解 大，顧羽潔

(上海交通大學(xué)電氣工程系上海，200240)

“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程是介紹電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置的原理及運(yùn)行要求的一門專業(yè)課?！半娏ο到y(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程改變了傳統(tǒng)的習(xí)題訓(xùn)練模式，增加綜合性習(xí)題的比重。綜合性習(xí)題強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識(shí)的綜合化，從學(xué)科內(nèi)容出發(fā)，結(jié)合生活實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力［1-3]。

1 綜合性習(xí)題的設(shè)計(jì)

1.1 整體考慮

電力系統(tǒng)分布在廣闊的地區(qū)，其組成如圖1所示。調(diào)度控制中心對(duì)所管轄的電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制，其主要任務(wù)是合理地調(diào)度所屬各發(fā)電廠的出力，制定運(yùn)行方式。及時(shí)處理電力系統(tǒng)運(yùn)行中所發(fā)生的問(wèn)題，確保系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。發(fā)電廠和變電所電氣主接線設(shè)備運(yùn)行的控制與操作的自動(dòng)裝置，是直接為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)和保證電能質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備。同步發(fā)電機(jī)是轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能的機(jī)械。它有兩個(gè)可控輸入量—?jiǎng)恿υ睾蛣?lì)磁元素，其輸出量為有功功率和無(wú)功功率，它們分別與電網(wǎng)的頻率和發(fā)電機(jī)端電壓的電能質(zhì)量有關(guān)。

“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制和頻率—有功功率自動(dòng)控制進(jìn)行了較為深入的討論。

1.2 習(xí)題設(shè)計(jì)的思路與原則

根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)和課程目標(biāo)，我們?cè)诰C合習(xí)題設(shè)計(jì)上采用如下思路和原則。

圖1 電力系統(tǒng)的組成

1)注意與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合—傳統(tǒng)的習(xí)題都是已知某些條件，然后求出結(jié)果。但是實(shí)際處理問(wèn)題時(shí)，已知和求解需要我們自己去解析和簡(jiǎn)化出來(lái)，因此這樣的題目與實(shí)際問(wèn)題的解決還相差較遠(yuǎn)。所以綜合性習(xí)題的設(shè)計(jì)應(yīng)該與實(shí)際緊密相連。

2)難度適中—如果題目太難，會(huì)打擊學(xué)生的積極性和自信心，不利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性。

3)注意突出課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，合理安排考察點(diǎn)。

2 典型習(xí)題考評(píng)

2.1 典型習(xí)題范例

［例1] 華東電力系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 華東電力系統(tǒng)分布圖

已知:如圖2(a)所示的華東電力系統(tǒng)采用TBC/AGC方式調(diào)頻，上海、江蘇、浙江和安徽四個(gè)區(qū)域網(wǎng)都具有不同的調(diào)頻能力。其中，上海調(diào)頻機(jī)組容量P1MW，江蘇調(diào)頻機(jī)組容量P2MW，浙江調(diào)頻機(jī)組容量P3MW，安徽具有二次調(diào)頻能力。圖2(b)表示四個(gè)區(qū)域協(xié)議功率流向。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，江蘇向上海輸送功率增加P1MW，上海從浙江接受的功率增加P2MW，浙江向江蘇輸送的功率增加ΔP3MW，安徽分別向江蘇、浙江輸送的功率增量分別為ΔP4MW和ΔP5MW。已知TBC控制中βA、βB、βC和βD。

試分析如下問(wèn)題。

1)調(diào)頻問(wèn)題:①華東系統(tǒng)在上述條件下通過(guò)TBC/AGC進(jìn)行調(diào)頻，可能發(fā)生的頻率偏差為多少?②在發(fā)生如上的頻率偏差時(shí)，四個(gè)區(qū)域電網(wǎng)可以承受的負(fù)荷變化分別是多少?

2)同期與勵(lì)磁問(wèn)題:穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)頻率為50Hz。假設(shè)系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致江蘇-浙江連接線路跳閘，故障使江蘇區(qū)域損失S2MVA發(fā)電容量，使浙江切除S3MVA負(fù)荷，故障切除后江蘇區(qū)域頻率為f2Hz，浙江區(qū)域頻率為f3Hz。假設(shè)故障時(shí)江蘇—浙江連接線的待同期母線電壓分別為:江蘇=U1m∠θ1o，浙江=U2m∠θ2o。

(1)為使系統(tǒng)能夠盡快并網(wǎng)，TBC/AGC不動(dòng)作，求并網(wǎng)時(shí)間。假設(shè)U1處等值發(fā)電機(jī)無(wú)功電壓調(diào)差系數(shù)為δ1，等值后機(jī)組無(wú)功額定為QN1MVar，U2處等值發(fā)電機(jī)的無(wú)功電壓調(diào)差系數(shù)為δ2，等值后機(jī)組無(wú)功額定為QN2MVar，求故障引起兩點(diǎn)電壓下降情況。

