PowerWorld Simulator在電力系統類課程教學中的應用

李紅偉,王洪誠,許 瑾

(西南石油大學電子信息工程學院,四川成都 610500)

0 引言

隨著電力系統行業的數字化、自動化和綜合化程度的提高,對電力專業學生的要求也越來越高。而電力系統類課程概念較為抽象,學生理解存在較大的難度,且課程理論性與實踐性都很強,為了提高教學效果,實驗教學是必須的,但是現在課時壓縮后實驗學時普遍較少。仿真軟件的引入可解決課時少的問題,利用仿真軟件可以直觀地模擬電力系統的基本元件、連接狀態和運行狀態,并且基于其良好的圖形界面和交互性,使電力系統的分析結果能夠淺顯、直觀地反映在圖形里。克服了傳統靠采用單調和枯燥的“教師-黑板-學生”的教學模式,且輔助教學軟件的利用可以激發學生的學習興趣,增強學生的實踐能力,更好地掌握相應的專業理論知識[1-2]。

目前電力系統采仿真工具很多[3],而 Power-World Simulator(簡稱PWS)是其中較好的一種。PWS是一個面向對象的電力系統大型可視化分析和計算程序,與其他同類應用軟件不同的是:PWS允許用戶通過可縮放的彩色動畫單線圖來模擬一個系統,可以運用可視化分析程序個性鮮明的示例(CASE)編輯器對模型任意進行修改[4-5]。在PWS可視化分析程序中,輸電線路的投切、負荷調整、發電機的投退及其各種功能切換以及聯絡線的建立等等,只需點擊鼠標就可完成。負荷、發電量和聯絡線功率隨時間的變化、以及因此產生的系統運行狀況的變化都可以圖形化地顯示,可以幫助學生理解有功、無功的概念,可增加學生對系統特性、存在的問題和限制條件的理解,并且知道如何采取補救措施。下面結合一具體例子來介紹和展示該軟件的功能。

1 認識PowerWorld Simulator

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

圖1為一個三母線(一個電源兩個負荷)的環形電網結構圖,圖中狀態為運行模式,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,同時可操作斷路器的通斷來了解其對整個電網的影響,是否能對線路造成危害等。

2 某電網的PWS軟件分析

基于某地區一局部電網運行分析來演示PWS軟件功能,表1-4(表中所列阻抗數據為標幺值)是該電網的運行數據、設備技術參數,為了分析簡便,作出如下假設:

(1)從電網獲取電源的線路等效為發電機,它的容量規定為線路的額定容量,并且認為母線電壓不受地區電網的影響,即幅值保持為1(標幺值)。

圖1 三母線電網可視化效果圖

(2)設母線1為松弛節點。

表1 負荷表

表2 電源表

表 3 變壓器表

表4 線路參數表

2.1 系統正常運行時的供電分析

系統正常運行時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,在電網正常運行(無功不投入)時:

(1)本系統電網滿足電力需求,通過餅狀圖,可明顯看出各臺變壓器、輸線路的負載率都沒達到50%,但存在負荷率過低的現象;

(2)除了BUS 5的電壓較低外,其他節點的電壓都滿足供電電壓要求。

圖2 系統正常運行時的供電能力效果圖

2.2 線路或變壓器故障時供電情況分析

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

圖3 1#變壓器退出運行仿真效果圖

圖4 2#變壓器退出運行仿真效果圖

從圖中結果可以看出,無功補償設備沒有投入時:

(1)從圖3可以看出,1#變壓器退出運行時系統供電能力不能滿足電力需求(BUS3、BUS 5母線負荷分別降低到了71MW和59MW);電壓質量嚴重惡化,BUS3-5母線的電壓降遠遠超過了規定水平,不能滿足電壓要求,即電壓可靠性差,電網不能安全運行。

(2)從圖2可以看出,雖然2#變壓器退出運行時,系統供電能力能保證本電網的電力需求,但通過餅狀圖,可明顯看出變壓器的負載率都達到了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,本無功設備沒有投入時,為了保證供電安全,不允許斷開1#變壓器線路。

2.3 采取無功補償,提高供電質量

對上述電網,如果不采取措施,線路故障時母線電壓下降嚴重,低壓側電網不能安全運行。分析可知,為了提高電壓質量,比較常見的做法就是在母線上裝設補償電容器,可在BUS3、BUS 5母線都加裝無功補償裝置。考慮最嚴重1#變壓器退出運行時電壓改善效果,此時其供電效果圖見圖5和圖6。

圖5 僅在BUS3母線上投入無功補償后供電效果圖

圖6 BUS3和BUS5母線上均投入無功補償后供電效果圖

從圖中可以看出,加裝無功補償后,變壓器負荷率在50%左右,BUS3-BUS 5的電壓質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償后電壓改善效果更好,大大地提高了電壓質量,提高了電網供電能力和安全性。

3 在教學中引入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備、電源等的參數和運行狀態、能方便的評估某個負荷點的承受負荷增長的能力等優點,當然這只是其一個簡單應用。PWS是集電力系統潮流計算、靈敏度分析、靜態安全分析、短路電流計算、經濟調度EDC/AGC,最優潮流OPF、無功優化,GIS功能、電壓穩定分析PV/QV、ATC計算、用戶定制模塊等多種龐大復雜功能于一體,并利用數據挖掘技術實現強大豐富的三維可視化顯示技術。把其引入到電力系統類課程可以大大提高教學效果,如《電力系統分析》課程對初學者而言很抽象,傳統課堂分章節的講授更多拘泥于對具體方法的認識和計算過程的強調,使學生把大量的時間花在公式記憶和公式應用上,很難產生對電力系統較為全面的理解,導致知識割裂,很多基本概念理解很模糊。引入PWS之后,學生通過簡單算例就能以直觀的方式鞏固電力系統中的一些基本概念,如潮流計算、電壓穩定、無功補償等,并且可利用大型作業的方式把各章節的知識連貫起來。教師授課時可以讓計算部分完全由程序實現,授課可以更多地集中在模型的建立和對結果的分析,強化對概念的認識和理解。

其他可引入PWS的課程還包含“工廠供電”、“發電廠電氣部分”、“電氣工程基礎”、“電力系統自動化”、“電路”及相關的本科畢業設計等課程,可以豐富課堂內容,加深知識的理解,從而取得較好的教學效果。

4 結語

PWS的引入,可以彌補電力系統類課程在傳統教學中的不足,利用PWS對相關課程中的重要內容進行計算分析,真實地再現了系統的實際運行過程,為學生提供了一個很好的理論聯系實際的平臺,充實了教學的內容、方法和手段。PWS作為電力系統規劃、運行、控制、分析與決策的重要工具,基于其簡單、直觀的圖形顯示,可以加強學生對理論知識的理解,提高學生的學習興趣和積極性,加深他們對系統運行的認識。

[1]樊艷芳,藺紅.MAT LAB/SIMU LINK在電力系統仿真中的應用[J].新疆大學學報,2004,21(2):106-109

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

[3]鐘慧榮,蔣秀潔.PSASP在電力系統分析實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術,2008,6(6):72-75

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

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