RTDS课程实验教学改革的启迪

徐青菁， 姜建民， 王君艳

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

目前，电力系统动态模拟实验是国内高校进行电力系统实验教学最主要的教学方式。动模实验属于电力系统的物理模拟，是按照相似性原理建立的缩小的实际物理模型，能反映电力系统的动态特性，具有直观形象的特点。但动模实验存在以下局限性:① 投资大，建设周期教长，具有动模的高校还是少数;②无法组建大规模实验系统，难以帮助学生建立大系统概念;③系统组建变化有限，难以充分发挥学生的创造性;④所能覆盖的教学实验内容比较有限;⑤ 出于安全方面考虑，很多步骤不能让学生亲自动手操作，而且不可能每人配置一套设备，只能分组实验，这大大降低了教学效果和学生学习的积极性[1-3]。

近年来，随着计算机和实时仿真技术的飞速发展，利用数字仿真进行电力系统教学实验逐渐为高校所认同。数字仿真试验具有安全、经济、方便、灵活的优点，是现代仿真与试验系统的重要发展方向。与动模实验一样，数字仿真已成为电力系统仿真试验、教学实验和技术培训的主流选择。

基于数字仿真的电力系统教学实验系统作为动模实验的有益补充和改革，与传统的物理模拟方法不同，数模实验采用实时数字仿真器(Real-Time Digital Simulator，RTDS)设备对电力系统进行数字化模拟。基于处理器卡的强大计算能力，在一个仿真步长内(50～60 μs)完成采集外部信号、实时求解模型、对物理装置执行激励、控制等功能，实现对实际装置的闭环仿真。在运行于工作站上的RSCAD软件中，用户可以使用元件库中的各种电力系统元件模型，方便快速地搭建电力系统模型，编译后下载到处理器卡(GPC)中计算，在全数字仿真系统运行过程中能够通过工作站对所仿真的电力系统进行状态观测及操作、控制。相比传统的物理模拟方法，数字模拟方法具有建模周期短、灵活性强、安全性好、结果直观等特点，由于其模型使用已经大量实践验证的电磁暂态模型，其计算精度和模型的合理性是可以信赖的。

2010年，电气工程实验中心从加拿大曼巴托尼HVDC研究中心进口RTDS设备3套，开设“电力系统RTDS教学实验”并成功申报了上海交通大学特色实验项目，承担了两大类教学实验:① 全数字仿真分析实验，涉及课程包括电力系统基础、电力系统故障分析和电力系统稳定控制;② 硬件在环(闭环)实验，主要课程为电力系统继电保护和安全自动装置。本实验课程使学生了解电力系统的结构和运行方式、电力元件的机理和模型，建立电网全局大系统观念，增强对电网运行的直观感受。系统与上海交通大学电气实验中心原有的继电保护屏柜相结合，构成了一个高规格数字动模实验室，对教学和科研的开展起到了很好的推动作用[4-6]。

此外，高等工程教育要强化主动服务国家战略需求、主动服务行业企业需求的意识，确立以德为先、能力为重、全面发展的人才培养观念，创新高校与行业企业联合培养人才的机制，改革工程教育人才培养模式，提升学生的工程实践能力、创新能力和国际竞争力，构建布局合理、结构优化、类型多样、主动适应经济社会发展需要的、具有中国特色的社会主义现代高等工程教育体系，加快我国向工程教育强国迈进。为此，电气工程实验中心为响应“卓越工程师培养”计划战略，将RTDS电力系统教学实验和课程设计引入本科教学计划，为培养专业知识扎实，实践和动手能力强，创新能力突出的卓越工程师打好基础[7-9]。

1 RTDS实验教学改革

电气工程实验中心于2010年建设了基于RTDS的实时数字仿真中心，同时充分利用配套的机房设备与相应的软件资源，初步建成了基于RTDS的综合实验教学系统，应用于电力系统实验教学，并编写了《基于RTDS电气系统应用综合实验指导书》，这是电力系统教学实验改革的一个很好的尝试。本实验中心共有RTDS实验设备2套，辅助计算机工作站30台，RTDS专业教师2名，系统在教学实验改革的实践中取得了显著的效果。

