PowerWorld Simulator在電力系統(tǒng)類課程教學(xué)中的應(yīng)用

李紅偉,王洪誠,許 瑾

(西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都 610500)

0 引言

隨著電力系統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化、自動(dòng)化和綜合化程度的提高,對(duì)電力專業(yè)學(xué)生的要求也越來越高。而電力系統(tǒng)類課程概念較為抽象,學(xué)生理解存在較大的難度,且課程理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng),為了提高教學(xué)效果,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必須的,但是現(xiàn)在課時(shí)壓縮后實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)普遍較少。仿真軟件的引入可解決課時(shí)少的問題,利用仿真軟件可以直觀地模擬電力系統(tǒng)的基本元件、連接狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài),并且基于其良好的圖形界面和交互性,使電力系統(tǒng)的分析結(jié)果能夠淺顯、直觀地反映在圖形里?？朔藗鹘y(tǒng)靠采用單調(diào)和枯燥的“教師-黑板-學(xué)生”的教學(xué)模式,且輔助教學(xué)軟件的利用可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力,更好地掌握相應(yīng)的專業(yè)理論知識(shí)[1-2]。

目前電力系統(tǒng)采仿真工具很多[3],而 Power-World Simulator(簡稱PWS)是其中較好的一種。PWS是一個(gè)面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)大型可視化分析和計(jì)算程序,與其他同類應(yīng)用軟件不同的是:PWS允許用戶通過可縮放的彩色動(dòng)畫單線圖來模擬一個(gè)系統(tǒng),可以運(yùn)用可視化分析程序個(gè)性鮮明的示例(CASE)編輯器對(duì)模型任意進(jìn)行修改[4-5]。在PWS可視化分析程序中,輸電線路的投切、負(fù)荷調(diào)整、發(fā)電機(jī)的投退及其各種功能切換以及聯(lián)絡(luò)線的建立等等,只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可完成。負(fù)荷、發(fā)電量和聯(lián)絡(luò)線功率隨時(shí)間的變化、以及因此產(chǎn)生的系統(tǒng)運(yùn)行狀況的變化都可以圖形化地顯示,可以幫助學(xué)生理解有功、無功的概念,可增加學(xué)生對(duì)系統(tǒng)特性、存在的問題和限制條件的理解,并且知道如何采取補(bǔ)救措施。下面結(jié)合一具體例子來介紹和展示該軟件的功能。

1 認(rèn)識(shí)PowerWorld Simulator

PWS有兩種不同的模式:“編輯模式”(EDIT MODE)和“運(yùn)行模式”(RUN MODE)。編輯模式用于創(chuàng)建新的示例(CASE)和單線圖或修改已存在的示例(CASE)和單線圖;運(yùn)行模式可求解單步潮流計(jì)算以及運(yùn)行電力系統(tǒng)的時(shí)域仿真來模擬演示實(shí)際系統(tǒng)。二者通過點(diǎn)擊程序欄的按鈕切換。

圖1為一個(gè)三母線(一個(gè)電源兩個(gè)負(fù)荷)的環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,圖中狀態(tài)為運(yùn)行模式,箭頭方向表示功率流向,且箭頭大小與傳送功率成正比。每條線路都含有一線路潮流餅圖,其作用是來以圖形方式顯示線路或變壓器上流動(dòng)的潮流占線路容量的百分比。從圖中可以清楚的看出潮流的分布、母線電壓情況等,同時(shí)可操作斷路器的通斷來了解其對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響,是否能對(duì)線路造成危害等。

2 某電網(wǎng)的PWS軟件分析

基于某地區(qū)一局部電網(wǎng)運(yùn)行分析來演示PWS軟件功能,表1-4(表中所列阻抗數(shù)據(jù)為標(biāo)幺值)是該電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備技術(shù)參數(shù),為了分析簡便,作出如下假設(shè):

(1)從電網(wǎng)獲取電源的線路等效為發(fā)電機(jī),它的容量規(guī)定為線路的額定容量,并且認(rèn)為母線電壓不受地區(qū)電網(wǎng)的影響,即幅值保持為1(標(biāo)幺值)。

圖1 三母線電網(wǎng)可視化效果圖

(2)設(shè)母線1為松弛節(jié)點(diǎn)。

表1 負(fù)荷表

表2 電源表

表 3 變壓器表

表4 線路參數(shù)表

2.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的供電分析

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)Powerworld Simulator仿真效果圖見圖2。圖中綠色箭頭表示有功潮流流向,藍(lán)色箭頭表示無功潮流流向,每條線路的傳輸容量在圖中也有顯示。

從圖中可以看出,在電網(wǎng)正常運(yùn)行(無功不投入)時(shí):

(1)本系統(tǒng)電網(wǎng)滿足電力需求,通過餅狀圖,可明顯看出各臺(tái)變壓器、輸線路的負(fù)載率都沒達(dá)到50%,但存在負(fù)荷率過低的現(xiàn)象;

(2)除了BUS 5的電壓較低外,其他節(jié)點(diǎn)的電壓都滿足供電電壓要求。

圖2 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的供電能力效果圖

2.2 線路或變壓器故障時(shí)供電情況分析

實(shí)際系統(tǒng)中,線路故障、變壓器故障或檢修都可能造成該線路斷開,而每條線路對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行影響是不同的,如針對(duì)1#變壓器和2#變壓器因故障或檢修退出運(yùn)行時(shí)PWS仿真效果圖見圖3和圖4。

