徐青菁， 姜建民， 王君艷

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

目前，電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗是國內(nèi)高校進行電力系統(tǒng)實驗教學(xué)最主要的教學(xué)方式。動模實驗屬于電力系統(tǒng)的物理模擬，是按照相似性原理建立的縮小的實際物理模型，能反映電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有直觀形象的特點。但動模實驗存在以下局限性:① 投資大，建設(shè)周期教長，具有動模的高校還是少數(shù);②無法組建大規(guī)模實驗系統(tǒng)，難以幫助學(xué)生建立大系統(tǒng)概念;③系統(tǒng)組建變化有限，難以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性;④所能覆蓋的教學(xué)實驗內(nèi)容比較有限;⑤ 出于安全方面考慮，很多步驟不能讓學(xué)生親自動手操作，而且不可能每人配置一套設(shè)備，只能分組實驗，這大大降低了教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[1-3]。

近年來，隨著計算機和實時仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)字仿真進行電力系統(tǒng)教學(xué)實驗逐漸為高校所認(rèn)同。數(shù)字仿真試驗具有安全、經(jīng)濟、方便、靈活的優(yōu)點，是現(xiàn)代仿真與試驗系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。與動模實驗一樣，數(shù)字仿真已成為電力系統(tǒng)仿真試驗、教學(xué)實驗和技術(shù)培訓(xùn)的主流選擇。

基于數(shù)字仿真的電力系統(tǒng)教學(xué)實驗系統(tǒng)作為動模實驗的有益補充和改革，與傳統(tǒng)的物理模擬方法不同，數(shù)模實驗采用實時數(shù)字仿真器(Real-Time Digital Simulator，RTDS)設(shè)備對電力系統(tǒng)進行數(shù)字化模擬?；谔幚砥骺ǖ膹姶笥嬎隳芰Γ谝粋€仿真步長內(nèi)(50～60 μs)完成采集外部信號、實時求解模型、對物理裝置執(zhí)行激勵、控制等功能，實現(xiàn)對實際裝置的閉環(huán)仿真。在運行于工作站上的RSCAD軟件中，用戶可以使用元件庫中的各種電力系統(tǒng)元件模型，方便快速地搭建電力系統(tǒng)模型，編譯后下載到處理器卡(GPC)中計算，在全數(shù)字仿真系統(tǒng)運行過程中能夠通過工作站對所仿真的電力系統(tǒng)進行狀態(tài)觀測及操作、控制。相比傳統(tǒng)的物理模擬方法，數(shù)字模擬方法具有建模周期短、靈活性強、安全性好、結(jié)果直觀等特點，由于其模型使用已經(jīng)大量實踐驗證的電磁暫態(tài)模型，其計算精度和模型的合理性是可以信賴的。

2010年，電氣工程實驗中心從加拿大曼巴托尼HVDC研究中心進口RTDS設(shè)備3套，開設(shè)“電力系統(tǒng)RTDS教學(xué)實驗”并成功申報了上海交通大學(xué)特色實驗項目，承擔(dān)了兩大類教學(xué)實驗:① 全數(shù)字仿真分析實驗，涉及課程包括電力系統(tǒng)基礎(chǔ)、電力系統(tǒng)故障分析和電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制;② 硬件在環(huán)(閉環(huán))實驗，主要課程為電力系統(tǒng)繼電保護和安全自動裝置。本實驗課程使學(xué)生了解電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式、電力元件的機理和模型，建立電網(wǎng)全局大系統(tǒng)觀念，增強對電網(wǎng)運行的直觀感受。系統(tǒng)與上海交通大學(xué)電氣實驗中心原有的繼電保護屏柜相結(jié)合，構(gòu)成了一個高規(guī)格數(shù)字動模實驗室，對教學(xué)和科研的開展起到了很好的推動作用[4-6]。

此外，高等工程教育要強化主動服務(wù)國家戰(zhàn)略需求、主動服務(wù)行業(yè)企業(yè)需求的意識，確立以德為先、能力為重、全面發(fā)展的人才培養(yǎng)觀念，創(chuàng)新高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的機制，改革工程教育人才培養(yǎng)模式，提升學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力，構(gòu)建布局合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、類型多樣、主動適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的、具有中國特色的社會主義現(xiàn)代高等工程教育體系，加快我國向工程教育強國邁進。為此，電氣工程實驗中心為響應(yīng)“卓越工程師培養(yǎng)”計劃戰(zhàn)略，將RTDS電力系統(tǒng)教學(xué)實驗和課程設(shè)計引入本科教學(xué)計劃，為培養(yǎng)專業(yè)知識扎實，實踐和動手能力強，創(chuàng)新能力突出的卓越工程師打好基礎(chǔ)[7-9]。

