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

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)理論課程。該課程主要介紹電力系統(tǒng)的建模理論和計(jì)算方法，包括電力系統(tǒng)靜態(tài)分析和電力系統(tǒng)暫態(tài)分析2個(gè)部分，涉及電力系統(tǒng)短路、潮流、電壓控制和穩(wěn)定性分析等重要內(nèi)容。該課程不僅內(nèi)容豐富，而且還以建模為教學(xué)目標(biāo)，因此學(xué)生常感到枯燥、抽象、難以理解、與實(shí)際工作差距大。為解決這一問題，有必要在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)過程中尋求一種有效的教學(xué)輔助方法，為此筆者將仿真軟件引入到了“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中。

一、“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)常用的仿真軟件

目前，在電力系統(tǒng)中常用的仿真軟件有很多種，筆者主要介紹一些較為傳統(tǒng)的、經(jīng)常應(yīng)用于“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的仿真軟件。

(一)PWS軟件

PWS(power world simulator)軟件是一個(gè)用于電力系統(tǒng)的可視化仿真軟件包，它由美國伊利諾伊大學(xué)的電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院開發(fā)，這個(gè)集成了可視化方式的軟件是一種專用于電力系統(tǒng)的大型專業(yè)化的商業(yè)軟件，具有友好的用戶界面和良好的交互性能。這個(gè)軟件開發(fā)了多種可視化技術(shù)用于顯示電力系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，包括動(dòng)畫流程、輪廓、三維視圖和動(dòng)態(tài)縮放的餅圖等。動(dòng)畫流程不僅可以描述數(shù)據(jù)流的方向，也可以直觀地給出線路負(fù)載狀態(tài)。同時(shí)，借助于餅圖線條的自動(dòng)變色和放大功能，學(xué)生可以十分方便地獲取更多受限的信息。另外，輪廓線條也有助于學(xué)生從總體上觀察、找出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)[1]。

(二)PSASP軟件

PSASP(power system analysis software package)軟件是具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型軟件包。它是由中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的，主要用于研究、設(shè)計(jì)與運(yùn)行電力系統(tǒng)的軟件。

PSASP軟件可以解決電力系統(tǒng)的各種計(jì)算和分析問題，包括潮流計(jì)算、短路計(jì)算、繼電保護(hù)整定計(jì)算、靜態(tài)和暫態(tài)分析，以及穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、線性、非線性分析手段。另外，其圖形化的結(jié)果可以自動(dòng)生成，計(jì)算結(jié)果同樣如此，即可在單線圖或地理位置布線圖上進(jìn)行標(biāo)明[2]。

(三)MATLAB/SIMULINK軟件

MATLAB軟件是由美國Math Works公司開發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真軟件。SIMULINK軟件是由MATLAB軟件提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境，它同時(shí)也是一種集框圖和交互仿真能力于一體的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具[3]。

SIMULINK軟件提供各種仿真模塊。例如，SPS(SimPowerSystem)模塊，它經(jīng)常被用于電氣工程領(lǐng)域，包含各種電機(jī)的仿真模型、電力電子器件模型和各種測量裝置模型等。SIMULINK軟件的功能分為系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真2個(gè)部分。用戶需要做的只是一些簡單的鼠標(biāo)拖動(dòng)，即可在界面的模型窗口中建立一個(gè)所需要的控制系統(tǒng)模型，然后用它進(jìn)行模擬與分析。采用SIMULINK軟件，可將復(fù)雜系統(tǒng)的輸入、輸出和控制變得簡單、直觀。

二、仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

以上所介紹的仿真軟件都可以應(yīng)用到“電力系統(tǒng)分析”課程的輔助教學(xué)中，而且他們均有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。其中，PWS具有極佳的可視化功能和方便的人機(jī)交互界面；PSASP具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和靈活的輸出形式；MATLAB/SIMULINK具有豐富的模塊庫與精準(zhǔn)的結(jié)果分析方法。因此，為了更好地進(jìn)行“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)，筆者選擇了上述仿真軟件作為“電力系統(tǒng)分析”課程的輔助教學(xué)工具。

(一)PWS軟件應(yīng)用實(shí)例

潮流計(jì)算作為“電力系統(tǒng)分析”課程的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容，不僅內(nèi)容抽象，而且涉及到大量的公式。在以往的“電力系統(tǒng)分析”課程課堂教學(xué)中，教師主要集中于講授各種潮流計(jì)算方法，使學(xué)生感到枯燥乏味，而且教學(xué)效果不佳。為了解決這個(gè)問題，筆者在課堂上使用了PWS軟件，直觀、生動(dòng)地演示了潮流計(jì)算分析的過程和結(jié)果，見圖1。

圖1 PWS軟件對潮流計(jì)算分析過程的演示

圖1所示，一個(gè)立方體表示一個(gè)斷路器，其紅色表明它是“封閉的”；傳輸線上的餅圖可以顯示其負(fù)載狀況；線路上的綠色和藍(lán)色的箭頭則代表方向與有功、無功功率各自的大小。如果線路流量大到超出了線容量，餅圖就會(huì)變成紅色，并向我們顯示出額外的比例。通過改變負(fù)載或調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出箭頭按鈕，可以直觀地顯示負(fù)載調(diào)節(jié)或者發(fā)電機(jī)的輸出情況，從而可以觀察到潮流的變化。

