趙 瑩，李 霜，李 媛，劉禹良

(重慶電力高等專科學(xué)校，重慶 400053)

電力系統(tǒng)是由發(fā)、輸、變、配、用等環(huán)節(jié)中的大量電氣設(shè)備組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，狀態(tài)多變。電力系統(tǒng)分析課程是高職院校發(fā)電廠及電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)等強(qiáng)電類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，有著承上啟下的作用。學(xué)習(xí)這門課程需要綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、電路、磁路、電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門課程的知識(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)者的分析計(jì)算能力要求較高。在高職教育重應(yīng)用的背景下，目前該課程教學(xué)方式存在很多問題急需解決。

ETAP電力系統(tǒng)仿真軟件(以下簡(jiǎn)稱ETAP)是美國(guó)OTI集團(tuán)公司研發(fā)生產(chǎn)的電力、電氣系統(tǒng)綜合計(jì)算分析軟件，功能全面，能為發(fā)、輸、配電等的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供全面的分析和解決方案。高校引入該軟件主要應(yīng)用于技術(shù)研究，很少應(yīng)用于教學(xué)，因此該軟件在高職院校中少有院校引入，導(dǎo)致基于ETAP的電力系統(tǒng)分析課程模塊化教學(xué)模式改革在國(guó)內(nèi)少有研究。

本文提出結(jié)合ETAP進(jìn)行電力系統(tǒng)分析課程的項(xiàng)目化教學(xué)改革，以項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)。利用軟件的建模和計(jì)算功能，讓學(xué)生在實(shí)際工程案例的構(gòu)建過程中逐步完成對(duì)電力系統(tǒng)的基本概念、潮流分析、調(diào)頻調(diào)壓、經(jīng)濟(jì)性、短路分析及穩(wěn)定性知識(shí)的學(xué)習(xí)。在避開繁雜的計(jì)算環(huán)節(jié)，強(qiáng)化工程應(yīng)用，增強(qiáng)趣味性的同時(shí)，也可以降低學(xué)習(xí)難度。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 課程學(xué)習(xí)難度大，學(xué)習(xí)畏難情緒嚴(yán)重

電力系統(tǒng)分析課程理論性強(qiáng)，計(jì)算分析過程繁瑣，密切聯(lián)系電力生產(chǎn)實(shí)際，即便是對(duì)本科院校的學(xué)生來說，該門課程也是最具難度的專業(yè)課之一。對(duì)高職學(xué)生而言，其學(xué)習(xí)理解難度更大，很容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒。即便是有課程資源庫(kù)，可以運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)等方法，但由于高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性、主動(dòng)性較差，課程本身趣味性差、難度太大，所以教學(xué)效果差強(qiáng)人意，以致電力系統(tǒng)分析這門課程近幾年掛科率居高不下。

1.2 現(xiàn)有教學(xué)模式下能力目標(biāo)難實(shí)現(xiàn)

高職院校的電力系統(tǒng)分析課程一般是將重要概念、基本原理及簡(jiǎn)要計(jì)算分析等設(shè)定為章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，從而造成教師一味地講述知識(shí)點(diǎn)和計(jì)算方法，忽視了對(duì)學(xué)生的分析、解決問題等綜合能力的培養(yǎng)。在教學(xué)內(nèi)容上，側(cè)重于講述基礎(chǔ)，學(xué)生對(duì)于較抽象難懂的知識(shí)一知半解，即便引入電力系統(tǒng)的工程實(shí)例輔助教學(xué)，學(xué)生還是難以理解接受。

在職業(yè)教育背景下，電力系統(tǒng)分析課程中大量的計(jì)算環(huán)節(jié)不應(yīng)再作為高職院校中該課程教學(xué)的重點(diǎn)，該課程應(yīng)注重學(xué)生分析、解決問題的綜合能力的培養(yǎng)。教師需要探尋新的課程教學(xué)模式，比如借助仿真軟件。已經(jīng)有嘗試將ETAP應(yīng)用于教學(xué)的案例，并得到學(xué)生良好的反饋，對(duì)提高電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)效果有一定幫助。文獻(xiàn)[1-5]介紹了ETAP在教學(xué)中的應(yīng)用，但就目前職業(yè)教育要求來看，仍有很大改進(jìn)空間。

2 課程項(xiàng)目化改革

2.1 教學(xué)改革思路

電力系統(tǒng)分析課程將結(jié)合真實(shí)電力系統(tǒng)，借助ETAP構(gòu)建電力系統(tǒng)模型，通過軟件仿真，展示區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)保障區(qū)域供電的過程，構(gòu)建教學(xué)項(xiàng)目[6]，將電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、調(diào)度、優(yōu)化等方面的規(guī)范貫穿于教學(xué)全過程，完成電力系統(tǒng)分析課程知識(shí)重構(gòu)，以有效提升學(xué)生的理論知識(shí)理解及運(yùn)用能力，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的工程能力，并將電力系統(tǒng)分析的基本要求深深鐫刻在學(xué)生記憶、行為中，讓學(xué)生在學(xué)好電力系統(tǒng)分析課程的同時(shí)，為后續(xù)課程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過使用ETAP促進(jìn)學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)分析課程知識(shí)的學(xué)習(xí)，有效提升學(xué)生的理論知識(shí)理解及工程實(shí)際運(yùn)用能力，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

