电气信息类专业创新与研究项目的设计与实现

徐 凯， 曹建秋， 王爱娟

(重庆交通大学信息科学与工程学院， 重庆 400074)

电气信息类专业创新与研究项目的设计与实现

徐 凯， 曹建秋， 王爱娟

(重庆交通大学信息科学与工程学院， 重庆 400074)

围绕国家对电气信息类专业创新与研究人才需求，以交通电气信息为特色，构建以创新和研究能力为主线的螺旋式、多层次实践教学新体系。结合一个完整船舶电气实例，从其数学模型出发，自行创建封装同步发电机各阶次模型，搭建多机电力系统故障模型。研究各阶次同步发电机模型对电力系统暂态稳定性影响，并得出相应结论。实例给出创新与研究项目设计实现的方法和思路。

科技创新； 实现方法； 船舶电气； 实例剖析

2005年国家教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中指出：“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”，“引导大学生了解多种学术观点并开展讨论、追踪本学科领域最新进展，提高自主学习和独立研究的能力”。以上明确指出了高校所培养的大学生应具备一定的创新和研究能力。

托尔斯泰曾指出“如果学生在学校里学习的结果是使自己什么也不会创造，那他一生将永远是模仿和抄袭”。学生的创造思维素质要靠教师有意识地训练，即便是有一点缺憾的创造，也要比无缺点的模仿更有价值。

重庆交通大学对电气信息类专业推行了专业提升计划、卓越工程师建设、人才培养创新实践示范区等一系列改革措施。通过改革，使学生在本科、研究生阶段得到科研与发明创造的训练。推广个性化培养与研究性学习的教学方式，形成了创新与研究的教育氛围。

在改革中，建立和发挥以创造性为核心，并注重交通行业特色的电气信息类人才培养模式。

探索以问题和课题为核心的教学模式，倡导多层次、创新与研究实验教学内容的体系改革，对新的教育方式进行积极探索，提高了学生的就业竞争力。

1 以创新与研究能力为主线的分层递进实践教学体系

按照创新与研究能力培养这一基本思路，我校对电气信息类专业在实践教学环节进行了有机整合，形成了以创新与研究能力为主线的多层次螺旋式实验教学培养新体系。按照先基础、后综合、再创新与研究的思路，循序渐进地安排实验教学计划。针对授课对象和培养目标不同，将实验项目划分为基础实验、综合设计实验、创新与研究实验三个层次。内容由浅入深，从简单到复杂，逐步提升实验技术水平。使学生从“学会走路”，到“自主走路”，最终学会“自己找路”。

1.1 基础性实验

电气信息类基础课程实验教学，在学生素质修养和能力培养上有着不可缺的位置。“课程基础实验”与理论课程体系对应，重点在培养学生的实验基本技能，使其熟悉仪器和设备使用方法，提高学生理论与实践相结合的能力，使学生“学会走路”。

1.2 综合设计性实验

树立以工程设计“实战性”的教学思想，确立专业课以项目为引导的大作业，开展诸如EDA、单片机、ARM和DSP开发的“综合性工程训练”，在训练中做到以“练”为“战”。学生通过参观了解工程项目，熟悉相关内容，将感性认知通过理性的工程性思维转化为设计方案，把模拟设计当成真正工程设计来做。重点培养学生综合、设计性实验能力和团队合作能力，使学生学会“自主走路”。

1.3 创新与研究性实验

在创新与研究性实验的教学中，其中心主题是“问题”的引申及“激发”。把学生的思维引入属于他们自己的“问题意识”中，并不断地扩展他们的问题意识，让学生不由自主地走上问题的思考之路。进行创新与研究教学要注意三个关键环节：一是要对教学素材进行深入研究。通过研究典型教学素材，指引学生对实验问题的探究，提高学生对实验的兴趣和吸引力；二是教学目标要明确，有了清晰的预期目标，学生就能做到有的放矢；三是在教学方法上要实行创新性、探究性和开放性。这是创新与研究教学的精髓，也是最能体现教学成果的重要部分。学生的实验不再是“依样画葫芦”，而是带着研究课题进实验室。此时，教师不仅是在传播知识，同时也在引导学生创造知识。采用这种教学方式，使学生系统地接受科研训练，这种训练不是被动的，而是主动的。学生通过亲身体验和学习，能大幅度地提高他们对获取信息、处理信息的能力。通过实践还可使学生综合运用所学知识，进行跨学科、跨领域的学习。学生通过系列的创新与研究实验教学活动，其体会最深刻。当他们取得成果时，就会感受到研究的艰辛与快乐，从而进一步激发起他们的学习兴趣，提高他们思维能力和创造欲望。

