航空航天特色“電力系統分析”課程建設探索

陳鵬偉，陳 新，王世山

（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京211106）

0 引言

近年來，為應對能源環境危機，建設新一代能源電力系統已成為世界諸多國家的重要戰略部署，并相繼出臺了各自能源領域的技術規劃，如歐洲的《能源路線圖2050》、美國的《全面能源戰略》、日本的《能源環境技術創新戰略2050》以及我國的《能源生產和消費革命戰略（2016-2030）》等［1］，其中利用信息物理融合與多能源互補來確立可再生能源在能源供應中的主體地位是不同技術規劃的共同所在。電力系統作為承載大量分布式可再生能源與負載的基礎性平臺，其調控與應對能力將會是能源互聯高效安全穩定優質、經濟運行的重要基石。在“清潔、低碳、安全、高效”的能源變革背景下，對我國電氣工程及其自動化專業創新型人才培養提出了迫切需求［2］。

“電力系統分析”課程是電氣工程專業的專業技術基礎課程，其設置目的在于讓學生了解我國電力工業和電力系統的現狀及相應的技術政策，對電氣工程學科的技術內涵產生一定認識，并掌握電力系統的基本模型和運行特性的基本分析方法［3］，如潮流計算、短路電流計算、小干擾穩定性、暫態穩定性等。無論電力系統規模大小，在其規劃設計、生產計劃安排、運行方式校核、控制裝置參數和繼電保護措施整定等各個環節都必須對系統各方面特性進行詳細分析、計算和評估，因而“電力系統分析”課程的基礎性和實用性極強，課程難度較大［4］。

南京航空航天大學是我國自己創辦的第一批航空高等院校之一，以航空航天民航為鮮明行業特色為辦學導向，并較早開設了電氣工程專業。經過多年發展，電氣專業取得了長足進步，其中電力電子與電力傳動、電機與電器二級學科均已走在全國前列，但電力系統課程和科研工作尚未完備，嚴重制約了南航電氣工程學科成為世界一流學科的長遠發展。

本文以南京航空航天大學為例，闡述了“電力系統分析”課程的設置現狀，并結合該課程發展趨勢，以航空航天復雜電氣系統為支撐點，提出了具有航空航天特色的“電力系統分析”教學模式構建思路與方案，以探索與建設面向航空航天院校的電力系統課程體系。

1 南航“電力系統分析”課程設置現狀

南航電氣工程學科的前身為1956年創辦的航空電機電器專業，現為江蘇省品牌專業、國防特色專業，2019年通過了“工程專業教育國際標準”認證，其電力電子與電力傳動二級學科為國家重點（培育）學科、國防重點學科、工信部國防特色學科，一直是南航電氣學科優先發展的方向，并始終立足于我國航空航天事業。

根據航空電氣類專業培養方案，本科與研究生階段電力系統相關課程主要如表1所示。在本科階段，“電力系統分析”僅被設為選修課程，共32課時/2學分，是“電力工程”與“電氣工程及其自動化專業導論”等專業通識課程的輔助課程，通常為百余人的大班教學。在研究生階段，由于科研與實踐需求，“電力系統分析”被設為專業選修課程，共48學時/3學分。相較于清華大學、華北電力大學、西安交通大學、浙江大學、華中科技大學等電氣專業強校，南航電氣專業在“電力系統分析”課程配置上存在發展不均衡問題，具體表現在：

表1 南航電力系統相關課程設置

（1）“電力系統分析”課程內容與電力系統生產運行過程關系密切，理論性與實踐性并重，授課難度大。由于實際配置課時少，授課不得不減少部分內容，且未進入本科專業課程必修環節，導致學生重視程度不夠，不利于學生掌握電力系統的基本知識和解決實際電力工程問題的能力。

（2）雖然“電力系統分析”被列入研究生專業課程，部分研究生在其本科階段已有一定的基礎，但是考慮到研究生在專業課程基礎所存在的差異性，即存在部分研究生在電力系統方面專業基礎較弱，研究生“電力系統分析”課程在內容上與本科生課程相比有較大重復，與研究生更為深入的學習需求不能完全匹配。

