面向新一代電力系統的電力系統分析金課構建

任洲洋 楊 帆 夏威夷

（重慶大學電氣工程學院，重慶 400044）

電力系統分析是電氣工程及其自動化專業的專業必修課程，也是該專業最為核心的主干課程，它是本科階段后續課程繼電保護原理以及發電廠電氣部分的基礎，更是學生畢業后從事相關專業的基礎。本課程主要圍繞電力系統運行狀態的相關知識進行討論，包括電力系統中各種元件的模型和參數計算、電力系統的潮流分布、電壓無功的調整、有功頻率的調節、短路故障分析以及電力系統的穩定性。而電力系統作為人類創造的最為復雜的系統之一，具有強非線性和強耦合性，因此在描述電力系統的運行狀態時，教材采用了大量的物理概念以及數學知識。這也導致這門課程理論性很強，學生反映很抽象，不容易學懂。因此，要讓學生學好這門課程，學生的學習態度很重要，而課程的教學模式更是關鍵。

另外，隨著電網規模的擴大、供電需求的增加、能源的枯竭，電力系統需要更加高效的管理模式以及多樣化的發電形式，由此誕生了“智能電網”“分布式發電”“微電網”“虛擬電廠”“云計算”“大數據”“物聯網”“人工智能”“能源互聯”等諸多新概念和新技術。目前，這些新概念和新技術已經或者即將在電網中得以應用，讓如今的電力系統成了結構更復雜、運行方式更靈活的新一代電力系統。這也意味著，為了讓學生畢業之后能盡快適應崗位需求，學校及教師必須隨著電網的發展，與時俱進地調整電力系統分析課程的授課內容，并開展相應的實踐教學活動，讓學生能通過深入的理論學習以及實驗操作，理解電力系統的新概念和新技術，適應新一代電力系統的要求。

而高等教育面臨的更大挑戰是，2018 年8 月，教育部印發了《關于狠抓新時代全國高等學校本科教育工作會議精神落實的通知》，提出“各高校要全面梳理各門課程的教學內容，要提升大學生的學業挑戰度，合理增加課程難度，拓展課程深度，擴大課程的可選擇性，淘汰‘水課’，打造具有高階性、創新性和挑戰度（兩性一度）的‘金課’”。從這個通知發布以來，全國高校掀起了打造“金課”的熱潮。電力系統分析課程作為電氣工程及其自動化專業的核心課程，同樣面臨打造“金課”的挑戰。

一、課程現狀及問題

目前，電力系統分析課程的教學距離新一代電力系統的要求以及“金課”的要求還有差距，具體體現在以下三個方面。

（一）教學模式不夠靈活，教學內容陳舊

目前大多數教師仍然采用滿堂灌的方式，學生沒有思考的空間，導致學生學習興趣不高；同時，教師授課時往往只按照教材上的內容“照本宣科”，而教材的內容抽象且比較陳舊。因此，目前的理論教學無法滿足新一代電力系統對學生的要求，當然也就不具備“金課”要求中的“高階性”。

（二）實踐教學項目形式單一

現代電力系統是集發電、輸電、配電和用電為一體的復雜非線性網絡系統，具有高電壓、大電流的特點。為了保證實際運行的電力系統的安全穩定性以及人身安全，不便采用在線物理試驗的方法對實際電力系統的運行狀態進行研究。因此，目前電力系統分析課程的實踐教學環節主要是利用電力系統仿真軟件或者實驗設備對電力系統進行離線仿真研究。由于諸多原因，現在很多高校的電力系統分析課程實踐教學項目都比較單一，比如利用某一種仿真軟件只做潮流計算實驗或者只做短路實驗，這顯然無法讓學生全面深入地理解電力系統的運行狀態，更無法充分認識新一代電力系統的運行方式和新技術，當然也無法培養學生的創新性，滿足不了“金課”的要求。

（三）課程考核方式過于簡單

目前，電力系統分析課程往往只用最后期末考（甚至這些期末考試題是教師劃過的重點）的卷面成績來評價。如此一來，很多學生平時上課不努力或者根本不上課，考前臨時抱佛腳，考后就完全忘記，讓課程的學習絲毫沒有挑戰性。這當然無法培養學生畢業后快速融入新一代電力系統的適應性，更無法達到“金課”要求中的“挑戰度”。

