以学生为中心的电力系统分析实验教学改革探索

任晓 孙章 余建华 方勇 郑敏

【摘要】本文阐述电力系统分析实验教学的沿革，提出在课程设置上增加综合、设计研究型实验，通过自行设计实验内容培养学生独立创新性思维能力，引导学生掌握常用仪器的正确使用方法等策略，加深学生对各种短路特性、电力稳态运行特性及稳定性规律理论知识的理解，以适应工程教育认证教学的需求。

【关键词】电力系统分析 以学生为中心 实验教学

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）21-0157-04

电力系统分析是电气工程及其自动化专业的一门专业必修核心课程，传授电力系统中电网潮流计算和短路计算、稳态分析和稳定性分析的基本概念，并培养学生的实践能力、及电力系统运行分析和设计的能力，为学生以后的工作打下坚实基础。电力系统分析实验教学则通过实践教学进一步加深学生对各种短路特性、电力稳态运行特性及稳定性规律理论知识的理解，引导学生掌握电力系统短路、电力系统电力稳态运行特性及稳定性分析的基本原理和方法，巩固课堂所讲授的内容，培养学生对复杂电气工程问题进行预测与模拟的能力。

为适应工程教育认证、新工科建设和卓越计划的需要，西华大学电气与电子信息学院（以下简称“我院”）课改团队对电力系统分析实验的教学内容、教学模式及教学评价等进行改革探索，坚持以学生为中心的原则，让学生成为实验教学活动的主体，以过程考核与学生能力提升作为教学评价的核心，打造一种以学生为中心、特色鲜明的电力系统分析实验教学新模式。

一、教学沿革以及教学现状分析

为了适应国家工程教育教育认证的要求和培养能解决复杂电气问题的复合型人才，我院电气工程及其自动化专业的培养方案近10年来已经历了2011年版、2015年版、2019年版三次修订，2023版的培养方案的修订工作已于2022年底开始启动。电力系统分析的培养方案2019年版在2015年版的基础上进行了重大修订。2019版的培养方案中电力系统分析课程在2015年版的基础上进行了较大调整，将原来的电力系统分析课程拆分成电力系统分析（1）和电力系统分析（2）两门课程。2015年版和2019年版电力系统分析学分及适用范围针对专业分方向做出合理调整，2019年版培养方案从2019级开始实施（如表1所示）。

如表1所示，在2015版及以前的电力系统分析课程仅适用于电力系统及其自动化方向学生。而在2019版的培养方案中，电力系统分析（1）适用于电气工程及其自动化专业学生，并作为新课程加入电力电子技术及应用方向学生的必修课中，开课时间为第5学期，实验学时安排为4学时；电力系统分析（2）仅适用于电力系统及其自动化方向学生，开课时间为第6学期，实验学时为8学时。相较于2015版课改方案，电力系统及其自动化方向的学生该门课程的学分及学时均有所增加。

电力系统综合自动化试验台的数量变化情况如表2所示。

从表2可知，2007年电力系统分析课程没有试验操作台；2007年开始，建立电力系统自动化专业实验室，一个实验室装配有电力系统分析课程、电力系统继电保护课程和电力自动化等三门课程实验设备。随着工程教育认证需求不断增加，电力系统试验台的数量也随之增加，在2016年开始建立独立电力系统自动化综合实验室，到现在为止试验台达到15套。2023将对电力系统综合自动化试验平台进行更新，取代传统的WDT-IIIC试驗平台。

电力系统分析实验教学隶属于课程的实验，因此不独立成课，故电力系统分析课程的成绩包括三部分：10%的平时成绩、20%的实验成绩、70%的期末考试成绩。实验成绩包含操作成绩和报告成绩，其中操作成绩占40%，报告成绩60%。每个实验的操作成绩和报告成绩分别采用100分制计分，全部操作成绩和报告成绩按权重加和进行平均得到最终实验成绩。

（一）实验操作成绩的评价方式

目前，实验课由理论课老师和实验师老师2人完成实验教学工作，每班次人数40人左右，每个试验台4人。实验过程中，1名教师要负责5—6个实验台，20人左右进行实验。操作成绩评定方法如表3所示。

（二）实验报告成绩的评定方式

实验报告成绩评定项目包括实验目的、实验原理、实验设备及器材、实验步骤、实验过程记录、实验问题讨论和结果分析，如果实验心得体会写得较深刻，同时书写工整，可以给95分；如有缺项进行扣分，少一项扣5分，大多数学生的报告成绩都会在80—85分之间；如发现有实验数据和数据分析雷同，视为抄袭报告，这样的报告分数一般不会高，基本上是60—75分之间，这样可能会对被抄袭者带来不公平；只要参加了实验并交了实验报告，至少能得到及格分。

