以學生為中心的電力系統分析實驗教學改革探索

任曉 孫章 余建華 方勇 鄭敏

【摘要】本文闡述電力系統分析實驗教學的沿革，提出在課程設置上增加綜合、設計研究型實驗，通過自行設計實驗內容培養學生獨立創新性思維能力，引導學生掌握常用儀器的正確使用方法等策略，加深學生對各種短路特性、電力穩態運行特性及穩定性規律理論知識的理解，以適應工程教育認證教學的需求。

【關鍵詞】電力系統分析 以學生為中心 實驗教學

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）21-0157-04

電力系統分析是電氣工程及其自動化專業的一門專業必修核心課程，傳授電力系統中電網潮流計算和短路計算、穩態分析和穩定性分析的基本概念，并培養學生的實踐能力、及電力系統運行分析和設計的能力，為學生以后的工作打下堅實基礎。電力系統分析實驗教學則通過實踐教學進一步加深學生對各種短路特性、電力穩態運行特性及穩定性規律理論知識的理解，引導學生掌握電力系統短路、電力系統電力穩態運行特性及穩定性分析的基本原理和方法，鞏固課堂所講授的內容，培養學生對復雜電氣工程問題進行預測與模擬的能力。

為適應工程教育認證、新工科建設和卓越計劃的需要，西華大學電氣與電子信息學院（以下簡稱“我院”）課改團隊對電力系統分析實驗的教學內容、教學模式及教學評價等進行改革探索，堅持以學生為中心的原則，讓學生成為實驗教學活動的主體，以過程考核與學生能力提升作為教學評價的核心，打造一種以學生為中心、特色鮮明的電力系統分析實驗教學新模式。

一、教學沿革以及教學現狀分析

為了適應國家工程教育教育認證的要求和培養能解決復雜電氣問題的復合型人才，我院電氣工程及其自動化專業的培養方案近10年來已經歷了2011年版、2015年版、2019年版三次修訂，2023版的培養方案的修訂工作已于2022年底開始啟動。電力系統分析的培養方案2019年版在2015年版的基礎上進行了重大修訂。2019版的培養方案中電力系統分析課程在2015年版的基礎上進行了較大調整，將原來的電力系統分析課程拆分成電力系統分析（1）和電力系統分析（2）兩門課程。2015年版和2019年版電力系統分析學分及適用范圍針對專業分方向做出合理調整，2019年版培養方案從2019級開始實施（如表1所示）。

如表1所示，在2015版及以前的電力系統分析課程僅適用于電力系統及其自動化方向學生。而在2019版的培養方案中，電力系統分析（1）適用于電氣工程及其自動化專業學生，并作為新課程加入電力電子技術及應用方向學生的必修課中，開課時間為第5學期，實驗學時安排為4學時；電力系統分析（2）僅適用于電力系統及其自動化方向學生，開課時間為第6學期，實驗學時為8學時。相較于2015版課改方案，電力系統及其自動化方向的學生該門課程的學分及學時均有所增加。

電力系統綜合自動化試驗臺的數量變化情況如表2所示。

從表2可知，2007年電力系統分析課程沒有試驗操作臺；2007年開始，建立電力系統自動化專業實驗室，一個實驗室裝配有電力系統分析課程、電力系統繼電保護課程和電力自動化等三門課程實驗設備。隨著工程教育認證需求不斷增加，電力系統試驗臺的數量也隨之增加，在2016年開始建立獨立電力系統自動化綜合實驗室，到現在為止試驗臺達到15套。2023將對電力系統綜合自動化試驗平臺進行更新，取代傳統的WDT-IIIC試驗平臺。

電力系統分析實驗教學隸屬于課程的實驗，因此不獨立成課，故電力系統分析課程的成績包括三部分：10%的平時成績、20%的實驗成績、70%的期末考試成績。實驗成績包含操作成績和報告成績，其中操作成績占40%，報告成績60%。每個實驗的操作成績和報告成績分別采用100分制計分，全部操作成績和報告成績按權重加和進行平均得到最終實驗成績。

（一）實驗操作成績的評價方式

目前，實驗課由理論課老師和實驗師老師2人完成實驗教學工作，每班次人數40人左右，每個試驗臺4人。實驗過程中，1名教師要負責5—6個實驗臺，20人左右進行實驗。操作成績評定方法如表3所示。

（二）實驗報告成績的評定方式

實驗報告成績評定項目包括實驗目的、實驗原理、實驗設備及器材、實驗步驟、實驗過程記錄、實驗問題討論和結果分析，如果實驗心得體會寫得較深刻，同時書寫工整，可以給95分；如有缺項進行扣分，少一項扣5分，大多數學生的報告成績都會在80—85分之間；如發現有實驗數據和數據分析雷同，視為抄襲報告，這樣的報告分數一般不會高，基本上是60—75分之間，這樣可能會對被抄襲者帶來不公平；只要參加了實驗并交了實驗報告，至少能得到及格分。

