學生通過自己的努力把最終結果或波形呈現在屏幕上時，無論這種結果正確與否，其印象都是非常深刻的。一方面提高學生的求知欲，加深他們對所學的知識的記憶;另一方面是學生的自由發揮，極大地提高了學習的積極性，動手能力也得到加強。并且這些實驗內容也可以在動模實驗上完成，當仿真波形與實際波形相比較，可進一步加深印象。

學生需自己根據電氣工程基本原理及實驗需求搭建仿真模型。

學生需自己搭建人機互動界面，實現對電力系統運行狀態的觀測及控制。

學生需根據電氣工程基本原理及繼電保護原理對系統故障時的電壓、電流進行分析，并對繼電保護等電力系統自動裝置的動作行為進行分析、評價[13-16]。

1.2 本科學生畢業設計創新

除了教學實驗，本科生已有采用RTDS完成畢業設計課題。其中，“基于RTDS的可再生能源并網過程中繼電保護行為仿真分析”一文，以距離保護為例，從理論和仿真兩個方面研究了風電場聯絡線保護的行為。首先經過理論推導，建立了考慮接地電阻和風電場運行方式變化等各種因素的測量阻抗解析表達式。在改變故障距離、接地阻抗、相角差、電勢比、內阻抗等5個變量，分別繪制了阻抗軌跡圖，形象地說明了風電場并網后對聯絡線距離保護可能造成的不利影響。再基于RTDS仿真系統，建立風電場聯絡線模型，同樣改變以上5個參數對于上述的情形進行仿真驗證，并在驗證的基礎上成功仿真出距離保護誤動作的一種情況。理論分析與仿真結果皆說明，對于風電場聯絡線距離保護，在發生接地故障時，風電場運行方式的頻繁變化將對測量阻抗產生很大影響，從而影響距離保護的正確動作。

讓本科生參加RTDS教學實驗并采用RTDS完成畢業設計，要求學生上機學會軟件的基本操作，同時與動模相對應利用該系統建立一個單機大系統模型。在仿真模塊界面通過改變各個參數，來改變系統的運行方式，并仿真出該系統在各種工況下的重要參數的波形，一方面驗證數字仿真系統的真實可靠性;另一方面主要是讓學生了解影響系統穩定運行的主要因素以及影響趨勢，培養學生的系統觀念和整體觀念。

1.3 卓越工程師培養

教育部“卓越工程師教育培養計劃”(簡稱“卓越計劃”)，是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發展規劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。該計劃旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。截止2010年，我國開設工科專業的本科高校1003所，占本科高校總數的90%;高等工程教育的本科在校生達到371萬人，研究生47萬人。該計劃對促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。

實驗中心設置RTDS本科教學實驗和畢業設計，積極響應“卓越計劃”實施，培養方式具有3個特點:

(1)行業企業深度參與培養過程。這方面主要體現在學校與企業合作項目，學生參與并完成畢業設計。上文提到的“可再生能源并網過程中繼電保護行為仿真分析”，就是電氣工程系與某電力企業合作項目，不僅可以提高學生完成畢業設計的學習積極性，而且加深了本科學生對實際系統的認識，讓企業參與，讓學生受益，為培養工程師提供實施的舞臺。

(2)結合高校人才標準和電力行業標準，培養工程人才。與動態模擬實驗相比，RTDS具備多種優越性，可以讓本科生更早的接觸到電力系統仿真，在培養學生能力的同時，結合專業知識，為電力系統行業儲備工程師人才。

(3)強化培養學生的工程能力和創新能力。RTDS仿真和實驗靈活多變，范圍很廣。模型系統可采用典型實驗系統，也可由學生自由搭建。學生通過數字仿真平臺，可靈活組建各種結構形式和運行方式的系統，自我設計發揮的自由度很大，這對于本科課程設計尤為重要，可以培養學生的動手能力和創新意識。

我們的培養目標是:面向電力系統行業、面向世界、面向未來，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為建設創新型國家，實現電力系統自動化和現代化奠定堅實的人力資源優勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力。因此，以RTDS實驗和實施卓越計劃為突破口，促進電力系統教育改革和創新，加快國家智能電網建設步伐，全面提高電氣工程教育人才培養質量，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國[17-20]。

