高中生物理建模论文范文

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，下面就是高中物理论文范文，欢迎大家阅读!

摘要 ：物理规律教学是使学生掌握物理科学理论的中心环节，是物理教学的核心之一。

本文结合笔者自身多年的物理教学经验，浅谈在物理教学中，如何搞好中学物理规律的教学。

关键词： 物理规律教学

物理规律反映了各物理概念之间的相互制约关系，反映在一定条件下一定物理过程的必然性。

它是中学物理基础知识最重要的内容，是物理知识结构体系的枢纽.所以，物理规律教学是使学生掌握物理科学理论的中心环节，是物理教学的核心之一。

怎样才能搞好规律教学呢?现结合本人多年的物理教学经历，浅谈以下几点看法：

一、创设发现问题、探索规律的物理环境

教师带领学生学习物理规律，首先需要引导学生在物理世界中发现问题。

因此，在教学的开始阶段，要应给学生创设一个便于发现问题的物理环境。

在中学阶段，主要是通过观察、实验发现问题，也可以从分析学生生活中熟知的典型事例中发现问题，有时也可以从对学生已有知识的分析展开中发现问题。

另一方面，创设的物理环境要有利于引导学生探索规律。

例如使学生获得探索物理规律必要的感性知识和数据;提供进一步思考问题的线索和依据;为研究问题提供必要的知识准备等等。

创设的物理环境还应有助于激发学生的学习兴趣和求知欲望.

二、带领学生探索物理规律

在学生有一定的需要和积极的准备状态下，教师要利用各种适宜的方法，如实验探索、理论推导等，向学生阐明概念和规律的形成过程，建立新旧知识的链接。

如在牛顿第二定律的教学中，让学生通过实验探索加速度与力的关系以及加速度与质量的关系，得出在质量一定的条件下加速度与外力成正比、在外力一定的条件下加速度与质量成反比的结论。

在此基础上，教师指导学生总结加速度、外力和质量的关系，归纳出牛顿第二定律。

这样学生对该规律的建立就有了一个清晰的过程，才能较深刻地理解物理规律、领悟其物理含义。

另一方面，向学生呈现物理规律内容时不但要准确，而且对一些关键字词应加以突出，给予适当的说明，以引导学生足够的注意和正确理解，并与其他类似的或易混淆的概念和规律进行比较，建立类比联系，加深对物理规律的理解。

三、要使学生深刻理解规律的物理意义

在规律的教学中，要引导学生深刻理解其物理意义，防止死记硬背。

物理规律的表达形式主要有两种：一种是文字语言，另一种是数学语言，即公式。

对物理规律的文字表述，必须在学生对有关问题进行分析、研究、并对它的本质有相当认识的基础上进行，切不可在学生毫无认识或认识不足的情况下“搬出来”，“灌”给学生，然后再逐字逐句解释和说明。

只有这样，学生才能真正理解它的含义。

例如，牛顿第一定律“一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态。”在理解时，要注意弄清定律的条件是“物体没有受到外力作用”，还要理解“或”这个字的含义。

“或”不是指物体有时保持匀速直线运动状态，有时保持静止状态，而是指如果物体原来是运动的，它就保持匀速直线运动状态;如果原来是静止的，它就保持静止状态。

对于用数学语言即公式表达的物理规律，应使学生从物理意义上去理解公式中所表示的物理量之间的数量关系，而不能从纯数学的角度加以理解。

如，对电场中同一点而言，不能说场强E与电场力F成正比，与电量q成反比，因为场强E由电场和电场中该点的位置决定。

四、要使学生明确物理规律的适用条件和范围

物理规律往往都是在一定的条件下建立或推导出来的，只能在一定的范围内使用.超越这个范围，物理规律则不成立，有时甚至会得出错误结论.这一点往往易被学生忽视，他们一遇到具体问题，就乱套乱用物理规律，得出错误结论.因此，在物理规律教学中，要使学生明确物理规律的适用条件和范围，正确地运用规律来研究和解决问题。

