0引言

電力系統(tǒng)分析是高校電力類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其中的調(diào)壓、潮流、短路計(jì)算等也是電力員工培訓(xùn)的重要內(nèi)容。在教學(xué)與培訓(xùn)中，許多學(xué)員反映該課程系統(tǒng)性較強(qiáng)，有不少晦澀難懂的理論和大量繁瑣的計(jì)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(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高培訓(xùn)效果。

1本電力系統(tǒng)分析仿真軟件的特點(diǎn)

1.1電力系統(tǒng)仿真軟件的綜述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(jì)的重要手段，因此電力系統(tǒng)仿真軟件的功能特性對(duì)于提高研究、設(shè)計(jì)的效率和可信性有重要作用。由于電力系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，一般都要用到多個(gè)數(shù)字仿真軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果比較，主要有以下幾種：

（1）邦納維爾電力局開(kāi)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(kāi)發(fā)的PSCAD/EMTDC程序；

（3）德國(guó)西門(mén)子公司研制的電力系統(tǒng)仿真軟件NETOMAC；

（4）中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP；

（5）MathWorks公司開(kāi)發(fā)的科學(xué)與工程計(jì)算軟件MATLAB[1-2]。

1.2仿真軟件的設(shè)計(jì)思路和算法

為了提高學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)分析理論和實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合能力，加強(qiáng)就業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，并拓展電力企業(yè)服務(wù)和培訓(xùn)的空間，我們針對(duì)教學(xué)和培訓(xùn)開(kāi)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(xué)模型、潮流計(jì)算、調(diào)壓、短路電流計(jì)算等內(nèi)容。本軟件利用MATLAB語(yǔ)言，核心算法是在單臺(tái)計(jì)算機(jī)的多個(gè)核上實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全局潮流聯(lián)合的分布式計(jì)算方法，其計(jì)算速度相對(duì)單機(jī)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(hào)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、容量、長(zhǎng)度等參量，計(jì)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(hào)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、容量、長(zhǎng)度等參量，系統(tǒng)中各電源和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率、平衡節(jié)點(diǎn)的電壓和相位角，待求的運(yùn)行狀態(tài)參量為各節(jié)點(diǎn)的電壓以及流經(jīng)各元件的功率等。

③電力系統(tǒng)潮流計(jì)算：采用的是PQ分解法和前推回代法。可視化仿真計(jì)算電力系統(tǒng)在某一穩(wěn)態(tài)的正常運(yùn)行方式下，電力網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的電壓和支路功率的分布情況，通常給定的運(yùn)行條件有系統(tǒng)中各電源和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的功率、樞紐點(diǎn)電壓、平衡節(jié)點(diǎn)的電壓和相位角。待求的運(yùn)行狀態(tài)參量包括各節(jié)點(diǎn)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(jì)算：自動(dòng)生成正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算故障電力系統(tǒng)的各種短路類(lèi)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(fù)荷點(diǎn)設(shè)備的容量，待求的運(yùn)行狀態(tài)參量包括各節(jié)點(diǎn)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(xué)員提供了實(shí)驗(yàn)和仿真的平臺(tái)，實(shí)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(jì)人性化和科學(xué)化。形象化顯示實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果，便于學(xué)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(jìn)行搭建電網(wǎng)模型；仿真軟件在運(yùn)行時(shí)，可以自由任意改變?cè)O(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，單擊滑塊可分級(jí)改變?cè)O(shè)備的各種參數(shù)；在一張仿真電力接線圖上可以設(shè)計(jì)、顯示、運(yùn)行、保存、預(yù)覽多種電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)。

2電力系統(tǒng)分析仿真軟件在學(xué)歷教學(xué)中的應(yīng)用

針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象，我們?cè)O(shè)置了便利的操作和電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面。比如對(duì)高校的學(xué)生我們?cè)O(shè)置了B類(lèi)元件庫(kù)，學(xué)生可以根據(jù)書(shū)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(zhǔn)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?jǐn)?shù)、分接頭數(shù)等。電力系統(tǒng)分析仿真軟件就可以計(jì)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(jì)算功能、分析電力系統(tǒng)無(wú)功功率平衡和電壓調(diào)節(jié)功能、自動(dòng)生成電力系統(tǒng)各序阻抗網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算各種類(lèi)型的電力系統(tǒng)短路電流，計(jì)算電力系統(tǒng)中各運(yùn)行點(diǎn)的各序電壓。以教學(xué)中常用的電力系統(tǒng)調(diào)壓為例。

