基于產學研相結合的無功補償綜合實踐環節設計

摘要：無功功率的基本概念以及無功補償的基本原理是電氣專業學生必須掌握的知識點。緊密圍繞中國石油大學（華東）電氣專業學生的培養目標，把油田配電網無功補償技術與專業實踐教學內容結合，將專業教師的科研成果與體會帶入課堂教學，提出了一種產學研相結合的電氣專業綜合實踐設計思路。在論述專業實踐改革立足點的基礎上，詳細給出了綜合實踐平臺以及模塊化實踐內容設計原則。連續幾屆學生的實踐結果證明了該思路的有效性。

關鍵詞：無功補償；產學研；實踐環節；電氣專業

作者簡介：仉志華（1977-），男，山東夏津人，中國石油大學（華東）信息與控制工程學院電氣工程系，副教授；馮興田（1978-），男，山東廣饒人，中國石油大學（華東）信息與控制工程學院電氣工程系，講師。（山東 青島 266580）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）36-0111-02

無功功率的基本概念以及無功補償的基本原理是電氣專業學生必須掌握的知識點，在相關課程中都有所涉及，但許多學生對此沒有系統性認識。本文緊密圍繞中國石油大學（華東）（以下簡稱“我校”）電氣專業學生的培養目標，將油田配電網無功補償技術與專業實踐教學內容相結合，實現了理論教學與實際應用的緊密結合；將專業教師的科研成果與體會帶入課堂教學，實現了產、學、研三者的有機結合；將原有課程中講述的零散知識點融匯成知識面，實現了知識點之間的內在融合。該方法經兩屆學生的暑期實踐證明效果非常明顯，不僅系統地補充和完善了我校電氣專業綜合實踐教學內容，更為電氣專業乃至其他學科進一步探索“產學研相結合”的教學模式積累了寶貴經驗。

一、實踐環節設計的立足點

1.體現學生培養的目標

我校作為石油、石化高層次人才培養的重要基地，專業課程設置均圍繞石油石化行業背景展開，無功補償技術在工業現場及石油石化生產實際中應用廣泛，而且伴隨著國家“節能減排”政策的大力推廣，該技術在石油石化生產中的應用前景更為廣闊。無功補償基本原理是電氣工程專業學生必須掌握的知識點，但該內容較為抽象，將此作為實踐內容不僅能促進學生對該知識點的理解，也便于學生了解油田現場的生產實際。

2.兼顧電氣專業兩個方向

我校電氣專業主要有供電和拖動兩個方向，專業課程設置及培養側重點有所不同，而無功補償相關知識作為重要的基礎內容，兩個專業方向學生都必須掌握，因此將此作為實踐內容能夠結合兩個方向專業課程知識的交叉點，兼顧電氣專業兩個方向的所有學生，避免了部分傳統實踐環節設計內容的片面性，從根本上保證了實踐教學效果。

3.良好的產學研基礎

我校電氣專業教師已結合油田生產實際從事無功補償方面的研究多年，承擔過多項相關科研項目，發表相關研究論文多篇，對油田無功補償技術的現狀、存在問題及解決方案具有系統認識與深入體會，通過設置實踐環節將科研體會帶入課堂教學，將理論與實際有機結合，不僅激發學生的學習興趣，也將教師的科研成果融入教學，體現了產學研相結合的思想。

4.無功補償技術的特點

經過多年的發展，無功補償技術已形成專門的理論體系，涉及內容較多。無功補償的相關知識在多門理論課程中均有所涉及，但往往僅涉及部分知識點，缺乏系統性。通過設置實踐教學環節，將無功補償零散的知識點融匯成系統的知識面，便于學生深入理解和掌握。[1-3]而且無功補償技術理論與實際應用結合緊密，強弱電相結合、軟硬件兼顧，將其作為實踐環節能夠加強對學生實際動手能力、分析及解決實際問題能力的培養，真正達到實踐環節的鍛煉效果。

二、電氣專業綜合實踐環節的設計

為保證該實踐環節的實施效果，主要針對兩個方面進行了研究：無功補償綜合實踐平臺的設計和無功補償綜合實踐內容的設計。前者是結合油田生產實際，以現場廣泛采用的游梁式抽油機為原始模型，設計了綜合實踐平臺，作為開展實踐教學環節的基礎；后者結合相關課程中無功補償技術的教學內容，將零散的知識點進行系統融合并科學劃分，以“模塊化實踐教學思想”為基本出發點優化設計了綜合實踐內容。

1.無功補償綜合實踐平臺的設計

基于實驗室現有設備條件，以油田廣泛采用的不同功率的游梁式抽油機電機為基礎模型，結合無功補償相關知識點的內在聯系，設計出無功補償綜合實踐平臺。該平臺總體結構如圖1所示，主要由以下四個環節組成：

（1）系統阻抗模擬環節。在實際的電力系統中，大量無功功率流動是造成電壓偏移的主要因素之一，嚴重時會帶來電壓穩定問題，這是電力系統電壓無功控制的理論依據。該知識點在“電力工程基礎”、“電力系統分析”、“電力電子技術在電力系統中的應用”等課程中均作為重點內容講解。該知識點由串聯電抗器模擬實現，主要用于測量、分析無功功率流動引起電壓偏移量，能夠直觀對比無功補償前后系統的電壓變化情況，并利用實測數據驗證電壓偏移公式。

