電力系統分析課程研究性教學載體與實施設計

趙為光，楊瑩，呂品，李偉，張路兵

電力系統分析課程研究性教學載體與實施設計

趙為光，楊瑩，呂品，李偉，張路兵

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

為提高學生自主學習興趣、問題意識和研究能力，針對電力系統分析課程“無功補償”專題，以可再生能源發電并網新問題為研究載體，將學生作為教學活動的主體，分別從目的、背景、內容、要求、組織和評價多維度設計載體內容．該研究益于電力系統及其自動化專業學生綜合能力提升，同時促進教學科研融合相長．

電力系統分析；研究性教學；載體設計

電力系統分析課程知識體系具有一定的廣度和深度，是電力系統及其自動化專業的一門核心學位課程，在專業教學和培養高質量專業人才計劃中有著重要的地位[1]．電力系統分析課程傳統的“老師講，學生聽”授課過程效果欠佳[2]．在新一輪課程改革過程中，根據電力系統分析課程內容特點，結合當前可再生能源并網新工程問題，設計具有工程背景的教學載體，寓教學于科研中理論與實踐結合是增強課程學習效果的有效方式．

研究性教學模式立足于學生問題意識、科學探索能力和創造思維的培養，注重學習過程中學生的情感體驗，強調教學中學生的參與性、互動性，關注學生對知識的積極構建過程和創新能力的提高[3-5]．載體是研究性教學的基礎與出發點，是教師圍繞教學內容相關知識點，結合工程實踐、設計用于支撐學生研究性學習的問題，以此為出發點引導學生完成問題分析、資料查閱、方案設計、仿真實現、性能驗證、問題探究等整個學習過程．研究性教學載體的設計合適與否，是整個教學過程的關鍵所在[6-8]．

本文針對電力系統分析課程“無功補償”專題，設計“無功補償平抑有源配電網運行波動”研究性教學載體，通過“課題進課堂”研究性教學方式促進教學和科研融合相長，探討面向電力系統及其自動化專業學生研究性教學載體設計與教學實施的問題和方法．

1 研究性教學載體的設計

研究性教學包括研究性教學載體設計和研究性教學實施２部分內容，教學實施是教學載體的貫徹落實．研究性教學載體設計具體包括載體目的、載體背景、載體內容和載體要求４部分模塊內容．

1.1 設計目的

以電力系統分析課程“無功補償”內容為基礎，針對風力和光伏發電分布式電源的隨機波動特性對配電網安全穩定運行不利影響問題，建立調度模型，實現對無功補償裝置和儲能電源有效調度，有效平抑有源配電網的電壓波動．應用研究性教學理念設計教學載體，將知識傳授蘊含在問題的提出、分析、研究與實踐中，讓學生在科學研究過程中積極地完成知識的建構，促進其知識應用能力的提高．

1.2 背景知識

載體研究內容往往會跨越學生的學科專業知識范圍，進入載體研究工作前，簡潔概括介紹載體背景知識，使學生掌握載體專題的基礎知識，了解載體涉及的學科外相關知識．

1.2.1 無功功率平衡 電力系統無功功率平衡是指系統電源所發出的無功功率與無功負荷相平衡，目的是在各種運行方式下維持電網各節點電壓平衡．根據電壓靜態特性，隨著電壓降低負荷的無功功率減少，只有向負荷側提供無功功率才能維持負荷側電壓穩定．考慮系統損耗因素，保持電力系統電壓穩定，必須使電源發出的無功功率與無功負荷和無功損耗相平衡[9]．

1.2.2 補償設備調壓 電壓是衡量電力系統電能質量的重要指標，電壓穩定主要由系統無功功率平衡控制．電力系統中一般可以通過在節點上并聯無功補償裝置進行補償調壓[10]．

1.2.3 優化算法 優化算法的目的是在決策變量取值范圍內，計算確定目標函數的最優值．利用MATLAB軟件的優化工具包，可直接調用相關優化算法函數進行優化求解．

1.3 載體內容

1.3.1 問題要求 以載體設計目的為出發點，圍繞可再生能源并網狀態下調控無功補償裝置投切提升配電網穩定性問題．以IEEE-33配電節點系統為例[11]，節點接入風力發電廠、儲能電池和無功補償設備．配電網絡的系統結構拓撲見圖1．配電網中總的負荷為3 715+j2 300 kVA，網絡的系統額定電壓為12.66 kV，每個節點允許的電壓范圍是0.95～1.05 p.u．風力電源與光伏電源最大有功出力均為200 kW，無功出力范圍-0.15～0.45 MVar．

圖1 IEEE-33節點配電系統

要求設計合理的無功補償投切模型，通過優化算法求解，計算出24 h合理的無功補償裝置投切組數（見表1）．

表1 配電網中無功補償裝置的投切組數

進一步，分析配電網系統節點電壓穩定性，對電壓穩定性進行量化數值計算，比較分析補償裝置投切前后可再生能源發電對配電網電壓穩定性的影響，效果見圖2．要求通過補償裝置投切控制，提高配電網的電壓穩定性，電壓穩定性波動趨于平緩，穩定性量化指標限制在0.001～0.002之間．

圖2 配電網電壓穩定性指標

1.3.2 研究內容 研究內容是研究性教學載體的核心，為了有效利用無功補償裝置降低可再生電源并網導致的電壓波動影響，需要對以下內容展開詳細研究．對每項研究內容用“ ?”的個數進行難度分級，為教學實施過程和成績評價過程提供參考．