2 “電力系統分析”課程發展趨勢

在清潔替代與電能替代背景下，現代電力系統將呈現出電源類型多、電能變換形式多、電力變換器數量多以及負荷類型需求多的“新概念電網”［5］。功率變換系統是新一代電力系統的關鍵支撐技術，可有效提升系統的運行調控能力和靈活運行能力。然而，功率變換系統與輸配電網絡深度融合后，電力系統呈現電力電子化趨勢。區別于傳統電力系統以交流電為主要電能形式、以發電機機電暫態與系統低頻振蕩為主要現象，電力電子化電力系統出現了新的振蕩模式和故障特性，“電力系統分析”課程也隨之出現了新的對象和分析需求，具體表現為：

（1）電力系統基本模型不再局限于發電機、線路、變壓器，還包括交-交、交-直、直-直功率變換器，特別是基于全控型電力電子器件的裝置。雖然功率變換器的內部電壓、電流變化過程及功率特性屬于電力電子學科，但其外特性模型卻是電力電子化電力系統分析所需的前置條件。

（2）潮流分析與故障分析分屬傳統“電力系統分析”穩態與暫態兩部分。在電力電子化系統中，如交直流混聯的輸電或配電系統，功率變換器的損耗特性和故障特性直接影響潮流分析和故障分析的準確度。

（3）穩定性分析與潮流分析、故障分析并列電力系統三大計算。在電力電子化電力系統中，功率變換器控制涉及多時間尺度，且控制交互作用復雜，導致系統振蕩模式多樣、分析過程非常繁瑣。

“電力系統分析”課程內容可追溯到上世紀80年代，經過近40年的內容補充和更新，對傳統電力系統建模和分析手段的講授已極為成熟和完備。然后，囿于其歷史發展階段，課程內容的基礎性在高比例新能源與電力電子裝置接入背景下與日降低，在傳統“電力系統分析”課程中擴充與新能源、功率變換器相關的內容，并與行業特色緊密結合，已成為現有諸多電氣專業強校的一致選擇。

航空航天電氣系統作為極為特殊的微電網，受限于體積與重量要求，其電源容量一般和負載容量相當，供電裕度?。ㄎ覈F有軍標對飛機電氣系統主電源和二次電源連續工作的供電容量裕度的要求為33%-50%，應急電源供電容量裕度為10%），而電作動器、電動液壓泵、航空電子設備、雷達等非線性負載多，系統耦合性強。飛行過程中大氣壓力、溫度、空氣濕度等環境參數變化迅速，且機體易受熱力亂流、高空亂流、強冷氣流等影響出現結冰、顛簸，電除冰系統、電作動機構、電環控系統等起動、突加、突卸載與制動能量回饋均會給電氣系統帶來隨機擾動與瞬態沖擊［6］?？梢?，航空航天電氣系統具有區別于陸上電力系統的鮮明特點，如何結合兩者特點，開展特色課程教學，已成為南航“電力系統分析”課程建設的重要探索方向。

3 航空航天特色課程教學模式

3.1 教學內容推陳出新

在華北電力大學等電氣專業強校，本科階段“電力系統分析”課程分設為電力系統分析基礎與電力系統暫態分析兩部分；研究生階段則主要圍繞復雜電力系統的動態模型與穩定性分析等內容進行講授，如功角穩定性、電壓穩定性、機電暫態仿真、電磁暫態仿真等。整體教學內容跨度大、涉及范圍廣，難以適應航空航天院校不同層次和不同專業學生的學習理解能力、應用需求差異，連貫成階梯的參考書選定和講義編寫成為具備航空航天特色“電力系統分析”課程教學模式的基礎。

（1）本科生“電力系統分析”課程。南航自2021-2022春季學期起，本科“電力系統分析”課程將從32學時專業選修課轉變為必修課。為在有限課時內完成系統化教學，課程內容被重新整合為電力系統概述、電力系統穩態模型、電力系統潮流分析、電力系統穩態運行與控制（有/無功經濟運行）、電力系統暫態運行（故障電流計算與單機-無窮大系統穩定性分析）等5章內容。同時，目前在選修課階段即有意識地增加了陸上微電網、多電飛機B787電氣系的架構、運行與控制等認知內容（目前已拓展至3學時），旨在通過以小見大的方式，讓學生對電力系統的運行與控制有直觀的對比認知。

