电力系统数字仿真基础课程建设与实践

　　《电力系统数字仿真基础》是三峡大学电气工程专业研究生的一门选修课程，主要介绍电力系统数字仿真原理和程序实现方法。通过将复杂的电力系统进行等值建模仿真，直观展示电力系统各种机电和电磁暂态现象的基本规律，有助于提升学生独立承担工程规划、工程设计、工程实施、工程研究、工程开发的专业技术能力。结合研究生课程教学实践，对课程建设的教学资源、教学方法、考核方法进行探索，为同类课程的教学改革提供参考。

　　关键词:电气工程;数字仿真;课程建设;教学改革

　　对简单电力系统的数学模型进行研究可以采用解析的方法，通过数学公式的推导得出分析结论。然而，研究复杂电力系统的数学模型时，通常需要采用数字仿真的方法，[1-2]通过计算机数值迭代直观展示电气量的变化规律。电力系统仿真技术基于相似原理，利用电力系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究，不受被研究系统的元件复杂性和网络系统规模大小的限制，在电力系统的研究工作中具有十分重要的意义。《电力系统数字仿真基础》是三峡大学电气工程专业研究生的一门选修课程，通过本课程的学习，使学生掌握电力系统数字仿真的基本原理和程序实现方法，能够使用Matlab、C语言[3]等工具进行编程，实现对电力系统暂态过程的数字仿真。达到进一步加深对理论知识的理解，培养使用计算机进行工程计算和分析能力的目的，为适应今后科学研究和实际工作要求打下基础。为了适应培养具有科研能力、工程实践能力和创新能力的电气工程专业学位硕士研究生培养目标，结合近年来的研究生课程教学实践，对《电力系统数字仿真基础》课程建设的教学资源、教学方法、考核方法进行探索，为同类课程的教学改革提供参考。

　　一、课程教学资源的建设

　　根据《电力系统数字仿真基础》课程教学目标，将教学内容设计为两个部分。其中，第一部分为理论基础:包括电力系统仿真的基本概念、电力系统主要元件的数学模型和简单电力系统的数值计算方法，以教师课堂讲授为主;第二部分为编程仿真，以学生课后练习为主。根据上述教学内容分别编制相应的理论课程教案和编程仿真教案。(1)理论课程教案:根据课时安排将理论课程分解为4各部分，具体为:电力系统数字仿真的计算方法、电力系统元件的动态数学模型、简单电力系统的数字仿真方法和复杂电力系统的数字仿真方法。分别针对上述各部分教学内容编写教案，教案包括教学内容、教学目标、教学重点、教学难点。以“简单电力系统的数字仿真方法”为例，理论课程教案包括如下主要内容。教学内容:系统数字仿真的基本概念;系统数字仿真的步骤;电力系统仿真模型的分类;常用仿真工具介绍;连续系统数字仿真计算方法。学习目标:系统数字仿真的用途和优点;古典数值积分计算方法。教学重点:常用的数值积分方法，欧拉法、梯形法、龙格-库塔法。教学难点:数值积分法的误差、数值稳定和刚性。(2)编程仿真教案:为满足基于仿真任务驱动教学的需要，根据学生课后仿真程序编写和调试的需求，设置3个编程仿真案例任务提供学生选择完成，具体为:同步发电机突然短路暂态过程的仿真分析;发电机自励磁方式的仿真分析;简单电力系统暂态稳定的仿真分析。以“同步发电机突然短路暂态过程的仿真分析”为例，要求学生利用Matlab、C语言等仿真工具进行自主编程和调试，完成发电机空载条件下发生机端三相短路时，定子三相电流和转子电流的瞬时值随时间变化曲线的数值仿真计算，进一步结合理论分析仿真计算结果，该编程仿真教案包括如下主要内容。教学内容:同步发电机基本方程的差分形式;同步发电机基本方程的初值计算;同步发电机三相短路的数值计算。学习目标:理解基于隐式梯形积分法的同步机基本方程的差分化;理解编程工具在同步发电机三相短路的数值计算中的作用。教学重点:同步发电机三相短路的数值计算。教学难点:同步发电机基本方程的差分形式。

　　二、课程教学和考核方法

　　针对同步发电机等电力系统动态元件模型方程推导复杂、微分方程的差分过程步骤繁琐的问题，采用教师为主导的课堂讲授方法，突出分析和解决问题的思路;针对电力系统数字仿真结果直观性强的特点，教学采用了案例式的教学方法，例如采用同步发电机三相短路的数字仿真案例，使学生理解简单电力系统的数值计算方法;针对程序编写调试技术，学生仅通过课堂学习难以真正掌握，需要鼓励学生自主完成的特点，采用难点互动讨论法，教师重点是保证教与学之间的沟通讨论，及时帮助学生解决可能遇到的问题。在课程考核方法方面，《电力系统数字仿真基础》课程教学中每位学生的期末成绩由数值仿真研究报告和平时成绩两部分内容构成。其中，研究报告占总成绩的70%，主要内容包括:提出待研究问题;介绍研究背景;说明研究方法;建立仿真模型、编写和调试数值计算程序;给出研究结果及其分析，在锻炼学生解决实际问题能力的同时，也有助于提高学生科技论文写作水平。平时成绩主要考核课堂出勤率、参与考堂讨论活跃程度。实际教学中，借助学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发的智慧教学工具雨课堂的数据支持和个性化报表，及时记录每一位学生的学习表现，在期末有据可依地给出平时成绩，有效地激发了学生的学习主动性和学习兴趣。

　　三、结论

　　通过本课程建设完善了《电力系统数字仿真基础》课程的基本教学资料，为课程今后的发展提供了条件。通过课堂教学的实施，使学生加深了对理论知识的理解，提高了学生使用计算机进行工程计算和分析问题的能力，为适应今后科学研究和实际工作要求打下基础。另一方面，程课学内容涉及较多基础理论的综合运用，而部分学生存在知识结构不全面和专业基础理论知识不扎实的问题，对预期教学效果产生不利影响，需要在今后的工作中进一步寻求解决。

　　参考文献:

　　[1]齐琳.数字仿真技术在自动化专业教学中改革探索[J].科技风，2014(01):212.

　　[2]郑一力，赵燕东.控制系统数字仿真教学改革与实践[J].中国现代教育装备，2017(21):48-50.

　　[3]王奕翔，曹琳，何敏，王子微，范小娴.基于C语言的MATLAB软件编程在数学建模中的应用研究[J].教育现代化，2019，6(48):127-129.

　　作者：杨文辉 单位：三峡大学电气与新能源学院 三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室

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