应用物理学专业论文范文

学术堂整理了一篇3400字的物理论文范文供你参考：题目：大学物理理论与实验改革探索摘要:大学物理理论与实验是高等院校理工科各专业学生大学阶段的一门重要必修基础课，在培养学生科学思维能力、探索精神、参与科学实验的能力及掌握科学方法等方面具有重要的基础支撑作用。文章提出了一种交互式的课程教学模式，着重从优化理论与实验课程体系、教学内容的相互融合、传统与现代教学方式的相互渗透开展改革实践，努力探索大学物理理论与实验教学新模式。关键词:大学物理理论与实验教学;交互式教学模式;教学改革。大学物理与实验是面向全校理工科各专业开设的必修基础课，课程教学是实现人才培养目标的重要途径，深化课程教学改革，提高教学质量，充分发挥大学物理理论与实验在人才培养的基础功能作用意义重大。近年来，人们在大学物理与实验课程教学中不断地进行各种形式的教学改革，但受传统教学模式、课程学时及教学实验条件等因素的限制，一定程度上对课程教学质量的提高产生了影响。为适应新时代社会科技发展对高素质人才的要求，我们开展了交互式教学模式下大学物理理论与实验教学改革实践，对课程体系、教学内容、教学方式等直接影响课程教学质量的核心问题进行深入研究，努力探索大学物理理论与实验课程教学改革模式，有效保障人才培养目标的实现。一、交互式大学物理理论与实验教学模式的架构随着教学改革的不断深入，面对现有大学物理及实验课时压缩的教学现状，如何以学生为主体、教师为主导开展大学物理及实验教学，进一步提高大学物理教学质量，我们对前阶段的教学改革进行总结分析，提出了基于交互式教学模式下的大学物理理论与实验教学改革，新的教学模式以理论与实验在体系和内容相互交叉、相互融合、相互渗透为改革核心，保证课堂的知识容量，同时满足不同专业，不同层次学生的教学需求，以该模式作为改革的切入口，为学生的个性发展积极创造条件，培养学生深厚扎实的物理理论基础，科学思维和实验技能训练，使学生具有独立获取知识的能力，科学思维能力和解决.问题的能力。二、交互式教学模式的实践探索(一)交互式教学模式的目标交互式教学模式下大学物理理论及实验改革的目标:重建适应新时代人才培养需要的大学物理及实验课程教学体系及内容，理论教学体系方面在不打乱基本大学物理理论基础和实验教学总体系的基础上，保证学生有宽厚理论基础知识和基本实验技能的同时，遵循物理学的发展更新规律，根据不同专业的特点增减不同教学内容，特别增加与新技术发展相关的知识内容，确保教学内容的新颖;重新审视现有实验内容之间的关系，注重理论及实验教学内容的相互融合渗透和支撑，能够使学生在现有教学时数内更加系统掌握物理理论知识，了解现代科技发展成果，学会使用新仪器、新工具及现代实验手段开展物理量的测试。实现在交互式教学模式下，提高教学效率，促进大学物理及实验课程教学质量的提高。(二)交 互式教学模式的实践探索1.交互式教学模式下课程体系和教学内容的改革。对大学物理理论教学体系和教学内容的次序作改革，以经典为主线，改革传统的力、热、电、光、近代物理的教学次序，近代物理的相对论部分放在经典物理的主要内容电磁学、光学和热学之前，使学生更早了解接触近代物理，对后续经典物理内容的现代化起到支撑作用，保证学生掌握物理学中所要求的基本知识、概念、规律和方法;强调不同专业教学内容的针对性和有效性，如对计算机类、电子类学生，增加电磁学部分的内容，介绍电子管束河电磁聚焦技术，结合物质的磁性介绍一些新材料的发展，在光学部分，介绍激光原理及应用、光导纤维等，将现代高新前沿技术的应用发展前景内容，经过适当的选择、精炼和加工，转换为具有基础物理学风格和水平又易于学生接受的知识作介绍，这部分内容可通过问题的方式提出，学生课后查阅相关资料，在课堂中分组讨论总结并以PPT形式讲解问题，也可以提交小论文，意在培养学生的创新思维能力。