基于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

孫麗穎 陳曉英 魯寶春遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

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基于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

孫麗穎 陳曉英 魯寶春
遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

摘 要：為提高研究生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，將電力系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用到研究生培養(yǎng)的教學(xué)過程中，包括課堂授課、競賽活動、課題研究等，使學(xué)生能夠深入、透徹地理解和掌握各個(gè)專業(yè)課程的知識內(nèi)容。通過有益的探索和實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；研究生；創(chuàng)新實(shí)踐；電力系統(tǒng)

研究生教育是我國高等教育的最高層次,研究生創(chuàng)新教育肩負(fù)著為建設(shè)創(chuàng)新型國家培養(yǎng)高素質(zhì)、高層次創(chuàng)造型人才的重任，在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著舉足輕重的作用。目前我校具有電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學(xué)術(shù)型碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)和電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)碩士學(xué)位及工程碩士授予權(quán)，均設(shè)置了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制、電力系統(tǒng)故障識別及繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)智能技術(shù)、現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)和光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)5個(gè)研究方向，每年招生人數(shù)均在30人以上，在校碩士研究生近百人。如何能夠最大限度地利用現(xiàn)有資源，培養(yǎng)研究生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識具有十分重要的意義。

目前，在研究生培養(yǎng)中普遍存在重理論、輕實(shí)踐，重課堂教育、輕實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教學(xué)手段陳舊、落后、單一等問題。無法真正調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，難以培養(yǎng)出具有良好創(chuàng)新實(shí)踐能力的學(xué)生。因而，如何通過研究生階段的培養(yǎng)使學(xué)生具有綜合運(yùn)用專業(yè)知識解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和工程實(shí)踐能力，是我們迫切要解決的問題。然而，電力系統(tǒng)的行業(yè)特點(diǎn)決定了學(xué)生幾乎沒有機(jī)會真正到電力系統(tǒng)現(xiàn)場去做實(shí)驗(yàn)獲取第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)工程的迅速發(fā)展,仿真技術(shù)也得到了很大的發(fā)展,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對模型進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可方便改變仿真參數(shù)、仿真條件等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評價(jià)的重要工具，并且在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、分析等各個(gè)階段，不但能提高效率,縮短研究開發(fā)周期，不受環(huán)境及氣候限制，而且對保證安全、節(jié)約開支、提高質(zhì)量具有突出的功效。

1 針對不同研究方向培養(yǎng)目標(biāo)的要求 建立仿真實(shí)驗(yàn)平臺

電力專業(yè)導(dǎo)師利用研究方向課的時(shí)間指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的研究方向有針對性的學(xué)習(xí)和運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)手段加強(qiáng)對專業(yè)知識的理解，建立了仿真實(shí)驗(yàn)平臺，為進(jìn)入課題研究做好準(zhǔn)備工作。

(1)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與控制方向：建立了電力系統(tǒng)潮流計(jì)算仿真模型，用于計(jì)算潮流分布及研究電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行；建立了單機(jī)無窮大系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析模型，可以用于系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障、單相短路故障等暫態(tài)過程穩(wěn)定性研究；小電流接地系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建；“模擬電網(wǎng)分析及仿真系統(tǒng)”以及“仿真運(yùn)行評估系統(tǒng)”等。利用虛擬仿真手段可以方便地進(jìn)行，如電力系統(tǒng)的功率控制實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)等；采用圖形仿真手段，使學(xué)生更方便掌握電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)安全調(diào)度。

(2)電力系統(tǒng)故障識別及繼電保護(hù)方向：建立了電力系統(tǒng)輸電線路單相、三相自動重合閘仿真模型；輸電線路距離保護(hù)的建模與仿真；微機(jī)繼電保護(hù)算法的輔助設(shè)計(jì)；變壓器空載合閘時(shí)勵磁涌流的仿真、電網(wǎng)故障設(shè)置及分析等?？梢詫Φ湫鸵欢卧O(shè)備、設(shè)備異常及故障處理、典型事故案例等方面進(jìn)行了全面虛擬仿真。

