李嘯驄， 徐俊華， 梁志堅(jiān)， 劉 輝

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院 電氣工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 廣西 南寧 530004)

0 引言

“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”是為了滿足培養(yǎng)電氣工程專業(yè)人才的需要而設(shè)置的一門(mén)專業(yè)必修課程，主要包括同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制、電力系統(tǒng)頻率及有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)自動(dòng)低頻減載及其他安全自動(dòng)控制裝置等內(nèi)容[1]。該課程的顯著特點(diǎn)是理論與實(shí)踐并重，既要求學(xué)生掌握電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的基本原理，加深對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行、控制、調(diào)度的理解；又要求學(xué)生了解常用的電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)，掌握基本的實(shí)踐操作技能。該課程內(nèi)容比較復(fù)雜和抽象，加上教學(xué)實(shí)驗(yàn)較難開(kāi)展，大多數(shù)學(xué)生不易深入掌握相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐技能。

為提高教學(xué)效果，國(guó)內(nèi)許多高校不斷對(duì)該課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與實(shí)踐。文獻(xiàn)[2]利用Matlab軟件開(kāi)發(fā)了該課程教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了該課程綜合性習(xí)題，有助于強(qiáng)化學(xué)生系統(tǒng)地理解相關(guān)知識(shí)，文獻(xiàn)[4]介紹了其精品課程的建設(shè)與應(yīng)用效果，文獻(xiàn)[5～8]則從教學(xué)內(nèi)容、方法和手段等方面做了有益的探索與實(shí)踐。

我院歷來(lái)重視“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程的建設(shè)與教學(xué)，近年來(lái)對(duì)該課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)一步開(kāi)展了改革和實(shí)踐，初步形成了一種把理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)踐能力訓(xùn)練、創(chuàng)新教育融為一體的專業(yè)課程教學(xué)模式。

1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

(1)在教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，組建了以教授、副教授為主，青年博士為輔的教學(xué)團(tuán)隊(duì)。教師們相互聽(tīng)課，以老帶新，上課積極，教學(xué)水平高。

(2)在教學(xué)方法改革方面，采用啟發(fā)式教學(xué)和討論式教學(xué)。授課時(shí)，深入淺出地講解各知識(shí)點(diǎn)，為學(xué)生梳理好知識(shí)點(diǎn)間的脈絡(luò)關(guān)系，通過(guò)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 分析問(wèn)題 解決問(wèn)題”的方式，引出和延伸知識(shí)點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考。經(jīng)常組織學(xué)生就電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置領(lǐng)域的一些熱點(diǎn)問(wèn)題，如電力系統(tǒng)低頻振蕩等，進(jìn)行小組討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(3)在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)方面也做了很多卓有成效的工作。編寫(xiě)了“勵(lì)磁控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性”的教學(xué)講義，詳細(xì)講解了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、勵(lì)磁控制系統(tǒng)空載和負(fù)載運(yùn)行的動(dòng)態(tài)性能、線性最優(yōu)勵(lì)磁控制原理、微機(jī)勵(lì)磁控制器等內(nèi)容。該講義的內(nèi)容嚴(yán)謹(jǐn)系統(tǒng)、深入淺出，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程素養(yǎng)，深受學(xué)生的歡迎。還運(yùn)用Matlab/Simulink軟件，編寫(xiě)了勵(lì)磁控制系統(tǒng)模型推導(dǎo)、勵(lì)磁系統(tǒng)靜態(tài)控制性能分析、勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能分析、PSS參數(shù)整定計(jì)算、線性最優(yōu)勵(lì)磁控制參數(shù)計(jì)算等程序，搭建了單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型，用于課堂教學(xué)演示，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)簡(jiǎn)介

我院的“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在我校電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬與數(shù)字仿真一體化實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)展的。該實(shí)驗(yàn)室是我校國(guó)家級(jí)電氣工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的主干實(shí)驗(yàn)室，包含電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真平臺(tái)ADPSS (Advanced Digital Power System Simulator)兩部分。