用现代科技发展和工程技术应用的观点重新审视现有实验内容之间的关系，对实验课程体系和内容进行改革，在原有三级实验课程体系内容的基础上，认真筛选、调整实验项目内容，取消重复性理论验证项目，构建科学合理连续的实验内容体系，保证学生熟悉基本物理量的测量和掌握常规实验仪器的使用;增加综合性、设计性实验项目，这类项目及要求可由老师提出，实验室提供实验条件，学生通过查阅资料，自行完成与试验相关的理论推导公式，确定实验方法，选择或组合配套实验仪器，完成综合性、设计性实验，初步培养学生的综合实践能力;在具备一定综合性、设计性实验项目训练的基础上，鼓励学生在课外开展创新设计性实验，将物理实验原理应用在具体专业领域中，培养学生独立思考能力、创新精神、创新能力。如:在全息照相的基础上如何研究光纤全息等方面的内容，在惠斯登电桥中加入热敏电阻温度特性曲线测量，在分光计实验的基础上如何测定液体折射率等。通过调整改革实验教学体系和实验内容，调动了学生的主动性和学习积极性，使学生更多的了解大学物理及实验在现代科学技术中的应用。2.交互式模式下教学方式的改革。传统的大学物理及实验教学形式大都是由教师讲或示范，学生听或按教师方法做，严重制约了教学内容的时效性、直观性和互动性，根据现代教学理论，要获得最佳的教学效果，必须根据教学中的实际情况，综合采用各种教学方式，使教学方法的整体功能得到充分的发挥。课程教学中，以适当的课时比例分配，优化教学过程，在采用讨论式、探究式课程教学过程中，引入教学内容的多媒体课件，实物演示实验和插播视频片辅助教学，直观形象的显示复杂的物理现象，精讲教学内容的思路和方法，设计中心问题，引导学生开展讨论，保证了课程教学效果;加强课外延伸性学习，如学生自拟题目，撰写相关教学内容的小论文，定期进行网上的分组讨论，总结课程教学中的重点难点问题，各小组推荐同学对讨论结果作PPT演示讲解，小论文演讲交流等。实验教学中，对各阶段的实验采用不同的实验教学方式，基本实验由学生在实验教材指导下自行熟悉实验仪器的使用，实验原理和实验操作过程及需要解决的实验问题，教学过程中教师只作答疑，学生在规定时间内完成实验，这种方法既可以使学生巩固、补充和深入理解理论规律，又能培养学生的自学能力和独立思维能力;在综合性、设计性实验中，学生自己提出题目和设计实验方案，在教师的把关下做实验，采用这样的教学方式，培养学生分析问题、解决问题的能力，提高学生的科学素质。同时我们将计算机仿真实验，多媒体信息技术及计算机采集、处理实验数据等现代计算手段应用于实验教学，给实验教学注入新的活力。交互式模式下的教学方式改革最大程度的提高了教学效率，增强了教学直观性。3.交互式教学模式下的实例。在近代物理教学中，针对“狭义相对论”这个教学难点，学生在学习过程中常常感觉内容抽象，时空效应理解困难，我们通过多媒体辅助教学，配以计算机模拟、动画、录像、声音、文字等，将狭义相对论的内容深入浅出的介绍给学生，教学中把理论直观化、形像化，通过应用现代信息技术，把复杂物理理论呈现给学生，极大地激发了学生对近代物理的学习兴趣，交互式教学方式的效果得到充分体现。在波动光学中，针对薄膜干涉中的等倾干涉这个教学重难点内容，学生比较难理解，因此讲述迈克尔逊干涉这段教学内容时，我们在光学实验室进行授课，首先结合实验室迈克尔逊干涉仪让学生了解仪器结构，然后演示观察等倾干涉花样及其随厚度的变化规律，再定性分析花样的形成，给出厚度变化与花样中环纹数目变化的定量关系，通过观察实验使学生直观形像的理解等倾干涉理论公式，也为后续实验验测定氦氖激光波长奠定理论基础，通过交互式教学模式，深入浅出的将大学物理理论与实验教学内容融合起来。三、交互式教学模式促进了课程教学质量的提高交互式教学模式下的大学物理理论与实验改革，实现了理论与实验体系和内容更加优化，教学方式更加灵活，教学效率得到极大地提高。