（2）功率測量環節。該環節用于理解三表法與兩表法測量有功功率與無功功率的理論依據及實現方法，通過理論推導，重點采用兩表法即采用90度接線方法直接測量無功功率的方法，該環節由有功功率表、電壓表、電流表、功率因數表等組成。同時為實現功率的微機測量，設計了電壓、電流變換與調理模塊，實現了強弱電信號隔離。

（3）無功補償控制環節。該環節分為兩部分：其一為手動控制環節，主要采用實驗室現有的電氣控制實驗平臺，搭建基于常規繼電器的交流接觸器控制回路，根據模擬儀表測量結果實現電容器的手動投切控制。另一環節為自動測量與控制環節，為保證實踐實施進度，課題組專門基于51單片機開發了無功補償智能控制硬件電路，只需接入調理后的電壓電流信號，軟件編程即可實現。為保證動手能力強、學有余力的學生進一步了解硬件電路知識，也可基于實驗室現有的51單片機實驗箱，根據參考電路圖重新搭建硬件驅動電路，并軟件編程實現無功自動測量與補償控制。此環節在有效控制實施進度的基礎上有利于因材施教。

（4）可調負載模擬環節。此環節主要由調壓器、異步電動機、發電機及燈箱負載組成，模擬可變的有功與無功負載：通過調壓器改變電動機的端電壓，調節其主磁通，從而改變無功功率的大小；通過改變勵磁電壓或者燈箱負載的大小可改變系統有功功率的大小。該環節通過靈活連續調整有功功率大小，模擬現場抽油機上下沖程電機的輸出有功功率變化；通過調整電機端電壓，模擬不同功率電機所需的無功功率變化情況。二者結合即可完整模擬不同型號抽油機工作過程中的有功功率、無功功率以及功率因數變化規律，為實施無功補償奠定基礎。

2.無功補償模塊化實踐內容的設計

將無功補償技術所涉及的知識點進行融合，結合理論教學與實際應用關鍵技術點，把零散的知識點貫穿在一起形成系統的知識面，并基于“模塊化實踐教學”的設計思想，結合實踐環節大綱規定時間，對實踐內容進行了模塊化綜合優化設計。實踐內容主要采取集中講解與分散操作相結合的方式進行，按照兩周時間安排，內容分為七個部分，[4]如圖2所示。

3.實踐效果

在2008年、2009年兩次暑假實習中已進行了改革嘗試，學生普遍反映效果良好，通過強弱電調試、軟硬件編程鍛煉了綜合分析問題及實際動手能力，對于無功補償原理及相關技術有了全面而深入的理解，并對無功補償技術的現場應用有了全新的認識。

三、無功補償綜合實踐環節特點

與國內同類院校電氣專業實踐環節涉及內容對比分析可知，無功補償綜合實踐環節主要特色如下：

將無功補償理論體系、油田生產實際應用、教師的科研體會三者有機結合，主動融入實踐平臺設計與實踐內容設置，充分體現了產學研相結合的思想，為日后電氣專業乃至全校開展產學研教學模式進行了有益嘗試，積累了寶貴經驗。

緊密結合我校學生的培養目標，立足油田生產實際需要，將廣泛應用的無功補償理論體系有機分解，結合相關課程講述內容與學生原有的知識結構體系，模塊化設置實踐環節內容。并通過集中講解、分組操作、交流反饋等多種手段保證了實踐效果。

電氣專業多門課程涉及到無功補償的相關基礎知識，但只是零散的知識點，均不夠系統。該成果將多門專業課程講述內容進行融合，把無功功率基本概念、測量方法、補償原理、效果評價等分散的知識點融匯成系統的知識面，并根據各知識點之間的內在聯系，合理安排實踐內容；同時兼顧微機控制、單片機、電氣控制等軟、硬件設計內容，強弱電結合、軟硬件兼顧，有利于對學生綜合分析能力與實際動手能力的培養。

為充分發揮部分優秀學生的主觀能動性，靈活優化調整實踐內容，在保證實踐進度的前提下，適當增加深層次內容，在實踐過程中有利于因材施教。而且該實踐環節在一定程度上能夠兼顧電類和部分非電類專業學生的實踐要求，具有一定的推廣價值。

四、總結

本文基于產學研相結合模式下的電氣專業學生的綜合實踐環節進行了系統研究。緊密結合我校學生培養目標，從無功補償理論體系、油田生產實際需要、產學研基礎等多方面論證了將該內容作為實踐環節的合理性；緊密結合理論體系、現場應用與科研體會，優化設計了無功補償綜合實踐平臺與模塊化實踐內容，不僅系統地補充和完善了我校電氣專業實踐教學內容，更為重要的是將專業教師的科研成果、體會進行凝練與總結，主動融入到實踐課堂教學中，實現了產、學、研三者的有機結合，為電氣專業乃至全校進一步探索“產學研相結合”的教學模式積累了寶貴經驗。該成果獲得2010年校級教學成果二等獎。

參考文獻：

[1]陳衍.電力系統穩態分析[M].第二版.北京：中國電力出版社，

2000.

[2]黃純華.工廠供電[M].第二版.天津：天津大學出版社，2005.

[3]任禮維.電機與拖動基礎[M].杭州：浙江大學，1994.

[4]仉志華，馮興田，何新霞，陳榮.無功補償綜合實踐平臺的設計[J].電氣電子教學學報，2009，31（1）：72-74.