例如动量守恒定律，它的成立条件是，所研究的系统不受外力或者所受外力的合力为零，这属基准条件。

如果系统受到外力F外或合力F合不为零，其动量是不守恒的，但可能有两种情形：其一，系统中物体相互作用的内力F内远大于F外(或F合)，该系统的动量可看作是守恒的，其条件属近似条件;其二，选定直角坐标系后，将不在坐标轴上的外力各自沿x轴和y轴进行正交分解，若沿某一坐标轴(如x轴)的各个外力(含分力)的合力为零，则系统在该轴方向上的动量守恒，其条件属分动量守恒条件。

动量守恒定律是自然界普遍适用的基本定律之一，它适用于两个物体或多个物体组成的系统;它不但能解决低速运动问题，而且能解决高速运动问题;不但适用于宏观物体，而且适用于电子、质子、中子等微观粒子。

此外，无论是什么性质的相互作用，动量守恒定律都是适用的。

五、加强应用物理规律解决实际问题的训练和指导

物理规律来源于物理现象，反过来应用于实际问题，学习物理规律的目的就在于能够运用物理规律解决实际问题，同时，通过运用，还能检验学生对物理规律的掌握情况，加深对物理规律的理解。

在规律教学中，一方面要选择恰当的物理问题，有计划、有目标、由简到繁、循序渐进、反复多次地进行训练，使学生结合对实际问题的讨论，深化、活化对物理规律的理解，逐渐领会分析、处理和解决问题的思路和方法;另一方面，要引导和训练学生善于联系日常生活中的实际问题学习物理规律，经常用学过的规律科学地说明和解释有关的现象，通过训练，使学生逐步学会逻辑地说理和表达.对于运用物理规律分析和解决实际问题，要逐步训练学生运用分析、解决问题的思路和方法，使学生学会正确地运用数学解决物理问题。最后指出，由于物理规律的复杂性，必须注意规律教学的阶段性，使学生对规律的认识要有一个由浅入深，逐步深化、提高的过程。

只有这样，才能有效地指导学生掌握物理规律，培养学生的思维能力。

参考文献

1.人民教育出版社物理室。

全日制普通高级中学《物理教学大纲》2003

2.田世昆,胡卫平.物理思维论[M].南宁：广西教育出版社，1996.167.

3.南冲.中学物理教学研究[M].北京：海潮出版社，1993.09.

【摘要】 高考是关系到千家万户的大事，也是国家目前选拔人才的途径。认真学习和研究《教学大纲》和《考试说明》，按照教学规律科学的进行复习，及时的收集和处理信息，充分的调动学生的学习积极性，一定会取得好的成绩。

【关键词】 高考组织复习能力

为使高考复习能落到实处，使复习的过程更科学、复习的效率更高、有利于最大限度的提高学生的成绩，特提出以下几点建议：

1.强化基础知识的复习，加强学生对概念和规律的深入理解

在高中，对基本概念、基本规律的要求一贯是高考物理考查的主要内容和重点内容，主要考查考生在理解的基础上掌握基本概念、基本规律和基本方法，并要求深入理解概念和规律之间的内在联系。不少学生存在着这样的表现：概念，定义都知道，但一用就错，试卷上表现主要是选择题得分率低。这些都是基础较差，对物理概念和规律的理解不够有密切的关系。而近几年的各地高考试卷中的物理试题也都明确反映出重视基本概念、规律考查的特点。

对此，在复习中应该按照物理《教学大纲》和《考试说明》对学生五个方面的能力的加以严格要求，同时要让学生明白：理解能力是基础。只有理解能力提高了，其他能力才能较好的发展，而理解能力的前提是牢固的基础知识、扎实的基本技能和规范的基本方法，只有抓好基本知识、基本技能和基本方法的复习，对概念和规律的理解才能正确、深入、透彻。

