基于任務驅動的潮流上機計算實踐教學探索

王莉麗

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京102206)

“電力系統潮流上機計算”是電氣工程及其自動化專業學生的必修課程，也是北京市精品課程“電力系統分析基礎”的配套實踐課[1]。該課程的內容不斷得到充實，教學方法持續改進。

1 課程介紹

潮流計算是電力系統中最基本最重要的計算。所謂潮流計算，就是已知電網的接線方式與參數及運行條件，計算電力系統穩態運行各母線電壓、各支路電流與功率及網損。對于正在運行的電力系統，通過潮流計算結果可以判斷電網母線電壓、支路電流和功率是否越限。對于正在規劃的電力系統，通過潮流計算，可以為選擇電網供電方案和電氣設備提供依據。潮流計算還可以為繼電保護和自動裝置整定計算、電力系統故障計算和穩定計算等提供原始數據[2-3]。

“電力系統潮流上機計算”課程的內容是用兩周的時間利用Visual C語言完成一個直角坐標或極坐標牛頓-拉夫遜潮流算法的程序，并利用標準IEEE9/14節點算例進行驗證。

2 任務驅動法應用于課程的探索

2.1 課程制定清晰明確的總體目標

“電力系統潮流上機計算”課程開設初期采用了以教師、教材和課堂為中心，重視教師對學生的傳授[4]。但是我們遇到了嚴重的問題:大部分學生接到計算任務后無從下手，找不到切入點，從而選擇放棄或者抄襲他人的程序。每個班里僅有為數不多的學生能夠完成任務，此外，少數學生理論知識扎實又具有編程基礎，他們用大約一周的時間就完成了所有的內容，認為課程無挑戰性，滿足不了他們的求知欲。課程一度陷于各類學生積極性都不高的消極局面。為了改變這種局面，教學方法的改革勢在必行。我們經過大量的調研和不斷的探索嘗試，得出結論:對于這種任務明確、工程化較強的實踐課程采用任務驅動法能夠取得很好的教學效果[5]。

任務驅動法是一種建立在建構主義教學理論基礎上的教學法，這種方法將傳授的新知識隱含在一項或幾項任務中，學生通過對任務進行分析討論，明確完成任務所涉及的知識以及內含的新知識點，在教師的指導下找出解決問題的辦法[6]。

潮流數值算法是在明確電力網絡結構參數的前提下，求取網絡方程系數矩陣，建立非線性的節點電壓網絡方程，用迭代的方法對方程進行求解。教師要將任務總目標明確為:編制一個通用、可移植的潮流計算機算法程序。

2.2 分解任務與實施實例先導

采取任務驅動教學法將總任務分解為若干個子任務，學生就可以依次逐個進行思考分析。將每個子任務看成是一個模塊，考慮“每個模塊的輸入和輸出內容”，“各個模塊之間的關聯方式”，“哪些模塊參與了循環”等等。這樣就可以避免因為各變量之間復雜耦合關系而出現思路混亂。在分析的過程中，學生自然會把要用到的預備知識進行梳理。

潮流上機計算可根據功能模塊可分解為九個子任務:①構建工程數據結構;②讀入原始數據;③形成節點導納矩陣;④計算節點不平衡量;⑤生成雅可比矩陣;⑥求解修正方程;⑦迭代求解潮流結果;⑧計算平衡節點功率;⑨求線路功率和線路損耗。

各子任務難易程度不同，完成時間不同，教師的引導方式也有所側重。

任務驅動教學模式是以實例為先導的，學生可以先根據課本中的例題進行程序編制，因為此例題附帶完整的中間計算結果，學生在編程過程中可以隨時檢查結果的正確性。程序完成后再將指導教師提供的標準IEEE9/14節點數據作為原始數據讀入程序，計算潮流結果。

2.3 學生面臨的三重考驗

我們在實際教學過程中發現，整個潮流程序編制過程中，學生會遇到如下三重考驗。

(1)第一重考驗:構建工程數據結構

潮流計算中根據數據的特點，構建工程數據結構是第一步。萬事開頭難，對學生來說這是第一個考驗，此時教師會給出一個典型的數據結構實例供參考。

潮流計算的原始數據包括支路數據和節點數據兩大部分，所以在頭文件中先聲明一個節點結構數據類型BusData和一個支路結構數據類型Branch-Data。BusData中包括節點序號、類型、電壓值和相角等;BranchData中包括支路序號、電阻、電抗、電納和變壓器變比等。這一子任務幾乎所有的學生都能夠順利完成，這樣便有一個好的開頭，會使學生對編程的畏懼感有一定的緩解。

