ETAP在高職高專“電力系統分析”教學改革中應用

劉禹良， 伍家潔

(重慶電力高等專科學校 電力工程學院，重慶 400053)

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ETAP在高職高專“電力系統分析”教學改革中應用

劉禹良， 伍家潔

(重慶電力高等專科學校 電力工程學院，重慶 400053)

教學實踐證明，ETAP軟件可有效增強高職高專“電力系統分析”課程的生動性，最大限度地調動學生學習的主觀能動性，提高教學質量。針對該課程理論性強、傳統教學方式單一枯燥、多媒體教學和實驗教學存在各種缺陷的現狀，提出了基于ETAP軟件的行動導向教學法，重點探討了ETAP在電力系統建模、仿真計算、應用拓展等方面的功能，以及其在“電力系統分析”課程理實一體化教學中的應用，為全面發揮該軟件在教學改革中的主導作用提供了有益借鑒。

ETAP； 電力系統分析； 行動導向教學； 理實一體化； 仿真計算

0 引 言

“電力系統分析”在工科類高職高專院校電氣專業中是一門不可撼動的專業核心課程，其具有較強的理論性、實踐性和綜合性，在整個專業課程體系中起著承上啟下的過渡作用[1]。但高職高專院校往往由于實踐條件限制、師資人員缺乏、教學方法單一，使得該課程的教學模式沒能突破傳統教學模式，主要以灌輸為主，學生學習主動性不夠，學習效率偏低，教學質量不夠理想。雖然隨著多媒體技術的普及，教師在課堂上補充了大量的實物照片和視頻，制作了許多形象生動的動畫，并結合職業技能鑒定的要求充實了大量習題，但并未從根本上改變該課程理論性過強、學生難以理解從而導致學習積極性難以發揮[2]。

近年來，隨著計算機科學的發展和技術的進步，計算機仿真已成為各工科專業課程教學的重要輔助手段。電力系統也涌現出一批優秀的仿真軟件，如PSASP、PSCAD、BPA、Matlab/Simulink等[3-4]，這些軟件能實現潮流、短路等計算結果報表和圖示化的輸出[5]，許多高職高專院校也基于上述軟件開設了“電力系統分析”課程的實驗環節。但由于實驗條件、實驗進程安排、師資力量等因素的限制，加之實驗內容大多側重于對理論知識的驗證[6-7]，除了能短時間內提升學生學習興趣外，未能從根本上改善教學質量。

基于以上問題，我校通過大量的資料收集、走訪調研等工作，引入國際國內一些優秀的高職高專院校普遍采用的行動導向教學法[8]，在此基礎上建立了ETAP電力系統仿真分析聯合工作站作為理實一體的教學場所。美國OTI公司開發的ETAP電力系統仿真分析軟件具有潮流計算、短路計算、穩定計算、經濟分析等多種功能模塊，將其用于“電力系統分析”課程的行動導向教學，不僅能有效克服傳統教學的弊端，極大地提升教學質量，同時也為廣大師生和工程人員進一步探究電力系統相關問題提供了有效平臺[9]，還能提高教師的工程能力和科研能力[10]。

1 ETAP電力系統仿真分析軟件

ETAP由美國OTI公司(Operation Technology Inc)開發，最初的版本于1983年發行。經過多年的開發與完善，其已具備智能建模、多維數據管理模式、多種輸入表達方式、統一數據庫、虛擬現實操作、無限復合網絡嵌套及電機嵌套、集成全面的電力和物理數據庫以及大量工程數據庫、用戶自定義動態模型等特點[11]。

ETAP提供了完整的圖形和編輯器，可以最簡潔的方式建立電力系統的單線圖。其包括潮流計算、短路計算、暫態穩定分析等多個計算模塊，功能也十分強大[12]。該軟件可根據實際需要來設置或改變系統運行狀態，可在不同的連接方式、負載狀況、不同的電氣工程參數和計算參數下，分別進行計算與分析。

2 ETAP在“電力系統分析”行動導向教學中的應用

基于“電力系統分析”課程沒能突破傳統教學模式，單一的多媒體教學無法有效提高教學質量的現狀，有必要采用新的教學方法來提高學生的學習積極性和學習質量[13]。我校通過對電力行業的調研及行業分析，對電氣相關專業技術領域職業崗位(群)任職要求進行解剖，由職業崗位群確定典型工作任務，重新開發了“電力系統分析”課程的課程體系和教學流程[14-15]。改革后的教學活動在ETAP電力系統仿真分析聯合工作站進行，利用行動導向教學法引導學生主動學習理論知識，并利用ETAP軟件完成各典型工作任務。除頻率調整部分因軟件功能原因無法進行仿真操作外，學生須完成的典型工作任務與教材相應內容模塊一一對應，如表1所示。