2.加强学生的计算推理能力、论证表述能力、分析综合能力

高考物理试题度于推理能力的考查贯穿于各种题型中，从不同的角度、不同的层次，通过不同的题型、不同的情景设置来考查考生推理的逻辑性、严密性；对论证表述则重在考查能否准确地、简明地把推理过程表达出来，以此鉴别考生表述能力的高低。要克服学生思维推理过程不能严格合乎逻辑，对受力分析、运动过程分析不予重视，给解题带来盲目性；不会用物理语言表述物理过程或物理规律，使解题过程残缺不全；牛顿运动定律、动量、功能关系三条常用解题线索相互脱节，不能有机整合，使解题思路僵化、方法呆板、正确率低。

3.提高学生应用数学知识解决物理问题的能力

物理和数学是紧密联系的，数学为物理学的发展提供了强有力的工具，几乎所有的物理概念和物理规律，都是通过量化的方法用数学公式进行描述，应用数学处理物理问题的能力也是进入高校深造的考生应具有的能力，因此高考物理试题一直注重考查考生的应用数学处理物理问题的能力。

近年来，高考物理中的数学能力要求有明显的调整，主要表现在尽量回避繁杂的机械运算，而在考察方面，为此，我们一方面要求学生在平时学习中，能过一定数目的练习，掌握解决物理问题常用的数学规律及方法，在此基础上，引导学生逐步形成运用数学工具处理物理问题的基本思路，重点在于通过精讲精练使学生能熟练地将物理问题转化为数学问题。另外，要重视估算题的训练，复习时应注意引导学生逐渐掌握近似估算法，快速求出物理量的数量级。同时，提倡学生平时不用或少用计算器进行计算，因为在平时练习中，很多同学习惯于使用计算器，连非常简单的加减法都非用计算器不可，这样使得他们数学运算能力很差。

4.加强实验复习

实验是物理学的基础，实验能力在物理高考中一直占有相当重要的地位。物理高考力图通过在笔试的形式下考查学生的实验能力。

在教学中，一是要正确对待实验教材，实验复习时不应该机械地记忆教材中各个实验的目的、原理、器材、步骤、记录、结果等等，而应引导学生领悟教材中物理实验的设计思想、所运用的科学方法、规范的操作程序和合理的实验步骤。二是要引起学生对实验的有意注意，提供更多的动手动脑的机会，让他们主动地发现问题，解决问题。老师有意地改变实验条件、设置问题，激励学生努力寻找方法，解决问题。三是从培养学生的实验能力出发，让他们学会通过实验测量和有计划的实践活动去认识自然、发现自然规律、验证假想和猜测的方法，培养他们科学的思维方式、科学方法、实际操作技能和解决实际问题的能力。四是鼓励学生大胆创新，认识到实验教材提供的做法并不是一成不变，拘泥成规的，可以对课本中的实验做一些合理的变通，或补充一些模仿性实验，增加一些设计性实验，培养学生运用所学的知识、方法解决新问题的能力。

为使复习备考工作顺利进行，努力完成学校的工作任务，特提出以下几点措施：

1.认真钻研《高考大纲》、《教学大纲》及《课本》，充分提高“二纲一本”在高考中的作用，研究“二纲”，特别是去分析每年高考大纲之间的.细微的不同的地方，显得更加的重要，同时，也要建议学生常去翻物理课本，不可只顾按资料进行复习，却脱离了高考大纲的现象的发生。

2.高三教学应以人为本因为我们的授课对象是学生，是活生生的人，不是听课的机器，这就要求我们在教学中多点人性化，与学生之间多点交流，加强与学生的沟通，树立服务意识，不可高高之上，使教与学发生脱节。

3.要让学生明明白白的学习，让学生明白：“糊里糊涂作10道题，不如清清楚楚作1道题”。也就是说，在上课时要让学生明白，为什么要这么去作而不那样去作，为什么这样作是对的而那样作是错的，也就是时时要让学生明白一个“理”字，处处要讲“理”，在这一方面我的体会是我自己讲“理”的时候多，而让学生去讲“理”的时候少，以后在可能的情况下要让学生来讲讲“理”。