我们在机械类、电子类、计算机类近两届部分专业、部分班级的大学物理理论与实验教学中，采用交互式教学模式开展教学改革，学生的物理基础理论、基本科学实验技能、科学思维和创新意识有显着提升，体现在以下几方面:对教师给出的理论问题，会阅读教科书和课外参考资料，针对问题撰写小论文;在已有实验基础上能自行提出实验项目，设计实验方案，创新性的完成实验;在各种竞赛中取得优异成绩。交互式教学模式促进了大学物理与实验教学课程质量的提高。参考文献:[1]爱因斯坦、爱因斯坦文集第一卷[M].北京:商务印书馆，1976.[2]霍剑青，等.“大学物理实验”课程的建设思路与教学实践[J] .中国大学教学,2004(11) .[3]张占新，王汝政，等.大学物理实验教学改革措施与实践[J] .大学物理实验，2013,26(6).[4]罗文华.大学物理教学改革对策[J] .物理与工程，2013，23(4).[5]周全生.大学物理实验教学改革对策探索[J] .科技展望，2017， 27(1).[6]谢丽莎.大学物理实验教学改革研究[J] .合肥工业大学，2009.[7]张凤琴，林晓珑，等.创新人才培养下的大学物理实验教学改革研究[J] .大学物理，2017，36 (3) .[8]张庆国，尤景汉，等.大学物理实验教学改革的实践与探索研究[J] .物理与工程，2008,18(4) .作者:龙涛单位:重庆工商大学计算机科学与信息工程学院

【论文关键词】大学物理；现状分析；教学改革 【论文摘要】文章根据农科类大学物理教学的现状和教学改革的发展，从教学的几个环节，提出了大学物理教学内容及教学方法改革的几点想法，提出建议，以促进农科类大学物理在教学内容、教学目的、教学效果等方面得到更好的发展，实现农科类院校大学物理教学改革的目的。 大学物理是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本最普遍的运动形式及其相互转化规律的学科。物理学的研究对象是非常广泛的，它的基本理论渗透到自然科学的很多领域，应用于生产技术的各个部门，它是自然科学和工程技术的基础。它包含经典物理、近代物理和物理学在科学技术方面的应用等基本内容，这些内容都是各专业进一步学习的基础和今后从事各种工作所需要的必备知识。因此，它是各个专业学生必修的一门重要基础课[1]。 在农科类各专业开设大学物理课的作用，一方面在于为学生较系统地打好必要的物理基础，另一方面是使学生学会初步的科学的思维和研究问题的方法。这对开阔学生的思路、激发探索和创新精神、增强适应能力、提高人才的素质都将起到非常重要的作用。同时，也为学生今后在工作中进一步学习新的知识、新的理论、新的技术等产生深远的影响。 一、大学物理教学现状分析 21世纪是科学技术飞速发展的时代，对人才的要求将更高、更全面，这对我们的大学物理教学也提出了更高的要求，必须跟上时代的步伐。但是，目前以农科类大学物理教学为例存在以下问题： （1）大学物理教材的内容中，以经典物理为主，分为力学、热学、光学、电磁学和近代物理，内容各自独立，彼此之间缺乏联系，没有形成统一的物理系统。教学内容大部分标题与中学类似，学生看到目录后学习热情和兴趣锐减。 （2）经典物理和近代物理的比例极不平衡，经典物理部分占物理教学内容的80％以上，而且基本上都是20世纪以前的成果，没有站在近代物理学发展的高度，用现代的观点审视、选择和组织传统的教学内容。同时近代物理的内容非常少，特别是没有反映20世纪后半个世纪以来物理学飞速发展的现代物理思想，使学生对近代物理知识知之甚少，与现代物理严重脱节，因此大学物理教学改革势在必行。 （3）教学手段落后，虽说现在有些老师已经用上了多媒体教学，但是总体对现代化教学手段的充分利用还远远不够，未能充分体现现代化教学手段的优越性，对教学手段的改进也期待着进一步探索。 二、对大学物理教学内容改革的几点想法 （1）从大学物理非物理专业的人才培养的总体要求出发，对农科类各专业采取不同侧重点的教学，现在所用的教材，或是适合我们的短学时，又无配套的教学参考书，或是对农科类相关教学内容不足，我们可以根据不同专业制定不同的教学大纲，注重各部分知识的联系，以近代物理学的发展为主导，完整而系统的讲述物理学的基本内容。