2.2 課程知識(shí)重構(gòu)

根據(jù)企業(yè)調(diào)研，編制與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展歷程相對(duì)應(yīng)的電力系統(tǒng)各發(fā)展階段的ETAP單線圖。根據(jù)各發(fā)展階段的ETAP單線圖模型及ETAP功能模塊，構(gòu)建了4個(gè)教學(xué)模塊、9個(gè)項(xiàng)目，模塊下細(xì)分任務(wù)，在任務(wù)中融入細(xì)化的知識(shí)點(diǎn)。

模塊一：電力系統(tǒng)潮流分析，如表1所示。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程中介紹電力系統(tǒng)基本概念，根據(jù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展負(fù)荷的增加擴(kuò)建網(wǎng)絡(luò)，并在此過程中融入相關(guān)知識(shí)。網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，在參數(shù)設(shè)置過程中融入電力網(wǎng)相關(guān)設(shè)備參數(shù)及等效電路知識(shí)。通過潮流分析模塊計(jì)算已構(gòu)建的系統(tǒng)的潮流，分析數(shù)據(jù)過程中融入潮流計(jì)算相關(guān)知識(shí)。

表1 模塊一 電力系統(tǒng)潮流分析

模塊二：電力系統(tǒng)分析與調(diào)整優(yōu)化，如表2所示。利用ETAP潮流分析模塊，結(jié)合模塊一構(gòu)建好的電力系統(tǒng)，通過仿真模擬各種措施，以軟件為輔助，讓學(xué)生直觀看到各種措施的效果，并學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)調(diào)整優(yōu)化相關(guān)知識(shí)。

表2 模塊二 電力系統(tǒng)分析與調(diào)整優(yōu)化

模塊三：電力系統(tǒng)故障分析，如表3所示。利用ETAP的短路分析模塊，結(jié)合模塊一構(gòu)建好的電力系統(tǒng)，通過仿真模擬構(gòu)建電力系統(tǒng)實(shí)際發(fā)生過的短路故障，可在此過程中融入短路相關(guān)知識(shí)。

表3 模塊三 電力系統(tǒng)故障分析

模塊四：電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，如表4所示。利用ETAP穩(wěn)定性分析模塊，結(jié)合模塊一已構(gòu)建的電力系統(tǒng)，通過設(shè)置系統(tǒng)實(shí)際出現(xiàn)過的大、小擾動(dòng)來仿真模擬靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定，可在此過程中融入穩(wěn)定性相關(guān)知識(shí)。

表4 模塊四 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

2.3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1)利用ETAP電力系統(tǒng)仿真分析軟件構(gòu)建電力網(wǎng)絡(luò)，通過單線圖繪制，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)電力系統(tǒng)中發(fā)輸變備用各環(huán)節(jié)的設(shè)備元件，了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)等；通過設(shè)備元件參數(shù)設(shè)定，讓學(xué)生掌握設(shè)備元件的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電流網(wǎng)絡(luò)逐步擴(kuò)大到變、輸、配、用，再到發(fā)變、輸、配、用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，電壓等級(jí)由35 kV向110 kV、220 kV逐步提升，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由薄弱向堅(jiān)強(qiáng)發(fā)展，學(xué)生可在此過程中學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)接線知識(shí)，并完成項(xiàng)目1相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

2)根據(jù)已構(gòu)建的電力系統(tǒng)學(xué)習(xí)潮流計(jì)算相關(guān)知識(shí)。通過軟件調(diào)試、錯(cuò)誤警示信息，排查數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，得到正確結(jié)果，進(jìn)而學(xué)習(xí)對(duì)潮流結(jié)果的識(shí)讀、分析、判斷等。此階段注重實(shí)用性，以完成項(xiàng)目2相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

3)調(diào)整設(shè)備參數(shù)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)電力系統(tǒng)分析基本要求，通過改變負(fù)荷功率、增加無功補(bǔ)償設(shè)備等措施，以達(dá)到滿足電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)分析經(jīng)濟(jì)性的要求。這部分內(nèi)容避開了復(fù)雜計(jì)算，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)實(shí)際系統(tǒng)工程的調(diào)試等工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)上，以完成項(xiàng)目3、4、5相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

4)設(shè)置系統(tǒng)各類故障，通過軟件調(diào)試、錯(cuò)誤警示信息，排查錯(cuò)誤，得到短路計(jì)算結(jié)果過程，學(xué)習(xí)短路基本知識(shí)；根據(jù)ETAP仿真的短路計(jì)算結(jié)果，讀取有用數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析短路。通過各個(gè)發(fā)展階段的電力系統(tǒng)短路案例對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在相同地點(diǎn)發(fā)生短路后的影響，拓展知識(shí)。避開復(fù)雜計(jì)算，注重應(yīng)用，完成項(xiàng)目6、7、8相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

