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电力系统自动化专业硕士学位工程实践课建设

来源:UC论文网2018-03-19 08:50

摘要:

  [摘要]为实现教育部硕士研究生从学术型向应用型的转变的要求,应采取多种形式来强化专业学位研究生的工程实践环节,提高专业硕士的培养质量。现有专业硕士学位的实践课程及其教学与“学术型”硕士趋同,忽视了专...

  [摘要]为实现教育部硕士研究生从学术型向应用型的转变的要求,应采取多种形式来强化专业学位研究生的工程实践环节,提高专业硕士的培养质量。现有专业硕士学位的实践课程及其教学与“学术型”硕士趋同,忽视了专业硕士学位的“职业性、实践性”特征。为培养电气工程领域专业学位研究生的技术基础、项目管理等方面能力,并促进其建立相应的工程设计体系概念,工程实践课程的建设具有重要的意义,介绍了北京交通大学在电力系统自动化专业学位工程实践课建设中的探索经验。


  [关键词]工程实践课;电力系统自动化专业;专业硕士学位;课程建设


  [中图分类号]G623.31[文献标识码]A[文章编号]10054634(2017)01010006


  1课程建设背景


  专业学位研究生在高层次社会人才培养中占据重要的地位,专业学位研究生的教育工作为我国的研究生人才培养注入了新的力量,发展专业学位研究生教育是我国高层次人才培养中一项不可缺少的环节。2009年,为了提高研究生结合专业知识与工程实践的能力,加强研究生服务国家与社会的能力,教育部决定扩大招生范围,招收以应届本科毕业生为主的全日制硕士专业学位研究生,开展全日制硕士专业学位研究生的教育工作[1]。2011年,为了实现研究生教育结构的战略调整和历史转型,硕士研究生教育开始从以培养学术型人才为主向以培养应用型人才为主进行转变[2]。


  电力系统结构庞大并且复杂,具有运行方式多变、地域分布广、电能不可大量储存、过渡过程非常迅速等特征。电能生产与国民经济各部门和人民生活关系密切,电力系统发生严重故障时可能会造成大面积停电,将对社会的生产生活造成恶劣影响。


  原有的电力系统方向专业课程注重基础理论的学习。随着电力工业的快速发展,这种模式的专业课程设置表现出了与实际生产的不适应和不协调,存在如下问题。


  1)在教学内容上,课程忽略了工程实践问题的社会环境背景,内容偏重于基础知识的传授,与实际应用联系不够紧密。


  2)在教学方法上,课程更偏重于理论知识的分析,忽视了各部分知识间的联系与综合以及在电力系统工程实践中的应用。


  3)在教学组织上,课程更偏重于课堂内容的理论教学,忽视了对学生学习兴趣的培养及课程实践的教学。


  为响应硕士研究生从学术型向应用型转变的要求,北京交通大学电气工程学院在专业教育理念树立、培养方案制定、培养模式改革、实践基地建设以及双师型导师队伍建立等方面进行了众多的探索。


  开设《电力系统学科方向专业工程实践课》课程是其中的重要环节,是提高专业学位硕士研究生实际工作经验,培养硕士研究生独立的发现、分析、解决问题能力的重要途径。该课程在分析电力系统科技创新和人才需求计划的基础上,采取多种形式强化专业学位研究生的工程实践环节,提升研究生的培养质量。


  1国内课程开设情况


  自2009年教育部决定专业学位硕士开始全日制培养起,国内各高校不同专业均开始了专业学位研究生培养方案与培养模式的研究[36]。目前,各高校已经普遍增加了专业学位研究生实践培养环节,建设了大量研究生培养基地。


  在课程建设方面,也有一些高校开始了相关实践。文献[7]提出了理工科院校翻译硕士专业学位的课程设置的理论认知和实践模型;文献[8]对教育硕士专业学位之实践课程及其教学进行了探索;文献[9]中东北大学理学院开设了“无机材料结构表征技术课程”。根据调研,针对专业硕士学位研究生开设专门工程实践课的相关文献较少,电力系统自动化专业方向未见报道。


  专业学位研究生教育培养具备一定理论基础知识又具有很强动手能力的一流实干家,是高层次的复合型人才与技术管理人才。因此,专业实践课程设置的目的应更侧重于培养学生的工程实践与职业能力,而不仅以掌握某门学科的基础理论知识为目标。