圖3 1#變壓器退出運(yùn)行仿真效果圖

圖4 2#變壓器退出運(yùn)行仿真效果圖

從圖中結(jié)果可以看出,無功補(bǔ)償設(shè)備沒有投入時(shí):

(1)從圖3可以看出,1#變壓器退出運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)供電能力不能滿足電力需求(BUS3、BUS 5母線負(fù)荷分別降低到了71MW和59MW);電壓質(zhì)量嚴(yán)重惡化,BUS3-5母線的電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)定水平,不能滿足電壓要求,即電壓可靠性差,電網(wǎng)不能安全運(yùn)行。

(2)從圖2可以看出,雖然2#變壓器退出運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)供電能力能保證本電網(wǎng)的電力需求,但通過餅狀圖,可明顯看出變壓器的負(fù)載率都達(dá)到了86%。BUS4-5母線的電壓較低,不能滿足電壓要求,即電壓可靠性也不高。

(3)總的來說,本無功設(shè)備沒有投入時(shí),為了保證供電安全,不允許斷開1#變壓器線路。

2.3 采取無功補(bǔ)償,提高供電質(zhì)量

對(duì)上述電網(wǎng),如果不采取措施,線路故障時(shí)母線電壓下降嚴(yán)重,低壓側(cè)電網(wǎng)不能安全運(yùn)行。分析可知,為了提高電壓質(zhì)量,比較常見的做法就是在母線上裝設(shè)補(bǔ)償電容器,可在BUS3、BUS 5母線都加裝無功補(bǔ)償裝置?？紤]最嚴(yán)重1#變壓器退出運(yùn)行時(shí)電壓改善效果,此時(shí)其供電效果圖見圖5和圖6。

圖5 僅在BUS3母線上投入無功補(bǔ)償后供電效果圖

圖6 BUS3和BUS5母線上均投入無功補(bǔ)償后供電效果圖

從圖中可以看出,加裝無功補(bǔ)償后,變壓器負(fù)荷率在50%左右,BUS3-BUS 5的電壓質(zhì)量都得到了大大的改善,尤其是BUS3和BUS5母線上均投入無功補(bǔ)償后電壓改善效果更好,大大地提高了電壓質(zhì)量,提高了電網(wǎng)供電能力和安全性。

3 在教學(xué)中引入PWS軟件

從上面的仿真算例可以看出PWS軟件具有信息的直觀顯示、方便的交互操作、很容易改變各地電氣設(shè)備、電源等的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)、能方便的評(píng)估某個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的承受負(fù)荷增長的能力等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)然這只是其一個(gè)簡單應(yīng)用。PWS是集電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、靈敏度分析、靜態(tài)安全分析、短路電流計(jì)算、經(jīng)濟(jì)調(diào)度EDC/AGC,最優(yōu)潮流OPF、無功優(yōu)化,GIS功能、電壓穩(wěn)定分析PV/QV、ATC計(jì)算、用戶定制模塊等多種龐大復(fù)雜功能于一體,并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大豐富的三維可視化顯示技術(shù)。把其引入到電力系統(tǒng)類課程可以大大提高教學(xué)效果,如《電力系統(tǒng)分析》課程對(duì)初學(xué)者而言很抽象,傳統(tǒng)課堂分章節(jié)的講授更多拘泥于對(duì)具體方法的認(rèn)識(shí)和計(jì)算過程的強(qiáng)調(diào),使學(xué)生把大量的時(shí)間花在公式記憶和公式應(yīng)用上,很難產(chǎn)生對(duì)電力系統(tǒng)較為全面的理解,導(dǎo)致知識(shí)割裂,很多基本概念理解很模糊。引入PWS之后,學(xué)生通過簡單算例就能以直觀的方式鞏固電力系統(tǒng)中的一些基本概念,如潮流計(jì)算、電壓穩(wěn)定、無功補(bǔ)償?shù)?并且可利用大型作業(yè)的方式把各章節(jié)的知識(shí)連貫起來。教師授課時(shí)可以讓計(jì)算部分完全由程序?qū)崿F(xiàn),授課可以更多地集中在模型的建立和對(duì)結(jié)果的分析,強(qiáng)化對(duì)概念的認(rèn)識(shí)和理解。

其他可引入PWS的課程還包含“工廠供電”、“發(fā)電廠電氣部分”、“電氣工程基礎(chǔ)”、“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”、“電路”及相關(guān)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)等課程,可以豐富課堂內(nèi)容,加深知識(shí)的理解,從而取得較好的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

PWS的引入,可以彌補(bǔ)電力系統(tǒng)類課程在傳統(tǒng)教學(xué)中的不足,利用PWS對(duì)相關(guān)課程中的重要內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算分析,真實(shí)地再現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程,為學(xué)生提供了一個(gè)很好的理論聯(lián)系實(shí)際的平臺(tái),充實(shí)了教學(xué)的內(nèi)容、方法和手段。PWS作為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行、控制、分析與決策的重要工具,基于其簡單、直觀的圖形顯示,可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,加深他們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的認(rèn)識(shí)。

[1]樊艷芳,藺紅.MAT LAB/SIMU LINK在電力系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào),2004,21(2):106-109

[2]李廣凱,李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(3):61-65

[3]鐘慧榮,蔣秀潔.PSASP在電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2008,6(6):72-75

[4]宋云亭,張瑞華.電力系統(tǒng)可視化仿真軟件-PowerWorld[J].電力建設(shè),2002,23(3):52-53,58

[5]韓禎祥,張琪.電力系統(tǒng)仿真可視化軟件包[J].浙江電力,1997,16(6):6-9,21