2 成果和啟迪

(1)培養學生大系統觀念。隨著電網的互聯規模越來越大，電網的穩態、暫態和動態行為日益復雜。通過動模的小規模系統，學生可以認識到系統的一些基本規律，但無法充分認識到大型互聯系統的一些特殊運行規律。學生通過數字仿真平臺，可靈活建立互聯大系統，在上面進行穩態的潮流計算、網損分析、無功補償實驗;設置各種故障條件，進行暫態穩定計算和動態行為分析。這對學生建立大系統觀念和加強對大系統特殊運行規律的認識會很有幫助，是動模的有益補充[21]。

(2)提高學生創新能力。電網的結構形式多種多樣，運行方式也靈活多變，這要求教學實驗系統具有相當的靈活性。動模實驗由于電機和設備有限，系統結構上欠缺靈活性，學生能夠組建的系統結構有限，一定程度上限制了學生創造力的發揮。

學生通過數字仿真平臺，可靈活組建各種結構形式和運行方式的系統，自我設計發揮的自由度很大，可廣泛開展創新性實驗，給學生更廣闊的創新空間，有利于培養學生的分析和創新能力。這對于研究型大學的課程設計環節尤其重要。

(3)增強學生直觀感受。動模實驗可讓學生在實際操作中產生直觀形象的感受，傳統觀念會認為數字仿真的直觀性要差一些，但本系統的交互培訓功能很好地克服了這個不足。

本數字仿真教學實驗系統的實時交互培訓功能可以大大增強實驗培訓的效果和學生的直觀感受。系統界面的監控圖上，可擺放各種儀表和控制，學生可在仿真前或實時仿真過程中任意改變圖中儀表和控制的設置。在仿真過程中，學生的控制手段甚至比動模更加靈活，如各種故障的設置，發電機的出力調節等，儀表的擺動也非常逼真，從而大大增強了學生的直觀感受。

(4)加深學生對系統的認識。本系統同時又是一個數字動模實驗室，與動模一樣可以直接接入實驗裝置進行閉環實驗，可以加深學生對實際電力裝置的認識和了解。系統通過高速通信系統與信號轉換及輸入輸出系統同外部設備相連，可進行繼電保護裝置、安全自動裝置以及測量與控制裝置的實時閉環試驗。系統與上海交通大學電氣實驗中心原有的繼電保護屏柜相結合，構成了一個高規格數字動模實驗室，對教學和科研的開展起到了很好的推動作用。

3 結語

在本科教學中，實驗中心準備利用RTDS進一步開展各類系統和裝置的仿真試驗，在電力系統課程設計中，也將充分利用本系統，讓學生充分發揮自己的創造力，自行建立仿真實驗模型，并輸入參數，在教師的指導下，調整參數直至系統穩定運行，然后在該系統中進行一系列實驗。該系統也是教師和研究生開展課題研究和技術開發的仿真和試驗平臺。

實踐表明，本實驗教學系統在教學實踐中效果顯著，在培養學生大系統觀念和提高學生創新能力以及加深學生對實際系統的認識等方面取得了很好的效果，不僅提高了學生的學習積極性，同時也培養了學生的動手能力和創新意識，很受學生的歡迎。在今后的應用中，我們將充分利用實驗室資源，進一步完善該系統結構和功能，不斷拓寬實驗內容和種類。并充分發揮高校技術資源優勢，不斷加深與電力部門及企業的合作，以達到雙方資源的共享。

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[16] 姜建民，徐青菁.基于RTDS電氣系統應用綜合實驗指導書[Z].上海交通大學(電氣工程系)，2010.

[17] 《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)》:http://www.gov.cn/jrzg/2010-07/29/content_1667143.htm

[18] 《國家中長期人才發展規劃綱要(2010—2020年)》:http://www.gov.cn/jrzg/2010-06/06/content_1621777.htm

[19] 《教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見》(教高〔2011〕1 號):http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html

[20] 余 魅，習友寶，劉 韻.建設國家級實驗教學示范中心構建創新人才培養平臺[J].實驗技術與管理，2006，12(3):10-12.

[21] 習友寶，鐘洪聲，余 魅.開展層次化電子實驗教學 全面培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索，2006，25(5):622-625.