“電力工程信號處理及應(yīng)用”國家級精品課程建設(shè)實踐

摘要：介紹了“數(shù)字信號處理”這門課程在電氣專業(yè)高年級本科生以及研究生中開設(shè)的必要和意義，以及其改革的必要性，并且以昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院為例介紹了“電力工程信號處理及應(yīng)用”國家級精品課程建設(shè)中的具體實踐內(nèi)容，并且舉出實例說明。

關(guān)鍵詞：電氣工程及其自動化專業(yè)；電力工程信號處理及應(yīng)用；精品課程；建設(shè)實踐

信號處理技術(shù)是隨著信息學(xué)科和計算機學(xué)科的發(fā)展而快速發(fā)展的一門學(xué)科，它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中彰顯出來。[1]隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，“數(shù)字信號處理”課程已經(jīng)從電子信息工程類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程擴展成電子信息、自動控制、電子技術(shù)、電氣工程、計算機技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程等眾多電類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。電氣系統(tǒng)和自動化系統(tǒng)都廣泛地涉及信號分析和處理技術(shù)，自動化系統(tǒng)中按一定的控制規(guī)則得出的控制信號，系統(tǒng)狀態(tài)的估計，控制對象數(shù)學(xué)模型的確定，系統(tǒng)測量噪聲的剔除，直至自適應(yīng)控制、智能控制等都通過信號的分析與處理來實現(xiàn)。電力系統(tǒng)的故障分析和診斷、電力系統(tǒng)的微機保護，諧波抑制等更是信號分析與處理技術(shù)直接應(yīng)用的例子。隨著電力系統(tǒng)的進一步發(fā)展，信號處理技術(shù)對它的作用和影響必將越來越大。昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院就是在信號處理技術(shù)日益重要的前提下率先開設(shè)了“電力工程信號處理及應(yīng)用”國家級精品課程。[2]在不突破總學(xué)時的前提下，根據(jù)人才培養(yǎng)要求以及各門課程所包含的知識結(jié)構(gòu)、層面和相互關(guān)聯(lián)，對原有課程進行科學(xué)地整合和取舍，拓寬課程設(shè)置范圍，并適當增加反應(yīng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新知識。

一、課程內(nèi)容改革的必要性

“數(shù)字信號處理”課程在電氣工程專業(yè)的教學(xué)中有著很重要的地位，是“自動控制原理”等課程的非常重要的先修課程。它的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握信號和線性系統(tǒng)分析的基本理論、基本原理和方法，能夠在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作中靈活應(yīng)用這些方法解決學(xué)生遇到的問題。它在電氣電氣工程專業(yè)的教學(xué)體系上起到了非常重要的作用，其重要性是其他課程不可替代的。“數(shù)字信號處理”是通信和其他電子電氣工程專業(yè)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，課程主要內(nèi)容為：離散時間信號和系統(tǒng)在時域、頻域和z域的分析；離散傅里葉變換的概念、計算及其應(yīng)用；信號的取樣理論及其應(yīng)用；數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理和常用數(shù)字系統(tǒng)；數(shù)字系統(tǒng)的有限字長效應(yīng)分析等，內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)課程。對于電氣工程專業(yè)來說，系統(tǒng)的時域、頻域、復(fù)頻域分析方法和設(shè)計方法等內(nèi)容在其他的課程中都有涉及，傳統(tǒng)的“數(shù)字信號處理”課程中信號與系統(tǒng)部分的內(nèi)容并重就造成了教學(xué)內(nèi)容之間的重疊，很容易導(dǎo)致知識體系的混亂。而且電氣工程專業(yè)開設(shè)的“數(shù)字信號處理”課程并沒有強調(diào)其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，大部分都是大篇幅講述數(shù)學(xué)內(nèi)容，學(xué)起來沒有針對性，更加不懂得應(yīng)用在所學(xué)的專業(yè)知識上。所以對于電氣工程專業(yè)“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容的改革迫在眉睫。

二、課程內(nèi)容的改革實踐

“電力工程信號處理應(yīng)用”是昆明理工大學(xué)電力學(xué)院（以下簡稱“我院”）首先提出的針對電氣專業(yè)高年級本科生和研究生的國家級精品課程，它是“數(shù)字信號處理”和“信號分析與處理”的后續(xù)課程。電力系統(tǒng)暫態(tài)量中包含非常豐富的信息，在電力系統(tǒng)的各個領(lǐng)域都有極高研究和應(yīng)用價值，但是，信息提取與區(qū)分的難度隨著信號的復(fù)雜程度明顯增大，沒有先進的數(shù)學(xué)工具作為支撐，顯然非常困難。所以對于電氣專業(yè)的高年級本科生來說只是學(xué)習(xí)了信號處理的各種方法是遠遠不夠的，更應(yīng)該掌握信號處理各種方法在電力工程中的應(yīng)用。所以我院提出了“電力工程信號處理應(yīng)用”課程來幫助高年級本科學(xué)生和研究生學(xué)習(xí)和應(yīng)用信號處理技術(shù)。

