混合編程在電力系統(tǒng)分析教學(xué)中的應(yīng)用

林碧云

摘要：本文通過對電力系統(tǒng)分析中最抽象的部分——潮流分析的牛頓-拉夫遜算法特點(diǎn)的分析，提出了混合編程在電力系統(tǒng)分析、潮流計(jì)算中應(yīng)用的具體方向和路徑。

關(guān)鍵詞：混合編程;電力系統(tǒng)分析;教學(xué)應(yīng)用;matlab

中圖分類號：TP311.52 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

電力系統(tǒng)分析是電力類專業(yè)的核心課程之一，對大部分學(xué)生與教師來說都是電力教學(xué)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。電力系統(tǒng)分析課程具有以下三個方面的特點(diǎn)：（1）抽象性：電力系統(tǒng)分析的課程內(nèi)容涉及的許多概念與運(yùn)算大多是建立在大電網(wǎng)上的。大電網(wǎng)本身具有宏觀性的特點(diǎn)，與學(xué)生的日常生活距離較遠(yuǎn)，所以對學(xué)生來說，大電網(wǎng)是“看不見摸不著”的。這就造成即使在基礎(chǔ)課程已經(jīng)完成鋪墊的情況下，許多學(xué)生仍然無法理解部分大電網(wǎng)相關(guān)概念，所以將抽象概念具體化為教學(xué)當(dāng)前迫切需要解決的問題之一;（2）復(fù)雜性：電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)中有部分展現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程的計(jì)算較為復(fù)雜，例如潮流計(jì)算，其中涉及多個矩陣的計(jì)算以及迭代，對于學(xué)生來說理解計(jì)算過程也有一定的困難;（3）重要性：電力系統(tǒng)分析課程中包括了變壓器的相關(guān)運(yùn)算、短路分析計(jì)算、潮流計(jì)算等，對學(xué)生全面了解電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配以及轉(zhuǎn)換等十分重要。信息化教學(xué)恰好可以一定程度上解決電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)中出現(xiàn)的這些問題。

信息化教學(xué)有以下三個方面的特點(diǎn)[1]：（1）抽象問題具體化：信息化教學(xué)可以采用編程的手段，把無限大電網(wǎng)輸配變各個環(huán)節(jié)簡化為設(shè)備模型，例如利用MATLAB或MATLAB中的simulink的電力設(shè)備集成系統(tǒng)，將電網(wǎng)具體化為實(shí)際模型，這樣就將抽象問題具象化了;（2）加深學(xué)生理解：在高職高專的教學(xué)過程中，信息化教學(xué)可以通過事先編程跳過復(fù)雜計(jì)算過程，優(yōu)先向?qū)W生展示參數(shù)變化對系統(tǒng)變化的影響，讓學(xué)生在宏觀上對系統(tǒng)的整體部分有一定理解后再進(jìn)行深入教學(xué)，做到深入淺出;（3）增加趣味性：信息化教學(xué)較傳統(tǒng)教學(xué)手段更加豐富，可以借助多媒體、動畫、模擬等技術(shù)手段將枯燥的專業(yè)課轉(zhuǎn)化為寓教于樂的興趣課堂，進(jìn)一步幫助學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程。

信息化教學(xué)的手段較為豐富，本文將討論混合編程作為信息化教學(xué)的手段，進(jìn)一步探討其在信息化教學(xué)中的應(yīng)用。本文所述的混合編程是將VB（Visual Basic，下簡稱為VB）與MATLAB相結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）電力系統(tǒng)分析中大部分計(jì)算依賴于矩陣間的運(yùn)算，MATLAB是最優(yōu)選擇;（2）MATLAB雖然對于矩陣運(yùn)算十分方便，但對于人機(jī)界面的交互則不夠友好，VB建立界面簡單，而且同MATLAB有多種方法可以相互結(jié)合，因而采用VB與MATLAB的混合編程具有相當(dāng)大的優(yōu)勢;（3）C語言、C++等高級語言編寫教學(xué)中的潮流計(jì)算等過程較為復(fù)雜、語言優(yōu)勢并不明顯，因而不太適用于教學(xué)程序的編寫。

綜上所述，在電力系統(tǒng)分析教學(xué)中采用信息化教學(xué)是很有必要的，而VB與MATLAB相結(jié)合的混合編程作為信息化教學(xué)手段之一具有相當(dāng)優(yōu)勢。討論將這一混合編程在電力系統(tǒng)分析的信息化教學(xué)中的應(yīng)用是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 混合編程的實(shí)現(xiàn)

