《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》研究生課程建設(shè)與實(shí)踐

楊文輝

摘?要：《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》是三峽大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)選修課程，主要介紹電力系統(tǒng)數(shù)字仿真原理和程序?qū)崿F(xiàn)方法。通過(guò)將復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行等值建模仿真，直觀展示電力系統(tǒng)各種機(jī)電和電磁暫態(tài)現(xiàn)象的基本規(guī)律，有助于提升學(xué)生獨(dú)立承擔(dān)工程規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、工程研究、工程開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)能力。結(jié)合研究生課程教學(xué)實(shí)踐，對(duì)課程建設(shè)的教學(xué)資源、教學(xué)方法、考核方法進(jìn)行探索，為同類(lèi)課程的教學(xué)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣工程;數(shù)字仿真;課程建設(shè);教學(xué)改革

對(duì)簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究可以采用解析的方法，通過(guò)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)得出分析結(jié)論。然而，研究復(fù)雜電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常需要采用數(shù)字仿真的方法，[1-2]通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值迭代直觀展示電氣量的變化規(guī)律。電力系統(tǒng)仿真技術(shù)基于相似原理，利用電力系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，不受被研究系統(tǒng)的元件復(fù)雜性和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模大小的限制，在電力系統(tǒng)的研究工作中具有十分重要的意義。

《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》是三峽大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)研究生的一門(mén)選修課程，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本原理和程序?qū)崿F(xiàn)方法，能夠使用Matlab、C語(yǔ)言[3]等工具進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程的數(shù)字仿真。達(dá)到進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程計(jì)算和分析能力的目的，為適應(yīng)今后科學(xué)研究和實(shí)際工作要求打下基礎(chǔ)。

為了適應(yīng)培養(yǎng)具有科研能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的電氣工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位碩士研究生培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合近年來(lái)的研究生課程教學(xué)實(shí)踐，對(duì)《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》課程建設(shè)的教學(xué)資源、教學(xué)方法、考核方法進(jìn)行探索，為同類(lèi)課程的教學(xué)改革提供參考。

一、課程教學(xué)資源的建設(shè)

根據(jù)《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》課程教學(xué)目標(biāo)，將教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為兩個(gè)部分。其中，第一部分為理論基礎(chǔ)：包括電力系統(tǒng)仿真的基本概念、電力系統(tǒng)主要元件的數(shù)學(xué)模型和簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法，以教師課堂講授為主;第二部分為編程仿真，以學(xué)生課后練習(xí)為主。根據(jù)上述教學(xué)內(nèi)容分別編制相應(yīng)的理論課程教案和編程仿真教案。

（1）理論課程教案：根據(jù)課時(shí)安排將理論課程分解為4各部分，具體為：電力系統(tǒng)數(shù)字仿真的計(jì)算方法、電力系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法和復(fù)雜電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法。分別針對(duì)上述各部分教學(xué)內(nèi)容編寫(xiě)教案，教案包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重點(diǎn)、教學(xué)難點(diǎn)。以“簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真方法”為例，理論課程教案包括如下主要內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容：系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本概念;系統(tǒng)數(shù)字仿真的步驟;電力系統(tǒng)仿真模型的分類(lèi);常用仿真工具介紹;連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真計(jì)算方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)：系統(tǒng)數(shù)字仿真的用途和優(yōu)點(diǎn);古典數(shù)值積分計(jì)算方法。教學(xué)重點(diǎn)：常用的數(shù)值積分方法，歐拉法、梯形法、龍格-庫(kù)塔法。教學(xué)難點(diǎn)：數(shù)值積分法的誤差、數(shù)值穩(wěn)定和剛性。

