小学物理教学论文文献

物理教学对策的论文

在个人成长的多个环节中，大家一定都接触过论文吧，论文是我们对某个问题进行深入研究的文章。那要怎么写好论文呢？下面是我为大家收集的物理教学对策的论文，希望对大家有所帮助。

一、对前概念的认识

如何看待学生头脑中业已形成的前概念呢？从人类认识的发展角度来看，前概念的产生是正常的、必然的，因为在科学发展史上这种前概念也屡见不鲜。前概念的产生正体现了人类认识发展的一般规律，我们应该把它作为物理含义可被转换的认知结构接受下来，这才是我们应该持有的指导思想。

二、前概念的特征

1．广泛性

由于儿童在初二学习物理之前已有了十多年的生活经验，接触了许多形形色色的物理现象，因而他们头脑中自发形成的前概念所涉及的范围也是相当广泛的。当然，这种广泛性是相对的，他们对能看得见、摸得着、日常生活经常接触到的事物形成了较多的前概念，而对那些比较抽象的物理知识，则很少有前概念。如学生对力学、热学和几何光学均有着较多的前概念，而对电学则很少有前概念。

2．自发性

儿童大脑中的前概念，缘起于儿童长期、大量的对日常生活的观察与感知，这些经验在其大脑中逐渐深化发展，经过感觉、知觉、表象阶段最终形成概念。儿童在其大脑里构建前概念时，完全是自发性的，没有人教他这个问题应该是这样、那个问题应该是那样，他完全是站在自己的立场上，凭自己的感性经验进行构建。因此，前概念是儿童自己的精神财富，而且这种精神财富是他们在现实生活中认识事物的一个有价值的工具。

3．顽固性

由于前概念是儿童大脑中业已形成的模式，且在长期的生活经验累积中又强化了这些观念，加之儿童的思维又具有自我中心性，因此儿童头脑中的前概念是极其顽固的。一些研究表明，一旦学生对某些物理现象形成了前概念，要想加以转变是相当困难的。如有位教师在讲清惯性概念之后，让学生回答并解释这样一个问题：一个人站在作匀速直线运动的火车里，如果面向前竖直跳起，是落回车厢原处，还是落到原处的后面？全班学生皆回答落到原处后面。原因在于学生的生活经验中已有了“力是维持运动原因”的前概念，由此可见学生头脑中的前概念是多么顽固。

4．隐蔽性

学生头脑中的前概念还具有隐蔽性。由于学生大脑中的前概念是潜移默化形成的，因此它以潜在形式存在，平时并不表现出来。然而在物理教学中讲授科学的物理概念时，儿童马上就会联想到他们头脑中的前概念。当让学生用物理概念去解释问题时，前概念就会马上表现出来。

三、前概念对物理教学的影响

前概念和科学的物理概念同是来源于人的实践活动，他们都是由认识主体的认识活动所产生。根据其是否易于转换成科学的物理概念，可将其分成两类，一类是虽然与科学的物理概念不一致，但在提供给学生一定的预备知识之后，再辅之以有关的实验引导，便不难使学生形成正确的物理概念，例如从不同物质轻重的概念转换成密度的概念。从结构上来说，这类概念在学生头脑里的形成并不涉及认知结构的转变，是属于认知同化过程。然而另一类前概念则与此大不一样，在学生的原有经验中，这些前概念在儿童的头脑中已经有了相当长的发展时间，且已形成了系统的却并非科学的概念。比如，学生在日常生活中经常看到铁块沉于水中的现象，于是就在头脑中形成了铁块可以沉没于任何液体中的前概念。当讲授阿基米德原理、演示铁块漂浮于水银面上时，许多学生根本不相信，认为这是教师在玩魔术。这就是前概念对物理概念教学的影响。在这种情况下，教师必须努力促使学生原有认知结构的解体和新认知结构的建立，以实现认知上的顺应。

四、针对前概念的教学策略

学生带着先入为主的前概念进入物理课堂，这是物理教学中的正常情况。基于前概念的特征和影响，关键是我们先要了解学生大脑中存在着哪些前科学概念，并努力把它们转换成科学的物理概念，从而也就能更成功地避免错误概念的产生。为此，教师在开始教有关的`物理内容之前，应通过一定的方式，如提问、问卷调查、试题测试等等，去深入了解学生大脑中前概念的存在情况。

