ETAP仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：針對“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中普遍存在“老師難教，學(xué)生難學(xué)”的問題，使用ETAP仿真軟件進行輔助教學(xué)，使抽象難懂的理論學(xué)習(xí)變得直觀易懂。以電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)方法為例，進行ETAP仿真軟件教學(xué)案例設(shè)計，實現(xiàn)可視化仿真與課堂理論教學(xué)的緊密結(jié)合。實踐證明，這種教學(xué)方法激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明顯提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析；ETAP仿真軟件；電壓調(diào)節(jié)方法

作者簡介：朱慧（1980-），女，山東定陶人，青島科技大學(xué)自動化與電子工程學(xué)院，講師。（山東 青島 266042）

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0064-02

“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)骨干基礎(chǔ)課程，是學(xué)習(xí)其他后續(xù)課程（如“電力系統(tǒng)繼電保護”、“電力系統(tǒng)自動化”、“電力系統(tǒng)微機繼電保護”）的基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)這門課程需掌握電路、電機、電磁場和高等數(shù)學(xué)等方面的知識，所涉及的知識面廣，理論性強，又包含大量的計算和畫圖，學(xué)生學(xué)起來抽象、難理解，會影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。近年來，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模日益增大，新技術(shù)不斷被應(yīng)用到該領(lǐng)域中，迫切需要新的教學(xué)方法來適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展對課堂教學(xué)的要求。ETAP是電力系統(tǒng)運行分析的專業(yè)仿真軟件，它提供完整的圖形化編輯器，以簡潔的方式對電力系統(tǒng)進行建模，且能快速準確地對系統(tǒng)進行仿真分析，分析結(jié)果能以多種形式直觀地輸出。若在課堂教學(xué)中引入ETAP仿真軟件，將有助于學(xué)生直觀系統(tǒng)、深入地學(xué)習(xí)“現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析”課程。而“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中引入ETAP仿真軟件輔助教學(xué)，目前國內(nèi)處于開始階段，僅有有限高校引進并開始使用ETAP仿真軟件輔助教學(xué)，是一個新的發(fā)展趨勢。本文針對ETAP仿真軟件和教學(xué)緊密結(jié)合以提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，進行了探討和分析。

一、ETAP仿真軟件介紹

ETAP仿真軟件是美國OTI公司從1996年開始發(fā)行的第一個真正32位Windows環(huán)境下電力系統(tǒng)分析計算應(yīng)用程序，也是全美第一個特許提供給核電站進行電力系統(tǒng)分析的商用軟件。[1]ETAP仿真軟件確立了電力系統(tǒng)設(shè)計和分析軟件的標(biāo)準，經(jīng)過多年的開發(fā)與完善，可以提供全圖形的用戶界面，以最簡潔的方式建立單線圖、阻抗圖、繼電保護圖、分析計算圖等100多種不同的圖形。利用用戶界面的編輯工具條，可以很方便地增加、刪除、移動和連接元件，放大、縮小和翻轉(zhuǎn)圖形，顯示或隱藏網(wǎng)絡(luò)，在用戶界面上點擊元件后可直接輸入元件的各類參數(shù)、屬性及運行狀態(tài)等，使用起來非常方便靈活。[2]

ETAP軟件還具有強大的計算分析和設(shè)計功能，可以進行潮流計算、短路計算、繼電保護配合、諧波分析、暫態(tài)分析、電機起動分析、接地網(wǎng)設(shè)計和低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計等。ETAP軟件可以將分析結(jié)果以直接顯示、文本報告的形式、曲線的形式等多種形式直觀地輸出。[3]因此，ETAP仿真軟件其良好的人機界面、強大的計算分析和設(shè)計功能、直觀簡單的電氣操作等優(yōu)點在我國電力系統(tǒng)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。特別是近年來，隨著我國電力系統(tǒng)事業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的容量及單機容量越大，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，學(xué)習(xí)、掌握優(yōu)秀的電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP，將對電力系統(tǒng)規(guī)劃、分析與實時監(jiān)控等有很大的幫助。[4]一些高校為了學(xué)生更加系統(tǒng)、深入地學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)分析課程，以及在畢業(yè)后能盡快地適應(yīng)工作需要，引入了ETAP仿真軟件。

二、ETAP軟件仿真與課堂授課的結(jié)合

在引進ETAP軟件之后，結(jié)合多年的課堂教學(xué)經(jīng)驗，對“電力系統(tǒng)分析”課程中的若干關(guān)鍵知識點和難點進行了仿真教學(xué)案例設(shè)計，并應(yīng)用于課堂教學(xué)。電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)方法是“電力系統(tǒng)分析”課程的重要內(nèi)容，下面就以這部分內(nèi)容為例，講解ETAP軟件仿真與課堂授課的結(jié)合。

1.理論分析

在圖1所示的電力系統(tǒng)中，分別采用改變變壓器變比、改變無功功率分布的方法調(diào)節(jié)母線3的電壓。畫出系統(tǒng)的等值電路，如圖2所示。等值電路中，變壓器的勵磁支路和電纜線路的導(dǎo)納支路都略去。變壓器歸算到低壓側(cè)的阻抗為ZT，線路的阻抗為Zl。按照“電力系統(tǒng)分析”課程中變壓器等值電路與參數(shù)計算的理論分析，參數(shù)計算如下：，

，通過以上兩式計算得到：。電纜阻抗參數(shù)為。變壓器和線路的總阻抗為，系統(tǒng)中的負荷。母線1的電壓為35kV，且保持不變，則理想變壓器二次繞組的電壓為11kV，線路和變壓器阻抗上的壓降，母線3的電壓，以百分數(shù)形式表示。[5]