1 RTDS實驗教學(xué)改革

電氣工程實驗中心于2010年建設(shè)了基于RTDS的實時數(shù)字仿真中心，同時充分利用配套的機房設(shè)備與相應(yīng)的軟件資源，初步建成了基于RTDS的綜合實驗教學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)用于電力系統(tǒng)實驗教學(xué)，并編寫了《基于RTDS電氣系統(tǒng)應(yīng)用綜合實驗指導(dǎo)書》，這是電力系統(tǒng)教學(xué)實驗改革的一個很好的嘗試。本實驗中心共有RTDS實驗設(shè)備2套，輔助計算機工作站30臺，RTDS專業(yè)教師2名，系統(tǒng)在教學(xué)實驗改革的實踐中取得了顯著的效果。

此外，實驗中心現(xiàn)已開設(shè)2門專業(yè)綜合實驗，6門課程設(shè)計(電力電子課程設(shè)計、變電站電氣部分設(shè)計、電機的DSP控制設(shè)計、繼電保護設(shè)計、高壓數(shù)字測量系統(tǒng)設(shè)計、智能儀表設(shè)計)，2門科技創(chuàng)新課程，3門特色實驗課程，每年為電氣工程相關(guān)專業(yè)本科生和研究生開展教學(xué)實驗。同時實驗室貫徹學(xué)?！凹訌姳究粕碚摻虒W(xué)、實踐教學(xué)、科學(xué)研究三位一體的有機結(jié)合，加強實踐和第二課堂教學(xué)”的指導(dǎo)方針，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，給學(xué)生創(chuàng)造良好的實踐條件，讓學(xué)生更多地走進實驗室，進行自主學(xué)習(xí)和研究性學(xué)習(xí)。2010～2012年，實驗中心先后開設(shè)了18個PRP，2個畢業(yè)設(shè)計，3個上海大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃項目，在核心期刊上發(fā)表相關(guān)教學(xué)論文4篇。取得了優(yōu)異的成績，獲得了學(xué)生的一致好評。

2010年至今，電氣工程實驗中心采用RTDS在教學(xué)實驗改革、本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、卓越工程師培養(yǎng)等多方面發(fā)揮了積極的作用。

1.1 教學(xué)實驗改革

“電力系統(tǒng)基礎(chǔ)課程”利用本系統(tǒng)進行了電力系統(tǒng)運行方式及潮流計算和網(wǎng)損分析的實驗。利用典型實驗系統(tǒng)，在數(shù)字仿真的監(jiān)控圖頁改變發(fā)電機出力、開關(guān)狀態(tài)和負(fù)荷參數(shù)，可以改變系統(tǒng)的運行方式及潮流分布。將控制條件和潮流結(jié)果進行對比分析，讓學(xué)生了解影響系統(tǒng)潮流的主要因素以及影響趨勢。同時，建立了幾個IEEE典型的大系統(tǒng)，用于大系統(tǒng)運行方式和潮流的演示和學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的大系統(tǒng)觀念。另外，利用典型實驗系統(tǒng)，在數(shù)字仿真的監(jiān)控圖頁改變發(fā)電機出力、開關(guān)狀態(tài)和負(fù)荷參數(shù)，包括改變負(fù)荷的功率因數(shù)，數(shù)字仿真可計算各級電壓等級電網(wǎng)的網(wǎng)損。通過將控制條件和網(wǎng)損結(jié)果進行對比分析，讓學(xué)生了解影響網(wǎng)損的主要因素以及影響趨勢。設(shè)計了一個電容就地?zé)o功補償?shù)膶嶒?，闡述在線路上無功傳輸減少的情況下，有功損耗即網(wǎng)損就會下降的現(xiàn)象，加深了學(xué)生對無功和網(wǎng)損關(guān)系的理解[10-11]。