電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主接線圖如圖1所示。該系統(tǒng)按3套模擬同步發(fā)電機(jī)組的規(guī)模設(shè)計(jì)、建設(shè)，包含了電力系統(tǒng)的發(fā)電、變電、輸電、配電、用電的各個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 我校電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主接線圖

ADPSS是由中國(guó)電力科學(xué)研究院研發(fā)的基于高性能PC機(jī)群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)，可以對(duì)大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的數(shù)字仿真，也可以接入安全自動(dòng)裝置等實(shí)際物理設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)[10]。

2.2 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)置的總體思想

利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開(kāi)發(fā)、設(shè)置科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著關(guān)鍵作用。我院的“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)置的總體思想如下：

(1) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)合理搭配。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)用于驗(yàn)證一些基本原理，夯實(shí)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)。而綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置相關(guān)的一些深層次、綜合性問(wèn)題進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

(2) 教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。教學(xué)計(jì)劃學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)主要是驗(yàn)證性的，學(xué)時(shí)有限；而開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)主要是綜合創(chuàng)新性的，無(wú)學(xué)時(shí)的限制。

(3) 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)相輔相成。動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)的操作貼近電力生產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀，但易受到系統(tǒng)規(guī)模、場(chǎng)地等因素的限制。數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)自由靈活，學(xué)生可以自行建立各種自動(dòng)裝置以及大規(guī)模電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型，并可根據(jù)需要進(jìn)行各種復(fù)雜、危險(xiǎn)的電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)與研究，但實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不如動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)真實(shí)。而兩種實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái)，可以相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)[11]。

(4) 把教師的工程實(shí)踐知識(shí)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更貼近實(shí)際電力工程。

(5) 安全第一。制定實(shí)驗(yàn)安全規(guī)章制度，切實(shí)保證人員和設(shè)備安全。

2.3 基于動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

1) 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)置

基于動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置的“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。其中前3個(gè)實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證、必做型實(shí)驗(yàn)，主要讓學(xué)生理解準(zhǔn)同期并列、勵(lì)磁控制、頻率及有功功率調(diào)節(jié)的基本原理，并掌握相應(yīng)自動(dòng)裝置的組成和基本操作。第4個(gè)實(shí)驗(yàn)為“開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)”，是教師把工程實(shí)踐知識(shí)引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)后開(kāi)發(fā)出的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以進(jìn)行電力系統(tǒng)低頻振蕩、勵(lì)磁控制裝置參數(shù)整定、頻率及有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置參數(shù)整定等問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)與分析。

表1 “電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2) 動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

(1) 加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的安全教育，使學(xué)生樹(shù)立強(qiáng)烈的安全意識(shí)。并模擬電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求，制定一些有效的安全措施，確保人員、設(shè)備安全，如：對(duì)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備劃定操作間隔，避免學(xué)生走錯(cuò)間隔操作。

(2) 重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)波形的能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，用故障錄波儀、電量分析儀等錄波設(shè)備記錄下實(shí)驗(yàn)波形，以便學(xué)生直觀的看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并對(duì)波形進(jìn)行分析處理。例如，通過(guò)分析圖2，學(xué)生可以直觀的看到起勵(lì)過(guò)程，并計(jì)算起勵(lì)的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等參數(shù)；通過(guò)分析圖3，學(xué)生可以理解系統(tǒng)的強(qiáng)勵(lì)過(guò)程，并分析強(qiáng)勵(lì)期間的發(fā)電機(jī)端電壓、勵(lì)磁電壓的波形，進(jìn)一步計(jì)算勵(lì)磁頂值電壓、強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)等參數(shù)。

圖2 自并勵(lì)方式下起勵(lì)實(shí)驗(yàn)錄波圖

圖3 勵(lì)磁裝置強(qiáng)勵(lì)實(shí)驗(yàn)錄波圖

(3) 注意引導(dǎo)學(xué)生形成“理論-實(shí)踐-理論”的循環(huán)學(xué)習(xí)方法。如：對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)差特性這一較抽象的知識(shí)點(diǎn)，先讓學(xué)生了解調(diào)差的基本原理，再通過(guò)“負(fù)載勵(lì)磁調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)”，使學(xué)生真正理解調(diào)差特性的本質(zhì)與作用。

