專業化軟件導行“電力系統分析”課程教學研究

王世山等

摘要：“電力系統分析”是電氣工程及其自動化專業的重要專業課程，如何讓學生既掌握基本的理論知識，又深刻理解電力系統的精髓，對電力系統的教學提出了挑戰。提出以專業化軟件MATLAB和Power World Simulator（PWS）使用為核心，貫穿整個課程的教學過程。在使用這些軟件的過程中，必須深刻理解電力系統的基本理論，并在此基礎上以兩種模式建立電力系統分析的物理模型，既有編寫文本的MATLAB源程序，也有以GUI模式操作的PWS軟件。在教學中，只要出現理論和算法，都可以采用軟件進行驗證。學生在學習過程中既可以深刻體會系統中的“工程”觀念，也彌補了電力系統實驗不足的問題。通過“電力系統分析”課程幾年來的教學實踐表明，以軟件導行的教學方法，提升了學生的學習興趣，使學生理解了電力系統中的工程問題，對工科課程的教學有很好的借鑒作用。

關鍵詞：電力系統分析；電力系統軟件；MATLAB

作者簡介：王世山（1967-），男，陜西綏德人，南京航空航天大學自動化學院，副教授。（江蘇 南京 210016）

基金項目：本文系南京航空航天大學教改項目、本科教學專業認證建設項目的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）08-0076-02

“電力系統分析”是以電氣工程一級學科為專業的本科及碩士生重要的專業課程，[1]本課程的基本內容包括電力系統穩態和暫態兩大部分，均涉及到系統及相關電力設備的認識和實驗問題。顯然，以教學為主的大學無法完全滿足電力系統所需的相關實驗。因此，“仿真”（Simulation）就成為該類課程教學活動中最重要的手段之一。

考慮到電氣工程一級學科下五個二級學科，各高校的側重點略有不同。因此，作為本科及碩士生還是以理解電力系統的基本結構組成、基本運作模式為目標，同時輔以合適的“工程”觀念，以此為“教學理念”，則“仿真”擬推薦專業化軟件，避免學生陷入計算機語言的困惑中。目前，筆者查閱相關文獻及與相關高校調研交流發現，鮮有教師提出以“軟件”導行的教學理念。

鑒于以上原因，本文提出以“專業軟件”為導行的電力系統課程教學過程，圍繞軟件學習相關的理論知識，為理解電力系統概念和專業知識打下了良好的基礎。

一、電力系統軟件簡介

1.MATLAB——“一個真正的工程類語言”

MATLAB（Matrix Laboratory）矩陣實驗室，是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，在美國被稱為“A Real Technology Language”，是一種“真正的工程類語言”。[2]然而由于各種原因，目前中國大學對于該語言的研究并不理想。如何將這門工程計算機與所設置的專業課程結合在一起，是一個需要深入研究的問題。

據筆者長期教學實踐發現，將軟件與專業問題相結合，形成一些相關的“項目設計”（Projects Design），則可以起到一舉兩得的效果。

MATLAB軟件分為通用模塊與專業化Toolbox。雖然有些Toolbox也確實可以解決一些專業化問題，但距真正的專業化解決尚有一定的距離。因此，筆者推薦盡可能使用MATLAB的通用模塊。通用模塊的功能類似于MathCAD一樣的操作模式，主要以*.M文件的方式體現。

*.M文件其實就是一個函數或一段程序，是一種“解釋性”源代碼，這些源代碼的撰寫可以用MATLAB本身附帶的編輯器，也可以采用其他文本編輯器。當*.M文件保存后，直接運行文件名即可。由此可見，教學中利用*.M文件完成教學任務，不僅可以讓學生學習相關專業知識，在一定程度上也提高了學生計算機程序的編寫能力。

2.Power World Simulator——電力世界仿真器

Power World Simulator（PWS）是一個電力系統仿真軟件包（見圖1），[3，4]其構筑在對用戶良好交互性的基礎上。其核心是一個功能強大的潮流計算軟件，可以有效求解多達32500個節點的系統。這使得電力世界仿真器作為一個獨立的潮流分析軟件包十分有用。與其他同類商業應用軟件不同，PWS允許用戶通過可縮放的彩色動畫單線圖來模擬一個系統。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發電機的增加以及聯絡線功率的交換，一切僅需點擊鼠標即可完成。此外，圖形和動畫演示的廣泛使用增加了用戶對系統特性、存在問題和限制條件的理解。