（2）碩士研究生“動態電力系統分析”課程。原課程與本科階段同樣命名為“電力系統分析”，為兼顧不同層次學生需求，在講授內容上與本科課程有相當部分重復。在新模式下，除課程開始階段通過4～6學時回顧電力系統穩態模型、潮流計算、故障電流計算等內容外（隨著課程資料庫的建設完善，該部分學時將會被進一步壓縮），以“動態電力系統分析”為核心，著重講授電力系統動態建模與基本穩定性問題、小信號與大信號穩定性分析方法、機電/電磁暫態仿真理論與方法、陸上微電網和B787、F35等航空電氣系統的建模與分析案例等內容。

3.2 線上線下混合教學

無論是“電力系統分析”還是“動態電力系統分析”課程，其內容涉及電力系統的多個層面，理論知識繁多，32或48學時的授課時間遠遠無法實現所有內容的深度講解，從而不得不對授課內容進行刪減。此種授課方式是對課時限制的妥協，不利于學生完整專業知識體系的建立?；诖?，課程已初步建立：

1）本科課程資料庫

已選用超星學習通作為在線教學平臺，在開課之初即將電子教案、參考書籍、視頻文件、仿真軟件等按授課順序和資料類別提前分享到資料庫之中（通過歸檔，可反復調用），方便學生提前下載或觀看學習。后續將可通過課程的充分迭代更新，形成本科生精品課程乃至研究生線上課程，幫助不同知識掌握水平的研究生完成學習回顧與銜接。

2）課程試題庫

建立了含選擇、判斷、計算、簡答和課程設計等多種類型的試題庫，并輔以難度星級和計算復雜度評價，初步構成了章節與階段性考核的本科試題匯選方案。后續，可通過試題庫的定期補充，最終達到線上考核、隨機測試等教學功能。

3）線上線下混合教學機制

將課程資料庫與課程試題庫逐步納入教學計劃中，按知識點的理解難度、重要度和線上學習資源完備度，逐步將部分教學任務下沉到學生預習和課后作業中，并以任務形式進行少量多點式考核，減少學生平時上課忽視、考前臨時突擊的現象的發生。

3.3 航空電力系統案例仿真實踐

“電力系統分析”課程偏重于對實際電力系統的建模和理論分析，而實際電力系統的宏觀性又使得學生難以直觀感受，造成明顯的“看不清、摸不著、學不會”，尤其是電力系統暫態過程，涉及多個裝置的耦合與時序作用。雖然大部分具有電氣工程專業的高校均開設了電氣實驗課程，但多是電機、繼電保護、電力電子裝置等微觀局部的實踐內容，難以建立完整的電力系統實驗課程，因此，依托行業應用特色，結合仿真實驗教學方法，成為首選教學實踐方案。

（1）針對本科生，依托已開發的“互聯網+”多電飛機供電系統虛擬仿真實驗系統［5］開展認知和實驗教學，如圖1所示，包括飛機電力系統的組成結構了解、搭建練習、故障設置/定位、供電特征波形輸出與陸上電力系統對比認知等內容。通過專業級并同時具備科普特征的虛擬仿真實驗，將有助于學生實現電力系統從宏觀到具體的認知，增加學習興趣。

圖1 電氣化飛機電力系統虛擬仿真實驗系統

（2）針對碩士研究生，主要選用PSCAD、PSASP、ETAP、Matlab/Simulink等專業仿真軟件，開展電力電子化電力系統建模、仿真與控制實驗教學。具體建模對象包括陸上交直流微電網、多電飛機B787與F35電氣系統等，同時應用“動態電力系統分析”課程關于穩定性分析的理論內容，通過參數設計與實驗分析加深對理論的理解和應用能力。

4 結語

以南航為例，本文針對性地闡明了本科與碩士研究生階段“電力系統分析”課程在南航的設置現狀及其自身發展趨勢，并從教材講義內容編選、線上線下混合教學、虛擬仿真實踐三個方面探討和介紹了電力系統分析課程的教學模式和改革措施，為航空航天類院校電氣工程專業完善“電力系統分析”課程教學提供了一種建設思路。

在傳統電力系統分析的基礎上，滲透了一些新的技術內容和工程應有場景，并通過現代信息技術與實驗教學項目的深度融合，使學生的認知具有前瞻性，能夠更快地適應迅速發展的電力工程事業和航空航天電氣系統（尤其是多電/全電飛機），從而服務于高素質電氣人才培養和一流電氣工程學科的建設。