电力系统分析课程研究性教学载体与实施设计

赵为光，杨莹，吕品，李伟，张路兵

电力系统分析课程研究性教学载体与实施设计

赵为光，杨莹，吕品，李伟，张路兵

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

为提高学生自主学习兴趣、问题意识和研究能力，针对电力系统分析课程“无功补偿”专题，以可再生能源发电并网新问题为研究载体，将学生作为教学活动的主体，分别从目的、背景、内容、要求、组织和评价多维度设计载体内容．该研究益于电力系统及其自动化专业学生综合能力提升，同时促进教学科研融合相长．

电力系统分析；研究性教学；载体设计

电力系统分析课程知识体系具有一定的广度和深度，是电力系统及其自动化专业的一门核心学位课程，在专业教学和培养高质量专业人才计划中有着重要的地位[1]．电力系统分析课程传统的“老师讲，学生听”授课过程效果欠佳[2]．在新一轮课程改革过程中，根据电力系统分析课程内容特点，结合当前可再生能源并网新工程问题，设计具有工程背景的教学载体，寓教学于科研中理论与实践结合是增强课程学习效果的有效方式．

研究性教学模式立足于学生问题意识、科学探索能力和创造思维的培养，注重学习过程中学生的情感体验，强调教学中学生的参与性、互动性，关注学生对知识的积极构建过程和创新能力的提高[3-5]．载体是研究性教学的基础与出发点，是教师围绕教学内容相关知识点，结合工程实践、设计用于支撑学生研究性学习的问题，以此为出发点引导学生完成问题分析、资料查阅、方案设计、仿真实现、性能验证、问题探究等整个学习过程．研究性教学载体的设计合适与否，是整个教学过程的关键所在[6-8]．

本文针对电力系统分析课程“无功补偿”专题，设计“无功补偿平抑有源配电网运行波动”研究性教学载体，通过“课题进课堂”研究性教学方式促进教学和科研融合相长，探讨面向电力系统及其自动化专业学生研究性教学载体设计与教学实施的问题和方法．

1 研究性教学载体的设计

研究性教学包括研究性教学载体设计和研究性教学实施２部分内容，教学实施是教学载体的贯彻落实．研究性教学载体设计具体包括载体目的、载体背景、载体内容和载体要求４部分模块内容．

1.1 设计目的

以电力系统分析课程“无功补偿”内容为基础，针对风力和光伏发电分布式电源的随机波动特性对配电网安全稳定运行不利影响问题，建立调度模型，实现对无功补偿装置和储能电源有效调度，有效平抑有源配电网的电压波动．应用研究性教学理念设计教学载体，将知识传授蕴含在问题的提出、分析、研究与实践中，让学生在科学研究过程中积极地完成知识的建构，促进其知识应用能力的提高．

1.2 背景知识

载体研究内容往往会跨越学生的学科专业知识范围，进入载体研究工作前，简洁概括介绍载体背景知识，使学生掌握载体专题的基础知识，了解载体涉及的学科外相关知识．

1.2.1 无功功率平衡 电力系统无功功率平衡是指系统电源所发出的无功功率与无功负荷相平衡，目的是在各种运行方式下维持电网各节点电压平衡．根据电压静态特性，随着电压降低负荷的无功功率减少，只有向负荷侧提供无功功率才能维持负荷侧电压稳定．考虑系统损耗因素，保持电力系统电压稳定，必须使电源发出的无功功率与无功负荷和无功损耗相平衡[9]．

1.2.2 补偿设备调压 电压是衡量电力系统电能质量的重要指标，电压稳定主要由系统无功功率平衡控制．电力系统中一般可以通过在节点上并联无功补偿装置进行补偿调压[10]．

1.2.3 优化算法 优化算法的目的是在决策变量取值范围内，计算确定目标函数的最优值．利用MATLAB软件的优化工具包，可直接调用相关优化算法函数进行优化求解．

1.3 载体内容

1.3.1 问题要求 以载体设计目的为出发点，围绕可再生能源并网状态下调控无功补偿装置投切提升配电网稳定性问题．以IEEE-33配电节点系统为例[11]，节点接入风力发电厂、储能电池和无功补偿设备．配电网络的系统结构拓扑见图1．配电网中总的负荷为3 715+j2 300 kVA，网络的系统额定电压为12.66 kV，每个节点允许的电压范围是0.95～1.05 p.u．风力电源与光伏电源最大有功出力均为200 kW，无功出力范围-0.15～0.45 MVar．

图1 IEEE-33节点配电系统

要求设计合理的无功补偿投切模型，通过优化算法求解，计算出24 h合理的无功补偿装置投切组数（见表1）．

表1 配电网中无功补偿装置的投切组数

进一步，分析配电网系统节点电压稳定性，对电压稳定性进行量化数值计算，比较分析补偿装置投切前后可再生能源发电对配电网电压稳定性的影响，效果见图2．要求通过补偿装置投切控制，提高配电网的电压稳定性，电压稳定性波动趋于平缓，稳定性量化指标限制在0.001～0.002之间．

图2 配电网电压稳定性指标

1.3.2 研究内容 研究内容是研究性教学载体的核心，为了有效利用无功补偿装置降低可再生电源并网导致的电压波动影响，需要对以下内容展开详细研究．对每项研究内容用“ æ”的个数进行难度分级，为教学实施过程和成绩评价过程提供参考．