(2)如果同期規(guī)定并網(wǎng)電壓差小于0.1%，問(wèn)上述情況是否可以同期?如果不可以同期，系統(tǒng)采用強(qiáng)勵(lì)及其他手段進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間為to，系統(tǒng)最快并網(wǎng)時(shí)間?求并網(wǎng)后系統(tǒng)頻率。

2.2 綜合習(xí)題點(diǎn)評(píng)

1)各問(wèn)題點(diǎn)評(píng)

本道題考察了調(diào)頻、同期和勵(lì)磁三個(gè)方面的內(nèi)容。調(diào)頻問(wèn)題中的第一小問(wèn)考察的是聯(lián)合電力系統(tǒng)的調(diào)頻問(wèn)題。本題的系統(tǒng)是四個(gè)地區(qū)的聯(lián)合系統(tǒng)。采用頻率聯(lián)絡(luò)線路功率偏差控制(TBC)調(diào)頻方式，不僅要消除頻差(△f=0)，而且還要消除聯(lián)絡(luò)線路中的交換功率偏差(△Pt=0)。這就是說(shuō)，每個(gè)控制區(qū)負(fù)責(zé)本區(qū)域的功率調(diào)整，通常把本區(qū)域調(diào)節(jié)作用的信號(hào)稱為區(qū)域控制誤差A(yù)CE(Area Control Error)。學(xué)生要了解二次調(diào)頻的作用以及意義，掌握二次調(diào)頻與ACE之間的關(guān)系，理解ACE的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，才能順利解答此問(wèn)。第二小問(wèn)考察的是聯(lián)合電力系統(tǒng)調(diào)頻對(duì)于負(fù)荷變化的影響。要求學(xué)生能夠掌握調(diào)頻的基本原理和公式:

上式表明，汽輪機(jī)功率增量△PTi與負(fù)荷增量△PLi間差值，由負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)KLi△f和聯(lián)絡(luò)線路增量△Pti來(lái)平衡。

同期與勵(lì)磁問(wèn)題的第一問(wèn)有兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題考察的重點(diǎn)是同期并網(wǎng)的基本原理和條件。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的理想條件是并列斷路器兩側(cè)電源的三個(gè)狀態(tài)量全部相等，即頻率相等和電壓幅值相等和相角差為0。根據(jù)同期并網(wǎng)的條件以及自動(dòng)并列裝置的原理可以計(jì)算出發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)間。第二個(gè)問(wèn)題考察的是勵(lì)磁調(diào)節(jié)中并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功功率的分配問(wèn)題。幾臺(tái)發(fā)電機(jī)在同一母線上并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變?nèi)魏我慌_(tái)機(jī)組的勵(lì)磁電流不僅影響該機(jī)組的無(wú)功電流，而且還影響同一母線上并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功電流，與此同時(shí)也引起母線電壓的變化。這些變化與機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性相關(guān)。根據(jù)無(wú)功調(diào)節(jié)特性可以算出電壓降落情況。

同期與勵(lì)磁問(wèn)題的第二問(wèn)可以直接根據(jù)第一問(wèn)的結(jié)果算出來(lái)。第三問(wèn)是從電力系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)節(jié)特性出發(fā)，考察同期并網(wǎng)條件。第四問(wèn)主要是區(qū)域聯(lián)系調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)問(wèn)題，主要考察學(xué)生對(duì)于區(qū)域調(diào)節(jié)特性的掌握情況。

2)綜合點(diǎn)評(píng)

這是一道用來(lái)考察電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理的綜合性題目，從中我們可以看出五點(diǎn)。

(1)習(xí)題基本涵蓋“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程的重點(diǎn)難點(diǎn)。本課程主要講了三個(gè)方面的內(nèi)容:同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)控制和電力系統(tǒng)頻率和有功功率調(diào)節(jié)。這三個(gè)方面的內(nèi)容體現(xiàn)了發(fā)電廠發(fā)電機(jī)自動(dòng)裝置運(yùn)行的全過(guò)程，也是本課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

(2)習(xí)題的綜合性非常高。從整體上看，本道題綜合考察了發(fā)電廠所有自動(dòng)裝運(yùn)行的原理。我們可以看出考察的知識(shí)點(diǎn)很多，綜合程度比較高。例如“同期與勵(lì)磁問(wèn)題”中的第一小問(wèn)題既考察了同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的條件，自動(dòng)并列裝置的原理，還考察了勵(lì)磁部分并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組無(wú)功功率分配的問(wèn)題。

