电气工程理论课程的实验教学分析_吉畅.pdf

Application 创新应用124 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月摘要：阐述电力系统分析、电机学、电力系统继电保护课程的实验教学分析，利用动态模拟实验室、Matlab构建多维、立体的综合实验课程，探讨基于新工科的综合实验教学考核方式。关键词：电气工程，动态模拟实验，Matlab，综合实验课程。中图分类号：TN0-4文章编号：1000-0755(2023)05-0124-03文献引用格式：吉畅，邹旺.电气工程理论课程的实验教学分析J.电子技术,2023,52(05):124-126.学建设的重要2。可以概括为“知”“行”合一，“知”即理论知识，有理论知识才能具备处理实际问题的理论基础，“行”即学生课内课外的实践教学环节，通过“行”才能有力促进学生领悟“知”。但本校课程理论与现有实践环节脱节，实践环节对理论的支撑不够，且未形成立体化的培养大纲。因此，本文主要研究并建立立足于“电力系统分析”“电机学”“电力系统继电保护”等课程的多维度立体化综合实践教学模式，结合新能源配网动模实验室现有设备通过开发动模实验、Matlab数字仿真实验环节及课程设计环节，将理论课程及实践环节在内容设置、开设学期设置等关联点进行有机融合。此外采用过程化的开合体系，更全面的掌握学生对课程内容的理解，达到培养目标。2 电气工程课程的多维立体教学设计对本校而言，完整的实践环节应包含利用智能配电网与新能源动模实验室开展的真机综合实验、利用Matlab建立的数字仿真实验和对应的学生数字仿真实验。利用动模实验室进行真机模拟，通过Matlab进行数据处理和理论与实际的验证。（1）开发基于动态模拟实验室的电力系统0 引言在国内电气工程的本科教学课程中，“电力系统分析”“电机学”“电力系统继电保护”等课程实践性较强、涉及内容与工程实际联系紧密，其理论内容广泛覆盖了电力行业多种工种的实际需求1。因此电力系统分析的相关实验课是本科生对电力行业现场工作认识的第一课。随着新工科建设的深入和现代电力系统的快速发展，原电力系统分析课程纯理论课程不再适用，国家对地方院校电力系统分析课程的工程实践性提出了更高的要求。体系化、多维度、立体化成为目前国内外各高校对该课程实践的基本要求。但目前重视课程理论学习、实践教学环节零散、考核与教学目标不匹配等问题较为严重，甚至多数高校并不包含“电力系统分析”的实践教学。1 研究背景随堂实验、课后实践、综合实践等实践环节是对理论教学内容的验证和实践支持，支撑了理论内容的综合创新。成体系的开展实践教学可以帮助学生通过理论和实际的验证深入理解课程内容，同时训练学生对实际情况的应对能力，是应用型大电气工程理论课程的实验教学分析吉畅，邹旺（六盘水师范学院 物理与电气工程学院，贵州 553004）Abstract This paper expounds the experimental teaching analysis of the courses of power system analysis,electrical engineering and power system relay protection,uses the dynamic simulation laboratory and Matlab to build a multi-dimensional and three-dimensional comprehensive experimental course,and discusses the assessment method of comprehensive experimental teaching based on new engineering subjects.Index Terms electrical engineering,dynamic simulation experiment,Matlab,comprehensive experiment course.Analysis of Experimental Teaching Electrical Engineering Theory CourseJI Chang,ZOU Wang(School of Physics and Electrical Engineering,Liupanshui Normal University,Guizhou 553004,China.)基金项目：贵州省级一流本科专业建设项目（GZSylzy202101），六盘水师范学院教学内容和课程体系改革研究项目（LPSSYjg-2021-30）。作者简介：吉畅，六盘水师范学院 物理与电气工程学院；研究方向：电气工程。收稿日期：2022-11-07；修回日期：2023-05-11。Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 125综合实验。电力系统运行、控制关系到国计民生，其设计、理论研究更离不开仿真支持。动态模拟实验是电力系统“缩影”，是电力系统仿真的最优方式。六盘水师范学院的新能源与智能配电网实验室是与企业共同建设的新实验室，是研究与验证电力系统基础原理的有力内容。经过国内高校调研，经建设后，在本校的智能电网及新能源实验室下，学生可以进行多项基于课程内容的电气综合实验。