基于云仿真的高压直流输电课程改革与探索-k8凯发官网

项 目

负责人

王渝红

1.项目拟解决的问题和工作目标

现代电力系统是一个复杂的动态系统，一个显著特征是越来越多的电力电子设备参与发、输、配电的各个环节，其中输电环节的高压直流系统以及灵活交流系统应用越来越广泛，在现代电力系统中的重要程度愈发凸显。我国已经形成以东北、三华（华北、华东、华中）、西北、西南以及南方电网等几大交流区域电网为主体、区域间通过高压直流工程异步互联的电网格局。各大区域电网内部也存在多回大容量高压直流工程。交直流混联运行是现代电力系统显著的特征之一。

《高压直流与灵活交流输电》针对该特点，从宏观上丰富并全面构建电气工程及其自动化专业本科生所应具备的知识结构。

根据该课程目前的教学方式及内容安排，课堂讲授依然是本课程让学生获取知识的最主要途径。因此，课堂教学的质量将会直接影响到本科生的学习效果。同时，由于本课程为高年级选修课，学生学习主动性以及积极性也是影响教学质量以及教学效果的重要原因。但通过近几年的教学反响、学生评价、考试及考核结果等反馈情况，本课程仍然在以下几方面存在问题需要解决。

一、课程讲授方式需要进一步提高互动性以及实践性。当前《高压直流与灵活交流输电》以理论讲授教学为主，实物实验为辅。在课程中采取课堂提问、讨论课等形式与同学进行互动以增强学生对知识点的掌握，但是作为选修课程，选课人数不多，部分同学对其重视程度不够，仅仅是被动进行学习，其导致相关同学的学习效率不高，对教学内容的掌握不足。因此，需要利用多种辅助手段加强课程中与同学的互动程度，以此加深他们对知识点的认知。同时利用如仿真软件等具备实践性的互动工具，让高年级本科生掌握即使在毕业后也能继续使用的技能，达到掌握本门课程知识的同时也能选择性学习电力领域通用仿真技能。

二、理论教学内容缺乏有效的原理呈现与分析手段。由于课程内容较多，且涉及到大量电力电子课程的知识，需要针对直流输电的基本换流原理、各类设备电磁功率特性以及其与交流系统的相互作用情况进行原理性讲授。相关原理较为抽象，尤其是换流器的换流过程部分多以图片介绍各器件的工作情况。虽然在ppt中也进行了简单的动画制作力图将换流过程进行清晰的呈现，但是根据学生的反馈情况该部分内容较为晦涩并难以实际掌握分析。因此，对于相关内容亟需借助如仿真软件、实验平台等可观性强，易于理解的实际软件或设备进行辅助教学，以增强理论教学的呈现性。

三、当前用于教学的高压直流相关仿真软件适应性差。根据前述分析以及以往的教学经验，课程组也尝试利用具备高压直流分析功能的相关仿真软件进行辅助教学，相关软件主要以加拿大曼尼托巴水电局开发的pscad/emtdc为主。但是在利用该软件辅助教学的过程课程组成员发现一方面该软件需要正版授权，虽然课程组成员所在科研团队购买了若干份授权软件，但无法满足所有学生的使用需求，最终导致较多学生使用该软件的盗版进行学习，存在k8凯发官网入口的版权争议隐患。另一方面，由于该软件为国外企业开发，相关界面及说明书均为英文。因此，对于英文水平较差的同学难以通过其掌握本课程的内容。

四、直流输电辅助教学实验及仿真资源投入成本高昂。以pscad/emtdc仿真软件为例，若需要获得加拿大正版授权，根据相关科研团队在之前和对方的询价情况，一套软件需要18万元人民币，其后每年均需缴纳6至8万元人民币的年费，否则其k8凯发官网入口的技术支持服务将不再有效，以上报价还是对方针对教育机构进行了优惠后的价格。除仿真软件外，本课程还通过实验平台进行辅助实验教学。

目前主要采用的±800kv特高压直流输电系统试验台为依托四川省智能电网重点实验室购买，试验台价格50万元，使用时间已经超过8年，一套实验平台能够容纳的学生有限，学生实验动手机会少。教学过程中常出现老师忙、学生闲的情况，大量学生围簇在狭小的实验场地也容易产生实验安全问题。另外，试验台原件故障率高，在前几年出现过因设备故障厂家不能及时维修开不出课的情况。在疫情期间，学生不能到校进行实际操作，只能播放录制好的视频，使实验效果大打折扣。