  2课程特色


  本课程的课堂教学在常规教学模式的基础上,结合电力行业的一线专家与校内善于科学研究的教师,通过使用大量演示性多媒体课件,缩短理论教学到实际应用的距离,同时将课程中引入国内外最新研究成果,结合实例分析来扩大学生的视野,以现场实际案例为载体来提升专业学位研究生的实践能力。


  1)课程目标与任务明确。针对电气工程专业应用型人才的培养需求,跟踪调研本专业研究生的就业去向及其在工作中的角色和任务,明确了社会对电气工程专业型研究生的具体要求,确定专业型研究生的培养目标,在课程内容中注重结合工程实际、着重培养学生实践能力。


  2)“走出去”与“请进来”有机结合改善教师队伍。课程在教学过程中邀请了校外一线的科研生产工作者进行授课,将理论与现场工作经验相结合,弥补了校内教师在工程实践环节经验的不足,有效提高了实践教學效果,深受学生欢迎。


  校方导师的学历普遍较高,一般具有较为深厚的科研功底,多年以来都是工作在教学一线,对研究生课程教学都有丰富经验,但并非对行业各方向的实际具体问题都十分了解。而校外各公司企业中的科研生产工作者对本单位的发展方向、本部门的技术问题有更为深刻、清晰的认识。为了提高专业学位研究生的理论研究水平,促进研究生的专业与工程实践技能,可以采取一种校内外教师相结合的方式,发挥校内导师扎实课程教学经验与校外企业科研生产人员先进工作思想的优势,相互取长补短,有力促进专业学位研究生的整体素质。


  同时,通过鼓励任课教师参与电力系统行业培训,深入企业内部,进一步地提高教师的工程实践教学能力。


  3)增加学科前沿内容。电力系统学科属于传统学科,但仍处于高速发展过程中。近年来,新理论、新设备、新应用领域乃至新的网络拓扑、新的控制方法都在不断涌现。因此,电力系统实践课在教授理论基础的同时,也应及时补充学科的前沿内容。


  4)突出形成“理论与工程”教学思想。以往电力系统学科方向的相关课程更偏重基础理论学习、理论知识的分析及课堂内容的理论教学。对如何从纷繁复杂的实际问题中提炼出可研究的模型关注不够,但难以综合运用所学的知识解决电力系统工程中的实际问题。


  面对复杂的工程实际问题,要理清思路,明确所要解决的工程问题;通过以往的实践经验与理论学习,对枝节问题进行正确的简化,突出待解决的主要问题;深入分析进而构建出能够反映工程问题本质的数学模型;依据相关问题求解方法,利用所学的基础理论知识和经验对所求模型求解;进一步地探讨该问题的工程意义,对其价值进行估计评判,对其环境社会影响进行理论分析,从而形成具有一般性概念和结论的理论指导。


  5)结合科研工作提高实践能力。电力系统是一门实践性很强的工科专业,调研中用人单位也多次强调了研究生实践能力的重要性。当然,实践能力的培养不应只是依托课程教学环节,而需要更应突出动手实践能力。由于目前开设实验等环节还存在一定困难,因此本项目在课程设计中设置了部分学时,由任课教师结合本人及学院在该领域的科研工作,针对实际问题展开介绍并组织讨论、参观等活动,充分利用已有科研工作基础来培养学生的工程实践能力。


  3课程内容设计


  课程内容设计首先经过充分调研确立了电力系统自动化专业学位工程实践课的教学大纲。该课程是全日制电气工程专业学位的硕士必修实践课程,同时也可作为本专业学术型硕士研究生的专业选修课,课时共计16学时。


  课程通过校内外教师结合的方式,对电力系统中核心的电力系统调度自动化、高压直流输电、保护与控制、电力市场、电力系统仿真技术以及电能质量等内容进行实际项目与案例的讲授,使学生提前接触到实际工程与现场情况。


  学生通过本课程的学习,能够在电气工程领域的技术基础、项目管理等方面有较全面的认识,并初步建立起相应的工程设计体系概念。掌握电力行业实际生产运营与技术开发过程,为从事相关领域的研发工作打下必要的基础。提高具体实际问题的分析解决能力。了解电力行业前沿技术,具体教学内容包括如下6个部分。


  1)电力系统调度自动化现场运行案例分析。学校邀请校外电网调度领域专家进行授课,讲授目前电网调度开展方式,包括发电计划、电网优化运行、安全稳定分析的实施过程与实际案例。