4.要让学生不可走入题海中，必要的题目是要做的，但一定要精选题目，讲前一定要求学生先做，作后再讲，讲后再留时间让学生消化吸收。

5.克服以教代学的现象，教得再好，没有学生的学（理解、消化、吸收），也是徒劳的，我们在高三复习中应该定位为一是指导学生进行知识的归纳和总结，补漏，建立知识网络，二是应有服务意识――帮助学生克服学习中遇到的困难和障碍。

6.要努力提高教学效率，效率的高低不是以你今天讲了多少个知识点，讲了多少道题为标准的，面是以你上课前定下的教学目标是不是在计划的时间内完成为标准的，说通俗一点，就是以这节课学生能过教师指导，真正学到的知识是多少为标准的。

7.狠抓基础内容及重点内容，高考的追求就是区分度，一套成功的试题是通过区分度来实现的，并不是由难度来实现的，而中等题目才是真正实现区分度的手段，因为易题都会，分不出好差，过难的题几乎没有几个人会，基本上也不会区分出好差，这一点一定要让学生知道，只有重视了基础，才能有效地完成中档难度的题，要防止学生钻牛角，老师要及时加以引导。

8.抓中等生要想在明年的高考中有突破，眼睛不能只盯着为数不多的几个好学生身上，要在尖子生吃饱吃好的情况下，重点兼顾中等生或有弱门课的学生，要想法提高他们的物理成绩，而提高他们成绩的方法中最好的方法就是要设法提高他们的学习物理的兴趣，让他们动起来，这样才是最为有效的，另外要多关心他们，多提问他们，在教学中采用灵活的方法，如分层布置作业，根据各班的实际灵活的采用不同的教学方法等，以提高他们的学习的积极性。

我们坚信，只要我们努力，按照教学规律科学的进行复习，及时的收集和处理信息，充分的调动学生的学习积极性，一定会取得好的成绩。

物理学是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科，是当今最精密的一门自然科学学科。下文是我为大家整理的关于物理学方面的论文的 范文 ，欢迎大家阅读参考!

试谈物理学专业电动力学课程教学

动力学电磁现象的经典的动力学理论。通常也称为经典电动力学，电动力学是它的简称。它研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用。

一、课程教学根本理念

第一，在教学中要尊重先生学习的主体性、教员教学的主导性，片面发扬先生的盲目性、自动性、发明性。第二，“电动力学”课程属于专业根底课程，教学内容布置上除了让先生学习本门课程的根本知识、根本实际、根本思绪，与其他物理学分支也具有个性和特性的关系。针对这一特点，教师在教学中要留意引导先生类似性抽象思想。第三，教学应突出探求式教学办法，改动传统的教学形式，把信息技术与电动力学课程最大限制地整合，运用多种古代 教育 手腕优化教学进程，推行启示式、探求式、讨论式、小制造等授课方式，培育先生的创新思想和创新理念。

二、在本课程教学中该当做到以下几点

1.讲授内容应实际联络实践

“电动力学”作为一门专业学科课程，是师范院校物理专业的根底实际课。教学中要求先生掌握课程的根本知识、根本实际和根本原理，使先生加深对所授知识的了解，更可深入看法电动力学的实践使用价值，到达学致使用的目的，同时提升先生剖析成绩、处理成绩的才能。

2.注重先生学习的主体性和集体性培育

从课程的设计到评价各个环节，在留意发扬教员在教学中主导作用的同134教改课改2016年3月时，应特别留意表现先生的学习主体位置，以充沛发扬先生的积极性和发掘学习潜能。要求先生能初步剖析消费、生活中的电动力学成绩，以提升先生的剖析成绩和处理成绩的才能。在电动力学实际的学习中运用数学工具处置成绩，使先生看法数学和物理的亲密关系，培育先生运用数学工具处理物理成绩的才能。培育先生自学才能，重要的不是教内容，而是教给先生学习办法。要充沛留意先生的兴味、专长和根底等方面的集体差别，因材施教，依据这种差别性来确定学习目的和评价办法，并提出相应的教学建议。课程规范在课程设计、教学方案、方案制定、内容选取和教学评价等环节上，为教学、学习提供了选择余地和开展的空间。

