劉禹良， 伍家潔

(重慶電力高等?？茖W(xué)校 電力工程學(xué)院，重慶 400053)

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ETAP在高職高?！半娏ο到y(tǒng)分析”教學(xué)改革中應(yīng)用

劉禹良， 伍家潔

(重慶電力高等?？茖W(xué)校 電力工程學(xué)院，重慶 400053)

教學(xué)實(shí)踐證明，ETAP軟件可有效增強(qiáng)高職高?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程的生動(dòng)性，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)質(zhì)量。針對(duì)該課程理論性強(qiáng)、傳統(tǒng)教學(xué)方式單一枯燥、多媒體教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在各種缺陷的現(xiàn)狀，提出了基于ETAP軟件的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法，重點(diǎn)探討了ETAP在電力系統(tǒng)建模、仿真計(jì)算、應(yīng)用拓展等方面的功能，以及其在“電力系統(tǒng)分析”課程理實(shí)一體化教學(xué)中的應(yīng)用，為全面發(fā)揮該軟件在教學(xué)改革中的主導(dǎo)作用提供了有益借鑒。

ETAP； 電力系統(tǒng)分析； 行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)； 理實(shí)一體化； 仿真計(jì)算

0 引 言

“電力系統(tǒng)分析”在工科類高職高專院校電氣專業(yè)中是一門不可撼動(dòng)的專業(yè)核心課程，其具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和綜合性，在整個(gè)專業(yè)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(shí)踐條件限制、師資人員缺乏、教學(xué)方法單一，使得該課程的教學(xué)模式?jīng)]能突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，主要以灌輸為主，學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠，學(xué)習(xí)效率偏低，教學(xué)質(zhì)量不夠理想。雖然隨著多媒體技術(shù)的普及，教師在課堂上補(bǔ)充了大量的實(shí)物照片和視頻，制作了許多形象生動(dòng)的動(dòng)畫，并結(jié)合職業(yè)技能鑒定的要求充實(shí)了大量習(xí)題，但并未從根本上改變?cè)撜n程理論性過強(qiáng)、學(xué)生難以理解從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性難以發(fā)揮[2]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真已成為各工科專業(yè)課程教學(xué)的重要輔助手段。電力系統(tǒng)也涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的仿真軟件，如PSASP、PSCAD、BPA、Matlab/Simulink等[3-4]，這些軟件能實(shí)現(xiàn)潮流、短路等計(jì)算結(jié)果報(bào)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(shè)了“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。但由于實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)進(jìn)程安排、師資力量等因素的限制，加之實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多側(cè)重于對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證[6-7]，除了能短時(shí)間內(nèi)提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣外，未能從根本上改善教學(xué)質(zhì)量。

基于以上問題，我校通過大量的資料收集、走訪調(diào)研等工作，引入國(guó)際國(guó)內(nèi)一些優(yōu)秀的高職高專院校普遍采用的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法[8]，在此基礎(chǔ)上建立了ETAP電力系統(tǒng)仿真分析聯(lián)合工作站作為理實(shí)一體的教學(xué)場(chǎng)所。美國(guó)OTI公司開發(fā)的ETAP電力系統(tǒng)仿真分析軟件具有潮流計(jì)算、短路計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、經(jīng)濟(jì)分析等多種功能模塊，將其用于“電力系統(tǒng)分析”課程的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)，不僅能有效克服傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，極大地提升教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也為廣大師生和工程人員進(jìn)一步探究電力系統(tǒng)相關(guān)問題提供了有效平臺(tái)[9]，還能提高教師的工程能力和科研能力[10]。

1 ETAP電力系統(tǒng)仿真分析軟件

ETAP由美國(guó)OTI公司(Operation Technology Inc)開發(fā)，最初的版本于1983年發(fā)行。經(jīng)過多年的開發(fā)與完善，其已具備智能建模、多維數(shù)據(jù)管理模式、多種輸入表達(dá)方式、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)操作、無(wú)限復(fù)合網(wǎng)絡(luò)嵌套及電機(jī)嵌套、集成全面的電力和物理數(shù)據(jù)庫(kù)以及大量工程數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶自定義動(dòng)態(tài)模型等特點(diǎn)[11]。