二、传统的电力系统分析实验教学存在的问题

笔者在教学实改革实践中发现存在如下问题。

首先，是实验内容多以验证型为主，缺少综合、设计研究型的大实验。目前多数高校的电力系统分析实验以验证性为主，如三相对称短路实验、不对称短路实验、一机无穷大稳态系统运行方式实验，且各个实验课的内容彼此相对独立。虽然验证性实验可以帮助学生巩固电力系统分析的理论知识、培养学生的基本实验技能，但验证性实验难以激发学生的创造性思维，不能满足工程教育认证关于培养学生解决复杂电气工程问题的能力的要求。

其次，是学生的参与度不高。教师在实验教学中占据课程的主导地位，实验过程教师讲解理论课对应的实验内容和操作示范实验步骤，较少顾及学生的课堂体验过程。由于学生学习存在一定惰性，在进行分组实验时部分学生难以积极主动地参与到实验中来，在实验过程浑水摸鱼、中途溜号，甚至还有极个别学生根本就不进实验室进行实验。

最后，是测量仪表、仪器的使用熟练度欠佳。在实验过程中学生可能会用到一些测量仪表、仪器，但是学生并不能熟练使用。有的学生可能听说过、见到过，但没使用过。学生安全意识不强，在使用这些仪表、仪器时可能会造成仪表损坏，甚至可能带来人身安全威胁。

三、以学生为中心的实验教学措施

针对上述存在的问题，我院课改团队结合2019版课改计划进行了实验类型和实验教学方式等方面的教学改革。在实验教学内容的选择上，实验类型从“验证型实验”向“综合型”“设计研究型实验”方向转变，实验教学方式从以前以“教师为中心”向以“学生为中心”的方向转变。

（一）课程设置上增加综合、设计研究型实验

从表2可知，到目前为止我院电力系统分析课程采用的还是2015年以前传统的机械式操作按钮的试验平台，这类试验平台主要用于完成传统的验证型实验，难以开设出综合、设计研究型的实验项目。为适应工程教育认证的以学生为中心的要求，我院计划在2023年更新新型的电力系统综合自动化试验平台8套，与原来的4台电力系统微机监控系统配合使用，拟开设综合型、设计研究型实验。

我院利用ETAP软件与试验平台，开拓综合型、设计研究型实验内容，并充分利用ETAP电力系统联合实验室资源，让学生在电力系统试验平台实验的基础上利用ETAP软件对电力系统微机监控试验台的多机系统电力网络模型进行建立单线图实验。学生不仅可在所建立的单线图中自行设计电力系统分析的开环和闭环的潮流分析、短路分析、暂态稳定分析实验，而且可进行继电保护课程的调试自动化实验，真正实现多科融合的综合设计型实验。

学生在实验过程利用ETAP软件对试验平台电力网络系统建立单线图进行潮流分析、在试验平台实时改变网络结构，可观察各个网络结构下的系统运行状态，包括各母线上电压幅值及相角、网络中的功率分布和功率损耗情况，进一步加深理解教学中所讲授的潮流计算相关理论知识。本次实验教学改革不仅可以培养学生实践动手能力和充分发挥其主观能动性，而且可以培养学生准确识别、分析和解决实际复杂电气工程问题的能力。

（二）通过自行设计实验内容培养学生独立创新性思维能力

采用以学生为中心的实验教学方式，在实验过程中，教师只做引导，实验内容由学生根据电力系统分析课程教学内容进行自主设计。

下面以复杂电力系统运行方式实验为例。本实验系统由1台PS-7G微机监控试验台和3台WDT-IIIC电力系统综合自动化试验台组成，复杂电力系统运行方式实验操作界面如图1所示。

图1（a）为电力系统微机监控试验台的软件操作界面，在本实验中充当电力调度中心；图1（b）为电力系统综合自动化试验台操作界面图，在本实验中充当变电站角色。图1中断路器（QF）有合闸和分闸两种指示状态；变电站有投入电网和退出电网两种运行状态；图1中所有断路器均可在微机上进行远动分、合闸，也可在监控试验台上进行手动分、合闸。