3.运用多种古代教育手腕优化教学环节

充沛应用古代化教学手腕，发扬信息化教学的劣势，加强先生的学习兴味，进一步强化需求掌握的知识点，拓宽知识面，加强先生的理论操作技艺，培育迷信的思想方式，这样先生能更好地掌握“电动力学”课程知识所触及的相关迷信办法，无效提升其发现成绩、剖析成绩、处理成绩的才能。

4.具有良好的实验条件，充沛保证明验和理论训练质量

鼓舞先生展开科研理论训练，参与各类科技竞赛。实验课及理论训练要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想，充沛应用好物理、电子竞赛等创新平台，促进电动力学课程的教学。

三、课程学习战略探求

第一，针对“电动力学”是实际根底课的特点，先生必需坚持 课前预习 ，预习进程中无意识地提出成绩。课堂教学次要采用探求式课堂教学法，即每节课突出一个主题，讲清论透相关原理知识，每个主题经过师生多种方式的互动，教员及时理解、处理先生的疑问成绩，以加强先生的学习兴味。第二，将传统板书、电子课件、网络和视频多种教学手腕相结合。如课内讲授与课外讨论和制造相结合、根底实际教学与学科前沿讲座结合、根本实际与科研理论训练相结合。第三，鼓舞先生参与科研理论训练和各类科技竞赛。培育多样化使用型人才，以培育使用型、复合型、技艺型人才，加强 毕业 生失业才能，完本钱课的预期目的。第四，电动力学也是一门理论性很强的课程，其研讨对象是区别于实物的物质形状，具有笼统的特征。为防止课程教学的数学化，我们将充沛使用当代信息技术的劣势，比方说以视频教学材料加强先生的理性看法和入手才能。再次，实验课及理论训练要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想才能和素质，充沛发扬先生的物理思想和物理探求才能。

四、课程教学办法探求

本课程教学中应留意电动力学实际与理论的结合，尊重先生学习的主体性，适当布置指点性自习，培育先生的自学才能。增强对先生课前、课后的答疑辅导，注重先生才能的培育，使先生经过对电动力学中根本实际的了解，看法和掌握电动力学原理的研讨规律，开辟思绪，初步培育先生的科研思想。

1.“双边反应式”教学法

这种教学法由“自学”和“反应”两局部构成，其着眼点是先生在教员指点下的自学和教员由反应来的信息而停止的有重点的解说，使先生的才能在重复训练中失掉锤炼。“自学”和“反应”表现了先生和教员的互相联络、互相配合、互相作用的训练进程。

2.以成绩为中心，展开课堂讨论

式教学法建议课堂教学中遵照迷信性、主体性、开展性准绳，采用以先生为主体的小组讨论式的办法，从提出成绩动手，激起先生学习的兴味，让先生有针对性地去探究并运用实际知识处理实践成绩;也可以针对教研室科研任务中遇到的成绩设计讨论或考虑题，以启示先生剖析、讨论有关电动力学成绩，学习并稳固电动力学知识，开辟思绪，培育科研思想。

3.倡导学导式的教学方式

在教员指点下，先生停止自学、自练，教员把先生在教学进程中的认知活动视为教学活动的主体，让先生自动地去获取知识，开展各自才能，从而到达在充沛发扬先生自动性的根底上，渗入教员的正确引导，使教学单方各尽其能，各得其所。

