专业化软件导行“电力系统分析”课程教学研究

摘要：“电力系统分析”是电气工程及其自动化专业的重要专业课程，如何让学生既掌握基本的理论知识，又深刻理解电力系统的精髓，对电力系统的教学提出了挑战。提出以专业化软件MATLAB和Power World Simulator（PWS）使用为核心，贯穿整个课程的教学过程。在使用这些软件的过程中，必须深刻理解电力系统的基本理论，并在此基础上以两种模式建立电力系统分析的物理模型，既有编写文本的MATLAB源程序，也有以GUI模式操作的PWS软件。在教学中，只要出现理论和算法，都可以采用软件进行验证。学生在学习过程中既可以深刻体会系统中的“工程”观念，也弥补了电力系统实验不足的问题。通过“电力系统分析”课程几年来的教学实践表明，以软件导行的教学方法，提升了学生的学习兴趣，使学生理解了电力系统中的工程问题，对工科课程的教学有很好的借鉴作用。

关键词：电力系统分析；电力系统软件；MATLAB

作者简介：王世山（1967-），男，陕西绥德人，南京航空航天大学自动化学院，副教授。（江苏 南京 210016）

基金项目：本文系南京航空航天大学教改项目、本科教学专业认证建设项目的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0076-02

“电力系统分析”是以电气工程一级学科为专业的本科及硕士生重要的专业课程，[1]本课程的基本内容包括电力系统稳态和暂态两大部分，均涉及到系统及相关电力设备的认识和实验问题。显然，以教学为主的大学无法完全满足电力系统所需的相关实验。因此，“仿真”（Simulation）就成为该类课程教学活动中最重要的手段之一。

考虑到电气工程一级学科下五个二级学科，各高校的侧重点略有不同。因此，作为本科及硕士生还是以理解电力系统的基本结构组成、基本运作模式为目标，同时辅以合适的“工程”观念，以此为“教学理念”，则“仿真”拟推荐专业化软件，避免学生陷入计算机语言的困惑中。目前，笔者查阅相关文献及与相关高校调研交流发现，鲜有教师提出以“软件”导行的教学理念。

鉴于以上原因，本文提出以“专业软件”为导行的电力系统课程教学过程，围绕软件学习相关的理论知识，为理解电力系统概念和专业知识打下了良好的基础。

一、电力系统软件简介

1.MATLAB——“一个真正的工程类语言”

MATLAB（Matrix Laboratory）矩阵实验室，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，在美国被称为“A Real Technology Language”，是一种“真正的工程类语言”。[2]然而由于各种原因，目前中国大学对于该语言的研究并不理想。如何将这门工程计算机与所设置的专业课程结合在一起，是一个需要深入研究的问题。

据笔者长期教学实践发现，将软件与专业问题相结合，形成一些相关的“项目设计”（Projects Design），则可以起到一举两得的效果。

MATLAB软件分为通用模块与专业化Toolbox。虽然有些Toolbox也确实可以解决一些专业化问题，但距真正的专业化解决尚有一定的距离。因此，笔者推荐尽可能使用MATLAB的通用模块。通用模块的功能类似于MathCAD一样的操作模式，主要以*.M文件的方式体现。

*.M文件其实就是一个函数或一段程序，是一种“解释性”源代码，这些源代码的撰写可以用MATLAB本身附带的编辑器，也可以采用其他文本编辑器。当*.M文件保存后，直接运行文件名即可。由此可见，教学中利用*.M文件完成教学任务，不仅可以让学生学习相关专业知识，在一定程度上也提高了学生计算机程序的编写能力。

2.Power World Simulator——电力世界仿真器

Power World Simulator（PWS）是一个电力系统仿真软件包（见图1），[3，4]其构筑在对用户良好交互性的基础上。其核心是一个功能强大的潮流计算软件，可以有效求解多达32500个节点的系统。这使得电力世界仿真器作为一个独立的潮流分析软件包十分有用。与其他同类商业应用软件不同，PWS允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。在PWS中，输电线路的通断、变压器或发电机的增加以及联络线功率的交换，一切仅需点击鼠标即可完成。此外，图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在问题和限制条件的理解。