此外，实验中心现已开设2门专业综合实验，6门课程设计(电力电子课程设计、变电站电气部分设计、电机的DSP控制设计、继电保护设计、高压数字测量系统设计、智能仪表设计)，2门科技创新课程，3门特色实验课程，每年为电气工程相关专业本科生和研究生开展教学实验。同时实验室贯彻学校“加强本科生理论教学、实践教学、科学研究三位一体的有机结合，加强实践和第二课堂教学”的指导方针，充分利用现有设备，给学生创造良好的实践条件，让学生更多地走进实验室，进行自主学习和研究性学习。2010～2012年，实验中心先后开设了18个PRP，2个毕业设计，3个上海大学生创新活动计划项目，在核心期刊上发表相关教学论文4篇。取得了优异的成绩，获得了学生的一致好评。

2010年至今，电气工程实验中心采用RTDS在教学实验改革、本科学生毕业设计、卓越工程师培养等多方面发挥了积极的作用。

1.1 教学实验改革

“电力系统基础课程”利用本系统进行了电力系统运行方式及潮流计算和网损分析的实验。利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力、开关状态和负荷参数，可以改变系统的运行方式及潮流分布。将控制条件和潮流结果进行对比分析，让学生了解影响系统潮流的主要因素以及影响趋势。同时，建立了几个IEEE典型的大系统，用于大系统运行方式和潮流的演示和学习，培养学生的大系统观念。另外，利用典型实验系统，在数字仿真的监控图页改变发电机出力、开关状态和负荷参数，包括改变负荷的功率因数，数字仿真可计算各级电压等级电网的网损。通过将控制条件和网损结果进行对比分析，让学生了解影响网损的主要因素以及影响趋势。设计了一个电容就地无功补偿的实验，阐述在线路上无功传输减少的情况下，有功损耗即网损就会下降的现象，加深了学生对无功和网损关系的理解[10-11]。

“电力系统故障分析课程”利用本系统进行了电力系统横向和纵向(断线)故障分析实验。在典型实验系统上设置各种短路故障、断线故障和复合故障。一方面，可设置各种故障条件、改变故障位置以及改变运行方式，观察系统短路电流的分布情况;另一方面，在数字仿真的监控图页上利用触发按钮触发一个故障或一个故障序列，了解各种故障下的系统各序电压和电流变化过程。在故障过程中，不仅让学生认识到了短路电流的大小，而且让学生对故障的暂态过程有所了解，认识了电流暂态过程中的谐波、不对称等现象[12]。

“电力系统继电保护课程”利用本系统进行各种成套保护装置的调试与分析实验。利用众多典型的实验系统，对各类保护装置进行闭环试验，让学生对线路保护和元件保护的原理和工作特性有了更为深入的认识。典型实验系统的试验对象包括线路保护、母线保护和变压器保护。在实验系统中设置各种简单故障和复杂故障，或者在数字仿真的监控图页用触发按钮触发故障或故障序列，观察各种故障下的电压和电流波形，通过对故障电压和电流的定量分析以及各类继电保护装置出口和断路器的状态判断装置的动作是否正确。包括在串补电容条件下，保护动作的特殊性认识。

“电力系统课程设计”也充分利用了本系统。学生发挥自己的创造力，自行建立实验系统，并输入参数，在教师的指导下，调整参数直至系统稳定运行，然后在该系统中进行一系列实验。课程设计的题目包括实验方案中的几个题目:电力网接线方案的技术论证及经济比较、发电厂和变电所主接线选择以及网络潮流计算和电压计算，还有其他的课程设计题目。同时，在上海交通大学的使用实践表明，本系统也是教师和研究生开展课题研究和技术开发的仿真和试验平台。