課程開設(shè)之初，主要介紹傅氏算法、最小二乘算法、卡爾曼濾波、相關(guān)分析法、Prony算法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)以及分形理論等及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括傅氏算法在微機保護、故障測距、頻率跟蹤檢測等方面的應(yīng)用；最小二乘算法用于實現(xiàn)故障測距和負荷預(yù)測；卡爾曼濾波算法在負荷預(yù)測、變壓器保護等方面的應(yīng)用；相關(guān)分析用于配電網(wǎng)故障選線、輸電線路故障選相、變壓器勵磁涌流鑒別等相關(guān)方面；利用Prony算法完成參數(shù)辨識、低頻振蕩曲線的擬合等工程應(yīng)用問題；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在電能質(zhì)量檢測、故障選相以及設(shè)備局部放電信號檢測等方面的應(yīng)用；分形算法來實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的配電網(wǎng)故障選線、輸電網(wǎng)故障選相、變壓器涌流鑒別、電力電纜局部放電信號檢測以及負荷預(yù)測等應(yīng)用問題。

通過總結(jié)多年來的教學(xué)實踐和科研心得，研究同行學(xué)者成果，補充了小波變換、相量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）、希爾伯特-黃（Hilbert-Huang Transform HHT）、S變換等內(nèi)容，主要包括小波變換用于電力系統(tǒng)在線檢測、故障診斷、變壓器保護、負荷預(yù)測等工程課題；希爾伯特-黃變換在配電網(wǎng)故障選線、電力系統(tǒng)低頻振蕩檢測、設(shè)備局部放電信號檢測等問題的算法實現(xiàn)步驟和算例分析；S變換其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究主要集中在對電能質(zhì)量擾動特征的提取、（間）諧波檢測、配電網(wǎng)故障選線、低頻振蕩模態(tài)分解、行波波頭識別等范圍。

“電力工程信號處理應(yīng)用”是數(shù)字信號處理和信號分析與處理的后續(xù)課程，只占用少量課時，所以我院在信號處理技術(shù)的理論與公式的講解方面進行了適當簡略，突出講解一些在電力工程中應(yīng)用廣泛、且在信號處理課程中也較重要的部分。例如，典型的濾波算法有傅里葉變換、最小二乘法和卡爾曼濾波。卡爾曼濾波中又包含著相關(guān)分析、s變換、HHT變換、小波分析、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、分形和PRONY方法等。這樣電氣專業(yè)的本科生以及研究生的學(xué)習(xí)就很有明確性，不會對一大堆的理論與公式感覺無從下手。

我院開設(shè)的“電力工程信號處理應(yīng)用”課程安排了32個學(xué)時，占2個學(xué)分。在少課時少學(xué)分的情況下要做到讓學(xué)生有興趣，學(xué)習(xí)有目的就要重點突出，精選教學(xué)內(nèi)容。具體在課程內(nèi)容安排上，我院把重點放在信號分析方法在處理電力工程信號方面的實際應(yīng)用上。例如，在線檢測技術(shù)，遠動與自動化技術(shù)，繼電保護，電能質(zhì)量分析與控制，PMU數(shù)字算法等。這樣學(xué)生既不會感覺內(nèi)容枯燥難懂還節(jié)省了學(xué)習(xí)時間，學(xué)習(xí)更有針對性，更具實際價值。

三、教學(xué)理念和教學(xué)手段的改革實踐

“電力工程信號處理應(yīng)用”課程的難點在于：該課程將電氣工程專業(yè)知識、信號分析與處理知識緊密結(jié)合，要求學(xué)生具備較為扎實的專業(yè)知識；含有大量公式，其物理含義較難理解。針對本門課程的重點和難點，在教學(xué)中采用如下方法予以解決：

1.采用以問題中心的講授脈絡(luò)

本著以問題為中心的教育理念，以電力工程信號為教研對象，以電力工程信號處理算法原理和實現(xiàn)為著力點，以電力工程信號處理應(yīng)用為落腳點，以電力工程實際應(yīng)用問題為中心，系統(tǒng)講授電力工程信號、電力工程信號處理算法原理以及電力工程信號處理應(yīng)用三個層面的內(nèi)容。每一獨立章節(jié)講述清楚概念、方法、結(jié)論和主要應(yīng)用等四個層面內(nèi)容，既啟迪思路，又解決實際問題，理論聯(lián)系實際。

2.積極引入教研和科研成果，優(yōu)化課程體系，更新教學(xué)內(nèi)容

將課題組創(chuàng)新的科研成果應(yīng)用于教學(xué)中，更新教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系，如將形態(tài)學(xué)-小波檢測、HHT、S變換等綜合應(yīng)用于行波波頭檢測和初始波頭到達時刻標定；采用小波能量熵，S變換能量熵和形態(tài)譜等方法進行纜-線混合線路的故障選線；創(chuàng)造性地提出變壓器勵磁涌流鑒別的形態(tài)結(jié)構(gòu)判別方法以及動態(tài)電能質(zhì)量擾動檢測的形態(tài)譜方法、分形方法和廣義S變換法。