1.4 具体要求

根据指标点指明研究性教学载体的具体要求，使学生明确分析研究需要达到的具体深度、广度，制定合理科学的研究路线．

（1）编写 MATLAB 仿真程序，绘制各阶段问题仿真结果曲线．

（2）定量对比可再生能源接入标准节点系统后对系统运行性能的影响．

（3）尝试用不同方法调控无功补偿装置投切量，提升可再生能源并网情况下的系统运行性能．

（4）对研究内容具体问题进行讨论，针对难点问题，讨论确定解决方案．根据解决方案进行具体实施，验证方案实施效果．

（5）对分析问题思路过程解决方案进行详细记录，给出详细理论推导、程序清单、仿真结果曲线，形成专题报告．要求内容合理、逻辑清晰、数据图表清晰．

2 研究性教学载体组织

教学载体组织是研究性教学载体的具体实施．研究性教学载体以学生自主学习为导向，根据专业新问题创设研究载体，不断尝试构建实用、多样、灵活的研究性教学方法体系，丰富教学方法和手段，提高专业课程的教学效果．

在基础理论掌握阶段，由于研究性教学载体的介入，教学中面临着学时少与内容多之间的矛盾，如何在有限的教学周期内，引导学生快速扎实掌握课程内容，是教学组织的难点．将电力系统的无功功率和电压调整课程中的部分重点、难点知识制成微课件，组织学生课前通过网络平台自主互助学习，提前了解基础理论内容，形成对知识的初步自我认识；课堂上，学生可带着问题进行有针对性地继续学习，提高学习效率，缩减基础学时．

在载体研究阶段，进行更深入的教学互动设计，搭设专题讨论、建模计算等协同合作式研究学习平台．根据专长特点将学生合理分组进行课题研究，具体可分为问题分析阶段、问题讨论阶段、建模仿真阶段、反馈讨论阶段和报告撰写阶段．

在研究成果评价阶段，组织各小组汇报研究成果，各小组可相互提出质疑和答辩，最终教师给出系统、客观、综合的评价．

3 研究性教学载体成绩评价

科学合理综合制定考核及评价方式，不仅可以全面考查学生的课程掌握程度，而且能够充分激发调动学生的学习热情．传统教学作业答案具有唯一性，而研究性教学载体的研究结论是开放、个性化的，全面系统地设计考核评价体系尤为重要．根据课程教学目标，充分考虑研究教学载体结构特点，在详细分析总结载体研究过程的基础上，对考核形式进行分类整合，建立研究性教学载体成绩评价体系（见表2）．按照一定权重量化综合计算各环节考核分数，确定每名学生的“无功补偿”专题最终成绩．

表2 研究性教学载体成绩评价体系

4 结语

本文探索了基于研究性教学载体模式的电力系统分析课程教学新手段与新方法．具体从载体目的、载体背景、载体内容、载体要求、载体组织和评价多维度设计研究性教学模式，对课程内容、进程和载体有机结合，提高学生的自主学习兴趣、问题意识、研究能力．促进教育教学与科研课题紧密结合，为面向电气工程专业的课程研究性教学改革提供有益参考．

[1] 孙秋野，黄雨佳，高嘉文．工科专业课课程思政建设方案：以《电力系统分析》课程为例[J]．中国电机工程学报，2021，41（2）：475-485．

[2] 沈娜，房大中，杜芸强．新工科背景下基于应用型人才培养的“电力系统分析”课程改革和实践[J]．高教学刊，2020（17）：143-146．

[3] 路慧．理工类研究型大学开展研究性教学的实践探索与模式构建：基于大连理工大学的实例分析[D]．大连：大连工业大学，2013．

[4] 安润玲．高等代数课程研究性教学的改革与实践[J]．高师理科学刊，2021，41（6）：75-77．

[5] 马晓丹，尹淑欣，邰建华，等．操作系统课程知识体系构建及研究性教学探索[J]．高师理科学刊，2019，39（1）：71-75．

[6] 李居朋，胡健，钱满义，等．研究性教学载体设计与教学实施探讨[J]．电气电子教学学报，2018，40（5）：88-91．

[7] 周涛，胡健，李艳凤，等．“金课”建设背景下“信号与系统”研究性教学载体设计[J]．实验技术与管理，2020，37（11）：166-169．

[8] 崔学荣，曹爱请，李娟，等．研究性教学模式在实验教学方法改革中的应用[J]．实验技术与管理，2016，33（1）：176-178．

[9] 陈衍．电力系统稳态分析[M]．北京：中国电力出版社，2015．

[10] 于群，曹娜．MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M]．北京：机械工业出版社，2016．

[11] 彭光斌，詹红霞，黄培东，等．基于自适应粒子群算法优化DG的配网静态电压稳定性提高策略[J]．电力系统保护与控制，2017，45（8）：100-106．

Research teaching carrier and implementation design of power system analysis course

ZHAO Weiguang，YANG Ying，Lü Pin，LI Wei，ZHANG Lubing

（School of Electrical and Control Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，China）

In order to improve students′ interest in autonomous learning，problem awareness and research ability，aiming at the topic of reactive power compensation in the course of power system analysis，taking the new problem of grid connection of renewable energy generation as the research carrier．Students are taken as the main body of teaching activities，and the carrier content is designed from the multi-dimensional aspects of purpose，background，content，requirements，organization and evaluation．The research is beneficial to the improvement of the compre-hensive ability of students majoring in power system and automation，and promote the integration of teaching and scientific research．

power system analysis；research teaching；carrier design

TM711∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.02.019

1007-9831（2022）02-0096-05

2021-11-08

黑龙江省高等教育教学改革项目（SJGY20200641）

赵为光（1972-），男，吉林省吉林人，副教授，博士，从事电气工程研究．E-mail：2632187112@qq.com