2025-2026学年电力信息化教学设计

2025-2026学年电力信息化教学设计教学课题课时备课时间授课时间教学内容分析1.本节课主要教学内容为电力信息化教材第三章“电力数据采集与监控系统（SCADA）基础”，包括SCADA系统的定义、基本组成（数据采集单元、控制执行单元、通信网络、监控中心）、核心功能（实时数据监测、远程控制操作、故障告警与处理）及在电力系统中的应用场景。

2.教学内容与学生已有知识的联系：学生在《电工基础》中掌握电力系统基本构成与运行原理，在《电气控制与PLC》中学习简单控制逻辑，SCADA系统是对电力系统运行状态的实时监控与控制，是将抽象电力运行参数转化为可视化数据，并应用PLC逻辑实现远程操作，是对已有知识的综合应用与延伸。核心素养目标二、核心素养目标通过SCADA系统学习，培养电力数据敏感性与信息获取意识；理解SCADA系统数据采集、监控、控制逻辑，提升运用信息技术解决电力系统实际问题的计算思维与实践能力；结合电力系统应用场景，形成信息化技术在电力领域安全、高效、创新应用的工程素养。学习者分析1.学生已经掌握了电工基础中的电路原理、电力系统基本结构，以及电气控制与PLC中的逻辑编程基础，能理解简单控制回路；

2.学生的学习兴趣偏向实用操作，具备基础信息技术应用能力，偏好案例式学习，动手实践意愿强；

3.学生可能对SCADA系统的实时数据流概念理解困难，组态软件操作易出现逻辑混淆，通信协议（如IEC61850）的抽象性可能形成认知障碍，需强化具象化教学。教学资源软硬件资源：SCADA系统仿真软件（组态王/WinCC）、PLC实训平台（西门子S7-1200）、数据采集模块（模拟量/数字量输入输出模块）、监控主机（多屏显示）、工业以太网交换机、继电器控制板。

课程平台：超星学习通（资源上传、作业布置）、电力信息化虚拟仿真实验室。

信息化资源：SCADA系统典型应用案例视频、电力系统实时数据动态演示课件、故障诊断与处理微课、IEC61850通信协议简化图解。

教学手段：任务驱动式教学、小组协作实操、虚拟仿真演示、案例分析法。教学流程基本内容1.导入新课，详细内容：展示某地区变电站因人工巡检延迟导致负荷越限停电的新闻案例，提问“若安装实时监控系统，能否避免此类事故？”引导学生回顾电力系统运行中对实时数据的需求，结合课本第三章“电力数据采集与监控系统（SCADA）基础”开篇导语，明确SCADA系统是保障电力安全稳定运行的核心技术，用时5分钟。

2.新课讲授，详细内容：

（1）SCADA系统的定义与基本组成：结合课本3.1节，通过系统架构图解析SCADA系统的四大组成部分——数据采集单元（RTU/FTU）、控制执行单元（执行机构）、通信网络（光纤/工业以太网）、监控中心（服务器与客户端），强调各部分功能，如数据采集单元负责实时采集电压、电流等模拟量及开关状态，用时5分钟。

（2）SCADA系统的核心功能：依托课本3.2节功能表，以“某10kV配电网监控”为例，演示实时数据监测（界面显示电压曲线、负荷饼图）、远程控制（远程分合闸操作）、故障告警（模拟单相接地告警弹窗），说明功能如何解决电力系统实时监控问题，用时5分钟。

（3）SCADA系统的典型应用场景：结合课本3.3节案例，对比变电站、水电站、微电网中SCADA系统的差异，如变电站侧重主设备监控，微电网侧重分布式电源协调控制，展示不同场景下的系统界面截图，总结应用共性——实现“遥信、遥测、遥控、遥调”，用时5分钟。

3.实践活动，详细内容：

（1）SCADA系统仿真界面搭建：使用组态王软件，基于课本图3-5“典型SCADA监控界面模板”，学生分组完成模拟变电站界面设计，添加遥测数据（电压、功率）、遥信状态（开关位置）、遥控按钮（分合闸），设置数据刷新周期为2秒，用时5分钟。

（2）PLC与SCADA通信调试：连接西门子S7-1200PLC与数据采集模块，通过课本3.1.3节“通信协议”知识，设置PLCModbusTCP协议，将模拟量输入模块的实时数据上传至SCADA界面，观察界面数据与PLC指示灯变化是否一致，用时5分钟。

（3）故障告警模拟与处理：在SCADA系统中设置“变压器过温”告警阈值（85℃），通过实训台模拟温度传感器数据跳变至90℃，观察系统告警弹窗动作，学生根据课本3.2.3节“故障处理流程”，在界面执行“隔离故障设备”远程指令，记录处理时间，用时5分钟。

4.学生小组讨论，写3方面内容举例回答：

（1）数据采集准确性问题：举例“SCADA系统采集的电流数据出现波动，可能原因是什么？”学生回答：传感器接触不良、通信线路干扰、A/D转换模块精度误差，结合课本3.1.1节“数据采集误差来源”分析。

（2）远程控制安全性问题：举例“如何防止误操作导致变电站误跳闸？”学生回答：操作权限分级管理、双确认机制（操作员+监护人）、遥控指令加密传输，参考课本3.2.2节“控制安全策略”。