那么，如何在電網規模日益擴大以及相關技術快速發展的今天，打造電力系統分析課程“金課”呢？下面，就將從理論教學、實踐教學以及課程考核方式三個方面的改革來闡述。

二、理論教學方面的改革

如前所述，鑒于電力系統分析這門課程的強理論性，其教學模式是學生學好這門課的關鍵；另外，隨著電網的發展，電力系統方面的前沿知識越來越多，也越來越重要，這意味著電力系統分析課程的教學內容也應該隨之增加。因此，電力系統分析課程的理論教學改革就應該包括教學內容的改革和教學模式的改革。

（一）教學內容的改革

在電力系統分析課程理論教學過程中，在講透教材上基礎知識的前提下，應該根據相應章節增加新的教學內容。比如，在開始講授這門課程時，就應該讓學生充分認識新一代電力系統的構成，即在傳統電力系統的基礎上，給學生講解一些新能源發電、微電網、智能電網、負荷預測等方面的知識。當然這些知識暫時只能停留在概念層面上，目的是要告訴學生這些知識出現的原因，在電力系統中的哪些環節會用到，涉及什么樣的先進技術。又比如，在講電力系統潮流計算的時候，可以給學生適當講解有新能源參與情況下的電力系統潮流應如何計算和分析。同樣，教學電壓無功調整和有功頻率節的內容時，可以給學生講解新一代電力系統中無功電壓調整方法以及有功頻率調節方法。在教學電力系統的穩定性時，可以給學生講解目前電力系統穩定性控制方面有哪些措施和新技術。只有不斷將課堂教學內容更新，才能讓學生更深入了解新一代電力系統，才能讓這門課程的知識具有“高階性”。

在增加授課內容的同時，考慮到這門課程的抽象性，對那些不容易理解的內容，教師可以制作動畫，或者從網絡上找一些相關視頻資料放給學生看，加深學生的理解。比如，在剛開始講這門課程時，為了讓學生充分了解電能的生產和傳輸過程，可以找一些實際電能生產和傳輸的視頻，讓學生觀看。同時，在課件制作過程中，要保證授課內容邏輯清晰，讓學生容易看懂。

（二）教學模式的改革

目前，對于教學模式的改革而言，常用的有線上線下模式以及研討模式。

1.線上線下模式

如前所述，電力系統分析課程需要增加很多新的授課內容，但由于諸多原因，課時量并沒有增加。因此，為了在短時間內講完這么多內容，必須對教學模式進行改革。線上線下模式可以很好地解決這個問題。對于那些簡單的或者需要自學的內容，可以讓學生在線上自學，線下面授時只需要做一個簡單的總結，引導學生思考問題即可。而對于那些較難而且很重要的內容，則要求學生先在線上預習，線下面授時則重點針對這些內容進行講解。這樣一來，既給了學生思考問題的時間，又提高了學生發現問題、分析問題以及自主學習的能力，還能給課程提供更多的時間以完成更多的授課內容。

2.研討模式

為了增強學生學習的興趣，以及提高學生的創新性，教師可以對課程中的一些重要的內容或者具有爭議的內容進行延伸，引導學生在掌握基礎知識的情況下，進一步挖掘知識的深度，通過討論的模式來加深對知識的理解。比如潮流計算部分，可以讓學生在掌握計算機潮流算法的基礎上，進一步查閱相關資料，分析總結各種潮流計算方法的優缺點和適用范圍，并進行課堂討論。這樣一來就可以讓學生充分學透電力系統的潮流計算。在此基礎上，還可以讓學生查閱有新能源參與的電力系統潮流計算方法，引導學生思考新能源參與之后電力系統的潮流分布會有什么不同，從而開發學生的創新思維。針對電壓無功調整、有功頻率調節以及電力系統穩定性等內容，同樣可以在講解基礎知識的情況下，開展研討模式教學。

通過線上線下模式以及研討模式，既能讓學生多學一些新一代電力系統法方面的知識，也能從一定程度上滿足“金課”要求中的“高階性”和“創新性”。

三、實踐教學方面的改革

鑒于電力系統分析課程的強理論性，要讓學生學好這門課程，必須加強實踐教學。而又由于電力系統本身的特殊性，實踐教學無法在實際系統上完成，所以要想通過實驗達到充分認識電力系統的目的，實踐教學環節不能過于單一。下面就從電力系統仿真軟件的使用以及虛擬仿真實驗平臺的開發和使用來闡述實踐教學環節的實施。