(3)電力系統(tǒng)智能技術(shù)方向：實(shí)現(xiàn)了模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)結(jié)果提供仿真實(shí)驗(yàn)平臺。

(4)現(xiàn)代電力電子應(yīng)用技術(shù)方向：建立了高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)模型；靜止無功補(bǔ)償器(SVC)仿真系統(tǒng)；晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)仿真系統(tǒng)等。

(5)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)方向：建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型；單相、三相橋式整流電路；雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的特性分析等。該平臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)等多個(gè)專業(yè)工程領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)各種能源輸、配、送的監(jiān)視和控制，對整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡分析、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、集中保護(hù)等高級控制、決策，并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)安全地運(yùn)行。

2 依托仿真實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)合專業(yè)課程的性質(zhì)和特點(diǎn) 豐富課堂教學(xué)內(nèi)容

我校電力專業(yè)研究生課程設(shè)置中專業(yè)課程包括現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析、現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)分析、配電系統(tǒng)自動化、微機(jī)繼電保護(hù)、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、電力系統(tǒng)自動化、現(xiàn)代電力系統(tǒng)調(diào)度自動化等，這些課程普遍具有專業(yè)性強(qiáng)、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，如果單純在課堂上講授理論知識，勢必會枯燥不直觀，授課效果也會打折扣，為了克服傳統(tǒng)專業(yè)課程教學(xué)模式單一的弊端，夯實(shí)學(xué)生專業(yè)知識的掌握，具體做法如下：

(1)根據(jù)每門課程的具體特點(diǎn)，學(xué)生結(jié)合自己的研究方向自愿組成2～3人構(gòu)成的學(xué)生小組若干，小組成員利用課余時(shí)間以課程理論知識為基礎(chǔ)、以工程實(shí)踐為背景，完成1～2個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，作為該門課程的一項(xiàng)大作業(yè)計(jì)入總成績，通過仿真實(shí)驗(yàn)過程既能鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)有助于研究生團(tuán)隊(duì)合作意識的培養(yǎng)；

(2)選取1～2個(gè)完成效果好的實(shí)驗(yàn)成果，在研討課上答辯交流，既可以加深對課程內(nèi)容的進(jìn)一步理解，又可以介紹仿真經(jīng)驗(yàn)給仿真能力差的學(xué)生提供幫助，同時(shí)使答辯的同學(xué)鍛煉了現(xiàn)場口頭表達(dá)能力。

3 結(jié)合導(dǎo)師的科研項(xiàng)目和學(xué)生的研究課題 加強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)研究

仿真環(huán)節(jié)的主旨是指導(dǎo)學(xué)生通過仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對進(jìn)一步的硬件實(shí)驗(yàn)起理論指導(dǎo)作用，可避免實(shí)驗(yàn)的盲目性，同時(shí)也是對理論研究結(jié)果的實(shí)驗(yàn)佐證。研究生導(dǎo)師結(jié)合科研項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論同一問題的不同解決方法，分析不同方法存在的不足之處，并通過仿真驗(yàn)證，使學(xué)生從中體會到解決問題的思路和科研工作方法。學(xué)生在仿真平臺上充分發(fā)揮自己的聰明才智，驗(yàn)證自己的創(chuàng)造設(shè)想，按照自己的思路改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)出有獨(dú)特見解的方案，更深刻地認(rèn)識各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。學(xué)生可根據(jù)自己的特點(diǎn)與愛好，設(shè)計(jì)、開發(fā)出相應(yīng)的系統(tǒng)。因此，仿真環(huán)節(jié)給學(xué)生提供了一個(gè)自主發(fā)揮和實(shí)踐鍛煉的空間，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情和興趣，有利于他們自我潛能的釋放和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。仿真環(huán)節(jié)能在真正意義上突破研究工作中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神。