(4) 重視培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作技能。要求每個(gè)同學(xué)必須完成同期并列、勵(lì)磁控制、頻率及有功功率調(diào)節(jié)等重要操作。

(5) 引導(dǎo)學(xué)生從全局的高度理解電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響，進(jìn)一步掌握電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)行、控制的完整過(guò)程。

2.4 基于ADPSS平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

1) 基于ADPSS平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與設(shè)置

基于ADPSS平臺(tái)的“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”實(shí)驗(yàn)，是教師把先進(jìn)的工程實(shí)踐知識(shí)引入到本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)后開(kāi)發(fā)出的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。通過(guò)該類實(shí)驗(yàn)，使部分學(xué)有余力的學(xué)生深入理解同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS (Power System Stabilizer)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，學(xué)會(huì)利用ADPSS進(jìn)行電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置的仿真實(shí)驗(yàn)與分析。

表2 “電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”ADPSS仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2) 基于ADPSS平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)活動(dòng)中，絕大多數(shù)學(xué)生都是按部就班地學(xué)習(xí)課程、完成考試，之后就把書(shū)本丟到某個(gè)角落，缺乏對(duì)課程知識(shí)的深入學(xué)習(xí)，很難建立起對(duì)所學(xué)課程乃至所學(xué)專業(yè)的興趣。為改變這一局面，我們把“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程的內(nèi)容與“電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制”課程研究方向結(jié)合起來(lái)，一方面開(kāi)設(shè)了如表2所示的綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生掌握先進(jìn)工程知識(shí)和前沿理論；另一方面鼓勵(lì)學(xué)生適量閱讀科技文獻(xiàn)，拓展知識(shí)面；此外，還向本科生長(zhǎng)期開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，并積極營(yíng)造良好的課外創(chuàng)新實(shí)踐氛圍，為本科生的學(xué)習(xí)、創(chuàng)新活動(dòng)提供良好的環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

以往的教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)一系列的專業(yè)課程，并按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成課程實(shí)驗(yàn)，可以掌握一些基本理論。但是，絕大多數(shù)學(xué)生并不精通哪怕其中一個(gè)課程方向，寬而不專，解決問(wèn)題的能力不強(qiáng)。因此，針對(duì)“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程，構(gòu)建了“理論課程 實(shí)驗(yàn)課程 課程設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)”各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合的專業(yè)課程教學(xué)模式，使學(xué)生可以深入掌握課程知識(shí)，甚至取得研究、創(chuàng)新性的成果。

此外，還注意培養(yǎng)學(xué)生的仿真分析與實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫(xiě)能力。要求學(xué)生對(duì)仿真模型、仿真結(jié)果進(jìn)行深入分析，撰寫(xiě)仿真報(bào)告甚至是論文，培養(yǎng)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 分析問(wèn)題 解決問(wèn)題”的能力以及專業(yè)寫(xiě)作能力。

3 結(jié)語(yǔ)

本文全面介紹了我院“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和實(shí)踐。理論教學(xué)方面，組建了一支教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)素質(zhì)過(guò)硬的專業(yè)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)，改進(jìn)了教學(xué)方法，編寫(xiě)了豐富的輔助教學(xué)講義，有效地拓展了教學(xué)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容和教師工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分別在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)和ADPSS數(shù)字仿真平臺(tái)上，為該課程開(kāi)發(fā)了豐富的常規(guī)課程實(shí)驗(yàn)和綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多年的改革與實(shí)踐，初步形成了一種把理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)踐能力訓(xùn)練、創(chuàng)新教育有機(jī)結(jié)合在一起的專業(yè)課程教學(xué)模式，改善了教學(xué)質(zhì)量，提高了教學(xué)效果，即能培養(yǎng)應(yīng)用型人才，又有利于培養(yǎng)復(fù)合、創(chuàng)新型人才。