二、傳統的電力系統分析實驗教學存在的問題

筆者在教學實改革實踐中發現存在如下問題。

首先，是實驗內容多以驗證型為主，缺少綜合、設計研究型的大實驗。目前多數高校的電力系統分析實驗以驗證性為主，如三相對稱短路實驗、不對稱短路實驗、一機無窮大穩態系統運行方式實驗，且各個實驗課的內容彼此相對獨立。雖然驗證性實驗可以幫助學生鞏固電力系統分析的理論知識、培養學生的基本實驗技能，但驗證性實驗難以激發學生的創造性思維，不能滿足工程教育認證關于培養學生解決復雜電氣工程問題的能力的要求。

其次，是學生的參與度不高。教師在實驗教學中占據課程的主導地位，實驗過程教師講解理論課對應的實驗內容和操作示范實驗步驟，較少顧及學生的課堂體驗過程。由于學生學習存在一定惰性，在進行分組實驗時部分學生難以積極主動地參與到實驗中來，在實驗過程渾水摸魚、中途溜號，甚至還有極個別學生根本就不進實驗室進行實驗。

最后，是測量儀表、儀器的使用熟練度欠佳。在實驗過程中學生可能會用到一些測量儀表、儀器，但是學生并不能熟練使用。有的學生可能聽說過、見到過，但沒使用過。學生安全意識不強，在使用這些儀表、儀器時可能會造成儀表損壞，甚至可能帶來人身安全威脅。

三、以學生為中心的實驗教學措施

針對上述存在的問題，我院課改團隊結合2019版課改計劃進行了實驗類型和實驗教學方式等方面的教學改革。在實驗教學內容的選擇上，實驗類型從“驗證型實驗”向“綜合型”“設計研究型實驗”方向轉變，實驗教學方式從以前以“教師為中心”向以“學生為中心”的方向轉變。

（一）課程設置上增加綜合、設計研究型實驗

從表2可知，到目前為止我院電力系統分析課程采用的還是2015年以前傳統的機械式操作按鈕的試驗平臺，這類試驗平臺主要用于完成傳統的驗證型實驗，難以開設出綜合、設計研究型的實驗項目。為適應工程教育認證的以學生為中心的要求，我院計劃在2023年更新新型的電力系統綜合自動化試驗平臺8套，與原來的4臺電力系統微機監控系統配合使用，擬開設綜合型、設計研究型實驗。

我院利用ETAP軟件與試驗平臺，開拓綜合型、設計研究型實驗內容，并充分利用ETAP電力系統聯合實驗室資源，讓學生在電力系統試驗平臺實驗的基礎上利用ETAP軟件對電力系統微機監控試驗臺的多機系統電力網絡模型進行建立單線圖實驗。學生不僅可在所建立的單線圖中自行設計電力系統分析的開環和閉環的潮流分析、短路分析、暫態穩定分析實驗，而且可進行繼電保護課程的調試自動化實驗，真正實現多科融合的綜合設計型實驗。

學生在實驗過程利用ETAP軟件對試驗平臺電力網絡系統建立單線圖進行潮流分析、在試驗平臺實時改變網絡結構，可觀察各個網絡結構下的系統運行狀態，包括各母線上電壓幅值及相角、網絡中的功率分布和功率損耗情況，進一步加深理解教學中所講授的潮流計算相關理論知識。本次實驗教學改革不僅可以培養學生實踐動手能力和充分發揮其主觀能動性，而且可以培養學生準確識別、分析和解決實際復雜電氣工程問題的能力。

（二）通過自行設計實驗內容培養學生獨立創新性思維能力

采用以學生為中心的實驗教學方式，在實驗過程中，教師只做引導，實驗內容由學生根據電力系統分析課程教學內容進行自主設計。

下面以復雜電力系統運行方式實驗為例。本實驗系統由1臺PS-7G微機監控試驗臺和3臺WDT-IIIC電力系統綜合自動化試驗臺組成，復雜電力系統運行方式實驗操作界面如圖1所示。

圖1（a）為電力系統微機監控試驗臺的軟件操作界面，在本實驗中充當電力調度中心；圖1（b）為電力系統綜合自動化試驗臺操作界面圖，在本實驗中充當變電站角色。圖1中斷路器（QF）有合閘和分閘兩種指示狀態；變電站有投入電網和退出電網兩種運行狀態；圖1中所有斷路器均可在微機上進行遠動分、合閘，也可在監控試驗臺上進行手動分、合閘。