  2)高压直流输电技术及案例分析。邀请校外专家进行授课,介绍现有高压直流输电技术的发展及其特点、换流电路的工作原理、换流站及其主设备(高压直流输电线路、谐波及滤波器)、高压直流的控制系统及高压直流输电技术的发展前景。


  3)电力市场与需求侧管理案例分析。由校内教师授课,讲解电力市场的运营模式、电价理论、负荷预测和电价预测理论;电力市场输电服务与辅助服务的分析与定价、发电厂商的竞价策略、电力市场支持系统及其关键技术;现代电力企业基于决策支持系统的风险管理;售电侧售电方案分析。


  4)电力系统实时动态安全技术。邀请校外专家进行授课,包含电力系统稳态与暂态分析、建模理论和方法、计算机数字仿真;介绍目前电力系统动态安全稳定的分析方法与工具。


  5)电力系统微机保护开发及研制流程。邀请校外专家进行授课,以培养学生探索、开发与研制等能力为重点,讲授继电保护设备的分类,原理以及实际开发过程。


  6)电能质量标准与用户定制技术。校内教师讲授,分析不同用户对供电可靠性和电能质量的要求,研究结合之前所学相关的配电自动化、电力电子技术的知识来满足用户要求,介绍用户定制电力相关设备。


  课程更加强调发挥学生的自主学习与动手能力,以上讲授的各部分理论知识作为基础,课程更加注重其中的工程实践训练。将按小组划分作为实践讨论单位,结合实际电力系统的项目研发,引导学生灵活应用所学知识。以电力系统工程软件(PSCAD、DIgSILENT、PSASP、MATLAB等)工具的学习和使用为基础,从真实工程项目的背景调研和需求分析入手,让学生通过具体的模型构建、编码实现及仿真测试来分析解决问题。该过程模式将以理论教学促进讨论分析,从讨论分析中引导至工程实践,在实践中真正学习掌握电力系统工程的理论与方法,为学生日后从事相关专业工作岗位打下基础,也与电力系统企业标准进行接轨。


  4课程实践管理


  根据上述课程内容设计,课程实践训练体系由基础实践、综合实践和配套的考核体制组成。其中,各部分课程内容均提供基础实践环节,每个基础实践难易程度相近,着重考察学生核心理论的掌握水平与基础动手能力,学生可以根据兴趣自由选取其中一个;综合实践根据课程内容中结合工程前沿的实践案例进行设置,也可由学生在所选方向进行相应拓展或是自主选题设计,强调实践内容的综合性、实用性以及前沿创新性。具体的实践考核管理原则如下。


  1)基础实践为必选实践,学生自由选取并独立完成,包含调研分析、编程实现/模型构建、总结报告3部分。以个人所提交的基础实践报告为考核依据,由任课老師进行审阅评价。


  2)综合实践按照项目小组进行划分,小组内部协商选择实践题目,同样包含分析、实现、总结3部分。要求小组以演示性多媒体进行现场答辩,依据答辩情况由考核老师和其他小组评价打分。再组内成员以小组实践成绩、个人贡献排名以及答辩表现为考核依据,相互评价给出各组员分数。


  5结合工程前沿的实践案例


  5.1直流输电在海上风电并网中应用分析


  案例教学目的与意义:高压直流输电技术已有60多年的发展历史,成为了一项日趋成熟的技术。对于学生而言,在本科学习阶段已经对直流输电系统的基本构成、接线方式及主要元件有了初步的认识。本教学案例的特色在于充分结合了当前可再生能源规模化开发与利用的发展趋势,来讲解分析直流输电技术的发展与应用。一方面能够促使学生巩固加深对直流输电技术的掌握;也有利于学生了解直流输电新的应用领域,对实际工程前沿能够有一定的认识。


  所选取的案例模型如图1所示。案例中侧重于案例教学过程的分析,忽略对模型本身的详细介绍。


  1)简介海上风电的发展概况。至2011年底全球已建成80个海上风电场,累计装机达到4954MW。我国计划到2015年和2020年,海上风电累计装机容量分别达到5GW、30GW。


  2)简述海上风电场的电力输送方式类别,指出海上风电场远距离传输常采用柔性直流输电方式。结合已建成的实际工程对柔性直流输电技术进行介绍,截至2009年世界范围内已投运的柔性直流输电工程共9项。我国已建成上海南汇风电场工程、广东南澳工程、浙江舟山工程等多项柔性直流输电项目。在讲解过程中也建议学生课下对感兴趣的工程查阅相关资料。图1海上风电场直流输电系统算例