3.進行教學(xué)方法改革

對一些復(fù)雜、煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，盡可能用簡樸的方式及其應(yīng)用示例表述，應(yīng)用Matlab程序，把抽象的概念形象化，增強理解上的直觀性、生動性和緊湊性，努力做到即學(xué)即練即會。

在教學(xué)過程中，將框架式教學(xué)、支架式教學(xué)、比較式教學(xué)、隨機訪問教學(xué)、實例教學(xué)、討論式教學(xué)、理論與實驗結(jié)合教學(xué)等教學(xué)方法相融合。

4.采用多媒體技術(shù)輔助進行教學(xué)

在教學(xué)過程中，輔以多媒體教學(xué)，用形象直觀的演示來提高教學(xué)效果，充分利用聲音、圖像、視頻、影片等資源，加深學(xué)生對知識點的理解和記憶。

5.注重實驗環(huán)節(jié)

以Labview為實驗平臺，學(xué)生可自主設(shè)計實驗內(nèi)容，課堂實驗與開放性實驗有機結(jié)合，協(xié)同共進，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神與實踐能力。

四、教材建設(shè)

幾年來課程負責(zé)人束洪春教授帶領(lǐng)課程組不斷探索和發(fā)現(xiàn)先進的教學(xué)理念與方法，進行“電力工程信號處理應(yīng)用”課程的建設(shè)和改革，加強教材建設(shè)，積極引入教研和科研成果，實時更新教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系。

在教材使用及教材建設(shè)方面，最初采用束洪春教授主編的《電力工程信號處理應(yīng)用講義》，通過總結(jié)多年來的教學(xué)實踐和科研心得，研究同行學(xué)者成果，現(xiàn)已由科學(xué)出版社出版了《電力工程信號處理應(yīng)用》。此書系統(tǒng)性強，根據(jù)電氣工程及其自動化專業(yè)的特點，對電力工程信號處理應(yīng)用進行了課程體系改革，已經(jīng)獲批為國家級“十二五”規(guī)劃教材。以該課程為線索，從電力工程實際問題出發(fā)，將電氣工程專業(yè)知識、信號分析與處理知識緊密結(jié)合，使學(xué)生所學(xué)知識融會貫通，既啟迪思路，又解決實際問題。實驗教學(xué)教材采用束洪春教授主編的《電力工程信號處理應(yīng)用講義實驗指導(dǎo)書》，根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容的不斷更新實時調(diào)整，已進行了5次較大幅度的更新，現(xiàn)在積極準備實驗教材的正式出版。此外，根據(jù)教學(xué)的實際需要，研制開發(fā)了“電力工程信號處理應(yīng)用”多媒體教學(xué)軟件配合教學(xué)。

五、結(jié)論

“電力工程信號處理及應(yīng)用”于2009年獲國家精品課程稱號。我校長期立足云南，輻射全國及東南亞，培養(yǎng)高層次科技人才和應(yīng)用人才，與云南電力行業(yè)緊密合作。該課程一直是我校電氣類本科主干專業(yè)課，有效提高了學(xué)生用信號處理方法解決電力工學(xué)實際問題的能力。課程教學(xué)實踐的效果顯著，本科學(xué)生先后獲挑戰(zhàn)杯國家二等獎，全國電子設(shè)計大賽一、二等獎各3項，數(shù)學(xué)建模競賽國家二等獎，節(jié)能減排社會實踐與科技競賽國家二等獎等多項國家級獎勵；申請專利29項，授權(quán)17項，獲國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃6項，省大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃1項，課程的教改與建設(shè)以及科研應(yīng)用成果豐碩。“面向工程校企結(jié)合三方互動的電力本科人才培養(yǎng)改革與實踐”、“校企合作增強辦學(xué)實力提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的探索”先后獲省教學(xué)成果一、二等獎；電氣工程及其自動化專業(yè)被評為國家級特色專業(yè)；校企“訂單+聯(lián)合”的專業(yè)-專項-崗位電力專業(yè)人才培養(yǎng)模式獲得省人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)，并建立了省本科教學(xué)實驗示范中心。課程建設(shè)中大量的科研及工程應(yīng)用，先后獲得省技術(shù)發(fā)明獎一等獎1項，省科技進步一等獎1項，省科技進步三等獎2項。相信在校領(lǐng)導(dǎo)關(guān)心和支持下，通過課程組全體教師的艱苦努力，該課程建設(shè)將在我院的教學(xué)改革中不斷取得進步。

參考文獻：

[1]趙光宙.信號分析與處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：5.

[2]束洪春.“電力工程信號處理應(yīng)用”課程教學(xué)實踐[J].高校教育研究，2008，（7）.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）