内容覆盖“电力系统分析”“电机学”等多门课程。包括：电力系统运行实验、电网潮流计算分析实验、电力系统故障分析实验即继电保护实验、电力系统负荷实验等多种真机物理实验。通过以上实验学生掌握接线方法、多节点网络的潮流分布；客观认识电力系统调压、调频的重要性，掌握调压、调频的基本原则和技术手段；认识电力系统常见故障特点、相应的继电保护设计及整定；分析电力系统稳定性，掌握影响因素及提高电力系统稳定性的方法。建立的动模实验水电机组并网系统一次接线如图1所示。本专业已建立了基于图1系统的多个教学实验及科研实验，以发电机组的励磁方式的验证与切换实验为例，励磁接线如图2所示。该单元是水电机组基础单元之一，用以分析和验证励磁方式对发电机输出的影响，共恒电流、恒控制角、恒机端电压、恒无功4种方式。励磁方式的验证用于支撑电机学、高电压技术、电力系统分析课程。此外，由于励磁采用的是直流电流，因此系统中存在整流电路，即同时可支撑电工学、模拟电路等基础学科的应用。（2）基于Matlab的数字仿真实验。基于Matlab的数字仿真实验主要由数据导入、数据处理、模型构建、模型分析等部分构成，由六盘水师范学院物理与电气工程学院教师联合开发，通过学院服务器与学生共享。在此平台下，学生需要掌握动模实验数据的导入、动模实验的数字抽象、电力系统运行方式与潮流计算、动模实验及实际生活中电力系统横向故障分析实验、电力系统暂态稳定性及静态稳定性实验、电力系统并网控制、变电所逆调压方式确定变压器分接头等多个与动模实验相对应的仿真实验，直观感受电气量的变化，以及因此产生的运行状况的变化。由此对电力系统分析课程更全面的回顾和学习，为培养电气工程实用性人才建立基础。以光伏接入并网为例，可参考如下的仿真建立并网模型，用以与实际动模实验室得到的仿真结果进行调度，以平抑光伏出力波动性，实现调度优化。过程中设计了光伏发电的原理、升压电路、整流电路、控制电路等多个基础电路，用以支撑电气专业、自动化专业的相关课程。此外调度优化等内容较为新颖，也可支撑学生、教师科研。图3为光伏并网系统Simulink仿真示意图3 课程教学实践本节所指课程设计为期末课程设计，即理论课程结束后单独设立的课程设计，纳入期末考核范围。学生根据自身情况进行课程设计的题目选择，要求独立完成。以“电力系统分析”课程为例所拟定的课程设计题目包含如下：（1）10110kV经升压变压器连接的电力系统潮流计算及分析；（2）结合无功计算、静态电容补偿、静态无功发生器、有源滤波器等构成的无功补偿、调压、谐波补偿图2 励磁系统控制接线图1 水电机组并网系统一次接线Application 创新应用126 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月等；（3）电力系统三相短路电流计算；（4）电力系统暂态稳定性、机电稳定性分析。一个题目中可包含多个子项目，学生可以根据自身能力进行子项目的选择而不要求全部做完。通过以上项目加深理论知识与实际的联系，进一步培养学生系统化思考问题、实践创新能力。教学模式。由于本校电力系统的专业课程中有较多并未开展实践，因此将“电力系统分析”“电机学”“电力系统继电保护”“电力系统通信技术”等课程的实践环节综合称为“电力系统综合实践”课程。根据人才培养方案和所建立的教学目标，开发的部分实验及实验目的如下。发电机启动实验：属于电力系统运行实验，学生独立进行发电机启动，了解常见发电机启动的方式，并给出启动数据。发电机调整实验：属于电力系统运行方式实验。了解发电机调速控制策略、系统调频原理，并给出调整数据。准同期并列实验：属于并网实验。要求学生在教师演示后独立完成手动准同期并实验、半自动准同期并列实验、全自动准同期并实验、偏离准同期并列条件合闸实验3。电力系统潮流计算实验：数据电力系统分析实验。要求独立完成电力系统启动、停机等操作，独立读取潮流，并利用Matlab进行计算和验证。同步发电机微机励磁实验：不同类型的励磁切换实验；伏赫限制实验。考核方式。为了更好地评价学生对实践教学的掌握情况，我们将对以上3个部分进行综合评价。其中，期末操作占比70%，平时成绩占比30%，具体评价如图4所示。此外课程设计属于理论课程的支撑，不计入电力系统实践课程计分内容。4 结语“电力系统分析”“电机学”“电力电子”等课程是本科电气工程专业核心课程，其教学改革对本专业建设和学科发展具有实用意义。本文通过对“电力系统分析”“电机学”等课程内容分析及实践教学内容进行设计，进行教学模式的改进，最终建立多维度立体化、具有完善实践教学模式及考核模式，形成完整的实践教学大纲。参考文献1 郭凯凯,李敬兆.新工科背景下电气工程专业课问题探索型教学方法探究J.高教学刊,2020(06):102-104.2 郝亮亮,吴俊勇,夏明超.“电力系统分析”实践教学模式的探索与改革J.电气电子教学学报,2020,42(03):144-147.3 黄文力,苗满香.电气工程及其自动化专业课程体系的改革J.郑州航空工业管理学院学报(社会科学版),2011,30(04):164-167.4 潘再平,马皓,卢慧芬,杨莉,陈欣.电气工程实验教学中心的建设与实践J.电气电子教学学报,2011,33(S1):51-53+58.5 杨小品,章顺华,李彧雯,张兴旺,章彧,连晶晶.电气工程实践教学模式改革的探讨J.佳木斯职业学院学报,2015(02):329.图3 光伏并网系统simulink仿真示意图图4 考核评价方式