  3)结合案例模型对海上风电并网直流输电的系统构成与关键技术深入讲解,具体阐明典型接线、运行方式、组成部分,以及换流器类型、风电场接入形式及其数学等值模型。在此过程中引导学生思考对比海上风电场并网的高压交流输电、高压直流输电和柔性直流输电不同接入方式的差异。


  4)对直流输电系统的关键组成——换流器进行详细分析,包括换流器的拓扑结构、调制方法、均压控制策略等。针对两电平换流器、三电平换流器和多电平模块化换流器分别展开分析讨论,促使学生对直流输电核心技术有较为深入的认知。


  5)研讨实践环节设置。要求学生应用DIgSILENT或MATLAB等仿真软件来搭建实现直流输电系统中的不同类型换流器,作为基础实践环节。综合实践要求完成上述系统在不同运行工况下的仿真分析,着重研究控制策略不同所带来的影响。


  通过上述案例分析与具体实践过程,将帮助学生建立起对直流输电系统运行控制的直观印象,并且也引导学生将模型仿真结果与教学内容相联系验证,来深化对直流输电技术的理解和掌握。


  5.2继电保护算法工程测试验证流程解析


  案例教学目的与意义:继电保护是保障电力系统安全稳定运行的关键,保护设备在投放至电力系统前都需要对其算法、动作特性等进行严格的测试验证。学生在本科学习阶段已经对继电保护的作用、原理、基本要求及保护装置的组成都有了初步认识。本案例深入讲解了Alstom公司的保护算法测试验证策略,一方面促使学生巩固加深对继电保护知识的掌握,另一方面也有利于学生了解国外企业公司对继电保护算法的研发思路,为学生的课题研究提供参考与借鉴。


  1)介绍测试验证流程及其特色。流程示意如图2所示,将PSCAD与MATLAB结合应用实现优势互补,既利用了PSCAD中仿真模型与电磁暂态过程计算更为精确的特点,又利用了MATLAB数据处理高效便捷的优点。不同仿真平台的结合应用一方面实现了保护算法的半自动化测试验证,另一方面也使得测试模型与保护算法间相互独立。建立完善的测试模型后可以便于不同算法的验证,也更利于对算法的调整。


  2)选择如图3所示模型,结合算例来讲解线路保护算法的测试验证具体流程。首先,引导学生分析系统中可能发生的不同故障,应考虑包括不同故障位置、不同故障类型、不同故障阻抗、以及不同的系统运行状况。例如,该案例模型故障位置应考虑线路不同部位,如F1、F2和F3标志处;应考虑不同故障类型,如三相短路、两相短路、两相接地短路及单相短路接地。


  3)选取一种故障情况,在PSCAD算例模型中进行仿真演示,并重点讲解如何将电压、电流测量导出为标准的comtrade录波文件。基础实践环节设置:要求学生分析系统中可能发生的所有典型故障情况,参照步骤3)在PSCAD或其他电磁暂态软件完成仿真,输出comtrade文件并进行相应分析。


  4)分析MATLAB如何读取录波文件至工作空间,以及在Simulink中如何读取工作空间的变量数据。此过程重点在于使学生了解掌握数据的传递过程。


  5)简单分析Simulink中线路保护算法实现。着重讲解如何编写MATLAB数据自动处理脚本,即如何从工作空间调用变量数据导入至Simulink中进行计算。


  6)演示自动处理脚本如何将变量数据从MATLAB工作空间传递至Simulink保护算法模型进行计算,并将结果输出至excel文件存储。将计算结果与仿真模型对比,表示一致通过,否则错误告警。


  7)综合实践环节设置。要求学生参照上述的保护测试流程,从线路保护、变压器保护、母线保护等中选择一种设备保护进行研究,通过电磁暂态软件完成仿真测试,分析保护方法的速动性、灵敏性、选择性与可靠性。


  6总结


  科学合理的课程体系设置是教学质量的基本保证,根据全日制专业学位研究生培养教育中的实践性要求以及课程设置体系中存在的问题,结合电力系统自动化专业特点,建设了“电力系统自动化专业硕士学位工程实践课”。课程通过专题讲座与工程实例,可为学生为从事相关领域的研究、开发工作打下必要的基础,培养了其分析解决问題的能力。


  作者:王小君等

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