“電力系統(tǒng)故障分析課程”利用本系統(tǒng)進行了電力系統(tǒng)橫向和縱向(斷線)故障分析實驗。在典型實驗系統(tǒng)上設(shè)置各種短路故障、斷線故障和復(fù)合故障。一方面，可設(shè)置各種故障條件、改變故障位置以及改變運行方式，觀察系統(tǒng)短路電流的分布情況;另一方面，在數(shù)字仿真的監(jiān)控圖頁上利用觸發(fā)按鈕觸發(fā)一個故障或一個故障序列，了解各種故障下的系統(tǒng)各序電壓和電流變化過程。在故障過程中，不僅讓學(xué)生認(rèn)識到了短路電流的大小，而且讓學(xué)生對故障的暫態(tài)過程有所了解，認(rèn)識了電流暫態(tài)過程中的諧波、不對稱等現(xiàn)象[12]。

“電力系統(tǒng)繼電保護課程”利用本系統(tǒng)進行各種成套保護裝置的調(diào)試與分析實驗。利用眾多典型的實驗系統(tǒng)，對各類保護裝置進行閉環(huán)試驗，讓學(xué)生對線路保護和元件保護的原理和工作特性有了更為深入的認(rèn)識。典型實驗系統(tǒng)的試驗對象包括線路保護、母線保護和變壓器保護。在實驗系統(tǒng)中設(shè)置各種簡單故障和復(fù)雜故障，或者在數(shù)字仿真的監(jiān)控圖頁用觸發(fā)按鈕觸發(fā)故障或故障序列，觀察各種故障下的電壓和電流波形，通過對故障電壓和電流的定量分析以及各類繼電保護裝置出口和斷路器的狀態(tài)判斷裝置的動作是否正確。包括在串補電容條件下，保護動作的特殊性認(rèn)識。

“電力系統(tǒng)課程設(shè)計”也充分利用了本系統(tǒng)。學(xué)生發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，自行建立實驗系統(tǒng)，并輸入?yún)?shù)，在教師的指導(dǎo)下，調(diào)整參數(shù)直至系統(tǒng)穩(wěn)定運行，然后在該系統(tǒng)中進行一系列實驗。課程設(shè)計的題目包括實驗方案中的幾個題目:電力網(wǎng)接線方案的技術(shù)論證及經(jīng)濟比較、發(fā)電廠和變電所主接線選擇以及網(wǎng)絡(luò)潮流計算和電壓計算，還有其他的課程設(shè)計題目。同時，在上海交通大學(xué)的使用實踐表明，本系統(tǒng)也是教師和研究生開展課題研究和技術(shù)開發(fā)的仿真和試驗平臺。

此外，2011～2012學(xué)年設(shè)置的RTDS本科教學(xué)實驗還有“分壓器”、“交流系統(tǒng)模型”、“輸電線路參數(shù)測量”、“電力變壓器實驗”、“同步電機實驗”、“發(fā)電機并網(wǎng)實驗”等，整個實驗過程都是在學(xué)生獨立操作下完成，當(dāng)學(xué)生通過自己的努力把最終結(jié)果或波形呈現(xiàn)在屏幕上時，無論這種結(jié)果正確與否，其印象都是非常深刻的。一方面提高學(xué)生的求知欲，加深他們對所學(xué)的知識的記憶;另一方面是學(xué)生的自由發(fā)揮，極大地提高了學(xué)習(xí)的積極性，動手能力也得到加強。并且這些實驗內(nèi)容也可以在動模實驗上完成，當(dāng)仿真波形與實際波形相比較，可進一步加深印象。

學(xué)生需自己根據(jù)電氣工程基本原理及實驗需求搭建仿真模型。

學(xué)生需自己搭建人機互動界面，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的觀測及控制。

學(xué)生需根據(jù)電氣工程基本原理及繼電保護原理對系統(tǒng)故障時的電壓、電流進行分析，并對繼電保護等電力系統(tǒng)自動裝置的動作行為進行分析、評價[13-16]。