表1 典型工作任務與教材內容模塊的對應關系

2.1 系統建模及認知

在深入學習本課程各部分知識前，通過引導學生完成典型工作任務1——利用ETAP軟件構建電力系統模型。圖1為ETAP軟件的電力系統單線圖編輯模式，將圖中右側元件庫的各元件拖曳到左側空白的編輯面板上，再將其用線條連接，之后正確輸入各元件參數，就構建了電力系統模型。

學生在編輯電力系統單線圖時，須充分注意以下兩點：①對軟件中符號相似的元件要加以區分，如直流發電機與交流發電機，如果選錯則會影響后續的計算與分析；②元件參數必須正確、完整地填寫，錯填、漏填也會對后續工作造成影響，例如架空輸電線路兩地線間的距離及地線與導線的高度差，若漏填該數據將使潮流計算、短路計算等后續工作無法進行，見圖2。

學生通過完成以上典型工作任務，對電力系統的構成建立了一個較全面、立體的認識，也對各元件參數的設置有了較深入的理解。

2.2 電力系統的計算及分析

在對電力系統的構成及參數有了較全面的認識后，應進入潮流計算、電壓調整等涉及到計算與分析的后續知識模塊的學習。以典型工作任務2——電力系統的潮流計算及結果分析為例，依然采用圖1所示算例，如圖3所示，點擊圖中右側的潮流計算按鈕，可由計算機瞬間計算出系統潮流結果。

由于改革后的教學思想為“輕推導、重分析”，學生不必關心潮流計算的具體過程，但要對其結果進行分析，從中得出一些有用的結論。例如圖3中母線Bus4與Bus5之間雙回輸電線路的感性無功損耗為負，其原因在于線路電壓等級較高，充電效應較為明顯，串聯支路上損耗的感性無功比對地電容向系統注入的感性無功更小。又如，母線Bus4～Bus6的電壓均低于額定電壓，可采取裝設并聯電容器等措施進行電壓調整，而該操作將在典型工作任務3中進行。

圖1 利用ETAP建立電力系統模型

圖2 架空輸電線路的“配置”選項卡

經過上述練習后，學生不僅對電力系統潮流有了基本概念，對結果的分析加深了對潮流的理解，盤活了學習思路，為后續章節的學習打下了基礎。

2.3 電力系統動態過程的仿真演示

表1中，“電力系統分析調整與優化”模塊基于潮流計算結果進行，“電力系統故障分析”模塊基于短路計算結果進行，而潮流計算結果、短路計算結果均為靜態的、最終的計算結果，無法體現電力系統運動、變化的過程。電力系統的穩定性分析則要考慮電力系統受到擾動后的動作過程，這一過程可由ETAP的暫態穩定分析模塊清晰展示。

針對圖1所示系統，進入ETAP的暫態穩定分析功能模塊，設置如下兩個擾動事件：在第1 s時等效負荷Lump1產生5%的沖擊負荷，第6 s時母線Bus7發生三相短路，第6.5 s時斷路器CB1斷開，第7 s時母線Bus7的短路故障被清除，第8 s時斷路器CB1重新合閘,如圖4所示。

如圖5所示，點擊“運行暫態穩定”按鈕，拖動滑塊可展示0～30 s這段時間內各節點電壓、各支路電流等物理量的值。圖中顯示的是第6 s時的情況，由于母線Bus7發生短路，斷路器CB1跳閘，使線路Line2上的電流為0，各節點電壓都有不同程度的下降，越靠近短路點Bus7的節點電壓下降越多，短路點Bus7的電壓為0。

圖3 潮流計算結果圖

圖4 設置擾動事件

除用上述方法觀察各物理量的變化情況外，還可用ETAP的“暫態穩定畫圖”功能繪制各物理量的變化曲線，更加清晰地展示變化過程。圖6為繪制出的母線Bus6的電壓變化情況。可見，在第6 s時由于Bus7發生三相短路，其電壓迅速下降；在第6.5 s時由于斷路器CB1跳閘，將故障區域隔離開來，其電壓又迅速上升；而在第8 s時由于故障被清除，斷路器CB1重新合閘，其電壓在此之后逐漸恢復到初始值。