ETAP提供了完整的圖形和編輯器，可以最簡(jiǎn)潔的方式建立電力系統(tǒng)的單線圖。其包括潮流計(jì)算、短路計(jì)算、暫態(tài)穩(wěn)定分析等多個(gè)計(jì)算模塊，功能也十分強(qiáng)大[12]。該軟件可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)置或改變系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可在不同的連接方式、負(fù)載狀況、不同的電氣工程參數(shù)和計(jì)算參數(shù)下，分別進(jìn)行計(jì)算與分析。

2 ETAP在“電力系統(tǒng)分析”行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)中的應(yīng)用

基于“電力系統(tǒng)分析”課程沒能突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，單一的多媒體教學(xué)無(wú)法有效提高教學(xué)質(zhì)量的現(xiàn)狀，有必要采用新的教學(xué)方法來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)質(zhì)量[13]。我校通過對(duì)電力行業(yè)的調(diào)研及行業(yè)分析，對(duì)電氣相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域職業(yè)崗位(群)任職要求進(jìn)行解剖，由職業(yè)崗位群確定典型工作任務(wù)，重新開發(fā)了“電力系統(tǒng)分析”課程的課程體系和教學(xué)流程[14-15]。改革后的教學(xué)活動(dòng)在ETAP電力系統(tǒng)仿真分析聯(lián)合工作站進(jìn)行，利用行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)，并利用ETAP軟件完成各典型工作任務(wù)。除頻率調(diào)整部分因軟件功能原因無(wú)法進(jìn)行仿真操作外，學(xué)生須完成的典型工作任務(wù)與教材相應(yīng)內(nèi)容模塊一一對(duì)應(yīng)，如表1所示。

表1 典型工作任務(wù)與教材內(nèi)容模塊的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1 系統(tǒng)建模及認(rèn)知

在深入學(xué)習(xí)本課程各部分知識(shí)前，通過引導(dǎo)學(xué)生完成典型工作任務(wù)1——利用ETAP軟件構(gòu)建電力系統(tǒng)模型。圖1為ETAP軟件的電力系統(tǒng)單線圖編輯模式，將圖中右側(cè)元件庫(kù)的各元件拖曳到左側(cè)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(shù)，就構(gòu)建了電力系統(tǒng)模型。

學(xué)生在編輯電力系統(tǒng)單線圖時(shí)，須充分注意以下兩點(diǎn)：①對(duì)軟件中符號(hào)相似的元件要加以區(qū)分，如直流發(fā)電機(jī)與交流發(fā)電機(jī)，如果選錯(cuò)則會(huì)影響后續(xù)的計(jì)算與分析；②元件參數(shù)必須正確、完整地填寫，錯(cuò)填、漏填也會(huì)對(duì)后續(xù)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(dǎo)線的高度差，若漏填該數(shù)據(jù)將使潮流計(jì)算、短路計(jì)算等后續(xù)工作無(wú)法進(jìn)行，見圖2。

學(xué)生通過完成以上典型工作任務(wù)，對(duì)電力系統(tǒng)的構(gòu)成建立了一個(gè)較全面、立體的認(rèn)識(shí)，也對(duì)各元件參數(shù)的設(shè)置有了較深入的理解。

2.2 電力系統(tǒng)的計(jì)算及分析

在對(duì)電力系統(tǒng)的構(gòu)成及參數(shù)有了較全面的認(rèn)識(shí)后，應(yīng)進(jìn)入潮流計(jì)算、電壓調(diào)整等涉及到計(jì)算與分析的后續(xù)知識(shí)模塊的學(xué)習(xí)。以典型工作任務(wù)2——電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算及結(jié)果分析為例，依然采用圖1所示算例，如圖3所示，點(diǎn)擊圖中右側(cè)的潮流計(jì)算按鈕，可由計(jì)算機(jī)瞬間計(jì)算出系統(tǒng)潮流結(jié)果。