（3）故障告警及时性问题：举例“配电网发生短路故障时，告警延迟3秒可能造成什么影响？如何优化？”学生回答：影响故障快速隔离，可能导致扩大停电；优化措施包括缩短数据采集周期、设置多级告警阈值、采用5G通信提升传输速度，联系课本3.2.3节“告警响应时间要求”。

5.总结回顾，内容：板书梳理SCADA系统“定义-组成-功能-应用”逻辑框架，重申重难点——组成各部分的协同工作原理（如数据采集单元与监控中心的数据流）、功能实现的通信协议支撑（IEC60870-5-101/IEC61850），强调实践操作中“界面设计-通信调试-故障处理”的核心技能，布置课后任务：分析校园配电房是否适合部署SCADA系统，提出功能需求清单，用时5分钟。学生学习效果1.**知识体系构建**：学生准确掌握SCADA系统定义（课本3.1节），能清晰描述四大组成部分（数据采集单元、控制执行单元、通信网络、监控中心）的功能及协同关系，理解"遥信、遥测、遥控、遥调"核心功能（课本3.2节），并能结合变电站、微电网等场景（课本3.3节）分析系统部署差异。例如，学生能解释为何变电站需侧重主设备监控而微电网需协调分布式电源控制。

2.**技能实践能力**：

-**系统操作**：独立使用组态王软件搭建SCADA监控界面（对应课本图3-5），正确配置遥测数据（电压、功率）、遥信状态（开关位置）及遥控按钮，设置2秒刷新周期；

-**通信调试**：基于课本3.1.3节通信协议知识，完成西门子S7-1200PLC与SCADA系统的ModbusTCP协议配置，实现模拟量数据实时上传；

-**故障处理**：按课本3.2.3节故障处理流程，在模拟"变压器过温"告警中执行隔离指令，记录处理时间并优化响应策略。

3.**问题解决能力**：

-**数据采集准确性**：针对电流数据波动问题，能结合课本3.1.1节分析传感器接触不良、通信干扰等成因，提出校准方案；

-**控制安全性**：参照课本3.2.2节，设计操作权限分级、双确认机制等防误操作策略；

-**告警及时性**：基于课本3.2.3节告警响应要求，通过缩短采集周期、设置多级阈值提升配电网短路故障告警速度。

4.**工程应用思维**：

-能将《电工基础》电路原理与《电气控制与PLC》逻辑编程知识迁移至SCADA系统设计，例如将PLC控制逻辑转化为SCADA远程指令；

-在分析校园配电房SCADA部署需求时，能结合课本3.3节案例提出功能清单（如实时负荷监测、变压器温度预警），体现信息化技术在电力安全中的工程价值。

5.**核心素养达成**：

-**信息素养**：通过实时数据监测与可视化操作，提升电力数据敏感性与信息获取能力；

-**计算思维**：在通信调试与故障处理中，应用逻辑推理解决系统协同问题；

-**工程伦理**：在控制安全策略设计中，强化电力系统安全、高效运行的工程责任意识。

学生能独立完成SCADA系统从界面搭建到故障处理的完整流程，将抽象的课本知识转化为实操技能，为后续电力自动化课程奠定基础。内容逻辑关系①定义与组成的逻辑关系：重点知识点为SCADA系统定义（实时数据采集、监控与控制）及四大组成部分（数据采集单元、控制执行单元、通信网络、监控中心），核心词句“数据采集单元是系统感知层，负责实时采集电压、电流等模拟量及开关状态；通信网络是传输层，通过光纤/工业以太网实现数据交互；监控中心是决策层，对数据进行处理、呈现与指令下发”，体现定义中“实时监控与控制”功能如何通过各组成部分协同实现，形成“感知-传输-决策”的闭环逻辑。

②功能与技术支撑的逻辑关系：重点知识点为SCADA核心功能（遥信、遥测、遥控、遥调）及实现技术支撑，核心词句“遥测功能依赖模拟量输入模块的A/D转换技术，将物理信号转化为数字数据；遥控功能通过PLC执行机构接收监控中心指令，驱动分合闸动作；遥信功能基于开关量输入模块采集设备状态，通信协议（如IEC60870-5-101）确保数据传输可靠性”，强调功能实现与硬件模块、通信技术的对应关系，体现“功能需求驱动技术选型”的逻辑。

③应用场景与系统设计的适配逻辑：重点知识点为SCADA在不同电力场景（变电站、微电网、水电站）的应用差异及系统设计适配原则，核心词句“变电站场景需配置RTU和专用服务器，侧重主变压器、断路器等核心设备监控；微电网场景需增加光伏逆变器接口和功率平衡算法，协调分布式电源与负荷；水电站场景需结合水位传感器和调速器控制，实现发电功率优化”，体现场景需求决定系统功能模块、通信协议和监控界面的设计逻辑，形成“场景-需求-设计”的对应关系。反思改进措施（一）教学特色创新

1.虚实结合实训模式：用组态王软件模拟SCADA界面，配合PLC实训台搭建真实数据链路，解决设备不足问题。

2.案例贯穿教学：以变电站、微电网等课本案例为线索，将定义-组成-功能-应用串联成工程问题解决路径。

（二）存在主要问题

1.通信协议理解困难：学生反映IEC61850协议抽象度高，与课本3.1.3节内容衔接不够直观。