知道了学生头脑中存在着哪些前概念，那么如何使这些前概念转换成科学的概念呢？首先，应有针对性地选择事例或现象，让学生用自己的前概念去对事例或现象进行解释，使他们产生认识上的冲突，即大脑中的原有概念与当前面临的现实产生无法调和的矛盾，从而感觉到有改变认知结构的需要。接着通过实验事例把科学的物理概念告诉学生，并把科学的物理概念应用到更为广泛更为深刻的现象中去，当学生在新的思维结构下有更多成功的时候，他们就会接受科学的物理概念。具体到实践中，可这样来进行教学：

（1）将小车轮子朝上放在桌上，问：“怎样才能使小车运动？”把小车推动，问：“持续推动小车，小车将会处于什么状态？”让学生提出看法：你认为物体运动的原因是什么？

（2）将小车正放在桌上，用手推动小车达到较大速度时，使手与小车脱离接触，问：“小车为什么仍然运动？”使学生产生认识上的矛盾。

（3）让小车从斜面上同一位置滑下并进入水平面，分别在水平面上垫粗毛巾、细棉布和玻璃板，观察现象，问：“假定小车与支撑面间没有任何阻力，小车将会处于什么状态？你又能得出什么结论？”

（4）引导学生分析足球运动员踢足球，球由静止变运动；守门员接球，球由运动变静止；足球运动员顶球，改变球运动的方向，问：“这能说明些什么？”由于前概念的根深蒂固性，我们不要期望通过粉笔和说教的简单方式就可使学生把前概念转换成科学概念，也不要抱有经过一两次纠正就可以使前概念销声匿迹的幻想。前概念向物理概念的转变是思维结构的转变，是在学生头脑中引发的一场革命，需要改变原有的认知结构，建立新的认知结构，需要克服旧模式的惯性，因而是一个充满艰辛的过程。

一、目前高中物理教学中存在主要问题

（一）学生缺乏学习的兴趣，课堂气氛低沉。

兴趣是引导学生学习物理的有效方法之一。但是在现阶段高中物理教学中，学生对物理似乎没有多大的兴趣，表现出一副漫不经心的样子。在物理教学课堂中，学生上了心不在焉，不管老师在课堂上讲什么物理教学内容，学生总是不去理会。老师在教学过程在中由于没有学生在课堂上的积极配合，导致物理教学效率低下，同时物理课堂教学气氛也死气沉沉。

（二）学生学习物理的方法不够恰当合理。

目前学生在学习物理方面有一个很大的缺陷，那就是无法掌握科学合理的学习方法。学生在学习物理的过程中，拿到物理题就开始急急忙忙的解题，表现出慌张凌乱的现象。而且学生在学习物理的时候，不懂的对物理题进行归类总结，找不到共同的规律，因此在以后出现类似的题学生还得重新开始。同时学生还存在机械性学习，不会灵活应用物理中的计算公式等。

（三）学生在物理实验中动手能力差。

物理教学中有一项非常重要的教学活动内容，那就是物理实验操作。物理实验操作关于着学生对每一个实验现象的了解知识，而且实验操作也代表着学生一定的实践动手操作能力。但是学生在物理实验过程中，对物理实验操作步骤十分生疏，不懂得如何应用实验器材，也不知道对一些实验步骤如何进行，动作笨拙，手忙脚乱。在实验结束后，学生对物理实验现象不知道该如何对照课本进行总结归纳，有时候还会因为实验操作的失误导致得出的结论也是不符合实际现象的。

二、提高高中物理教学的有效策略

高中物理教学中存在着的诸多问题严重制约着物理课堂的开展和构建，同时也对学生学习物理产生重大制约作用，这就迫切老师根据出现的问题采取相应有效的策略来解决。本文主要从以下几点来解决高中物理存在的问题，以此来提高物理课堂教学质量。