为此，专门设立了电气信息创新与研究实验室。在实验室中按专业方向形成体系，多角度体现电气信息的强、弱电及各学科方向的专业特点，使实践教学内容从相对独立到学科融合。实验室配备先进仪器设备和各种工具，最大程度地向学生开放。并设立专项资金对创新与研究实验项目进行资助。学生提出的课题经专家论证后，给予立项。创新与研究实验项目实行导师制，导师按照因材施教原则，给予学生个性化教育与指导。导师通过指导学生选题、开题、调研、实验调试、总结答辩、撰写论文等教学环节，不仅使学生了解科学研究方法和要求，学到许多书本以外知识，培养其科研能力，而且通过导师的言传身教更有利于培养学生创新的精神。同时，鼓励学生参加教师的科研项目，参加各类学科竞赛，引导学生专业学习与研究探索的兴趣。塑造学生创新品格，使他们学会“自己找路”。

自校电气信息创新实验室成立以来，学生先后在各种学科竞赛中取得了优异的成绩：如获第五届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛国家金奖；第四届“中国青少年科技创新奖”；第一届重庆市大学生电子设计竞赛一等奖；第二届重庆市大学生“盛群杯”单片机应用设计竞赛一等奖。

2 电气信息类专业创新与研究实例剖析

我校电气信息类专业具有明显交通特色，拥有诸如船舶电气、城市轨道车辆牵引与传动控制、电力牵引供电技术、交通信息与控制、汽车电子、交通机械电子、桥梁监测与控制等本科、研究生多种层次专业。船舶是水上交通装备，电气系统是其“血液系统”。创新与研究教学的核心问题是实验教学项目的设计。下面以一个完整的船舶电气系统实例来说明创新与研究项目的实现方法和具体思路。

船舶电站承担着为全船电气设备提供能源的任务，其安全和可靠性比陆用系统要高很多。我校投资三百多万元新建了轮机模拟器。该模拟器中的船舶电站部分，功能相当完善，足以满足学生对船舶电站运行管理的实训。在提高本科生对船舶电站系统的理解、掌握和管理水平方面是非常适用的。但对于研究生层次的培养来说，则显得不足。比如，当在研究不同精度的同步发电机数学模型究竟对系统的暂态稳定性有何影响，需给出一个定性和定量的结论时，这是上述轮机模拟器所解决不了的。

为此，将仿真引入创新实践中。Matlab是电力系统建模仿真和分析的一个强有力工具，它不仅可在Simulink环境下搭建系统模型进行电力系统计算，还可借助丰富的工具箱资源，实现电力系统中各种复杂的控制方法，如神经网络控制和模糊控制等。但在研究中发现，Matlab仅提供了同步发电机的六阶状态空间模型，其它阶次的同步发电机模型却没有。因此，导师在这里发挥了引导作用，让学生由所研究对象的物理模型建立其数学模型，自行创建封装同步发电机的各阶次模型，并将其自定义为用户的模块库。这样，不仅能更深地理解同步发电机的原理，也保证了后续研究工作能顺利进行。

2.1 同步发电机模型的搭建

同步发电机六阶模型：用dq0坐标表示的同步发电机基本方程。除定子d、q绕组外，转子d轴有两个绕组，励磁绕组f和等效阻尼绕组D；转子q轴有两个绕组g和Q，均为等效阻尼绕组。六阶模型对阻尼绕组的不同处理，可得简化数学模型[1]。

(1)同步发电机五阶模型。当只考虑f、D、Q绕组的电磁暂态，忽略q轴g绕组的暂态效应，则6阶模型简化为五阶模型。

(2)同步发电机四阶模型。在q轴转子上计及与暂态过程对应的q绕组，略去了两个时间常数较小的D和Q绕组时，五阶模型简化为四阶模型。

(3)同步发电机三阶模型。当忽略g、D、Q绕组暂态，只计及励磁绕组f的电磁暂态时，4阶模型简化为三阶模型。

下面以同步发电机六阶模型为例，来看是怎样自行创建并封装的。对文献[2]中六阶模型的8个方程左右两端同取拉普拉斯变换，并整理可得如下方程组：

Ud(s)=E″d(s)+X″qiq(s)-raid(s)