教師引導學生主要從以下兩種方式自主設計實驗方案。

（1）改變網絡結構分析系統對潮流的影響

保持各變電站的運行參數不變，通過改變網絡結構，來記錄系統中結構變化前后各變電站和母線的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因素的情況并分析。圖1（a）所示的多節點環形網絡結構有如下幾種變化方式：①切除線路XLC，電力網變成一個輻射形網絡；②切除線路XLF，則變電站C和變電站E需經過長距離向電力系統輸送功率；③切除線路XLF和線路XLC，電力網變成T形網絡。

（2）投、切負荷分析系統對潮流的影響

在相同網絡結構上，保持各變電站向系統輸送一有功率和無功功率，其大小由學生自行確定。通過投入各地方負荷LDA、LDB和LDC的不同組合形式，記錄投入負荷后系統中運行參數的變化情況并分析。

實驗過程中學生重點觀察不同絡結構或不同負荷下各個站的功率分布、母線電壓變化，分析各站是輸出功率還是吸收功率，母線電壓是抬升還是降低，通過的前面的現象采用何種方式可以保證電網暫態穩態正常運行，以此提高學生分析問題和解決問題能力。

本實驗是學生根據所學專業知識自主開展實驗。學生結合實驗內容自行分組并作角色交換，在實驗過程既擔當電力調度員又擔當變電站值班員角色。通過這種以學生為中心的自主實驗，充分調動學生的學習積極性，讓學生主動參與到實驗中來，培養學生的獨立思考問題和創新思維能力。

（三）引導學生掌握常用儀器的正確使用方法

電力系統分析實驗課程中常用的測量儀表、儀器為萬用表和示波器。下面以示波器如何捕捉波形為例，教授學生使用示波器的方法。

在三相對稱短路實驗過程中需要測量對稱三相短路時的電流波形（本試驗臺內部通過采樣電阻將電流波形轉化為電壓波形，故示波器捕捉到的電壓波形實質上是短路電流的波形）。波形捕捉主要考慮的是幅值、頻率/周期、觸發電平、觸發位置、是否需要衰減等。

在示波器的使用過程中，教師通過引導方式讓學生自己動手調節而非給學生調節好示波器讓其直接使用，讓學生動手實驗。

因為實驗室只有雙通道的示波器，所以不能同時捕捉對稱短路時的A、B、C三相電流瞬時波形，因此通過調節好的示波器捕捉的僅是發電機作用時三相對稱短路的A相、B相瞬態電流波形。如圖2所示。

從圖2可以看出，示波器的縱軸電壓幅值為1 V/格，水平軸為時間軸為20 ms/格，波形捕捉時刻在104.8 ms，觸發方式為上升沿觸發，觸發電平為480 mV，捕捉到的發電機作用時的對稱短路的波形幅值呈衰減趨勢，相位差為120°。

教師通過引導方式讓學生學會常用儀器的使用方法，培養學生動手能力并提升學生自信心，為學生今后從事工作或進一步學習打下堅實基礎。

綜上所述，以學生為中心的電力系統分析實驗教學改革，很大程度解決了傳統的以教師講授為主的實驗教學模式可能引發的問題和實驗教學評價困難帶來的問題，也從一定程度上提升了學生實驗積極性。教師通過引導學生課前預習、組織學生小組學習和引導學生動手探究等方式培養了學生的團隊協作精神、動手能力和學習興趣。

參考文獻

［1］劉毅，賀恒鑫，李化，等.以學生為中心的高電壓實驗教學探討［J］.電氣電子教學學報，2021（2）.

［2］任玲，張寧，岑紅蕾.以學生為中心的“數字電子技術”課程教學研究［J］.電氣電子教學學報，2018（2）.

［3］孫琳，程宇婕，李紅，等.“以學生為中心”的無機化學實驗教學改革與探究：以河南大學為例［J］.廣州化工，2022（12）.

［4］樊艷芳.“電力系統分析”實驗教學的改革與實踐［J］.中國電力教育，2014（11）.

注：本文系西華大學教育教學改革項目（xjjg2021043）、教育部產學研協同育人項目（220606584141358）的研究成果之一。

作者簡介：任曉（1976— ），四川南部縣人，碩士，實驗師，主要從事實驗教學改革與實踐研究；孫章（1988— ），湖北利川市人，碩士，高級實驗師，主要從事實驗教學改革與實踐研究；余建華（1972— ），四川北川縣人，本科，講師，主要從事實驗教學改革與實踐研究；方勇（1968— ），四川簡陽市人，博士，講師，主要從事電力系統分析課程教學改革與實踐研究；鄭敏（1971— ），重慶長壽人，碩士，副教授，主要從事電力系統分析教學改革與實踐研究。

（責編 羅異豐）