(3)注意與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合。本題的設(shè)計(jì)以華東電網(wǎng)為背景，所給出的條件都是華東電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，題目中假設(shè)的問(wèn)題也是電網(wǎng)中常常碰到的問(wèn)題，工程性很強(qiáng)。

(4)每個(gè)小問(wèn)題考察的知識(shí)點(diǎn)都很詳細(xì)和深刻，需要學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的深入掌握，并能靈活運(yùn)用。

(5)難度適中。本道題考察的都是些基本理論，學(xué)生只要理解了相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)以及知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性，就能解答。

3 綜合性習(xí)題的作用

3.1 教學(xué)效果評(píng)估

以應(yīng)用綜合性習(xí)題考核的“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程教學(xué)實(shí)踐為例，該課程共計(jì)54學(xué)時(shí)，設(shè)置有期中、期末兩次考核。該課程2007-2008學(xué)年之前一直采用常規(guī)習(xí)題進(jìn)行訓(xùn)練與考核，自2009-2010學(xué)年起開(kāi)始采用綜合性習(xí)題教學(xué)與考核模式。

圖3考試成績(jī)分布對(duì)比直方圖

圖3(a)和圖3(b)分別為2007-2008-2教學(xué)班和2009-2010-2教學(xué)班的成績(jī)分布直方圖。試卷分析的數(shù)據(jù)顯示，采用綜合性習(xí)題之前，平均得分為67.71，成績(jī)分布最多的分?jǐn)?shù)段為60-64，低分較多，高分較少，成績(jī)分布散，教學(xué)成果不理想。采用綜合性習(xí)題之后，平均分71.96，成績(jī)分布最多的分?jǐn)?shù)段為70-74，低分成績(jī)減少，80分以上成績(jī)?cè)龆?，成?jī)分布較為集中，更加符合正態(tài)分布的教學(xué)規(guī)律。以上的考核結(jié)果表明，綜合性習(xí)題的訓(xùn)練與考核對(duì)“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”課程的教學(xué)能夠起到重要的作用。

3.2 綜合性習(xí)題的意義

1)綜合性習(xí)題可以有效提高學(xué)生復(fù)習(xí)效率，鞏固理論知識(shí)。該課程的綜合性習(xí)題與傳統(tǒng)習(xí)題相比，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面大，學(xué)生的解題過(guò)程就是梳理知識(shí)點(diǎn)的過(guò)程。比如上面的典型習(xí)題，做完這一道題基本上就將本課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)系統(tǒng)地復(fù)習(xí)了一遍，而且能將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)。

2)綜合性習(xí)題能夠提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性和獨(dú)立思考的能力。綜合性習(xí)題考察的不是單個(gè)知識(shí)點(diǎn)，而是很多知識(shí)點(diǎn)的整合。

3)綜合性習(xí)題能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性。有助于將學(xué)生從應(yīng)試思維轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ趟季S，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。

4)綜合性習(xí)題能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

5)綜合性習(xí)題有助于學(xué)生系統(tǒng)地掌握電力系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)，弄懂整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。綜合性習(xí)題注重知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)性，知識(shí)的綜合運(yùn)用，能夠系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生宏觀的系統(tǒng)的觀念，有助于學(xué)生更好地理解電力系統(tǒng)。

6)綜合性習(xí)題能夠更客觀地衡量教學(xué)效果是促使學(xué)生將應(yīng)試思維方式轉(zhuǎn)為工程思維方式。

4 結(jié)語(yǔ)

“電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理”作為精品課程，突破了傳統(tǒng)的作業(yè)和考核模式，用綜合性習(xí)題來(lái)訓(xùn)練和考察學(xué)生的能力。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，綜合性習(xí)題與傳統(tǒng)習(xí)題相比，不僅能夠鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，還能提升學(xué)生多方面的能力，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)也能夠更加客觀地反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有助于教師提高教學(xué)水平，保證教學(xué)質(zhì)量。

［1] 顧曉利.“化工原理“教學(xué)應(yīng)重視工程觀念的培養(yǎng)［J] .北京:中國(guó)林業(yè)教育，2008，26(4):42-44

［2] 林少華，王鄭，荊肇乾.多樣化習(xí)題訓(xùn)練對(duì)教學(xué)效果的強(qiáng)化［J] .北京:創(chuàng)新教育，2008(32):156-157

［3] 韓麗娟.新課程習(xí)題與三維目標(biāo)的現(xiàn)狀調(diào)查及實(shí)踐研究［J] .天津:天津師范大學(xué)化學(xué)系，2009