(1)

Uq(s)=E″q(s)-X″did(s)-raiq(s)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

ω(s)=

(7)

(8)

根据上述方程组，再配合Simulink中的S-Function、State Space以及Transfer Fcn等模块可进行同步发电机的建模，所建模型如图1所示。

图1 六阶同步发电机的仿真模型

2.2 带原动机和励磁同步发电机模型搭建

同理，用上述方法可对柴油原动机调速系统和励磁系统进行建模，把建好的六阶同步发电机、原动机系统和励磁系统组合起来便得到一个完整的同步发电机模型。所建模型如图2所示。图中为得到同步发电机三相输出电压，采用了dq0_to_abc的坐标反变换，变换用的sin_cos信号由振荡模块Osc完成。将坐标反变换后的信号通过控制电压源等环节处理后便得到三相输出电压。d、q两轴等效电流通过测量环节和坐标变换得到。

将图2封装成为一个同步发电机，通过拖拉、连接组建成一个多机电力系统模型，这样便可进行多机电力系统的分析和研究。

2.3 电力系统故障模型搭建及暂态稳定性研究

电力系统稳定性分为静态和暂态稳定。其中暂态稳定是指系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行的能力。这里的大干扰是指短路故障、突然断开线路或发电机等。电力系统遭受大干扰后能否继续保持稳定的主要标志：一是各机组之间的相对功角摇摆是否逐步衰减；二是局部地区的电压是否崩溃。可通过建立各阶次同步发电机数学模型，分析研究它们对暂态稳定性的影响。

图2 带原动机和励磁的同步发电机仿真模型

电力系统暂态稳定故障设置见图3，是4机8节点系统。由四台发电机和变压器、输电线路和负荷等组成。该系统的节点1、7、8为PV节点，3为平衡节点，节点4、5为PQ节点。系统基准容量为100MVA，发电机基准电压为6.6kV，线路模型采用分布式参数。其中，发电机参数标幺值设置如下：

图3 电力系统暂态稳定故障设置图

通过设置三相短路故障，分析各发电机组功角变化和机端电压变化来研究多机系统的暂态稳定性。仿真条件为：t=2 s时，在节点4、5之间，靠近节点5的出口处的其中一回路设置三相短路故障，t=2.2 s时故障切除，仿真结果如图4所示。

图4 G4机组对G3机组的功角变化曲线

图4给出了G4机组对G3机组的功角差曲线。其中标号1为采用六阶模型得到的曲线，发电机的功角差在故障后经过短时间的减幅振荡达到稳定状态，表明系统在这种运行情况下是稳定的；标号2为采用3阶模型得到的曲线，发电机组功角曲线不断振荡致使发电机端电压也不断振荡，以致整个系统不能再继续运行下去。从上述分析可得到结论：采用不同阶次发电机数学模型，系统的稳定性是有差异的。相同潮流，同一故障形式的系统暂态稳定的结果不同。其规律是：在同一故障下，使用阶数低的同步发电机数学模型，其仿真结果较保守。

2.4 实例剖析的深入拓展

以上实例在创建封装同步发电机各阶次模型时体现了创新的思维，在多机系统的暂态稳定性问题分析中体现了研究的思路。针对该实例，有以下两个问题值得注意：

(1)对实例的全面引申和拓展

笔者对该实例问题的研究没有只停留在这一点上。当创建某一阶次的同步发电机模型后，还从多角度进行了相应的研究：故障不同的切除时间对结果有何影响？三相短路、两相接地短路，两相相间短路和单相短路等不同故障类型对结果有何影响？自动重合闸对暂态稳定又有何影响？对实例中问题进行全面的引申、拓展，才能使研究更深入。

(2)不同层次学生的创新与研究

创新实验项目在体现交通特色的同时，也注意到对不同层次学生的难易度差异。对本科生的培养侧重于系统的建模、常规控制策略的分析，如果已开设了智能控制课程的专业，可把模糊控制的内容加入。已实施的部分课题有：《教学实习船电力系统建模与仿真》、《船舶同步发电机带整流性负载的过渡过程分析》、《永磁同步电动机驱动的电动汽车仿真》、《电力机车交流传动系统的半实物实时仿真》、《电力牵引传动中无速度传感器控制技术》等。