(二)PSASP軟件應(yīng)用實(shí)例

眾所周知，實(shí)驗(yàn)是配合理論教學(xué)不可或缺的環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一方面加深了對理論知識(shí)的理解，另一方面提高了工程實(shí)踐水平。由于電力系統(tǒng)的特殊性，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生很難參與到實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行與控制中，而只能通過對電力系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)來完成任務(wù)。因此，筆者完全可以利用PSASP軟件去展開“電力系統(tǒng)分析”課程的仿真實(shí)驗(yàn)。

PSASP軟件可以進(jìn)行各種電力系統(tǒng)的計(jì)算。例如，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是完成一個(gè)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算。首先，引入該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降南到y(tǒng)參數(shù)；其次，完成系統(tǒng)的潮流計(jì)算；最后，以報(bào)告和圖表的形式輸出計(jì)算結(jié)果，并輸出在對應(yīng)操作模式下的單線圖。該實(shí)驗(yàn)的線圖計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 PSASP軟件完成的潮流實(shí)驗(yàn)線圖計(jì)算結(jié)果

(三)MATLAB/SIMULINK軟件應(yīng)用實(shí)例

除了使用PSASP軟件來完成部分“電力系統(tǒng)分析”課程實(shí)驗(yàn)外，還有一些實(shí)驗(yàn)通過MATLAB/SIMULINK模擬軟件建模完成。比如，短路電流計(jì)算、諧波分析(調(diào)和分析)與計(jì)算、單相接地故障的小電流系統(tǒng)的選線與仿真等，見圖3。圖3是一個(gè)基于MATLAB/SIMULINK模擬軟件構(gòu)建的3節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)發(fā)生短路情況的仿真電路原理圖。首先，依據(jù)實(shí)際電路在SIMULINK中選擇相應(yīng)模塊，搭建系統(tǒng)圖。其次，在短路故障模塊，設(shè)置故障方式為A相單相接地故障，將電壓和電流信號(hào)引入示波器。這樣筆者就可以通過示波器模塊知道當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)三相電壓和相電流的波形會(huì)如何變化，結(jié)果見圖4。將SIMULINK引入“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生親自設(shè)計(jì)、搭建自己的系統(tǒng)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

圖3 MATLAB/SIMULINK軟件構(gòu)建的三節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)短路仿真原理圖

圖4 SIMULINK軟件演示的發(fā)生單相接地故障時(shí)電壓和電流波形圖

三、仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中的應(yīng)用效果

北京林業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，目前主要采用MATLAB/SIMULINK軟件作為電力系統(tǒng)的仿真工具，并作為“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)驗(yàn)仿真軟件。學(xué)生通過仿真軟件的應(yīng)用，對“電力系統(tǒng)分析”課堂上枯燥的理論知識(shí)有了更加直觀的感受和理解；繁瑣的公式變成了形象生動(dòng)的圖形；抽象的內(nèi)容變得觸手可及。在潮流分析章節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，通過使用MATLAB/SIMULINK軟件或者PSASP，使流動(dòng)的電流、電壓、功率仿佛呼之欲出；在短路分析過程中，瞬間產(chǎn)生巨大的電流波形也給學(xué)生以震撼；在電壓控制過程中，學(xué)生利用課堂學(xué)到的知識(shí)使網(wǎng)絡(luò)的各點(diǎn)電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。這些都極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)“電力系統(tǒng)分析”課程的興趣，學(xué)習(xí)不再是被動(dòng)地接受知識(shí)，而是變成了一場游戲、一場競賽。

總之，“電力系統(tǒng)分析”課程的許多概念和運(yùn)作模式需要在大系統(tǒng)中進(jìn)行仿真模擬，以便學(xué)生可以更好地理解理論知識(shí)。近年來，筆者一直嘗試將這些仿真軟件，無論是PWS、PSASP還是MATLAB/SIMULINK，應(yīng)用到“電力系統(tǒng)分析”課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中。教學(xué)實(shí)踐表明，通過仿真軟件的教學(xué)，不僅可以演示復(fù)雜系統(tǒng)的未知結(jié)果，而且還可以演示系統(tǒng)隨參數(shù)變化的各種趨勢。這對學(xué)生理解抽象的理論知識(shí)有很大的幫助，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)手段的不足，提高了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力。但單純的軟件仿真也有其不足，主要表現(xiàn)在學(xué)生仍然覺得軟件仿真出來的結(jié)果過于理想，與實(shí)際差距較大，而且MATLAB/SIMULINK軟件又是一種通用的數(shù)學(xué)仿真軟件，其仿真效果不僅和電力系統(tǒng)的實(shí)際效果有一定的差距，而且和自己未來的工作也有一定的距離。為此，筆者正在引進(jìn)RT-LAB仿真系統(tǒng)，它不僅仿真效果更優(yōu)，而且還與實(shí)際系統(tǒng)直接相連，達(dá)到了半實(shí)物仿真的效果，更有利于學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)。

[1] 郭振威，黃肇，袁旭龍，等.PowerWorld Simulator在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2011(3)：180-181.

[2] 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)：72-75.

[3] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：2-4.