1.2 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)新

除了教學(xué)實驗，本科生已有采用RTDS完成畢業(yè)設(shè)計課題。其中，“基于RTDS的可再生能源并網(wǎng)過程中繼電保護行為仿真分析”一文，以距離保護為例，從理論和仿真兩個方面研究了風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線保護的行為。首先經(jīng)過理論推導(dǎo)，建立了考慮接地電阻和風(fēng)電場運行方式變化等各種因素的測量阻抗解析表達式。在改變故障距離、接地阻抗、相角差、電勢比、內(nèi)阻抗等5個變量，分別繪制了阻抗軌跡圖，形象地說明了風(fēng)電場并網(wǎng)后對聯(lián)絡(luò)線距離保護可能造成的不利影響。再基于RTDS仿真系統(tǒng)，建立風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線模型，同樣改變以上5個參數(shù)對于上述的情形進行仿真驗證，并在驗證的基礎(chǔ)上成功仿真出距離保護誤動作的一種情況。理論分析與仿真結(jié)果皆說明，對于風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線距離保護，在發(fā)生接地故障時，風(fēng)電場運行方式的頻繁變化將對測量阻抗產(chǎn)生很大影響，從而影響距離保護的正確動作。

讓本科生參加RTDS教學(xué)實驗并采用RTDS完成畢業(yè)設(shè)計，要求學(xué)生上機學(xué)會軟件的基本操作，同時與動模相對應(yīng)利用該系統(tǒng)建立一個單機大系統(tǒng)模型。在仿真模塊界面通過改變各個參數(shù)，來改變系統(tǒng)的運行方式，并仿真出該系統(tǒng)在各種工況下的重要參數(shù)的波形，一方面驗證數(shù)字仿真系統(tǒng)的真實可靠性;另一方面主要是讓學(xué)生了解影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要因素以及影響趨勢，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀念和整體觀念。

1.3 卓越工程師培養(yǎng)

教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(簡稱“卓越計劃”)，是貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項目，也是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措。該計劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)。截止2010年，我國開設(shè)工科專業(yè)的本科高校1003所，占本科高?？倲?shù)的90%;高等工程教育的本科在校生達到371萬人，研究生47萬人。該計劃對促進高等教育面向社會需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用。

實驗中心設(shè)置RTDS本科教學(xué)實驗和畢業(yè)設(shè)計，積極響應(yīng)“卓越計劃”實施，培養(yǎng)方式具有3個特點:

(1)行業(yè)企業(yè)深度參與培養(yǎng)過程。這方面主要體現(xiàn)在學(xué)校與企業(yè)合作項目，學(xué)生參與并完成畢業(yè)設(shè)計。上文提到的“可再生能源并網(wǎng)過程中繼電保護行為仿真分析”，就是電氣工程系與某電力企業(yè)合作項目，不僅可以提高學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計的學(xué)習(xí)積極性，而且加深了本科學(xué)生對實際系統(tǒng)的認(rèn)識，讓企業(yè)參與，讓學(xué)生受益，為培養(yǎng)工程師提供實施的舞臺。

(2)結(jié)合高校人才標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)工程人才。與動態(tài)模擬實驗相比，RTDS具備多種優(yōu)越性，可以讓本科生更早的接觸到電力系統(tǒng)仿真，在培養(yǎng)學(xué)生能力的同時，結(jié)合專業(yè)知識，為電力系統(tǒng)行業(yè)儲備工程師人才。

(3)強化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。RTDS仿真和實驗靈活多變，范圍很廣。模型系統(tǒng)可采用典型實驗系統(tǒng)，也可由學(xué)生自由搭建。學(xué)生通過數(shù)字仿真平臺，可靈活組建各種結(jié)構(gòu)形式和運行方式的系統(tǒng)，自我設(shè)計發(fā)揮的自由度很大，這對于本科課程設(shè)計尤為重要，可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。

我們的培養(yǎng)目標(biāo)是:面向電力系統(tǒng)行業(yè)、面向世界、面向未來，培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國家，實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化和現(xiàn)代化奠定堅實的人力資源優(yōu)勢，增強我國的核心競爭力和綜合國力。因此，以RTDS實驗和實施卓越計劃為突破口，促進電力系統(tǒng)教育改革和創(chuàng)新，加快國家智能電網(wǎng)建設(shè)步伐，全面提高電氣工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進我國從工程教育大國走向工程教育強國[17-20]。

2 成果和啟迪

(1)培養(yǎng)學(xué)生大系統(tǒng)觀念。隨著電網(wǎng)的互聯(lián)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和動態(tài)行為日益復(fù)雜。通過動模的小規(guī)模系統(tǒng)，學(xué)生可以認(rèn)識到系統(tǒng)的一些基本規(guī)律，但無法充分認(rèn)識到大型互聯(lián)系統(tǒng)的一些特殊運行規(guī)律。學(xué)生通過數(shù)字仿真平臺，可靈活建立互聯(lián)大系統(tǒng)，在上面進行穩(wěn)態(tài)的潮流計算、網(wǎng)損分析、無功補償實驗;設(shè)置各種故障條件，進行暫態(tài)穩(wěn)定計算和動態(tài)行為分析。這對學(xué)生建立大系統(tǒng)觀念和加強對大系統(tǒng)特殊運行規(guī)律的認(rèn)識會很有幫助，是動模的有益補充[21]。