(2)第二重考驗:形成節點導納矩陣

節點導納矩陣的形成是計算機求解潮流的難點之一。其困難之處在于如何利用二維數組表示矩陣，還有原始數據與數組中各元素的對應關系如何確定。此處需要注意的問題是二維數組表示的矩陣初始行列號是“0”，而原始數據文件中首個數據的序號是“1”，編程時需做處理。

節點導納矩陣的形成應用支路追加法[2]。首先建立維數為節點數的零矩陣，各條支路按照序號循環，分別將其對節點導納矩陣的貢獻疊加到零矩陣上。支路追加法雖然原理簡單，但對于初學者來說實現起來可能還會存在一定的困難，例如:“貢獻在編程時如何體現”和“變壓器非標準變比如何處理”等。

(3)第三重考驗:生成雅可比矩陣

雅可比矩陣的生成是潮流計算中最繁瑣的一部分。雖然表面看與節點導納矩陣的形成過程相類似，都是用二維數組表示矩陣，矩陣中的元素值與所在位置有關;但不同之處和難點是:矩陣中各位置的元素值形成關系過于復雜，主要表現在雅可比矩陣的維數高，如果節點導納矩陣維數是n，那么雅可比矩陣的維數就是2(n-1);雅可比矩陣中各元素的計算與節點導納矩陣中元素相比耦合變量數更多，公式更復雜;雅可比矩陣是分塊矩陣，以相鄰位置的四個元素為一個塊，塊中這四個元素的計算公式各不相同;節點類型不同，待求的網絡方程也不同;牛頓—拉夫遜法解非線性方程過程中，雅可比矩陣參與迭代。

此處學生需要有極大的耐心，反復調試程序，稍不小心就會出錯。容易出現的錯誤有:①因公式復雜發生輸入錯誤;②循環分支嵌套多，“{}”的位置錯誤;③分塊矩陣中，元素位置定位錯誤;④程序中使用的數據結構與頭文件中定義的數據結構不一致;⑤最嚴重的錯誤就是循環邏輯不對。

在這個子任務的執行過程中除了需要有耐心還要有決心。

3 結語

教學實踐證明:將任務驅動教學法引入到“電力系統潮流上機計算”中，強調了學生在學習過程中的主體地位;調動了學生主動參與實驗的積極性;提高了學生發現問題和解決問題的能力。

統計表明，有30%的學生能夠在教師計劃的時間表之前完成任務，50%的學生能與規定時間保持一致，20%的學生滯后于時間表，需要教師給予幫助才能完成任務。特別要說的是，很多能力強的學生主動增加了其他的子任務如:文件輸出子任務、復數計算子任務等，使程序更具有通用性和可移植性。學生通過帶著任務學習，養成了自主思考的習慣，對過程結果的分析能力明顯增強，對知識點有了更深刻的理解，更善于整合運用知識。

此教改方案實施過程中應注意兩點:第一，程序中求解線性方程組源代碼由教師提供，學生直接調用即可;第二，適當的考核方式也是促進學生自主學習的手段之一，我校采用的是一對一理論知識問答加上機程序改錯的方法，可供兄弟院校參考。

[1]孫英云，董雷，等.基于極限編程的潮流上機實踐教學探索[J].南京:電氣電子教學學報.2012.34(3):90-92

[2]張伯明，陳壽孫，等.高等電網絡分析(第2版)[M].北京:清華大學出版社，2007

[3]陳珩.電力系統穩態分析(第三版)[M].北京:中國電力出版社，2007

[4]田海梅，張燕.基于任務驅動的計算機專業課教學模式[J].北京:實驗技術與管理.2011.28(5):145-147

[5]劉吉臻.工程教育課程改革的思維轉向:工程化的視角[J].武漢:高等工程教育研究.2006.(4):42-45

[6]張穎，張繼平，宋巖.基于“任務驅動”教學法的實驗教學改革[J].上海:實驗室研究與探索.2013，32(11):167-170