此外，2011～2012学年设置的RTDS本科教学实验还有“分压器”、“交流系统模型”、“输电线路参数测量”、“电力变压器实验”、“同步电机实验”、“发电机并网实验”等，整个实验过程都是在学生独立操作下完成，当学生通过自己的努力把最终结果或波形呈现在屏幕上时，无论这种结果正确与否，其印象都是非常深刻的。一方面提高学生的求知欲，加深他们对所学的知识的记忆;另一方面是学生的自由发挥，极大地提高了学习的积极性，动手能力也得到加强。并且这些实验内容也可以在动模实验上完成，当仿真波形与实际波形相比较，可进一步加深印象。

学生需自己根据电气工程基本原理及实验需求搭建仿真模型。

学生需自己搭建人机互动界面，实现对电力系统运行状态的观测及控制。

学生需根据电气工程基本原理及继电保护原理对系统故障时的电压、电流进行分析，并对继电保护等电力系统自动装置的动作行为进行分析、评价[13-16]。

1.2 本科学生毕业设计创新

除了教学实验，本科生已有采用RTDS完成毕业设计课题。其中，“基于RTDS的可再生能源并网过程中继电保护行为仿真分析”一文，以距离保护为例，从理论和仿真两个方面研究了风电场联络线保护的行为。首先经过理论推导，建立了考虑接地电阻和风电场运行方式变化等各种因素的测量阻抗解析表达式。在改变故障距离、接地阻抗、相角差、电势比、内阻抗等5个变量，分别绘制了阻抗轨迹图，形象地说明了风电场并网后对联络线距离保护可能造成的不利影响。再基于RTDS仿真系统，建立风电场联络线模型，同样改变以上5个参数对于上述的情形进行仿真验证，并在验证的基础上成功仿真出距离保护误动作的一种情况。理论分析与仿真结果皆说明，对于风电场联络线距离保护，在发生接地故障时，风电场运行方式的频繁变化将对测量阻抗产生很大影响，从而影响距离保护的正确动作。

让本科生参加RTDS教学实验并采用RTDS完成毕业设计，要求学生上机学会软件的基本操作，同时与动模相对应利用该系统建立一个单机大系统模型。在仿真模块界面通过改变各个参数，来改变系统的运行方式，并仿真出该系统在各种工况下的重要参数的波形，一方面验证数字仿真系统的真实可靠性;另一方面主要是让学生了解影响系统稳定运行的主要因素以及影响趋势，培养学生的系统观念和整体观念。

1.3 卓越工程师培养

教育部“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)，是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措。该计划旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。截止2010年，我国开设工科专业的本科高校1003所，占本科高校总数的90%;高等工程教育的本科在校生达到371万人，研究生47万人。该计划对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。

实验中心设置RTDS本科教学实验和毕业设计，积极响应“卓越计划”实施，培养方式具有3个特点:

(1)行业企业深度参与培养过程。这方面主要体现在学校与企业合作项目，学生参与并完成毕业设计。上文提到的“可再生能源并网过程中继电保护行为仿真分析”，就是电气工程系与某电力企业合作项目，不仅可以提高学生完成毕业设计的学习积极性，而且加深了本科学生对实际系统的认识，让企业参与，让学生受益，为培养工程师提供实施的舞台。

(2)结合高校人才标准和电力行业标准，培养工程人才。与动态模拟实验相比，RTDS具备多种优越性，可以让本科生更早的接触到电力系统仿真，在培养学生能力的同时，结合专业知识，为电力系统行业储备工程师人才。

(3)强化培养学生的工程能力和创新能力。RTDS仿真和实验灵活多变，范围很广。模型系统可采用典型实验系统，也可由学生自由搭建。学生通过数字仿真平台，可灵活组建各种结构形式和运行方式的系统，自我设计发挥的自由度很大，这对于本科课程设计尤为重要，可以培养学生的动手能力和创新意识。