VB和MATLAB的混合編程是可以實(shí)現(xiàn)的。目前基于MATLAB的VB混合編程大略有四種方法：（1）在MATLAB中導(dǎo)入一個專門的將VB與MATLAB集成編寫的插件——MatrixVB，在MATLAB中完成相應(yīng)編程后再使用插件二者相互集成;（2）直接在MATLAB中安裝ActiveX控件，這一控件在支持Client/Server功能的MATLAB版本中能夠令MATLAB的相關(guān)指令在VB中被直接調(diào)用，包括MATLAB工具箱等;（3）使用M文件直接將VB作為一個函數(shù)進(jìn)行調(diào)用;（4）較為復(fù)雜的DDE模式。這一模式是利用DDE作為一個交互媒介，讓VB通過其支持的DDE客戶端與MATLAB的程序之間進(jìn)行對話，將需要運(yùn)行的VB程序在MATLAB中通過DDE進(jìn)行讀取。這四種方法中（2）（4）都較為復(fù)雜，需要安裝空間并編寫相應(yīng)程序代碼，因此，教學(xué)應(yīng)用的編程選擇僅僅在（1）（3）中進(jìn)行考慮，但是由于（1）中的插件對MATLAB 版本有較高要求，程序仍然較為冗長，更加適合復(fù)雜程序的復(fù)雜運(yùn)算問題，因而本文采用（2）中M函數(shù)引入法來建立整個混合編程的教學(xué)程序。

本文采用VB.net建立VB程序界面，利用VB.net擬寫代碼，在VB.net中調(diào)用MATLAB的M函數(shù)文件，使用MATLAB編寫運(yùn)算過程，最后將計(jì)算結(jié)果反饋到VB.NET中，并使用VB.net作為主界面建立人機(jī)交互界面。

2 電力系統(tǒng)分析教學(xué)實(shí)例

2.1 電力系統(tǒng)分析潮流計(jì)算

在電力系統(tǒng)分析課程中，電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的主要目的是通過建立線路運(yùn)算的數(shù)學(xué)模型，再通過一系列迭代運(yùn)算最終得到：（1）線路的電流與功率分布;（2）功率損耗;（3）節(jié)點(diǎn)電壓及其損耗[2]。

則由以上各式通過迭代即可取得需要的結(jié)果。

2.2 電力系統(tǒng)潮流分析在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)

以2.1為基礎(chǔ)通過MATLAB對電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流分析。其主要處理步驟為：

在MATLAB中通過導(dǎo)入文件建立節(jié)點(diǎn)電阻（系數(shù)）矩陣，并利用窗口顯示命令將其顯示在窗口上;

對建立的系數(shù)矩陣求逆。利用MATLAB中的inv運(yùn)算直接求逆，但是需要注意，考慮逆矩陣的存在性。求逆的目的是為了下一步計(jì)算各節(jié)點(diǎn)電壓的相位角;

利用求得的相位角計(jì)算節(jié)點(diǎn)功率初始值，代入MATLAB自帶的復(fù)數(shù)功能語句，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)功率不平衡量的初始值;

利用MATLAB直接編輯公式計(jì)算出雅克比矩陣的各元素，解出各修正方程式初值，并建立循環(huán)。設(shè)置循環(huán)結(jié)束條件后將循環(huán)次數(shù)k與結(jié)果輸出在結(jié)果框內(nèi);

最后利用解得的參數(shù)計(jì)算其余未知數(shù)。

計(jì)算流程過程可總結(jié)為圖1：

2.3 VB人機(jī)交互界面的建立

潮流分析在MATLAB中較易實(shí)現(xiàn)而在Visual Basic中實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的具體原因有以下幾個方面[3]：

導(dǎo)納矩陣建立的問題。而Visual Basic需要提前對矩陣輸入作出說明，并且二維以上矩陣在VB中需要使用循環(huán)語句，且僅能進(jìn)行單精度計(jì)算，即只能保留小數(shù)點(diǎn)后七位數(shù)，不能滿足潮流計(jì)算所需要的精度;

矩陣求逆的問題。雖然VB同樣有INV語言來直接求逆，但是VB需要對矩陣事先進(jìn)行MAT聲明后方可求逆，內(nèi)部計(jì)算時(shí)間由于計(jì)算的復(fù)雜度而大大增加了;

涉及復(fù)數(shù)計(jì)算的部分。VB本身沒有語句進(jìn)行直接的復(fù)數(shù)計(jì)算，必須編寫程序?qū)?shí)數(shù)與虛數(shù)部分分別計(jì)算后再把答案表達(dá)出來，在潮流計(jì)算中有許多疊加公式和迭代公式，分開計(jì)算不僅加大計(jì)算量，同時(shí)也增加了計(jì)算的復(fù)雜程度。