（一）提高学生学习兴趣，营造活跃课堂氛围。

兴趣是最好的老师。在物理课堂教学中老师同样要对学生以兴趣相引导，并以此来提高课堂教学气氛，活跃课堂。在物理课堂开设之前，老师提前对学生进行问题情境设置，对本节课的教学内容对学生提前进行有趣疑问，让学生带着疑问和浓厚的兴趣去探索问题，这样学生学习物理就会十分容易。其次，老师要对物理课堂教学内容进行合理的导入，这也是激发学生学习兴趣的重要因素之一。例如在讲到《力的和解与分解》的时候，老师形象地给学生说力的和解就好像两头牛从一个方向共同使力，那么他们的合力就是两头牛力量的相加之和；而力的分解好比两头牛在同一条线上，但是从两个不同的方向使劲使力，那么他的反向力量就是一头牛的力量减去另外一头牛的力量。老师以这样的教学方式将教学内容导入到课堂中，不但激发学生学习兴趣，而且学习效果事倍功半，还活跃了教学课堂。最后，老师和学生在教学课堂上有效的交流和协作，也能营造良好活跃的课堂气氛。以提高学生兴趣为基础，以活跃的课堂教学氛围为动力，在这两大智胜法宝的相助下，高中物理教学不断走向正规化，学生成绩不断上升。

（二）加强培养学生科学良好的学习方法。

物理教学，不仅仅给学生传授的是知识，更是传授的是学习方法和技能，让学生自己能够在物理教学的过程中独自学习，完成物理教学中的一些习题。物理学习方法不仅仅是老师一个人所该做的事情，这也是学生自己该做的事情。老师在教学过程中，要注重学生思维能力的培养，开拓学生的思辨能力和反应能力，注重科学方法的引导。对于相类似的题型，老师给学生总结出一半普遍规律，让学生结合例题领会其中的规律道理。此外，学生在学习过程中要善于发现自己的做题技巧，不能一味的总是依赖老师传授，只有自己领悟到的，学生才会感受深受，对此有深刻的记忆和理解。学生也不能再像初中那样，对一些题型进行死记硬背，毕竟物理是一门靠理解来学习的科目。

（三）强化学生实验动手操作能力。

物理实验在物理教学中占据着重要的地位，老师要在物理教学中，加强对学生的实验操作能力的训练强化，使学生在实验教学中能够独树一帜。物理实验教学前，老师先给学生进行一次实验示范，给学生讲清楚实验步骤，让学生对基本步骤有一定的了解。在老师实验示范结束后，在让学生亲自动手实践操作。学生在学习老师的实验步骤之后，对基本实验操作过程有一定的掌握，他们在做的过程中不会出现太大的问题。老师也可以让学生进行分组实验训练，这样学生在做实验中有其他学生的帮助和指点，他们的进步会更多，学习的也会更快。学生熟悉了实验操作程序，对学习物理有很大的帮助，更会容易让他们对物理有准确的认知。尽管高中物理教学存在着一些列的问题，但是在老师和学生的共同努力下，物理教学取得了很大的成效，学生的物理成绩也有了很大的提高和进步。相信在未来不断的探索努力下，物理教学会取得更大的成效。

摘要： 新课程背景下，初中物理呈现了新的知识体系和目标体系，于是转变教学方式成为新课程改革的重要任务之一。初中物理课堂力求实现以探究为主，多种教学方式相互融合的教学模式促进学生的全面发展。为了促进学生能够自主、合作、探究地学习，教师改变教学方式的是有效途径之一，目前初中物理教学方式的转变已取得了很大的成就，但是仍然存在许多不足之处。本文根据初中物理的教学目标，通过将探究式教学融入到初中物理课堂模式，提出相关对策进行说明及研究。

关键词： 初中；物理；探究式教学

科技在全球化的背景之下得到全面发展，这一因素的进步与发展，使我们生活的方方面面都得的了好处，教育也在全方面发展的情况下得到相应的改革。随着新课程改革的不断普及之下，教学方式也得到进一步重视，倡导教师在教学活动中增加学生主动参与、交流、合作及探究等学习活动，让学生成为学习的主人，通过教育培养出适应新时代发展的人才。初中是学生进入一个新的学习阶段，学习内容与小学相比较不仅是难度增系数加，而且也更加复杂化，学校给学生安排的课程也增多了不少，跟初中生的学习增添了不少压力。