1.4 具體要求

根據指標點指明研究性教學載體的具體要求，使學生明確分析研究需要達到的具體深度、廣度，制定合理科學的研究路線．

（1）編寫 MATLAB 仿真程序，繪制各階段問題仿真結果曲線．

（2）定量對比可再生能源接入標準節點系統后對系統運行性能的影響．

（3）嘗試用不同方法調控無功補償裝置投切量，提升可再生能源并網情況下的系統運行性能．

（4）對研究內容具體問題進行討論，針對難點問題，討論確定解決方案．根據解決方案進行具體實施，驗證方案實施效果．

（5）對分析問題思路過程解決方案進行詳細記錄，給出詳細理論推導、程序清單、仿真結果曲線，形成專題報告．要求內容合理、邏輯清晰、數據圖表清晰．

2 研究性教學載體組織

教學載體組織是研究性教學載體的具體實施．研究性教學載體以學生自主學習為導向，根據專業新問題創設研究載體，不斷嘗試構建實用、多樣、靈活的研究性教學方法體系，豐富教學方法和手段，提高專業課程的教學效果．

在基礎理論掌握階段，由于研究性教學載體的介入，教學中面臨著學時少與內容多之間的矛盾，如何在有限的教學周期內，引導學生快速扎實掌握課程內容，是教學組織的難點．將電力系統的無功功率和電壓調整課程中的部分重點、難點知識制成微課件，組織學生課前通過網絡平臺自主互助學習，提前了解基礎理論內容，形成對知識的初步自我認識；課堂上，學生可帶著問題進行有針對性地繼續學習，提高學習效率，縮減基礎學時．

在載體研究階段，進行更深入的教學互動設計，搭設專題討論、建模計算等協同合作式研究學習平臺．根據專長特點將學生合理分組進行課題研究，具體可分為問題分析階段、問題討論階段、建模仿真階段、反饋討論階段和報告撰寫階段．

在研究成果評價階段，組織各小組匯報研究成果，各小組可相互提出質疑和答辯，最終教師給出系統、客觀、綜合的評價．

3 研究性教學載體成績評價

科學合理綜合制定考核及評價方式，不僅可以全面考查學生的課程掌握程度，而且能夠充分激發調動學生的學習熱情．傳統教學作業答案具有唯一性，而研究性教學載體的研究結論是開放、個性化的，全面系統地設計考核評價體系尤為重要．根據課程教學目標，充分考慮研究教學載體結構特點，在詳細分析總結載體研究過程的基礎上，對考核形式進行分類整合，建立研究性教學載體成績評價體系（見表2）．按照一定權重量化綜合計算各環節考核分數，確定每名學生的“無功補償”專題最終成績．

表2 研究性教學載體成績評價體系

4 結語

本文探索了基于研究性教學載體模式的電力系統分析課程教學新手段與新方法．具體從載體目的、載體背景、載體內容、載體要求、載體組織和評價多維度設計研究性教學模式，對課程內容、進程和載體有機結合，提高學生的自主學習興趣、問題意識、研究能力．促進教育教學與科研課題緊密結合，為面向電氣工程專業的課程研究性教學改革提供有益參考．

[1] 孫秋野，黃雨佳，高嘉文．工科專業課課程思政建設方案：以《電力系統分析》課程為例[J]．中國電機工程學報，2021，41（2）：475-485．

[2] 沈娜，房大中，杜蕓強．新工科背景下基于應用型人才培養的“電力系統分析”課程改革和實踐[J]．高教學刊，2020（17）：143-146．

[3] 路慧．理工類研究型大學開展研究性教學的實踐探索與模式構建：基于大連理工大學的實例分析[D]．大連：大連工業大學，2013．

[4] 安潤玲．高等代數課程研究性教學的改革與實踐[J]．高師理科學刊，2021，41（6）：75-77．

[5] 馬曉丹，尹淑欣，邰建華，等．操作系統課程知識體系構建及研究性教學探索[J]．高師理科學刊，2019，39（1）：71-75．

[6] 李居朋，胡健，錢滿義，等．研究性教學載體設計與教學實施探討[J]．電氣電子教學學報，2018，40（5）：88-91．

[7] 周濤，胡健，李艷鳳，等．“金課”建設背景下“信號與系統”研究性教學載體設計[J]．實驗技術與管理，2020，37（11）：166-169．

[8] 崔學榮，曹愛請，李娟，等．研究性教學模式在實驗教學方法改革中的應用[J]．實驗技術與管理，2016，33（1）：176-178．

[9] 陳衍．電力系統穩態分析[M]．北京：中國電力出版社，2015．

[10] 于群，曹娜．MATLAB/Simulink電力系統建模與仿真[M]．北京：機械工業出版社，2016．

[11] 彭光斌，詹紅霞，黃培東，等．基于自適應粒子群算法優化DG的配網靜態電壓穩定性提高策略[J]．電力系統保護與控制，2017，45（8）：100-106．

Research teaching carrier and implementation design of power system analysis course

ZHAO Weiguang，YANG Ying，Lü Pin，LI Wei，ZHANG Lubing

（School of Electrical and Control Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China）

In order to improve students′ interest in autonomous learning，problem awareness and research ability，aiming at the topic of reactive power compensation in the course of power system analysis，taking the new problem of grid connection of renewable energy generation as the research carrier．Students are taken as the main body of teaching activities，and the carrier content is designed from the multi-dimensional aspects of purpose，background，content，requirements，organization and evaluation．The research is beneficial to the improvement of the compre-hensive ability of students majoring in power system and automation，and promote the integration of teaching and scientific research．

power system analysis；research teaching；carrier design

TM711∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.019

1007-9831（2022）02-0096-05

2021-11-08

黑龍江省高等教育教學改革項目（SJGY20200641）

趙為光（1972-），男，吉林省吉林人，副教授，博士，從事電氣工程研究．E-mail：2632187112@qq.com