有一簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5kV，高壓輸電線路的額定電壓為110kV，長(zhǎng)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?jǐn)?shù)為10.5，空載電流百分?jǐn)?shù)為3.5，原始負(fù)荷功率為Sb=28+j10MVA和Sc=20+j15MVA，現(xiàn)在負(fù)荷增加到Sb=32+j12MVA和Sc=24+j15MVA，問(wèn)應(yīng)如何調(diào)整用戶(hù)b、c點(diǎn)的電壓？利用本仿真軟件可以方便計(jì)算和分析出各種調(diào)壓措施對(duì)負(fù)荷點(diǎn)電壓的影響。首先學(xué)生根據(jù)題目的要求建立電力系統(tǒng)的拓?fù)鋱D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(jì)了共計(jì)6個(gè)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(duì)圖紙上的某一個(gè)圖元的一種參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，它是一對(duì)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(duì)圖元名、屬性名、最大檔、最小檔、每檔值、大小尺寸進(jìn)行設(shè)置。

從而可以讓此滑塊知道要控制那一個(gè)圖元單元，從而在運(yùn)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?fù)鋱D從左至右第一個(gè)滑塊代表了可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓（變化范圍為10.5~11kV）；第二和第四個(gè)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(gè)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(gè)滑塊代表了可調(diào)節(jié)負(fù)荷的有功和無(wú)功；另外可通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償裝置前的開(kāi)關(guān)控制是否投入。仿真軟件可以直觀地把各種計(jì)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(xué)中可以避免大量繁瑣的計(jì)算，學(xué)生可以通過(guò)軟件計(jì)算出的結(jié)果更好地加深理論理解，豐富學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能，培養(yǎng)學(xué)生電力系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)度的基本能力，提升學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3電力系統(tǒng)分析仿真軟件在培訓(xùn)中的應(yīng)用

針對(duì)電力在職職工的技能培訓(xùn)，本軟件用電網(wǎng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存取所有的相關(guān)信息，包括A類(lèi)元件庫(kù)和圖形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。拓?fù)渲械捻旤c(diǎn)就是由母線來(lái)組成，拓?fù)涞年P(guān)系由電線、變壓器來(lái)組成；有了點(diǎn)與線那么一張網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚托纬闪恕Ｋ孕纬傻牧魉惴ㄋ枰木仃囈簿涂梢越M合而成了。畫(huà)圖的組成也是用電線來(lái)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(diǎn)處連接的都是母線［3］。

按照各圖形類(lèi)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(chǔ)母線信息，包括節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷等；線路信息，包括兩節(jié)點(diǎn)間線路的潮流、首末端節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)等；發(fā)電廠信息，包括所連節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)、發(fā)電功率等。學(xué)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(hào)系統(tǒng)就自動(dòng)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(jì)算和短路電流計(jì)算功能。本軟件構(gòu)建的某系統(tǒng)潮流如圖4所示，學(xué)員可以對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行變位，或者利用滑塊調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)、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(wú)越限，最后確定合理經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行方式。本軟件的潮流計(jì)算可以計(jì)算多個(gè)平衡點(diǎn)的電網(wǎng)潮流計(jì)算。軟件在計(jì)算電力系統(tǒng)故障時(shí)能夠自動(dòng)生成電力系統(tǒng)的正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)，可以仿真各種電力系統(tǒng)正常的運(yùn)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(xùn)和研究的平臺(tái)。

4結(jié)束語(yǔ)

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(shí)用可視化界面展現(xiàn)出來(lái)，更加與電力生產(chǎn)的真實(shí)工作場(chǎng)景貼近，可以讓學(xué)員直觀地接受。另外以仿真軟件為科研平臺(tái)，積極開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研合作，不斷加強(qiáng)教師的科研水平，深入淺出，達(dá)到提高教學(xué)和培訓(xùn)效果的目標(biāo)。

作者：連小洲 劉曉東   單位：江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 國(guó)網(wǎng)贛州供電公司