4.多展开课外理论活动

课外理论训练中，要留意培育先生的逻辑思想、发明性思想才能和素质。鼓舞和指点有才能的先生进入科研理论训练，参与各类科技竞赛。将先生撰写的课程小论文融入教学全进程,从中选出有质量的项目进入科研理论训练。充沛应用好物理、电子竞赛等创新平台，促进电动力学课程的教学，培育使用型、复合型、技艺型人才，加强毕业生失业才能。“电动力学”作为一门探求性课程，在课堂教学中，要突出先生的参与性，使他们自动获取而不是主动承受迷信结论，互动思想使先生觉得电动力学发人沉思，不难入门。“电动力学”与其他物理学分支具有“个性”和“特性”的关系。为了激起先生学习兴味，可以常常采用课堂讨论方式，由先生发问，在教员引导下大家讨论， 总结 得出正确结论。由于剖析“电动力学”需求运用笼统思想，所以课堂教学应充沛运用多媒体，尽量运用图像和颜色搭配，使先生树立正确的物理图像。留意“信息技术”与“电动力学”课程的无效整合，这关于全体优化教学进程，进步先生的专业知识学习效果、进步先生的信息技术才能、培育先生的协作认识和创新肉体均具有严重的理想意义。同时，可将教学实际使用到创新理论才能训练中，使用到物理、电子等各类竞赛中。

参考文献：

[1]冯云光.物理专业电动力学教学变革的探究[J].才智，2014，(19).

[2]郑伟，吕嫣.电动力学网络教学平台建立的研讨[J].沈阳师范大学学报(自然迷信版)，2013，31(4)：531-534.

[3]刘佳.《电磁学》与《电动力学》课程体系创新研讨[J].科技信息，2013，(11)：44.

[4]熊万杰，陆建隆.对“电动力学”课程变革的探究[J].初等文科教育，2003，(6)：72-75.

[5]付长宝，徐国慧，王希英.基于电动力学教学变革的学习办法讨论[J].通化师范学院学报，2009，30

试谈电力信息物理融合系统

【摘 要】嵌入式系统、计算机技术、网络通信技术的快速发展使构建未来智能电网成为了可能，基于信息物理系统(CPS)技术构建电力信息物理融合系统(CPPS)为实现未来智能电网提供了新的思路。本文对CPPS平台进行了初步研究分析，介绍了应用于CPPS中的同步PMU技术、开放式通信网络、分布式控制。

【关键词】CPPS;同步PMU;开放式通信;分布式控制

引言

受能源危机、环保压力的推动，以及用户对电能质量(QoS)要求的不断提高，当代电力系统不再符合社会的发展需求，智能电网(Smart Grid)成为未来电力系统的发展方向。智能电网的发展原因主要有以下几个方面：

1)分布式电源(Distributed Generation，DG)大量接入电网导致的系统稳定性问题。由于DG的大量接入使电网变成一个故障电流和运行功率双向流动的有源网络，增加了系统的复杂度和脆弱度，因此亟需发展智能电网以解决DG大量接入电网导致的系统稳定性问题。

2)电力用户对电能质量(QoS)要求的不断提高。现代社会短时间的停电也会给高科技产业带来巨额的经济损失，近年来发生的大停电事故更是给社会带来了难以估量的经济损失。因此，亟需建立坚强自愈的智能电网以提供优质的电力服务。

论文主体结构如下：第1部分介绍了近年来信息物理系统(Cyber Physical System ，CPS)技术的发展以及CPS与智能电网的相互关系;第2部分介绍了电力信息物理融合系统(Cyber-Physical Power System，CPPS)的硬件平台模型;第3部分介绍了同步相量测量装置(Phasor Measurement Units，PMU)技术;第4部分对CPPS中的开放式通信网络进行了初步分析;第5部分对CPPS的分布式控制技术进行了简单介绍;最后第6部分做出全文总结。

1 CPS与智能电网的相互关系

CPS技术的发展得益于近年来嵌入式系统技术、计算机技术以及网络通信技术等的高速发展，其最终目标是实现对物理世界随时随地的控制。CPS通过嵌入数量巨大、种类繁多的无线传感器而实现对物理世界的环境感知，通过高性能、开放式的通信网络实现系统内部安全、及时、可靠地通信，通过高精度、可靠的数据处理系统实现自主协调、远程精确控制的目标[1]。