PWS提供了極為方便的模擬電力系統時間特性的工具。同樣，它可以圖形化地顯示負荷、發電量和聯絡功率隨時間的變化，以及因此產生的系統運行條件的變化，這項功能在解決電網擴建引起的網絡結構變化之類的問題時十分有用。

除了上述特點，PWS以其一體化的經濟調度、聯絡功率交易經濟性分析、功率傳輸分配因子（PTDF）計算和突發事故的強大分析能力而驕傲，所有這一切都可以通過一個易用的界面來實現。

二、專業化軟件在教學過程中的實施

只要學生運行出最終解的結果，得出誤差曲線（見圖2），再輔以一定的討論，則可認為該問題結束。

需要注意的是，以程序為學習目標時，必須輔以一定的考核手段，即逐一檢查學生的運行結果，避免學生抄寫應付過關。多年來，學生的反饋表明，以該種方式“逼迫”學生熟悉和掌握MATLAB軟件，給學生留下了極深刻的印象，也為本科畢業設計打下了良好的基礎。

（2）示例2：PWS完成潮流計算。以圖3中簡單電力系統為例，計算各母線電壓、支路功率，則首先要確定系統的節點類型——平衡節點、PV節點、PQ節點；此后，按系統要求逐次搭建合適的系統圖。

當正確設置圖3各類節點類型、邊界條件后，則可以直接運行，在Run mode下查看各Bus和支路的相關信息。本軟件不僅可以計算電流系統的最終結果，也可以查看中間過程，比如可以設置基準值，誤差相量的查看，甚至New-Raphson法的Jacobi矩陣在Case information中都可以獲悉。因此，當采用MATLAB基本熟悉了潮流算法后，對于大量電力系統分析的問題均可以采用該軟件來實現。

2.依托專業化軟件的課程綜合設計

課程綜合設計（Projects design）是鞏固專業化基礎知識的綜合手段。南航電氣作為具備電氣工程一級學科博士點的專業，一直以來具有“電機與電器”、“電力電子與電力傳動”的綜合設計，但是一直沒有“電力系統自動化”的課程綜合設計。本課程教學后，依托如前所述兩個軟件和開設的“電氣工程及其自動化綜合設計”，適時參考國外精品課程“Power System Analysis”，[5]也開展了相關的課程設計。比如，教學中可以對電力系統提出一定的指標，通過PWS軟件的反復人工修正，提出和優化如圖4所示的電力系統，并對該系統進行深入分析。

3.軟件使用的考核

在教學活動中，考核是最重要的指標之一，也是重要的手段。筆者認為要加強平時控制，“迫使”每名學生在個人計算機上安裝相關軟件，并且課后必須進行練習。待熟練使用軟件后，利用少量課堂時間、課間時間或者師生共同課后時間讓全部學生進行演示，互動討論，這樣對學生也是一個警示。結果表明，通過該方式能夠讓所有的學生都掌握相關的電力系統基礎知識和軟件，對教學具有很大的促進作用，但這樣也增大了授課教師的工作量。

三、結論

本文以“電力系統分析”為對象，基于MATLAB和Power World Simulator專業化軟件展開教學活動，獲得了如下教學體會，對工科課程均有一定的借鑒作用。一是以專業化軟件使用為核心的教學理念，在工科課程中具有普遍的意義，這樣也不失掉對基礎理論知識的掌握。二是對于“電力系統分析”專業課，需要選擇合適的專業化軟件開展教學活動，難易程度要適合本科教學。經過幾年教學摸索，選擇了MATLAB和Power World Simulator作為教學軟件。實踐表明，上述兩款軟件特別適合教學活動。

參考文獻：

[1]王俊，紀建偉，孫國凱，等.電力系統分析課程的教學改革[J].高等農業教育，2011，12（12）：56-58.

[2]徐敏，彭瑜.MATLAB在《電力系統分析》教學中的應用[J].電力系統及其自動化學報，2010，22（3）：152-155.

[3]李靜.Power World Simulator仿真軟件在電力系統中的應用[J].煤炭技術，2012，31（6）：66-68.

[4]張仰飛，李先允，郝思鵬.可視化軟件包Power World Simulator 在電力系統教學中的應用[J].中國電力教育，2006，（12）：295-287.

[5]J.Duncan Glover，Mulukutla.S.Sarma.Power System Analysis and Design[M].Beijing：China Machine Press，2004.

（責任編輯：孫晴）