2021年学院购入一台特高压混合直流实验平台，其主要依托科研团队的相关科研项目购买，主要用于科学研究、研究生培养。先期的投入对普通本科课程组而言相对较高。而且不论是常规直流的实验平台还是新进购入的混合直流实验平台，维护和升级均需要投入大量资金。

另外，实物实验平台能容纳的实验项目少，不能反映直流输电灵活多变的场景需求。

五、教材及辅助教学平台内容久未更新、较为陈旧。目前中国在超特高压直流输电领域在世界上处于绝对领先地位。随着新能源的占比进一步提高，直流输电使新能源汇集外送的首选技术。柔性直流输电、直流电网等技术快速发展，现有教材难以跟上。

本门课程是一门前沿性及工程性较强的学科，教学过程中通常需要将理论知识和实际工程经验相结合，才能加深学生印象、激发学生学习热情。然而，现代工程、技术，尤其是直流输电技术发展速度快，而目前采用的教材为2012年出版的《高压直流输电原理与应用》，出版已超过十年，无法体现学科最前沿的知识与研究现状。此外，已有的实验平台也过于陈旧，较难体现当前研究热点，如高压直流电网输电系统。

2. 项目的改革思路和举措

针对目前《高压直流与灵活交流输电》课程中存在的相关问题，本项目改革思路及具体措施如下。

（1） 利用cloudpss改进课堂理论教学授课方式。由于cloudpss能够通过互联网进行云仿真，且相关模型、案例库及软件主体的使用完全免费，因此项目考虑在课堂理论教学过程中基于cloudpss建立相关直流设备、系统模型进行现场仿真互动教学。同时，利用cloudpss模型的通用性及互动性，通过实时调节仿真参数观察系统动态变化情况，通过调整设备元件配置分析直流系统运行状况，如图3所示，形成多种启发性、开放性教学方式，提升理论教学的呈现效果，实现基于cloudpss的理论教学授课方式的改进。

图3 设备参数调整时的系统实时运行结果

（2） 增加基于cloudpss的直流输电仿真教学内容。考虑到使用cloudpss需要基本的仿真软件及仿真技能，因此在原有教学内容上，增加以cloudpss为对象的仿真教学内容。包括电力系统电磁暂态仿真技术的基础知识、cloudpss的基本认识、电力系统在cloudpss中的建模以及高压直流输电在cloudpss中的仿真建模等。此外，考虑到cloudpss具备较强的自定义建模功能，如图4所示，在仿真教学内容中也进一步考虑利用编程语言或图形界面进行自定义建模的教学。

图4 高压直流输电系统控制器的用户自定义建模示例

（3） 通过云仿真辅助实验教学演示内容。根据教学大纲，本门课程自带三节实验室教学课。以往的教学中主要通过直流输电实物实验平台进行演示并完成实验教学。但是由于保障人身安全及设备操作限制等原因，相关演示及操作比较简单，仅能让同学对直流输电进行定性认识。考虑到cloudpss为开放平台，不受k8凯发官网入口的版权和电脑配置的约束，能够使每位学生都能够充分参与实验，因此利用云仿真的cloudpss平台搭建与实验设备一致的仿真模型，从内部换流机理，外部功率变化等多维度、全方位实现实验教学质量的提升。如图5和图6所示，项目组已在cloudpss云仿真平台中构建了常规直流和柔性直流输电系统的基本数字仿真模型。后续，将在现有模型的基础上，根据教学需要进行修改。同时，将利用cloudpss的项目广场功能实现直流数字仿真模型的一键共享，方便同学学习。

图5 基于cloudpss的常规直流输电系统数字仿真模型

图6 基于cloudpss的柔性直流输电系统数字仿真模型

综上所述，本项目基于cloudpss云仿真平台，从课程授课方式、教学内容以及实验演示等三方面进行创新，实现《高压直流及灵活交流输电系统》课程的改革与创新，力图通过新手段全方位完善教学内容、提升教学质量。