（2）編程仿真教案：為滿足基于仿真任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)的需要，根據(jù)學(xué)生課后仿真程序編寫(xiě)和調(diào)試的需求，設(shè)置3個(gè)編程仿真案例任務(wù)提供學(xué)生選擇完成，具體為：同步發(fā)電機(jī)突然短路暫態(tài)過(guò)程的仿真分析;發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁方式的仿真分析;簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的仿真分析。以“同步發(fā)電機(jī)突然短路暫態(tài)過(guò)程的仿真分析”為例，要求學(xué)生利用Matlab、C語(yǔ)言等仿真工具進(jìn)行自主編程和調(diào)試，完成發(fā)電機(jī)空載條件下發(fā)生機(jī)端三相短路時(shí)，定子三相電流和轉(zhuǎn)子電流的瞬時(shí)值隨時(shí)間變化曲線的數(shù)值仿真計(jì)算，進(jìn)一步結(jié)合理論分析仿真計(jì)算結(jié)果，該編程仿真教案包括如下主要內(nèi)容。

教學(xué)內(nèi)容：同步發(fā)電機(jī)基本方程的差分形式;同步發(fā)電機(jī)基本方程的初值計(jì)算;同步發(fā)電機(jī)三相短路的數(shù)值計(jì)算。學(xué)習(xí)目標(biāo)：理解基于隱式梯形積分法的同步機(jī)基本方程的差分化;理解編程工具在同步發(fā)電機(jī)三相短路的數(shù)值計(jì)算中的作用。教學(xué)重點(diǎn)：同步發(fā)電機(jī)三相短路的數(shù)值計(jì)算。教學(xué)難點(diǎn)：同步發(fā)電機(jī)基本方程的差分形式。

二、課程教學(xué)和考核方法

針對(duì)同步發(fā)電機(jī)等電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)元件模型方程推導(dǎo)復(fù)雜、微分方程的差分過(guò)程步驟繁瑣的問(wèn)題，采用教師為主導(dǎo)的課堂講授方法，突出分析和解決問(wèn)題的思路;針對(duì)電力系統(tǒng)數(shù)字仿真結(jié)果直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)采用了案例式的教學(xué)方法，例如采用同步發(fā)電機(jī)三相短路的數(shù)字仿真案例，使學(xué)生理解簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法;針對(duì)程序編寫(xiě)調(diào)試技術(shù)，學(xué)生僅通過(guò)課堂學(xué)習(xí)難以真正掌握，需要鼓勵(lì)學(xué)生自主完成的特點(diǎn)，采用難點(diǎn)互動(dòng)討論法，教師重點(diǎn)是保證教與學(xué)之間的溝通討論，及時(shí)幫助學(xué)生解決可能遇到的問(wèn)題。

在課程考核方法方面，《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》課程教學(xué)中每位學(xué)生的期末成績(jī)由數(shù)值仿真研究報(bào)告和平時(shí)成績(jī)兩部分內(nèi)容構(gòu)成。其中，研究報(bào)告占總成績(jī)的70%，主要內(nèi)容包括：提出待研究問(wèn)題;介紹研究背景;說(shuō)明研究方法;建立仿真模型、編寫(xiě)和調(diào)試數(shù)值計(jì)算程序;給出研究結(jié)果及其分析，在鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題能力的同時(shí)，也有助于提高學(xué)生科技論文寫(xiě)作水平。平時(shí)成績(jī)主要考核課堂出勤率、參與考堂討論活躍程度。實(shí)際教學(xué)中，借助學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育辦公室共同研發(fā)的智慧教學(xué)工具雨課堂的數(shù)據(jù)支持和個(gè)性化報(bào)表，及時(shí)記錄每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)，在期末有據(jù)可依地給出平時(shí)成績(jī)，有效地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。

三、結(jié)論

通過(guò)本課程建設(shè)完善了《電力系統(tǒng)數(shù)字仿真基礎(chǔ)》課程的基本教學(xué)資料，為課程今后的發(fā)展提供了條件。通過(guò)課堂教學(xué)的實(shí)施，使學(xué)生加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程計(jì)算和分析問(wèn)題的能力，為適應(yīng)今后科學(xué)研究和實(shí)際工作要求打下基礎(chǔ)。另一方面，程課學(xué)內(nèi)容涉及較多基礎(chǔ)理論的綜合運(yùn)用，而部分學(xué)生存在知識(shí)結(jié)構(gòu)不全面和專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)不扎實(shí)的問(wèn)題，對(duì)預(yù)期教學(xué)效果產(chǎn)生不利影響，需要在今后的工作中進(jìn)一步尋求解決。

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