CPS技术已经在仓储物流、自主导航汽车、无人飞机、智能交通管理、智能楼宇以及智能电网等领域得以初步研究应用[2]。

将CPS技术引入到智能电网中，可以得到电力信息物理融合系统(Cyber-Physical Power System，CPPS)的概念。为了分析CPPS与智能电网的相互关系，首先简单回顾一下智能电网的概念。目前关于智能电网的概念较多，并且未达成一致结论。IBM中国公司高级电力专家Martin Hauske认为智能电网有3个层面的含义：首先利用传感器对发电、输电、配电、供电等环节的关键设备的运行状况进行实时监控;然后把获得的数据通过网络系统进行传输、收集、整合;最后通过对实时数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行进行优化管理的目的[3-4]。

从上文关于CPS和智能电网的介绍中可以看出，CPS与智能电网在概念上有相通之处，它们均强调利用前沿通信技术和高端控制技术增强对系统的环境感知和控制能力。因此，在CPS基础上建立的CPPS为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合，最终实现构建完整的智能电网提供了新的思路和实现途径。

2 CPPS的硬件平台架构

基于分布式能源广泛接入电网所引起的系统稳定性问题以及建立坚强自愈智能电网的总体目标，建立安全、稳定、可靠的智能电网成为未来电力系统研究的重要方向，同时也是CPPS研究的主要内容。

传统的电力系统监测手段主要有基于电力系统稳态监测的SCADA/EMS系统和侧重于电磁暂态过程监测的各种故障录波仪，保护控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保护控制装置安装处的就地控制方式[5]。就地控制方式易于实现，并且响应速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不够完善，不能预测和解决系统未知故障，对于电力系统多重反应故障更不能准确动作。集中控制方式利用系统全局信息，能够优化系统控制性能，但是计算数据庞大、通信环节多，系统响应速度慢，并且现有SCADA系统主要对电力系统进行稳态分析，不能对电力系统的动态运行进行有效地控制。

针对目前电力系统监测、控制手段的不足，要建立坚强自愈的未来智能电网，必须建立相应的广域保护的实时动态监控系统，CPPS的硬件平台就是在此基础上建立起来的。

CPPS的硬件平台6层体系架构如图1所示，主要包括：物理层(电力一次设备)、传感驱动层(同步PMU)、分布式控制层(智能终端单元STU、智能电子装置IED等)、过程控制层(控制子站PLC)、高级优化控制层(SCADA主站控制中心)和信息层(开放式通信网络)。

其中，底层的物理层是指电力系统的一次设备，如发电厂、输配电网等。传感驱动层主要用于对电力系统的动态运行参数进行实时监控，测量参数包括电流、电压、相角等，在CPPS中广泛使用的测量装置是同步PMU。分布式控制层主要包括各STU/IED，为广域保护的分布式就地控制提供反馈控制回路。过程控制层主要指枢纽发电厂和变电站的控制子站，是CPPS的重要组成部分，通过收集多个测量节点的数据信息，建立系统层面的控制回路，并做出相应的控制决策。高级优化控制层是指调度中心控制主站，主要为电力系统的动态运行提供人工辅助优化控制。顶层的信息层即智能电网的开放式通信网络，注意信息层并不是单独的一层，而是重叠搭接CPPS的各个分层，为CPPS内部各组件提供安全、及时、可靠的通信。

上文给出了CPPS的硬件平台模型，但要在电力系统中具体实现CPPS，涉及诸多方面的技术难题，下面对CPPS中的同步PMU、开放式通信网络以及分布式控制等分别加以简单介绍。

3 同步PMU测量技术

同步PMU是构建CPPS的基础，它为CPPS中广域保护的动态监测提供了丰富的测量数据。同步PMU装置主要对电力系统内部的同步相量进行测量和输出，装设点包括大型发电厂、联络线落点、重要负荷连接点以及HVDC、SVC等控制系统，测量数据包括线路的三相电压、三相电流、开关量以及发电机端的三相电压、三相电流、开关量、励磁电流、励磁电压、励磁信号、气门开度信号、AGC、AVC、PSS等控制信号[6]。利用测得的数据可以进行系统的稳定裕度分析，为电力系统的动态控制提供依据。