通過以上公式推導(dǎo)、計算，求得母線3的電壓為95.8%。很顯然，此電壓偏低，若通過并聯(lián)靜電電容器的方法改變其功率分布，需要計算并聯(lián)的靜電電容器應(yīng)該提供的無功功率，才能將其電壓提高到98%。根據(jù)靜電電容器無功功率計算公式，求得。[6]經(jīng)過以上的理論分析可知，為將母線3的電壓升高到98%，并聯(lián)的靜電電容器需提供1.7Mvar的無功功率。

若通過改變變壓器分接頭進而改變其變比的方法將母線3的電壓提高到98%，需要通過計算選擇合適的變壓器分接頭。系統(tǒng)中的變壓器有五個分接頭，此時接在主接頭上，母線3的電壓為95.8%，現(xiàn)若將母線3的電壓提高到98%，分接頭電壓應(yīng)為，因35-2.5%分接頭對應(yīng)的電壓為34.125kV，與此分接頭的電壓最接近，因此為使母線3的電壓提高到98%，分接頭改接到35-2.5%。

以上是電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)方法的理論分析，整個過程中學(xué)生接觸到的只有數(shù)字和公式，普遍反應(yīng)抽象、難以理解，若此時通過ETAP軟件仿真分析一下，增加學(xué)生對電壓調(diào)節(jié)方法的感性認識，將會使電壓調(diào)節(jié)過程變得更加直觀、具體和豐富有趣，達到最好的教學(xué)效果，從而大大調(diào)動學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)本門課程的興趣。

2.ETAP軟件仿真分析

首先建立該系統(tǒng)的ETAP軟件仿真模型，模型中無窮大功率電源用等效電網(wǎng)U1表示，母線1對應(yīng)的節(jié)點設(shè)為平衡節(jié)點，負荷1和2分別用電動機Mtr3和等效負荷Lump3表示，并設(shè)置好各元件的參數(shù)。下面只需點擊潮流分析功能模塊按鈕，再點擊運行潮流按鈕，即可進行潮流仿真分析。分析結(jié)果在建模圖上直觀顯示輸出，如圖3所示，母線3的電壓為95.81%，與理論分析結(jié)果一致。不過，此電壓值偏低，為改善電壓質(zhì)量，現(xiàn)在通過改變功率分布的方式調(diào)節(jié)母線3的電壓。將靜電電容器并聯(lián)在母線上，設(shè)置好其參數(shù)，進行ETAP軟件潮流仿真分析，其結(jié)果如圖4所示。從該圖中可以看出，并聯(lián)靜電電容器后，母線3的電壓升高到98%，此時并聯(lián)電容器提供的無功功率恰好為1700kvar，與前面的理論分析結(jié)果一致。

下面通過改變變壓器變比來進行調(diào)壓的ETAP仿真分析。原來變壓器分接頭接在主接頭上，通過剛才的潮流仿真分析結(jié)果看到，對應(yīng)母線3的電壓為95.81%。根據(jù)剛才的理論分析，為將母線3的電壓升高到98%，需將其分接頭改接到35-2.5%上。在ETAP軟件中，改變變壓器的分接頭為35-2.5%，如圖5所示。對改變變壓器分接頭后的系統(tǒng)進行ETAP軟件潮流仿真分析，其分析結(jié)果如圖6所示。從圖中可以直觀地看到，此時母線3的電壓為98.03%，其電壓質(zhì)量提高，和理論分析結(jié)果一致。

從上面的分析可以看到，對于電力系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)方法這部分內(nèi)容，傳統(tǒng)授課方式往往以繁瑣的公式推導(dǎo)結(jié)合抽象的數(shù)學(xué)描述進行講解，學(xué)生學(xué)習(xí)時感覺抽象、枯燥，難以深刻理解并掌握。對于這部分內(nèi)容，充分利用ETAP仿真軟件，多角度地對電壓調(diào)節(jié)方法進行較為全面的論述和論證演示，不僅可以直觀地看到系統(tǒng)原來的運行狀態(tài)，也可以看到并聯(lián)電容器和變壓器變比改變后系統(tǒng)的運行狀態(tài)，很顯然系統(tǒng)的運行狀態(tài)得到了改善，電壓質(zhì)量得到了提高。整個仿真過程很直觀，這樣有助于學(xué)生對重點和難點部分的理解，同時激發(fā)了學(xué)習(xí)本門課程的興趣，獲得不錯的教學(xué)效果。

三、結(jié)論

ETAP仿真軟件能很方便地對各種電力系統(tǒng)進行建模，快速準確地對電力系統(tǒng)進行多種不同運行方式下的仿真分析，且能對比不同運行方式下的結(jié)果，豐富課堂內(nèi)容和教學(xué)形式，使學(xué)生更加深刻理解電力系統(tǒng)的運行。

本文探討了ETAP仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用，通過ETAP軟件仿真演示，使得相關(guān)教學(xué)內(nèi)容實現(xiàn)了直觀可視化效果，增強了學(xué)生對電力系統(tǒng)運行的感性認識。教學(xué)效果反饋也表明學(xué)生對相關(guān)概念方法的理解更加迅速、概念更加清晰，充分體現(xiàn)了ETAP仿真軟件在課程教學(xué)中的優(yōu)勢。同時，ETAP仿真軟件的學(xué)習(xí)，使學(xué)生真正具備運用理論知識對電力系統(tǒng)仿真分析和計算的能力，有助于學(xué)生成為電力系統(tǒng)方面的工程技術(shù)、研究復(fù)合型人才，為以后從事電氣工程設(shè)計、運行、分析、控制和保護等工作打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

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[6]孟祥忠.電力系統(tǒng)自動化[M].北京：北京大學(xué)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：王意琴）