对研究生培养则侧重于智能控制策略和方法的研究。在模糊控制、神经网络控制、智能算法、智能混合控制等复杂控制上作进一步探索。实施的部分课题有：《模糊神经网络的船舶电站同步发电机励磁控制器研究》、《基于径向基函数网络的船舶柴油发电机转速控制器研究》、《混合电动汽车的先进智能控制技术研究》、《基于PSO算法的船舶模糊自调整PID励磁控制器研究》、《蚁群优化算法在船舶发电机励磁控制中的研究》等。

3 结语

探索具有交通特色、多层次的电气信息类人才培养模式，形成以工程素质、创新能力为主线的多层次螺旋式实验教学培养新体系。本文以一个完整的船舶电站实例，给出创新与研究实践项目的实现方法和具体思路，并进行了多角度的深入和拓展。实践表明，建立电气信息创新实践平台，为多种层次的优秀学生提供了更高档次和灵活的选择，全面提升了学生科技创新与研究能力。

[1] 刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].北京:中国电力出版社，2007.

[2] 倪以信,陈寿孙,张宝霖. 动态电力系统的理论和分析[M].北京: 清华大学出版社，2002.

[3] 苏泽光，朱荣辉，肖金凤(Su Zeguang，Zhu Ronghui，Xiao Jinfeng) .构建电气工程专业实践创新能力的实践教学体系(Restructuring the practice teaching system of electrical engineering and the automation specialty)[J]．电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2002，14(5)：73-76.

[4] 付家才, 沈显庆(Fu Jiacai, Shen Xianqing). 电类实用型人才的能力培养(Ability cultivation for applied talents in electrical engineering) [J].实验室研究与探索(Research and Exploration in Laboratory),2007, 26(6):83-84,106.

[5] 王春芳，张玲丽(Wang Chunfang, Zhang Lingli).提高本科电气信息类专业课教学质量探讨(Discuss how to improve specialty course teaching quality of electrical majors' undergraduates) [J].电气电子教学学报(Journal of EEE),2007, 29(1):111-112.

[6] 姬宣德(Ji Xuande).MATLAB在《运动控制系统》教学中的应用(Application of MATLAB software in motion control system's teaching)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2010,22(3):156-160.

[7] 李志民，卢曦，孙勇,等(Li Zhimin，Lu Xi，Sun Yong,etal).同步发电机云模型励磁控制器的设计(Design of cloud model excitation controller for synchronous generator)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2010,22(3):91-95.

[8] 侯世英，时文飞，万江(Hou Shiying, Shi Wenfei, Wan Jiang). 基于CMAC-PID控制的柴油发电机组的建模与仿真(Modeling and evaluating of diesel generators based on CMAC-PID)[J].系统仿真学报(Journal of System Simulation),2007, 19(13): 3052-3055,3063.

徐 凯(1970-)，男，教授，研究方向为电气自动化、智能控制技术。Email:xkxjxwx@hotmil.com

曹建秋(1967-)，男，副教授，研究方向为智能控制技术、计算机网络。Email:caojq86@cqjtu.edu.cn

王爱娟(1987-)，女，硕士研究生，研究方向为计算机智能控制技术。Email:wangaijuanziyou@126.com

DesignandRealizationoftheCreativeandReachingProjectsforElectricalInformationMajor

XU Kai， CAO Jian-qiu， WANG Ai-juan

(College of Information Science and Engineering, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China)

To meet the demand for creative and research talents in the field of electrical information, a spiral and multi-level practical teaching system which bears a feature of traffic electrical information was proposed in the paper. Combined with the integrated example of ship electrical power system, and started from a mathematical model, multi-level models of synchronous generator, and the electrical fault model of synchronous generators were created and packed up. Through analyzing and comparing the influence of multi-level generators on the temporary stability of power system, this paper draws a corresponding conclusion. The example provides a realistic approach and thought for the design of creative and researching projects.

creativeness； realizing approach； ship electrical power system； analysis of example

TM619

B

1003-8930(2012)02-0156-05

2010-12-02；

2011-03-22

重庆市教委高等教育教学改革研究重点项目(09-2-09)；重庆交通大学实验教学改革与研究基金项目