“电力系统自动装置”教学改革探讨

摘要：“电力系统自动装置”是电力系统及其自动化专业的专业课，该课程主要对并网、励磁及调频等实际装置的工作原理及软硬件结构进行介绍。由于学生对实际装置接触较少，对书中设备的各组成元件、工作原理及现象非常陌生，难以理解。现提出一套课程改革的方案和设想，在教学过程中采用理论讲授、实验、仿真及仿真结果分析等多种教学环节，让学生更好的体会书中知识。且学生在搭建仿真平台的过程中，提高了动手能力，并学会了如何去思考，达到了激发学生学习的兴趣的目的，切实提高了该课程的教学质量。

关键词：电力系统自动装置；教学改革；MATLAB仿真实验设计

作者简介：黎静华(1982-)，女，广西玉林人，广西大学电气工程学院，讲师；兰飞（1974-），男，广西河池人，广西大学电气工程学院，高级工程师。（广西 南宁 530004）

基金项目：本文系国家自然科学基金项目(项目编号：50907012)的研究成果。

中国分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）06-0194-02

“电力系统自动装置原理”一直是广西大学电气工程学院（以下简称“我院”）本科生的必修课，共54个学时，其中包括50个理论讲授课时及4个学时的实验课程。该课程主要包括同步发电机的并列装置、励磁装置的动静态特性以及低频减载装置3个部分。[1]与电力系统稳态分析、暂态分析等专业课程不同，“电力系统自动装置原理”侧重于对电力系统运行设备在实施自动控制时所遵循的规律、自动装置的组成及运行要求等方面进行阐述。在讲述过程中，若仅是“填鸭式”地向学生阐述各种自动装置的结构和特点以及各装置的工作原理，学生会感到乏味，很难领悟到各种装置的原理、结构和功能。如在第四章讲述励磁自动控制系统超调量，调节时间等动态指标时，若能辅以实验，让学生真实地看到各种试验结果，则能收到良好的教学效果。此外，由于学生长期以来以理论学习为主，现场知识甚少，甚至连“系统不稳定”是怎样一个现象都未曾知晓，简单的授课方式难以收到良好的教学效果。因此，让学生认识设备、对装置进行试验、动手搭建仿真平台及分析仿真结果是提高“电力系统自动装置原理”课程质量的关键因素，唯有如此，才能让学生真正掌握所授知识，达到教学目的。

一、理论授课教学环节的改革

台上一分钟，台下十年功。精彩课堂来自于精心的准备，上课前的准备对于课堂教学，犹如枕木之于绵绵铁轨，基石之于巍巍高楼，是上好一堂课的必要前提和重要保证。教学准备过程中要求教师多学习、多思考、多积累及多研究。教师在对课程目标、课程体系的总体把握下，对教学内容、教学对象、教学资源、教学环境进行本人客观分析的基础上，清晰地阐明教学目标，科学地制订教学策略，经济地选用教学媒体，合理地拟定教学进度，使教学活动在人员、时间、设备使用方面取得最佳的效益。笔者经过几年的教学积累，总结出教师准备需重视的几点问题。

1.认真做好PPT

现代教学大多采用多媒体教学，教师要充分利用多媒体的直观性、图文声像并茂及动态性等优势，向学生提供丰富、清晰及真实的背景资料，反映知识在实际中运用的方法，以便学生形成自己的认知结构。如在讲述“数字式励磁调节器原理框图”时，可以用相机拍下具体装置元件部分的照片，辅以说明，如图1所示。这样可以增强视觉效果，而且让学生有种真实的感觉，从而更容易接受教师所讲授的内容。

2.增强教师间的交流

教师间相互听课、取长补短被证明是提高教师教学水平的快速途径之一。俗话说：“教学有法，教无定法。”不同的教师讲授同一课程时，采用的方法是不一样的。多交流、多取经、学习和借鉴其他教师的有效方法对今后的备课和上课均是一个很好的积累，同时听取经验丰富的教师的点评意见，对自身教学水平的提高也能起到事半功倍的作用。因此，教研室应多组织开展集体备课、教学比赛、示范课和教学观摩等活动，给教师们提供相互学习的机会。

3.多设计与学生互动的环节

现在学生多习惯于“填鸭式”、“被动型”的教学，“教师在讲台上不停地讲，学生在下面机械地听”这种教学模式普遍存在，此种教学模式下的教学效果并不理想。慢慢地学生会变得懒惰，学生已不会思考问题，不愿思考问题，而教师也会丧失讲课激情，若相互之间失去了应有的交流和互动，教学就会变成一件相当乏味的事情。因此，教师应该改变这一教学模式，课前多设计互动环节，主动地、有目的地去调动学生“跟你搭腔”，引导学生去思考，这不仅可以加深学生对知识本身的理解，而且很好地锻炼学生的思考能力，同时减轻了教师上课的工作量。因此，把课堂气氛搞活跃，形成一种良性的教学氛围，也是相当关键的。

二、注重学生的实验环节

“电力系统自动装置”是一门专业课，涉及的内容均是现场实际应用的装置设备，仅仅依靠理论教学，学生难以理解。大部分学生没有现场经验，没见过实际物体，空而乏地对其讲道理，学生无法接受，因此，应增设实验环节，让学生去认识和了解真实的物体，用实际的运行结果去体悟课本中所讲述的理论。实验环节给予学生更多的成就感和获取感，从而增强了他们的学习兴趣，加深了对装置本身的了解。