由于改革后的教學(xué)思想為“輕推導(dǎo)、重分析”，學(xué)生不必關(guān)心潮流計(jì)算的具體過程，但要對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，從中得出一些有用的結(jié)論。例如圖3中母線Bus4與Bus5之間雙回輸電線路的感性無(wú)功損耗為負(fù)，其原因在于線路電壓等級(jí)較高，充電效應(yīng)較為明顯，串聯(lián)支路上損耗的感性無(wú)功比對(duì)地電容向系統(tǒng)注入的感性無(wú)功更小。又如，母線Bus4～Bus6的電壓均低于額定電壓，可采取裝設(shè)并聯(lián)電容器等措施進(jìn)行電壓調(diào)整，而該操作將在典型工作任務(wù)3中進(jìn)行。

圖1 利用ETAP建立電力系統(tǒng)模型

圖2 架空輸電線路的“配置”選項(xiàng)卡

經(jīng)過上述練習(xí)后，學(xué)生不僅對(duì)電力系統(tǒng)潮流有了基本概念，對(duì)結(jié)果的分析加深了對(duì)潮流的理解，盤活了學(xué)習(xí)思路，為后續(xù)章節(jié)的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。

2.3 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的仿真演示

表1中，“電力系統(tǒng)分析調(diào)整與優(yōu)化”模塊基于潮流計(jì)算結(jié)果進(jìn)行，“電力系統(tǒng)故障分析”模塊基于短路計(jì)算結(jié)果進(jìn)行，而潮流計(jì)算結(jié)果、短路計(jì)算結(jié)果均為靜態(tài)的、最終的計(jì)算結(jié)果，無(wú)法體現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)、變化的過程。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析則要考慮電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)后的動(dòng)作過程，這一過程可由ETAP的暫態(tài)穩(wěn)定分析模塊清晰展示。

針對(duì)圖1所示系統(tǒng)，進(jìn)入ETAP的暫態(tài)穩(wěn)定分析功能模塊，設(shè)置如下兩個(gè)擾動(dòng)事件：在第1 s時(shí)等效負(fù)荷Lump1產(chǎn)生5%的沖擊負(fù)荷，第6 s時(shí)母線Bus7發(fā)生三相短路，第6.5 s時(shí)斷路器CB1斷開，第7 s時(shí)母線Bus7的短路故障被清除，第8 s時(shí)斷路器CB1重新合閘,如圖4所示。

如圖5所示，點(diǎn)擊“運(yùn)行暫態(tài)穩(wěn)定”按鈕，拖動(dòng)滑塊可展示0～30 s這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電壓、各支路電流等物理量的值。圖中顯示的是第6 s時(shí)的情況，由于母線Bus7發(fā)生短路，斷路器CB1跳閘，使線路Line2上的電流為0，各節(jié)點(diǎn)電壓都有不同程度的下降，越靠近短路點(diǎn)Bus7的節(jié)點(diǎn)電壓下降越多，短路點(diǎn)Bus7的電壓為0。

圖3 潮流計(jì)算結(jié)果圖

圖4 設(shè)置擾動(dòng)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(tài)穩(wěn)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?？梢?，在第6 s時(shí)由于Bus7發(fā)生三相短路，其電壓迅速下降；在第6.5 s時(shí)由于斷路器CB1跳閘，將故障區(qū)域隔離開來(lái)，其電壓又迅速上升；而在第8 s時(shí)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(fù)到初始值。

學(xué)生經(jīng)過上述動(dòng)手操作及對(duì)運(yùn)行結(jié)果的分析，不僅對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定過程有了較為深入的感性認(rèn)識(shí)，而且加深了對(duì)電力系統(tǒng)三相短路的理解，進(jìn)一步鞏固了前面所學(xué)的知識(shí)。