同步PMU的硬件结构框图如图2所示。

其中，GPS接收模块将精度在±1微秒之内的秒脉冲对时脉冲与标准时间信号送入A/D转换器和CPU单元，作为数据采集和向量计算的标准时间源。由电压、电流互感器测得的三相电流、电压经过滤波整形和A/D转换后，送到CPU单元进行离散傅里叶计算，求出同步相量后再进行输出。注意，发电机PMU除了测量机端电压、电流和励磁电压、电流以外，还需接入键相脉冲信号用以测量发电机功角[7]。

4 CPPS的开放式通信网络

建立CPPS的开放式通信网络，应该在保证安全、及时、可靠的通信的基础上，使系统具有高度的开放性，支持自动化设备与应用软件的即插即用，支持分布式控制与集中控制的结合。对于建立的开放式通信网络，需要进行通信实时性分析、网络安全性和可靠性分析。

4.1 IEC 61850标准的应用

IEC 61850标准作为新一代的网络通信标准而运用于智能变电站中，支持设备的即插即用和互操作，使智能变电站具有高度的开放性。IEC 61850标准是智能变电站的网络通信标准，同时正在进一步发展成为智能电网的通信标准[8]，因此，使用IEC 61850作为CPPS通信网路的通信标准是最佳选择。

IEC 61850的核心技术[9]包括面向对象建模技术、XML(可扩展标记语言)技术、软件复用技术、嵌入式 操作系统 技术以及高速以太网技术等。

4.2 通信网络配置与分析

对于CPPS开放式通信网络的网络配置，可参考智能变电站的三层二网式网络结构配置，构建CPPS的3层式通信网络，如图3所示。

其中，底层为位于发电厂、变电站和重要负荷处的大量PMU、STU/IED，分别负责采集实时信息和执行保护控制功能。中间层为控制子站(过程控制单元PLC)，每个控制子站与多个PMU、STU/IED相连，以完成该分区系统层面的保护控制，并根据需要将数据上传到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上传数据，处理以后将控制信息下发到各控制子站，以实现CPPS的广域保护控制功能。注意，各层设备均嵌入GPS实现精确对时，保证全系统的同步数据采样。

5 CPPS的分布式控制机理

要建立坚强自愈的智能电网，必须利用新型控制机理建立可靠的电力控制系统。根据电力故障扩大的路径和范围以及故障的时间演变过程，文献[10-11]中提出建立时空协调的大停电防御框架，建立了电力系统的3道防线，为实现智能电网的广域动态保护控制奠定了良好的基础。

电力系统的分布式控制(Distributed Control，DC)是相对于传统的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多机系统，即用多台计算机(指嵌入式系统，包括PLC控制子站和STU/IED等)分别控制不同的设备和对象(如发电机、负荷、保护装置等)，各自构成独立的子系统，各子系统之间通过通信网络互联，通过对任务的相互协调和分配而完成系统的整体控制目标[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在电力系统的3道防线的基础上，结合分布式控制技术，建立CPPS的3层控制架构，如图4所示。

其中，分布式控制层主要是在故障发生的起始阶段(缓慢开断阶段)采取的控制 措施 ，其控制目标应该是保证系统在不严重故障下的稳定性，防止故障的蔓延。过程控制层是在系统已经发生严重故障时(级联崩溃开始阶段)所采取的广域紧急控制措施，需要付出较大的代价。通常针对可能会使系统失稳的特定故障，往往需要投切非故障设备以保证系统的稳定性。广域的紧急控制措施应该在故障被识别出的第一时间立即实施，控制措施实施越晚，控制效果越差。优化控制层是在前两层控制均拒动或欠控制而没有取得控制效果，同时在检测到各种不稳定现象后所采取的控制措施，通常需要进行多轮次的切负荷和振荡解列。在电力恢复阶段，要有自适应的黑启动和自痊愈的控制方案。

6 结语

将CPS 方法 引入到电力系统中，建立CPPS的模型平台，为建立坚强自愈的智能电网提供新的思路。文中对CPPS中的同步PMU测量技术、开放式通信 网络技术 、分布式控制技术分别进行了简单介绍。