我们的培养目标是:面向电力系统行业、面向世界、面向未来，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家，实现电力系统自动化和现代化奠定坚实的人力资源优势，增强我国的核心竞争力和综合国力。因此，以RTDS实验和实施卓越计划为突破口，促进电力系统教育改革和创新，加快国家智能电网建设步伐，全面提高电气工程教育人才培养质量，促进我国从工程教育大国走向工程教育强国[17-20]。

2 成果和启迪

(1)培养学生大系统观念。随着电网的互联规模越来越大，电网的稳态、暂态和动态行为日益复杂。通过动模的小规模系统，学生可以认识到系统的一些基本规律，但无法充分认识到大型互联系统的一些特殊运行规律。学生通过数字仿真平台，可灵活建立互联大系统，在上面进行稳态的潮流计算、网损分析、无功补偿实验;设置各种故障条件，进行暂态稳定计算和动态行为分析。这对学生建立大系统观念和加强对大系统特殊运行规律的认识会很有帮助，是动模的有益补充[21]。

(2)提高学生创新能力。电网的结构形式多种多样，运行方式也灵活多变，这要求教学实验系统具有相当的灵活性。动模实验由于电机和设备有限，系统结构上欠缺灵活性，学生能够组建的系统结构有限，一定程度上限制了学生创造力的发挥。

学生通过数字仿真平台，可灵活组建各种结构形式和运行方式的系统，自我设计发挥的自由度很大，可广泛开展创新性实验，给学生更广阔的创新空间，有利于培养学生的分析和创新能力。这对于研究型大学的课程设计环节尤其重要。

(3)增强学生直观感受。动模实验可让学生在实际操作中产生直观形象的感受，传统观念会认为数字仿真的直观性要差一些，但本系统的交互培训功能很好地克服了这个不足。

本数字仿真教学实验系统的实时交互培训功能可以大大增强实验培训的效果和学生的直观感受。系统界面的监控图上，可摆放各种仪表和控制，学生可在仿真前或实时仿真过程中任意改变图中仪表和控制的设置。在仿真过程中，学生的控制手段甚至比动模更加灵活，如各种故障的设置，发电机的出力调节等，仪表的摆动也非常逼真，从而大大增强了学生的直观感受。

(4)加深学生对系统的认识。本系统同时又是一个数字动模实验室，与动模一样可以直接接入实验装置进行闭环实验，可以加深学生对实际电力装置的认识和了解。系统通过高速通信系统与信号转换及输入输出系统同外部设备相连，可进行继电保护装置、安全自动装置以及测量与控制装置的实时闭环试验。系统与上海交通大学电气实验中心原有的继电保护屏柜相结合，构成了一个高规格数字动模实验室，对教学和科研的开展起到了很好的推动作用。

3 结语

在本科教学中，实验中心准备利用RTDS进一步开展各类系统和装置的仿真试验，在电力系统课程设计中，也将充分利用本系统，让学生充分发挥自己的创造力，自行建立仿真实验模型，并输入参数，在教师的指导下，调整参数直至系统稳定运行，然后在该系统中进行一系列实验。该系统也是教师和研究生开展课题研究和技术开发的仿真和试验平台。

实践表明，本实验教学系统在教学实践中效果显著，在培养学生大系统观念和提高学生创新能力以及加深学生对实际系统的认识等方面取得了很好的效果，不仅提高了学生的学习积极性，同时也培养了学生的动手能力和创新意识，很受学生的欢迎。在今后的应用中，我们将充分利用实验室资源，进一步完善该系统结构和功能，不断拓宽实验内容和种类。并充分发挥高校技术资源优势，不断加深与电力部门及企业的合作，以达到双方资源的共享。

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[18] 《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》:http://www.gov.cn/jrzg/2010-06/06/content_1621777.htm

[19] 《教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见》(教高〔2011〕1 号):http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html

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