圖5 拖動(dòng)滑塊觀察各物理量數(shù)值變化情況

圖6 母線Bus6的電壓變化情況

學(xué)生在上機(jī)完成各典型工作任務(wù)的過程中，除了對(duì)課本知識(shí)進(jìn)行了有效驗(yàn)證外，也培養(yǎng)了其分析、計(jì)算、處理電力系統(tǒng)一般運(yùn)行問題的能力，對(duì)自己建立的模型成功運(yùn)行后也增加了其成就感，極大地提高了其學(xué)習(xí)興趣。更為重要的是，由于上機(jī)操作有一定難度，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中養(yǎng)成了利用資源豐富自身素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作共同攻堅(jiān)的良好習(xí)慣。

3 ETAP應(yīng)用于教學(xué)改革的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，基于ETAP的行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 課程知識(shí)系統(tǒng)化、整體化?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程各章知識(shí)的聯(lián)系并不十分緊密，主要體現(xiàn)在不同章節(jié)的例題分析和計(jì)算的對(duì)象都是不同的系統(tǒng)，這導(dǎo)致在傳統(tǒng)教學(xué)方法中學(xué)生難以體會(huì)到前后知識(shí)的連續(xù)性。而在ETAP上建立電力系統(tǒng)模型后，所有后續(xù)操作，如潮流計(jì)算、調(diào)壓分析、短路計(jì)算等，都是在該模型基礎(chǔ)之上進(jìn)行，這對(duì)學(xué)生系統(tǒng)性、整體性學(xué)習(xí)和掌握課程知識(shí)大有裨益。

(2) 突出重點(diǎn)，提高教學(xué)質(zhì)量?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程理論性很強(qiáng)，其中不乏公式的推導(dǎo)和繁瑣計(jì)算。而對(duì)于高職高專學(xué)生，重點(diǎn)應(yīng)放在認(rèn)知和知識(shí)的靈活運(yùn)用上。例如潮流計(jì)算，學(xué)生應(yīng)將重點(diǎn)放在潮流的概念、潮流計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用和分析上。這樣，將授課地點(diǎn)選在理實(shí)一體化教室，并且將有限的課時(shí)數(shù)集中在重要知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)和軟件操作上，既能鞏固重點(diǎn)知識(shí)的學(xué)習(xí)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，又能提高學(xué)生動(dòng)手能力。

(3) 刺激學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)生被動(dòng)接受、互動(dòng)少的弊端。而將ETAP引入行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)后，學(xué)生須動(dòng)手完成各典型工作任務(wù)才能通過平時(shí)成績(jī)考核，這促使學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，操作軟件能提高動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，且能在相互討論中培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神。

(4) ETAP軟件的應(yīng)用拓展。ETAP軟件不僅在“電力系統(tǒng)分析”課程的教改中發(fā)揮了重大作用，也為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程建立了必要的基礎(chǔ)。今后，將ETAP上機(jī)操作應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，可使學(xué)生的設(shè)計(jì)具靈活性、獨(dú)創(chuàng)性。此外，還可將ETAP軟件應(yīng)用于其他理論課程的理實(shí)一體教學(xué)，例如該軟件的“電機(jī)起動(dòng)分析”模塊就可用于“電機(jī)學(xué)”課程中異步電動(dòng)機(jī)部分的仿真演示，用以提高教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法已成為現(xiàn)代職業(yè)教育、培訓(xùn)的主流發(fā)展趨勢(shì)，將ETAP軟件與該方法相結(jié)合，應(yīng)用于“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)改革中，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和掌握重點(diǎn)理論知識(shí)，同時(shí)積極動(dòng)手操作和相互討論，提高動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，很好地實(shí)現(xiàn)了“知識(shí)傳授、技能訓(xùn)練、素質(zhì)養(yǎng)成”三位一體的并行目標(biāo)。

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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(wǎng)可靠性研究及“電力系統(tǒng)分析”、“電機(jī)學(xué)”等課程的教學(xué)工作。

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

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0212-05