根据“电力系统自动装置” 的课程特点，我院开设了如表1所示的实验课程。

1.借助MATLAB仿真平台进行教学实践

“电力系统自动装置原理”课程中“励磁装置整流部分的波形分析”、“励磁自动控制系统的动态特性中励磁控制系统的传递函数”、“励磁系统稳定性”及“其对电力系统稳定的影响”等内容非常抽象，如“经外阻抗接于无限大母线的同步发电机的传递函数框图”中的K1—K6系数随发电机有功负荷、无功负荷变化的情况，仅靠给学生展示图形远不够，从而增加了教学的难度。因此，在教学实践中，立足于传统的授课模式，引入MATLAB/Simulink仿真工具，布置MATALB/Simulink仿真课外设计作业，使学生在搭建仿真模型的过程中，更好地了解装置的组成、工作原理及传递函数，并通过仿真，体会传递函数中各参数随系统运行情况的变化过程。甚至部分优秀学生还可以通过仿真平台，设计基于先进控制理论的励磁控制器，进行理论分析研究。这对培养学生动手能力，科研能力都有良好的效果。

针对发电机励磁控制系统的稳定性和暂态性能、电网的频率调节特性和电力系统二次调频原理，开设如下仿真内容。[2]

（1）基于MATLAB三相整流电路的仿真。在Simulink仿真环境下，分别建立三相桥式半控和全控整流仿真模型，将晶闸管的脉冲信号、交流电压ua、ub、uc以及负载电压ud的波形通过信号合成器组合在一张图中，便于从示波器中对比观察。设置仿真元件的参数，通过设置负载及控制角，观察各输出量的波形，比较全控和半控的电压输出，观察逆变现象以及逆变颠覆等。

通过建模仿真，学生可以方便地通过各种条件下的输出波形加深对励磁系统整流电路的理解。此外，还可以通过建模仿真来验证教材上波形分析的正确性，从而帮助学生更好地理解概念。

（2）发电机励磁系统的MATLAB仿真实验设计。[3]传统的发电机励磁系统实验需要较多的硬件设施支持，而且能进行的实验也比较有限，尤其对励磁系统的动态性能研究只能停留在理论分析上，常常是运用自控理论的知识求出开环传递函数、画出根轨迹图而已，学生很难看到描述暂态过程的阶跃响应图形，难以形成直观的印象，因而对系统的各环节参数对系统性能的影响、励磁系统稳定器的作用理解不深刻。MATLAB软件可以很好地解决这个问题，主要包含如下内容。

1）在MATLAB中利用根轨迹设计器，写入前馈传递函数和反馈传递函数，可以显示对应传递函数的根轨迹，调节参数，观察极点位置的移动，观看开环放大系统对系统性能的影响。

2）励磁系统的时域特性仿真及试验。在MATLAB仿真环境下，根据励磁控制系统的传递函数构造励磁调节系统的仿真模型。在t=10s时，在励磁控制器的端电压参考输入端加5%或10%的阶跃扰动信号，进行小扰动的仿真实验。得出此模型能够反映真实的发电机励磁系统的动态响应过程。计算其上升时间、超调量及调整时间等动态参数。

3）励磁系统对电力系统暂态稳定影响的仿真。搭建同步发电机、励磁系统及PSS的仿真模型。观察励磁系统模型中参数K1—K6随运行情况变化的过程。设置系统各种故障，分析扰动后电压及功角的变化过程，对比有无PSS电力系统的稳定性。

（3）电力系统调频仿真实验设计。传统的实验方法很难对电网的频率调节特性、电力系统的调频原理等内容进行实验，而MATLAB则可以轻松实现。根据典型系统的参数，构建区域电网的闭环调节图，让负荷功率产生一个突变（阶跃变化）来观察频率的变化，研究系统的频率调节特性。对比仿真结果与计算结果。

综上所述，利用MATLAB设计的仿真实验可以很好地完成传统方法不易完成的实验，而且操作简单、易于实现，作为辅助的教学手段效果良好，广受学生欢迎。

2.抓好仿真和试验结果分析

仿真和试验的结果能综合地反映了模型、方法及接线或搭建模型中的各个方面，任何一个环节出现问题，均会导致实验结果与计算结果不相符。通过对所得结果进行分析，不仅可以让学生更深刻全面地了解模型与方法，而且培养了学生发现问题、分析问题及解决问题的能力，使其综合能力得到很好的训练。倘若对不理想的实验结果置之不理，那么学生就丧失了培养分析解决问题能力的机会，且容易会使学生产生沮丧的情绪。若能引导其找出问题解决问题，则能使学生感受到成功的喜悦，激发其学习的兴趣及探索的激情。

三、结语

提高“电力系统自动装置”课程的教学质量，教师应认真准备，增加互动，调动学生积极性，同时应辅以实验、MATLAB仿真设计等教学手段，唯有如此，才能真正提高教学质量，使学生真正地掌握装置的工作原理、结构等，达到教学大纲的要求。

参考文献：

[1]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]莫京军,陈翠娥.电力系统自动装置原理的仿真实验设计[J].实验技术与管理,2006,23(12):92-95.

[3]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

（责任编辑：苏宇嵬）