近年來，電力專業(yè)導(dǎo)師的科研項(xiàng)目包括：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“考慮約束的電力系統(tǒng)非線性backstepping控制設(shè)計(jì)”、遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“多機(jī)電力系統(tǒng)非線性backstepping分散控制”“大規(guī)?；ヂ?lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性分析及其控制”遼寧省教育廳項(xiàng)目“電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)控制研究”“微電網(wǎng)建模及控制方法的研究”與許昌許繼軟件技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)的橫向課題“南麂島海島微電網(wǎng)負(fù)荷功率預(yù)測研究”等。研究生在導(dǎo)師的引領(lǐng)下展開課題研究，隨著課題任務(wù)的逐漸深入會越來越多地依賴仿真手段驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)結(jié)果，在這個(gè)過程中學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力得到提升。

4 依托實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè) 指導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動

以仿真實(shí)踐為特色，依托教學(xué)實(shí)驗(yàn)室、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研實(shí)驗(yàn)室為研究生建立了創(chuàng)新實(shí)踐基地，面向?qū)W生開放，為學(xué)生較早參加科研和創(chuàng)新實(shí)踐活動創(chuàng)造良好條件。鼓勵和指導(dǎo)研究生參加全國研究生電子設(shè)計(jì)競賽等各類創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動，并在活動中鍛煉和培養(yǎng)實(shí)踐能力。近年來，獲得全國研究生電子設(shè)計(jì)競賽、“華為杯”全國研究生數(shù)學(xué)建模競賽等多項(xiàng)獎項(xiàng)。在各類創(chuàng)新實(shí)踐競賽活動中取得好成績：2014年12月獲得“第十一屆華為杯全國研究生數(shù)學(xué)建模競賽”全國三等獎1項(xiàng)；2015年8月獲得“華為杯第十屆中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽”東北賽區(qū)二等獎3項(xiàng)、三等獎2項(xiàng)；2015年7月獲得“第十二屆挑戰(zhàn)杯遼寧省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽”研究生組省級三等獎3項(xiàng)；2015年8月獲得“武大吉奧杯第二屆全國研究生智慧城市技術(shù)與創(chuàng)意設(shè)計(jì)大賽”全國三等獎4項(xiàng)。

5 教學(xué)效果

由于電力系統(tǒng)高電壓、大電流的專業(yè)特點(diǎn)，在校學(xué)生很難有機(jī)會接觸和了解真實(shí)電網(wǎng)和電氣設(shè)備的構(gòu)造和特性，通過電力系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，可以在虛擬的軟件環(huán)境下構(gòu)造從簡單到復(fù)雜的、與實(shí)際電網(wǎng)相對應(yīng)的系統(tǒng)，進(jìn)行各種操作和計(jì)算。通過近兩年的研究實(shí)踐，將電力系統(tǒng)虛擬仿真技術(shù)引入到研究生培養(yǎng)的教學(xué)過程中，不僅使學(xué)生更加深入、透徹地理解和掌握各個(gè)專業(yè)課程的知識內(nèi)容，同時(shí)有效地提高了課題研究的質(zhì)量，進(jìn)而提高了研究生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。取得了較好的培養(yǎng)效果，2014屆、2015屆電力專業(yè)畢業(yè)研究生共計(jì)49人，其中獲得國家研究生獎學(xué)金3人、發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇、獲得各種競賽獎勵20余項(xiàng)、獲得校級優(yōu)秀碩士學(xué)位論文11本、考取國家電網(wǎng)23人。

參考文獻(xiàn)

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The Creativity and Practice Ability Training of Graduate Students Based on the Power System Simulation Technology

Sun Liying, Chen Xiaoying, Lu Baochun
Electrical Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

Abstract:In order to improve the engineering practice and innovation of graduate students, the power system simulation technology is applied to the teaching of graduate students, including classroom teaching, competition and research, etc, so that the students can in-depth understand and master every professional course knowledges. Good teaching results have been achieved by the beneficial exploration and practice.

Key words:simulation technology; postgraduate; innovation practice; power systems

基金項(xiàng)目：遼寧工業(yè)大學(xué)研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目：“電力系統(tǒng)仿真技術(shù)在研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)中的研究與實(shí)踐”(編號：201406)。

作者簡介：孫麗穎，博士，教授，副院長。

收稿日期：2015-11-04