0引言

電力系統(tǒng)分析是高校電力類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其中的調(diào)壓、潮流、短路計算等也是電力員工培訓的重要內(nèi)容。在教學與培訓中，許多學員反映該課程系統(tǒng)性較強，有不少晦澀難懂的理論和大量繁瑣的計算。考慮到電力行業(yè)的特殊性，建立可視化的電力系統(tǒng)分析仿真軟件可以大大激發(fā)學員的學習興趣，提高培訓效果。

1本電力系統(tǒng)分析仿真軟件的特點

1.1電力系統(tǒng)仿真軟件的綜述

隨著我國經(jīng)濟和人民生活水平的迅速提高，電力需求大幅提高。電力系統(tǒng)仿真已成為電力系統(tǒng)研究規(guī)劃和設(shè)計的重要手段，因此電力系統(tǒng)仿真軟件的功能特性對于提高研究、設(shè)計的效率和可信性有重要作用。由于電力系統(tǒng)在國民經(jīng)濟中占有重要地位，一般都要用到多個數(shù)字仿真軟件進行計算結(jié)果比較，主要有以下幾種：

（1）邦納維爾電力局開發(fā)的BPA程序和EMTP程序；

（2）曼尼托巴高壓直流輸電研究中心開發(fā)的PSCAD/EMTDC程序；

（3）德國西門子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC；

（4）中國電力科學研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP；

（5）MathWorks公司開發(fā)的科學與工程計算軟件MATLAB[1-2]。

1.2仿真軟件的設(shè)計思路和算法

為了提高學生對電力系統(tǒng)分析理論和實踐應(yīng)用的結(jié)合能力，加強就業(yè)的競爭力，并拓展電力企業(yè)服務(wù)和培訓的空間，我們針對教學和培訓開發(fā)了電力系統(tǒng)分析仿真軟件，主要包括電力網(wǎng)數(shù)學模型、潮流計算、調(diào)壓、短路電流計算等內(nèi)容。本軟件利用MATLAB語言，核心算法是在單臺計算機的多個核上實現(xiàn)電網(wǎng)全局潮流聯(lián)合的分布式計算方法，其計算速度相對單機單核要快得多。

①電網(wǎng)模型的建立通常給定的已知條件是：電力系統(tǒng)元件的型號、實驗數(shù)據(jù)、容量、長度等參量，計算電網(wǎng)元件參數(shù)，得出導(dǎo)納矩陣；

②電力系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)整通常給定的已知條件是：參數(shù)調(diào)整滑塊的調(diào)節(jié)量、電力系統(tǒng)元件的型號、實驗數(shù)據(jù)、容量、長度等參量，系統(tǒng)中各電源和負荷節(jié)點的功率、平衡節(jié)點的電壓和相位角，待求的運行狀態(tài)參量為各節(jié)點的電壓以及流經(jīng)各元件的功率等。

③電力系統(tǒng)潮流計算：采用的是PQ分解法和前推回代法。可視化仿真計算電力系統(tǒng)在某一穩(wěn)態(tài)的正常運行方式下，電力網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的電壓和支路功率的分布情況，通常給定的運行條件有系統(tǒng)中各電源和負荷節(jié)點的功率、樞紐點電壓、平衡節(jié)點的電壓和相位角。待求的運行狀態(tài)參量包括各節(jié)點的電壓及其相位角以及流經(jīng)各元件的功率、網(wǎng)絡(luò)的功率損耗等。

④電力系統(tǒng)短路電流計算：自動生成正序、負序、零序網(wǎng)絡(luò)，計算故障電力系統(tǒng)的各種短路類型的短路電流。通常給定的已知條件是系統(tǒng)中各電源和負荷點設(shè)備的容量，待求的運行狀態(tài)參量包括各節(jié)點的電壓及其相位角以及流經(jīng)各元件的功率、網(wǎng)絡(luò)的功率損耗等。軟件為學員提供了實驗和仿真的平臺，實現(xiàn)了全界面圖形化、設(shè)備與設(shè)備屬性資源管理化、操作與設(shè)計人性化和科學化。形象化顯示實時運行結(jié)果，便于學生觀察電力系統(tǒng)的各種正常狀態(tài)、不正常狀態(tài)；按電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行搭建電網(wǎng)模型；仿真軟件在運行時，可以自由任意改變設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，單擊滑塊可分級改變設(shè)備的各種參數(shù)；在一張仿真電力接線圖上可以設(shè)計、顯示、運行、保存、預(yù)覽多種電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障狀態(tài)。

2電力系統(tǒng)分析仿真軟件在學歷教學中的應(yīng)用

針對不同的教學對象，我們設(shè)置了便利的操作和電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫管理界面。比如對高校的學生我們設(shè)置了B類元件庫，學生可以根據(jù)書本提供的系統(tǒng)圖中的元件輸入各種電氣元件的參數(shù)，比如導(dǎo)線的阻抗、導(dǎo)納、基準電壓；變壓器的各側(cè)額定電壓、額定容量、短路損耗、短路電壓百分數(shù)、分接頭數(shù)等。電力系統(tǒng)分析仿真軟件就可以計算電力系統(tǒng)各元件的參數(shù)、構(gòu)建電網(wǎng)模型的功能、分析電力系統(tǒng)電力傳輸功能、電力系統(tǒng)潮流計算功能、分析電力系統(tǒng)無功功率平衡和電壓調(diào)節(jié)功能、自動生成電力系統(tǒng)各序阻抗網(wǎng)絡(luò)、計算各種類型的電力系統(tǒng)短路電流，計算電力系統(tǒng)中各運行點的各序電壓。以教學中常用的電力系統(tǒng)調(diào)壓為例。