(2)提高學(xué)生創(chuàng)新能力。電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，運行方式也靈活多變，這要求教學(xué)實驗系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)撵`活性。動模實驗由于電機和設(shè)備有限，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上欠缺靈活性，學(xué)生能夠組建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限，一定程度上限制了學(xué)生創(chuàng)造力的發(fā)揮。

學(xué)生通過數(shù)字仿真平臺，可靈活組建各種結(jié)構(gòu)形式和運行方式的系統(tǒng)，自我設(shè)計發(fā)揮的自由度很大，可廣泛開展創(chuàng)新性實驗，給學(xué)生更廣闊的創(chuàng)新空間，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析和創(chuàng)新能力。這對于研究型大學(xué)的課程設(shè)計環(huán)節(jié)尤其重要。

(3)增強學(xué)生直觀感受。動模實驗可讓學(xué)生在實際操作中產(chǎn)生直觀形象的感受，傳統(tǒng)觀念會認(rèn)為數(shù)字仿真的直觀性要差一些，但本系統(tǒng)的交互培訓(xùn)功能很好地克服了這個不足。

本數(shù)字仿真教學(xué)實驗系統(tǒng)的實時交互培訓(xùn)功能可以大大增強實驗培訓(xùn)的效果和學(xué)生的直觀感受。系統(tǒng)界面的監(jiān)控圖上，可擺放各種儀表和控制，學(xué)生可在仿真前或?qū)崟r仿真過程中任意改變圖中儀表和控制的設(shè)置。在仿真過程中，學(xué)生的控制手段甚至比動模更加靈活，如各種故障的設(shè)置，發(fā)電機的出力調(diào)節(jié)等，儀表的擺動也非常逼真，從而大大增強了學(xué)生的直觀感受。

(4)加深學(xué)生對系統(tǒng)的認(rèn)識。本系統(tǒng)同時又是一個數(shù)字動模實驗室，與動模一樣可以直接接入實驗裝置進行閉環(huán)實驗，可以加深學(xué)生對實際電力裝置的認(rèn)識和了解。系統(tǒng)通過高速通信系統(tǒng)與信號轉(zhuǎn)換及輸入輸出系統(tǒng)同外部設(shè)備相連，可進行繼電保護裝置、安全自動裝置以及測量與控制裝置的實時閉環(huán)試驗。系統(tǒng)與上海交通大學(xué)電氣實驗中心原有的繼電保護屏柜相結(jié)合，構(gòu)成了一個高規(guī)格數(shù)字動模實驗室，對教學(xué)和科研的開展起到了很好的推動作用。

3 結(jié)語

在本科教學(xué)中，實驗中心準(zhǔn)備利用RTDS進一步開展各類系統(tǒng)和裝置的仿真試驗，在電力系統(tǒng)課程設(shè)計中，也將充分利用本系統(tǒng)，讓學(xué)生充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力，自行建立仿真實驗?zāi)Ｐ?，并輸入?yún)?shù)，在教師的指導(dǎo)下，調(diào)整參數(shù)直至系統(tǒng)穩(wěn)定運行，然后在該系統(tǒng)中進行一系列實驗。該系統(tǒng)也是教師和研究生開展課題研究和技術(shù)開發(fā)的仿真和試驗平臺。

實踐表明，本實驗教學(xué)系統(tǒng)在教學(xué)實踐中效果顯著，在培養(yǎng)學(xué)生大系統(tǒng)觀念和提高學(xué)生創(chuàng)新能力以及加深學(xué)生對實際系統(tǒng)的認(rèn)識等方面取得了很好的效果，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識，很受學(xué)生的歡迎。在今后的應(yīng)用中，我們將充分利用實驗室資源，進一步完善該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，不斷拓寬實驗內(nèi)容和種類。并充分發(fā)揮高校技術(shù)資源優(yōu)勢，不斷加深與電力部門及企業(yè)的合作，以達到雙方資源的共享。

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