同时，教研室可以准备组织力量编写一本少学时且适合农科类各专业学习用的大学物理教学参考书，主要用于帮助学生理解基本概念、基本定理，帮助学生学会分析问题和解决问题，帮助学生提高把物理学的知识应用到实际中的能力。 （2）添加近代物理内容，介绍当今物理学前沿的发展，如量子理论、相对论的时空观等，启发学生兴趣，扩大学生的科学视野，开阔学生的思路。把近代科学技术成就和前沿课题的内容融入教材中，补充一些物理学与相关专业的交叉或补充的前沿的新发展内容，使学生在学习基本理论的同时了解现代科技发展的新信息、新动向。 （3）对经典物理部分进行处理，精选与现代科技、现代物理知识紧密联系的内容，删去陈旧部分，避免和中学物理的内容重复，将经典物理延伸至近代物理，增添新意。 （4）将相关学科的基础知识纳入教材。如今科学技术越来越向交叉学科发展。因此，针对农科类各专业，在教材内容的选择上，增加农业应用方面的内容，紧密联系学生专业进行因材施教。 三、关于大学物理教学方法和教学手段改革的想法 （1）注重应用，弱化计算。传统的物理教学方法是以物理理论和计算公式为主，要求学生会解题，而对物理概念的理解和应用则一掠而过。其实，学生对用数学方法解决物理问题不适应，导致对解题产生畏惧心理。因此在教学中不应以做题为目的，使学生陷入题海之中，而是要着重应用方面的教学，适当进行习题练习，重点培养学生应用物理知识分析问题的能力，培养学生的创新能力。 （2）灵活运用多媒体教学。多媒体教学已经成为现代教育中的重要组成部分，适当的多媒体教学可以提高学生的学习效率，有利于发挥学生的主观能动性，发展学生的个性，实现“以学生为本”的教育理念。在多媒体电子课件中，加入动画、演示实验、图示说明和物理学的一些基本模型等，以弥补传统教学的不足，增加课堂教学的形象性，对学生动态认识和掌握物理概念有着重要的作用[2]。 （3）在考试方面，可改变现在的考试模式，采用多种考试方法结合。一方面闭卷笔试，采用试题库考试，另一方面，采取书写小论文、新想法等方式，加强学生学习的自觉性，减轻学生的压力，同时也提高了学生的发现问题和探究问题的能力。 （4）重视学生动手能力的培养。物理学是建立在实验基础上的，所以大学物理包括理论和实验两部分，学生通过大学物理实验，增强了动手能力、分析问题解决问题的能力，培养了良好的实验素质。根据物理实验室开放实验的实践经验，实验室向学生开放，给学生提供观察和实际操作的机会，学生可以根据自己的实际情况选择观看和操作实验，从中体会物理学知识的奥秘。 四、展望 本文从大学物理的教学现状、教学内容、教学方法改革等方面对大学物理教学改革的发展进行了探讨，提出了大学物理教学改革的几点建议。由于物理学在不断发展，教学思想也在不断发展，大学物理教学改革更是发展的。所以，大学物理任课教师必须既懂得物理理论又会动手作实验，同时还要熟悉与农科各专业相关的前沿知识。这就需要教师要教学与科研并重，在熟悉教学的基础对前沿科技进行研究，具有较高的教研能力，让学生在学好大学物理的同时，对现代科技有一定的了解。教师应该在现有教学基础上，不断探索，在传授知识的同时启发学生发现问题、解决问题的能力和创新思维能力，成为高素质的全面型人才

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。

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。

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。

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