有一簡單電力系統(tǒng)，參數(shù)如下：發(fā)電機出口電壓為10.5kV，高壓輸電線路的額定電壓為110kV，長度為80km，采用LGJ185型導(dǎo)線，變壓器的額定電壓為110/11kV，容量為15MVA，空載損耗為40.5kW，短路損耗為128kW，短路電壓百分數(shù)為10.5，空載電流百分數(shù)為3.5，原始負荷功率為Sb=28+j10MVA和Sc=20+j15MVA，現(xiàn)在負荷增加到Sb=32+j12MVA和Sc=24+j15MVA，問應(yīng)如何調(diào)整用戶b、c點的電壓？利用本仿真軟件可以方便計算和分析出各種調(diào)壓措施對負荷點電壓的影響。首先學生根據(jù)題目的要求建立電力系統(tǒng)的拓撲圖如圖1所示，然后輸入各種元件的電氣參數(shù)（以輸電線為例如圖2所示），最后設(shè)計了共計6個滑塊。滑塊是一種圖形單元（如圖3所示），可以放到圖紙上，并可以對圖紙上的某一個圖元的一種參數(shù)進行微調(diào)，它是一對一的調(diào)整，主要用于頻繁調(diào)整某固定參數(shù)使用，在屬性設(shè)置中對圖元名、屬性名、最大檔、最小檔、每檔值、大小尺寸進行設(shè)置。

從而可以讓此滑塊知道要控制那一個圖元單元，從而在運行狀態(tài)下，可以微調(diào)此滑塊指定的圖形單元的參數(shù)。拓撲圖從左至右第一個滑塊代表了可調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓（變化范圍為10.5~11kV）；第二和第四個滑塊代表了升、降壓變壓器的分接頭檔位：其中5檔變壓器分接頭值為+2*2.5%，4檔變壓器分接頭值為+1*2.5%，3檔為變壓器的主抽頭，2檔變壓器分接頭值為-1*2.5%，1檔變壓器分接頭值為-2*2.5%；第三個滑塊代表了可調(diào)節(jié)線路的阻抗（變化范圍為80~60km），第五、六個滑塊代表了可調(diào)節(jié)負荷的有功和無功；另外可通過無功補償裝置前的開關(guān)控制是否投入。仿真軟件可以直觀地把各種計算數(shù)據(jù)展示在程序界面上，把比較結(jié)果導(dǎo)出后可形成表1。從上述示例中可發(fā)現(xiàn)，利用電力系統(tǒng)分析仿真軟件在教學中可以避免大量繁瑣的計算，學生可以通過軟件計算出的結(jié)果更好地加深理論理解，豐富學生的專業(yè)技能，培養(yǎng)學生電力系統(tǒng)運行、調(diào)度的基本能力，提升學生的就業(yè)競爭力。

3電力系統(tǒng)分析仿真軟件在培訓中的應(yīng)用

針對電力在職職工的技能培訓，本軟件用電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫來存取所有的相關(guān)信息，包括A類元件庫和圖形拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。拓撲中的頂點就是由母線來組成，拓撲的關(guān)系由電線、變壓器來組成；有了點與線那么一張網(wǎng)絡(luò)拓撲就形成了。所以形成的流算法所需要的矩陣也就可以組合而成了。畫圖的組成也是用電線來連接母線。電線的兩端、變壓器的兩端三端連著的是母線。那么輸電線、雙卷變壓器、三卷變壓器的端點處連接的都是母線［3］。

按照各圖形類的繼承關(guān)系，又考慮到發(fā)電廠和母線潮流走向的區(qū)別，將數(shù)據(jù)表分為母線數(shù)據(jù)表、線路數(shù)據(jù)表和發(fā)電廠數(shù)據(jù)表，分別存儲母線信息，包括節(jié)點電壓、節(jié)點負荷等；線路信息，包括兩節(jié)點間線路的潮流、首末端節(jié)點名稱等；發(fā)電廠信息，包括所連節(jié)點名稱、發(fā)電功率等。學員不需要輸入各種線路、變壓器等電氣元件的參數(shù)，只需輸入設(shè)備的型號系統(tǒng)就自動生成其阻抗、導(dǎo)納、容量等電氣參數(shù)。電力系統(tǒng)分析仿真軟件具有電力系統(tǒng)潮流計算和短路電流計算功能。本軟件構(gòu)建的某系統(tǒng)潮流如圖4所示，學員可以對各個開關(guān)進行變位，或者利用滑塊調(diào)節(jié)發(fā)電機、變壓器分接頭位置，從而觀察軟件可視化界面的潮流數(shù)據(jù)的變化，特別注意電氣參數(shù)有無越限，最后確定合理經(jīng)濟的系統(tǒng)運行方式。本軟件的潮流計算可以計算多個平衡點的電網(wǎng)潮流計算。軟件在計算電力系統(tǒng)故障時能夠自動生成電力系統(tǒng)的正序、負序、零序網(wǎng)絡(luò)，可以仿真各種電力系統(tǒng)正常的運行狀態(tài)和各種電力系統(tǒng)故障狀態(tài)，為電力員工提供了培訓和研究的平臺。

4結(jié)束語

利用電力系統(tǒng)分析仿真軟件可以將原本抽象和繁瑣的大量理論知識用可視化界面展現(xiàn)出來，更加與電力生產(chǎn)的真實工作場景貼近，可以讓學員直觀地接受。另外以仿真軟件為科研平臺，積極開展產(chǎn)學研合作，不斷加強教師的科研水平，深入淺出，達到提高教學和培訓效果的目標。

作者：連小洲 劉曉東   單位：江西電力職業(yè)技術(shù)學院 國網(wǎng)贛州供電公司