（一）電力系統仿真軟件的使用

目前，用于電力系統分析課程的仿真軟件種類較多，常用的有：中國電力科學研究院開發的PSASP以及PSD-BPA、美國MathWorks 公司開發的MATLAB、美國PTI 公司開發的PSS/E、加拿大Powertech Labs 開發的電力系統安全分析軟件包DSA。這些軟件可以用來計算電力系統潮流，進行最優潮流分析、短路故障分析以及系統穩定分析計算。還有常用于電磁暫態的仿真軟件：電磁暫態程序EMTP、中國電力科學研究院在EMTP 的基礎上開發的EMTPE、加拿大Manitoba直流研究中心開發的EMTDC/PSCAD。還有常用的實時物理仿真工具RTDS。實時物理仿真，是仿真的時間刻度與真實物理時間進度嚴格同步的仿真。這樣可以把仿真與現實物理系統對接起來，把純軟件仿真嵌入真實世界中，成為在實時仿真器中運行的“虛擬電網”。這些軟件不但可以實現傳統電網的計算和分析，而且對于有新能源（比如光伏、風能等）參與的電網，同樣可以進行計算分析。

因此，在電力系統分析課程的實踐教學環節中可以充分利用上述仿真軟件的各種功能模塊，開展多個實驗項目，讓學生深入理解電力系統的運行狀態，讓知識具有“高階性”，同時也充分培養學生的“創新性”思維。

（二）購買或者開發虛擬仿真實驗項目

電力系統是一個抽象復雜的系統，僅僅通過仿真軟件來計算分析，還是會讓學生覺得難以理解，利用3D 虛擬仿真技術實現逼真的虛擬仿真實驗，能夠很好地解決電力系統分析課程的實驗教學難題。虛擬仿真技術構建的虛擬教學場景能夠突破實際場景限制，有助于學生直觀地理解抽象的教學內容。

目前電力系統方面有很多高校聯合企業開發了相應的虛擬仿真實驗項目，比如，山東大學的“東北亞能源互聯網虛擬仿真實驗教學項目”、清華大學的“基于云仿真的光儲微電網運行控制虛擬實驗”、華東理工大學的“電能的產生、傳輸與應用虛擬仿真實驗”、哈爾濱工程大學的“電力傳輸特性與傳輸穩定極限實驗”、天津大學的“分布式發電與智能微電網虛擬仿真實驗”、福州大學的“配電網單相接地故障保護虛擬仿真實驗”、內蒙古農業大學的“電力系統虛擬仿真實驗”、遼寧工業大學的“含新能源發電的電力系統運行狀態虛擬仿真實驗”、四川大學的“電力系統頻率調整的原理與控制虛擬仿真實驗”、中國礦業大學銀川學院的“電力系統虛擬仿真教學實驗項目”。這些虛擬仿真實驗平臺均可以購買或者付費使用。

當然，學校也可以聯合企業，根據本校的實際需要情況，開發相應的虛擬仿真實驗項目。就專注于虛擬仿真實驗項目開發的企業而言，北京潤尼爾網絡科技有限公司擁有豐富的電氣類虛擬仿真實驗項目建設經驗，該公司目前已經和國內多所高校合作成功開發了國家級及省級虛擬仿真實驗項目。

因此，電力系統分析課程的實踐教學環節可以充分利用虛擬仿真實驗項目，讓學生對新一代電力系統有更形象化的概念。這也是教育部提出的“金課”要求中所倡導的。

四、課程考核方式的改革

要達到“金課”中“挑戰度”的要求，電力系統分析課程的考核形式不能過于簡單。評價時，可以規定，期末考試卷面成績占40%，實驗成績占30%，平時成績占30%，目的是讓學生在平時的理論教學中和實驗過程中積極參與到課程中來，讓學生意識到必須通過長期堅持不懈的努力才能獲得相應的學分，使得該門課程具有“挑戰度”。

其中，平時成績的考核主要包含如下兩個方面：線下教學的參與情況（包括出勤、課堂測試與課堂討論）、線上教學的參與情況（包括線上學習、線上測試）。而實驗成績的考核則主要包含實驗課程的參與情況，以及最后的實驗報告整理情況。

五、結論

電力系統分析課程內容抽象，再加上新一代電力系統對人才的高要求，以及教育部提出的打造“金課”的通知，諸多因素都使得電力系統分析課程的教學面臨巨大的挑戰。鑒于此，本文從理論教學、實踐教學以及課程考核方面進行了闡述，提出了電力系統分析課程改革的一些舉措，以求這門課程的教學能順應時代的發展和要求，達到“金課”要求中的“兩性一度”，培養出更多符合行業需求的人才，推動社會經濟的發展。