教师引导学生主要从以下两种方式自主设计实验方案。

（1）改变网络结构分析系统对潮流的影响

保持各变电站的运行参数不变，通过改变网络结构，来记录系统中结构变化前后各变电站和母线的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因素的情况并分析。图1（a）所示的多节点环形网络结构有如下几种变化方式：①切除线路XLC，电力网变成一个辐射形网络；②切除线路XLF，则变电站C和变电站E需经过长距离向电力系统输送功率；③切除线路XLF和线路XLC，电力网变成T形网络。

（2）投、切负荷分析系统对潮流的影响

在相同网络结构上，保持各变电站向系统输送一有功率和无功功率，其大小由学生自行确定。通过投入各地方负荷LDA、LDB和LDC的不同组合形式，记录投入负荷后系统中运行参数的变化情况并分析。

实验过程中学生重点观察不同络结构或不同负荷下各个站的功率分布、母线电压变化，分析各站是输出功率还是吸收功率，母线电压是抬升还是降低，通过的前面的现象采用何种方式可以保证电网暂态稳态正常运行，以此提高学生分析问题和解决问题能力。

本实验是学生根据所学专业知识自主开展实验。学生结合实验内容自行分组并作角色交换，在实验过程既担当电力调度员又担当变电站值班员角色。通过这种以学生为中心的自主实验，充分调动学生的学习积极性，让学生主动参与到实验中来，培养学生的独立思考问题和创新思維能力。

（三）引导学生掌握常用仪器的正确使用方法

电力系统分析实验课程中常用的测量仪表、仪器为万用表和示波器。下面以示波器如何捕捉波形为例，教授学生使用示波器的方法。

在三相对称短路实验过程中需要测量对称三相短路时的电流波形（本试验台内部通过采样电阻将电流波形转化为电压波形，故示波器捕捉到的电压波形实质上是短路电流的波形）。波形捕捉主要考虑的是幅值、频率/周期、触发电平、触发位置、是否需要衰减等。

在示波器的使用过程中，教师通过引导方式让学生自己动手调节而非给学生调节好示波器让其直接使用，让学生动手实验。

因为实验室只有双通道的示波器，所以不能同时捕捉对称短路时的A、B、C三相电流瞬时波形，因此通过调节好的示波器捕捉的仅是发电机作用时三相对称短路的A相、B相瞬态电流波形。如图2所示。

从图2可以看出，示波器的纵轴电压幅值为1 V/格，水平轴为时间轴为20 ms/格，波形捕捉时刻在104.8 ms，触发方式为上升沿触发，触发电平为480 mV，捕捉到的发电机作用时的对称短路的波形幅值呈衰减趋势，相位差为120°。

教师通过引导方式让学生学会常用仪器的使用方法，培养学生动手能力并提升学生自信心，为学生今后从事工作或进一步学习打下坚实基础。

综上所述，以学生为中心的电力系统分析实验教学改革，很大程度解决了传统的以教师讲授为主的实验教学模式可能引发的问题和实验教学评价困难带来的问题，也从一定程度上提升了学生实验积极性。教师通过引导学生课前预习、组织学生小组学习和引导学生动手探究等方式培养了学生的团队协作精神、动手能力和学习兴趣。

参考文献

［1］刘毅，贺恒鑫，李化，等.以学生为中心的高电压实验教学探讨［J］.电气电子教学学报，2021（2）.

［2］任玲，张宁，岑红蕾.以学生为中心的“数字电子技术”课程教学研究［J］.电气电子教学学报，2018（2）.

［3］孙琳，程宇婕，李红，等.“以学生为中心”的无机化学实验教学改革与探究：以河南大学为例［J］.广州化工，2022（12）.

［4］樊艳芳.“电力系统分析”实验教学的改革与实践［J］.中国电力教育，2014（11）.

注：本文系西华大学教育教学改革项目（xjjg2021043）、教育部产学研协同育人项目（220606584141358）的研究成果之一。

作者简介：任晓（1976— ），四川南部县人，硕士，实验师，主要从事实验教学改革与实践研究；孙章（1988— ），湖北利川市人，硕士，高级实验师，主要从事实验教学改革与实践研究；余建华（1972— ），四川北川县人，本科，讲师，主要从事实验教学改革与实践研究；方勇（1968— ），四川简阳市人，博士，讲师，主要从事电力系统分析课程教学改革与实践研究；郑敏（1971— ），重庆长寿人，硕士，副教授，主要从事电力系统分析教学改革与实践研究。

（责编 罗异丰）