學生經過上述動手操作及對運行結果的分析，不僅對電力系統的暫態穩定過程有了較為深入的感性認識，而且加深了對電力系統三相短路的理解，進一步鞏固了前面所學的知識。

圖5 拖動滑塊觀察各物理量數值變化情況

圖6 母線Bus6的電壓變化情況

學生在上機完成各典型工作任務的過程中，除了對課本知識進行了有效驗證外，也培養了其分析、計算、處理電力系統一般運行問題的能力，對自己建立的模型成功運行后也增加了其成就感，極大地提高了其學習興趣。更為重要的是，由于上機操作有一定難度，學生在學習過程中養成了利用資源豐富自身素質、團隊協作共同攻堅的良好習慣。

3 ETAP應用于教學改革的優勢

與傳統教學方式相比，基于ETAP的行動導向教學法的優勢主要體現在以下幾個方面：

(1) 課程知識系統化、整體化。“電力系統分析”課程各章知識的聯系并不十分緊密，主要體現在不同章節的例題分析和計算的對象都是不同的系統，這導致在傳統教學方法中學生難以體會到前后知識的連續性。而在ETAP上建立電力系統模型后，所有后續操作，如潮流計算、調壓分析、短路計算等，都是在該模型基礎之上進行，這對學生系統性、整體性學習和掌握課程知識大有裨益。

(2) 突出重點，提高教學質量。“電力系統分析”課程理論性很強，其中不乏公式的推導和繁瑣計算。而對于高職高專學生，重點應放在認知和知識的靈活運用上。例如潮流計算，學生應將重點放在潮流的概念、潮流計算結果的應用和分析上。這樣，將授課地點選在理實一體化教室，并且將有限的課時數集中在重要知識點的學習和軟件操作上，既能鞏固重點知識的學習效果，提高教學質量，又能提高學生動手能力。

(3) 刺激學生學習的積極主動性。傳統教學方法中，盡管引入了多媒體，但并未從根本上改變教師“一言堂”、學生被動接受、互動少的弊端。而將ETAP引入行動導向教學后，學生須動手完成各典型工作任務才能通過平時成績考核，這促使學生變被動學習為主動學習，操作軟件能提高動手能力、創新能力，且能在相互討論中培養團隊合作精神。

(4) ETAP軟件的應用拓展。ETAP軟件不僅在“電力系統分析”課程的教改中發揮了重大作用，也為學生學習后續課程建立了必要的基礎。今后，將ETAP上機操作應用于課程設計和畢業設計中，可使學生的設計具靈活性、獨創性。此外，還可將ETAP軟件應用于其他理論課程的理實一體教學，例如該軟件的“電機起動分析”模塊就可用于“電機學”課程中異步電動機部分的仿真演示，用以提高教學質量。

4 結 語

行動導向教學法已成為現代職業教育、培訓的主流發展趨勢，將ETAP軟件與該方法相結合，應用于“電力系統分析”課程的教學改革中，引導學生主動學習和掌握重點理論知識，同時積極動手操作和相互討論，提高動手能力和團隊協作能力，很好地實現了“知識傳授、技能訓練、素質養成”三位一體的并行目標。

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Application of ETAP in the Teaching Reform of “Power System Analysis” in Higher Vocational Colleges

LIUYu-liang,WUJia-jie

(School of Electric Power Engineering, Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China)

The teaching practice proves that the ETAP software can effectively enhance the activity of the “Power System Analysis” course in higher vocational colleges, maximize the mobilization of students, and improve the quality of teaching. This course has a strong theoretical depth, and traditional teaching methods are monotonous and boring. To solve the defects of the traditional teaching method, the multimedia teaching and the experimental teaching, the action-oriented teaching mode based on ETAP are put forward. The function of ETAP in power system modeling, simulation calculation and application development are discussed, and its application in integration of theory and practice of the “Power System Analysis” is also analyzed, These experiences can provide useful reference for the leading role of the software in the teaching reformation.

ETAP software; power system analysis; action-oriented teaching mode; integration of theory and practice; simulation calculation

2015-09-21

劉禹良(1984-)，男，重慶人，碩士，講師，主要從事配電網可靠性研究及“電力系統分析”、“電機學”等課程的教學工作。

Tel.：15320470087；E-mail：liuyuliang_2010@126.com

G 642.0

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1006-7167(2016)08-0212-05