初中物理跟高中不一样，它是囊括在自然科学这个大系统下的，物理学在各个方面都得到应用，是促进科技发展的重要基础之一，因此通过物理的学习，从小的层面来讲就是能够了解常见的自然现象，明白事物的原理，往大的层面来讲就是了解宇宙的产生、发展及结局，促进这方面领域的发展，可见学习初中物理对于人才的培养是极其重要的，因此初中物理的教学为了响应新课程改革要求融入探究式教学，所谓的探究式教学就是学生在学习概念和原理时，教师通过相应的指导，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去独立探究，自行发现并掌握相应的原理和结论的一种方法。而目前初中物理的探究式教学中存在以下几个方面的问题：

第一，教师对于这一教学方式不够重视，仍然按照以往的教学模式进行教学；

第二，教师开展探究式教学活动只理解了它的表层含义，所运用的方法适得其反。因此针对上述存在的问题，提出如下策略进行讨论研究。

1.激发学生学习兴趣

兴趣是打开事件大门的关键钥匙，一件事情要想做成功必然有对这方面的兴趣，才能花心思在这方面。要想学好物理，就要使学生结合生活实际例子产生对物理的学习兴趣。物理与生活是紧紧相关，因此在物理课堂上可以使教学内容及教学方式生活化，教学内容的改变可从课本上看出，探讨的大部分都是和我们的生活相关的，与生活相关的部分更能体现出实际性，学生也愿意学这一方面的知识。物理课程难易结合，这就要求老师着重对难以理解部分知识点进行详讲，一些简单的课程可以要求学生先自己预习了解，通过老师课堂讲解加深影响，运用预习培养学生自主学习能力，老师要做的就是设计相关方案引导学生进行有目的的自主学习。

2.改进教学方式提高学生探究能力

要想提高学生的探究能力，首先要做的就是改进教学方式，课堂上所采取的以教师教课为主的方式是有一定的优势存在，在改进过程中不需要完全舍弃，正所谓事物都是具有两面性，有优点的同时也会存在缺点，讲授法的应用在一定程度上制约了学生主观能动性的发挥，因而在教学过程中应该以讲授法为基础，在此基础上增加探究的成分学生多接触探究式教学，教师要其中发挥指导作用，循序渐进的让学生应用探究能力。

比如在实验收集过程中，教师应作为一名指导者，对实验操作方法给予一定的指导，确保实验顺利进行，并引导学生收集到全面的数据，让学生小组归纳科学规律，然后小组轮流表述本组得出的结论互相指正后共同得出科学规律。例如在上到电流与电路这课时，通过教师在课上讲解有关电路图的原理知识后，学生进行电路模拟实验的时候，在理论知识的指导下进行探究。

3.通过实验操作加大知识的理解能力

在初中物理学习中，由于课业的紧张，无法做到每一次实验都能去实验室进行操作，因此就要求学生自己把握课本中的理论知识，在熟知基础理论的前提下，观看教师在课堂上的实验操作。同时教师在进行实验操作时，要尽量让学生参与进来，不能只抱着敷衍的态度走一遍过场就结束。基础理论的学习如同地基，只有地基打的坚固建筑才能屹立不倒，正如物理的学习，了解物理变化的基本规律，从而形成相关物理概念和思维。老师的课堂教学模式应适应这一发展而进行革新，纯理论知识讲解不仅无法加深学生对知识点的理解，也会导致上课易开小差，初中物理的学习是有很多实验包含在其中，老师可以再上课演练一些实验加深学生对这一知识点的印象。

比如在探究水的沸腾实验是，教师在课前准备好铁架台、酒精灯、石棉网、盛水的烧杯、温度计、带有小孔的纸板、秒表、（火柴）这些物品，用酒精灯给水加热至沸腾，可以观察到水沸腾前的现象是气泡上升，越来越小，当水沸腾时大量气泡上升，变大，到水面破裂，里面的水蒸气散发到空气中，通过实验来引出相关知识。

参考文献：

[1]柴西琴.对探究教学的认识与思考.课程教材教法，2001

[2]徐学福.探究教学三题.教育研究与实验，2000

[3]王南.初中物理探究式教学的实践研究[D].长春:东北师范大学，2008

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。