PWS提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样，它可以图形化地显示负荷、发电量和联络功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行条件的变化，这项功能在解决电网扩建引起的网络结构变化之类的问题时十分有用。

除了上述特点，PWS以其一体化的经济调度、联络功率交易经济性分析、功率传输分配因子（PTDF）计算和突发事故的强大分析能力而骄傲，所有这一切都可以通过一个易用的界面来实现。

二、专业化软件在教学过程中的实施

只要学生运行出最终解的结果，得出误差曲线（见图2），再辅以一定的讨论，则可认为该问题结束。

需要注意的是，以程序为学习目标时，必须辅以一定的考核手段，即逐一检查学生的运行结果，避免学生抄写应付过关。多年来，学生的反馈表明，以该种方式“逼迫”学生熟悉和掌握MATLAB软件，给学生留下了极深刻的印象，也为本科毕业设计打下了良好的基础。

（2）示例2：PWS完成潮流计算。以图3中简单电力系统为例，计算各母线电压、支路功率，则首先要确定系统的节点类型——平衡节点、PV节点、PQ节点；此后，按系统要求逐次搭建合适的系统图。

当正确设置图3各类节点类型、边界条件后，则可以直接运行，在Run mode下查看各Bus和支路的相关信息。本软件不仅可以计算电流系统的最终结果，也可以查看中间过程，比如可以设置基准值，误差相量的查看，甚至New-Raphson法的Jacobi矩阵在Case information中都可以获悉。因此，当采用MATLAB基本熟悉了潮流算法后，对于大量电力系统分析的问题均可以采用该软件来实现。

2.依托专业化软件的课程综合设计

课程综合设计（Projects design）是巩固专业化基础知识的综合手段。南航电气作为具备电气工程一级学科博士点的专业，一直以来具有“电机与电器”、“电力电子与电力传动”的综合设计，但是一直没有“电力系统自动化”的课程综合设计。本课程教学后，依托如前所述两个软件和开设的“电气工程及其自动化综合设计”，适时参考国外精品课程“Power System Analysis”，[5]也开展了相关的课程设计。比如，教学中可以对电力系统提出一定的指标，通过PWS软件的反复人工修正，提出和优化如图4所示的电力系统，并对该系统进行深入分析。

3.软件使用的考核

在教学活动中，考核是最重要的指标之一，也是重要的手段。笔者认为要加强平时控制，“迫使”每名学生在个人计算机上安装相关软件，并且课后必须进行练习。待熟练使用软件后，利用少量课堂时间、课间时间或者师生共同课后时间让全部学生进行演示，互动讨论，这样对学生也是一个警示。结果表明，通过该方式能够让所有的学生都掌握相关的电力系统基础知识和软件，对教学具有很大的促进作用，但这样也增大了授课教师的工作量。

三、结论

本文以“电力系统分析”为对象，基于MATLAB和Power World Simulator专业化软件展开教学活动，获得了如下教学体会，对工科课程均有一定的借鉴作用。一是以专业化软件使用为核心的教学理念，在工科课程中具有普遍的意义，这样也不失掉对基础理论知识的掌握。二是对于“电力系统分析”专业课，需要选择合适的专业化软件开展教学活动，难易程度要适合本科教学。经过几年教学摸索，选择了MATLAB和Power World Simulator作为教学软件。实践表明，上述两款软件特别适合教学活动。

参考文献：

[1]王俊，纪建伟，孙国凯，等.电力系统分析课程的教学改革[J].高等农业教育，2011，12（12）：56-58.

[2]徐敏，彭瑜.MATLAB在《电力系统分析》教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2010，22（3）：152-155.

[3]李静.Power World Simulator仿真软件在电力系统中的应用[J].煤炭技术，2012，31（6）：66-68.

[4]张仰飞，李先允，郝思鹏.可视化软件包Power World Simulator 在电力系统教学中的应用[J].中国电力教育，2006，（12）：295-287.

[5]J.Duncan Glover，Mulukutla.S.Sarma.Power System Analysis and Design[M].Beijing：China Machine Press，2004.

（责任编辑：孙晴）