綜上，VB不適合直接編寫潮流計(jì)算的程序，但是其強(qiáng)大的人機(jī)友好界面是比MATLAB 更加簡便適合學(xué)生上手操作的。

本文采用將MATLAB的程序整理為M文件，借由VB.net 編寫代碼后調(diào)用M程序，即利用MATLAB進(jìn)行潮流計(jì)算后將計(jì)算的結(jié)果反饋到VB.net中，顯示在所使用的交互界面中，如圖2、圖3。

2.4 應(yīng)用實(shí)例

以中國電力出版社出版的第三版電力系統(tǒng)分析P134例7-4為例，說明其在教學(xué)實(shí)際中的應(yīng)用問題。

以此題為例對不同程度院校學(xué)生進(jìn)行教學(xué)課程設(shè)計(jì)。

（1）認(rèn)識系統(tǒng)

在之前的課程學(xué)生是通過圖片、錄像等在宏觀維度認(rèn)識電力系統(tǒng)。但是在電力系統(tǒng)潮流分析的內(nèi)容中，需要學(xué)生建立起電力系統(tǒng)相對應(yīng)的電路圖，并通過對電路圖的分析進(jìn)一步了解潮流計(jì)算。在課堂中針對成績比較優(yōu)異的學(xué)生，可以通過直接在課堂實(shí)踐環(huán)節(jié)中進(jìn)行VB教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生在CAD中完成電路圖繪制后導(dǎo)入VB作為程序編制封面;

其次，直接通過MATLAB引導(dǎo)學(xué)生將例題所給出的數(shù)據(jù)建立相對應(yīng)的導(dǎo)納矩陣，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步明白潮流計(jì)算的基本參數(shù)和基本方式;

另一方面，對于基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生，教師可以直接采用示范性教學(xué)，由教師建立起電路圖和導(dǎo)納矩陣，引導(dǎo)學(xué)生理解導(dǎo)納矩陣的具體含義。

（2）課堂實(shí)踐

在理論課已經(jīng)充分學(xué)習(xí)了解了潮流計(jì)算后，通過課堂實(shí)踐，將潮流計(jì)算中較為復(fù)雜的牛頓-拉夫遜計(jì)算方法進(jìn)行程序上的迭代計(jì)算。同樣課堂設(shè)計(jì)分為成績較為優(yōu)秀的學(xué)生和基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生兩類：對于成績較為優(yōu)秀的學(xué)生，可以借由本例題首先讓學(xué)生獨(dú)立寫出編寫matlab程序所需要的流程圖，根據(jù)流程圖進(jìn)行matlab潮流計(jì)算的編程，包括學(xué)習(xí)矩陣求逆以及循環(huán)的使用等;對于程度較為一般的同學(xué)，可以由教師引導(dǎo)完成整個潮流計(jì)算過程，學(xué)生只需要對潮流極端的過程有定性認(rèn)識即可。

（3）計(jì)算總結(jié)

將潮流計(jì)算過程借由matlab計(jì)算得出后，基本上學(xué)生的實(shí)踐部分暫告一段落，其后由教師完成將matlab和VB的混合編程部分，并最終生成混合編程的集成程序，引導(dǎo)學(xué)生更改矩陣參數(shù)、迭代次數(shù)等變量，觀察潮流計(jì)算的結(jié)果，并從中定性總結(jié)出電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的一般規(guī)律，從而能夠真正理解和掌握潮流計(jì)算。

3 結(jié)語

信息化和技術(shù)化教學(xué)在當(dāng)今高等教育、職業(yè)教育中所占的比重越來越大，特別是諸如電力系統(tǒng)分析這類專業(yè)性較強(qiáng)的課程中。混合編程將matlab和Visual Basic結(jié)合起來，大大簡化了潮流計(jì)算的抽象性，有利于加深學(xué)生對知識點(diǎn)的運(yùn)用與理解，其推廣應(yīng)用前景十分廣大。但本文也存在著較多不足之處，僅僅以潮流計(jì)算為例論述混合編程在電力系統(tǒng)分析中的應(yīng)用，而沒有推廣到這一課程其余知識點(diǎn)例如短路計(jì)算中，也沒有更進(jìn)一步探討在整個電力院校課程中的應(yīng)用廣度和深度，這些問題都仍然亟待解決。

（責(zé)任編輯：武多多）

參考文獻(xiàn)：

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