5)設(shè)置各類擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后的暫態(tài)過程，了解電力系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)知識(shí)。對(duì)比不同擾動(dòng)的影響，對(duì)比各發(fā)展階段中系統(tǒng)對(duì)相同擾動(dòng)的暫態(tài)過程，分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，拓展知識(shí)，完成項(xiàng)目9相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。

在以上仿真教學(xué)過程中，學(xué)生都可以根據(jù)區(qū)域電力系統(tǒng)實(shí)際工況，按照課堂要求，通過討論、分析拓展，用軟件仿真驗(yàn)證效果，來真正提升技能。這有利于提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成自主的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

3 教學(xué)實(shí)施與成效

3.1 教學(xué)實(shí)施

以“項(xiàng)目1：基于ETAP搭建電力系統(tǒng)——任務(wù)1 電力系統(tǒng)單線圖構(gòu)建”為例，該任務(wù)將原有的電力系統(tǒng)分析課程第一章的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)有機(jī)融入構(gòu)建單線圖的過程中，如圖1所示。教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生可以邊操作、邊觀察、邊學(xué)習(xí)，讓知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)既有趣味性，也有實(shí)用性。

圖1 任務(wù)1教學(xué)實(shí)施過程

教學(xué)實(shí)施過程是按照區(qū)域電力系統(tǒng)發(fā)展為引線，由最簡(jiǎn)單的負(fù)荷搭建開始，區(qū)域電力系統(tǒng)從最初的單一負(fù)荷電源結(jié)構(gòu)，逐步跟隨區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展擴(kuò)建為完整的包括發(fā)、輸、變、配、用的電力系統(tǒng)。學(xué)生在邊搭建、邊學(xué)習(xí)、邊擴(kuò)建網(wǎng)絡(luò)的過程中，學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)組成、電力網(wǎng)、電力系統(tǒng)接線圖、基本接線方式及特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)及要求等基本知識(shí)點(diǎn)。

通過ETAP單線圖搭建，讓學(xué)生直觀體驗(yàn)真實(shí)的電力系統(tǒng)和電力網(wǎng)。通過擴(kuò)建電力系統(tǒng)讓學(xué)生直觀了解電力系統(tǒng)的接線圖及基本接線方式，同時(shí)學(xué)生可通過操作和互相討論總結(jié)出接線方式的特點(diǎn)，及電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和運(yùn)行的基本要求。

3.2 教學(xué)效果

按照本文的教學(xué)思路設(shè)置教學(xué)過程，對(duì)重慶電力高等?？茖W(xué)校20級(jí)電氣2013班、2014班學(xué)生開展教學(xué)實(shí)踐，并與19級(jí)電氣1913班、1914班學(xué)生進(jìn)行對(duì)比分析。

首先，學(xué)生學(xué)習(xí)參與度高，有興趣，學(xué)習(xí)自主性有所提升，學(xué)習(xí)效果好。以電氣2013班、2014班為例，學(xué)生在課堂邊仿真邊學(xué)習(xí)，可操作可觀察，互動(dòng)討論讓學(xué)習(xí)氛圍變好、趣味性提高，能做到人人參與、人人過關(guān)，有效避免偷懶、溜號(hào)、抄作業(yè)等現(xiàn)象。

其次，結(jié)合工程實(shí)例，學(xué)生通過ETAP操作學(xué)習(xí)知識(shí)，對(duì)其技能提升有很大幫助。例如電壓管理知識(shí)，以往練習(xí)考核多為純文字形式，如判斷題“逆調(diào)壓是在最大負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓適當(dāng)降低，最小負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓適當(dāng)提高”，諸如此類文字描述或者計(jì)算練習(xí)只能讓學(xué)生熟悉知識(shí)點(diǎn)，實(shí)際技能無法得到鍛煉提升。而利用ETAP則可以將問題轉(zhuǎn)化為真實(shí)工程案例，讓學(xué)生通過仿真案例判斷工況是否滿足逆調(diào)壓要求，這樣能讓學(xué)習(xí)接近工程實(shí)際，能鍛煉、提升學(xué)生技能。

最終，20級(jí)學(xué)生成績(jī)明顯提升，成績(jī)分布更合理，這證實(shí)了方法的有效性，如表5和圖2所示。

圖2 成績(jī)對(duì)比

表5 成績(jī)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出基于ETAP模擬完善區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)以保障區(qū)域電力需求的過程，從而構(gòu)建電力系統(tǒng)真實(shí)模型。以此為基礎(chǔ)重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，可以使教學(xué)過程設(shè)計(jì)合理，知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)有趣又有用，實(shí)踐證實(shí)該方法是有效的。此外，課程所用到的軟件功能是其他電力系統(tǒng)仿真軟件也具備，任意類似軟件均可按照本文思路重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，因此本文所述教學(xué)思路具有一定的推廣性。