PWS在電氣工程專業畢業設計中的應用

摘要：以Power World Simulator在電網規劃設計方面的應用為例，闡述了將該軟件包應用于電氣工程專業畢業設計的具體實踐。

關鍵詞：PWS；畢業設計；電網規劃

作者簡介：王穎（1980-），女，河南商丘人，中國計量學院機電工程學院，講師。（浙江杭州310018）

中圖分類號：G642.477#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）06-0100-02

中國計量學院電氣工程及其自動化專業中電力系統類的畢業設計一直向著新穎、實用的方向不斷調整選題、推陳出新。作為軟件類的電力系統仿真題目一直受到廣大學生的青睞，這就對仿真工具提出了“界面友好”、“方便實用”等要求，更重要的是，仿真軟件的運行結果一定要在行業內有較高的認可度。

Power World Simulator（PWS，電力世界仿真器）軟件是美國伊利諾亞大學開發的一款面向對象的電力系統可視化軟件包。PWS具有潮流功能模塊、事故分析模塊、靈敏度分析模塊、最優潮流分析模塊、故障分析模塊。

將PWS仿真軟件引入畢業設計環節，順應了教學需求。經過幾年的教學實踐，該軟件受到了一線教師和學生的廣泛認可。筆者所指導的采用該軟件進行的畢業設計曾經連續兩屆被評為本校本科學生“優秀畢業論文”。

在畢業設計環節，應用PWS可以進行有關電壓調整、靜態安全分析等方面的課題研究。本文將主要就PWS在電網規劃設計方面的應用做詳細介紹，在此，所用到的主要是潮流功能模塊和事故分析模塊。

一、PWS簡介[1]

PWS是一個電力系統仿真軟件包，建構在對用戶良好交互性的基礎上。它的核心是一個功能強大的潮流計算軟件，可以有效求解多達100000個節點的系統[2-3]。這使得電力世界仿真器作為一個獨立的潮流分析軟件包十分有用。與其他同類商業應用軟件不同，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。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發電機的增加以及聯絡線功率的交換，一切僅需點擊鼠標即可完成。此外，圖形和動畫演示的廣泛使用增強了用戶對系統特性、存在問題和限制條件的理解以及方便修改。

PWS提供了極為方便的模擬電力系統時間特性的工具。同樣，它可以圖形化地顯示負荷、發電量和聯絡功率隨時間的變化，以及因此產生的系統運行條件的變化。這項功能在解決電網擴建引起的網絡結構變化之類問題時十分有用。

除了上述特點，PWS以其一體化的經濟調度、聯絡功率交易經濟性分析、功率傳輸分配因子（PTDF）計算和突發事故的強大分析能力為特色，所有這一切都可以通過一個簡單易用的界面來實現。

二、PWS應用實例

1.設計任務與要求

某鋁材公司ABC將在城市北部建一座新工廠。該工廠的負荷峰值預計將會達到48MW，10Mvar。然而，城北的電網較為薄弱。為滿足該工廠的新增負荷，在該廠處需新建一所變電站。新的變電站適合安裝138/69kV等級的變壓器。此外，工廠要求至少接入兩回線。現在的任務是保證在峰值負荷情況下，工廠的新增負荷接入后，城市北郊的輸電網可以在正常和發生偶然事故時穩定運行。新增變電站不僅能滿足工廠的用電需求，還可以使北部電網得到加強。新增變電站的地理位置與城市電網中鄰近母線之間的距離已給定。

具體的研究內容是鋁材工廠的新負荷接入后，使得系統能保證在正常狀態和偶然事故時的正常運行，提出最合理的方案。系統安全運行要求線路和變壓器負荷不得超過額定值，且母線電壓水平保持在額定值的95%至106%間。母線間的相對位置和相關設備的價格也已知。

設計要求：

（1）利用PWS對該城市電網建模。演示初始潮流已確定在不接入鋁材公司負荷的情況下的系統中運行。要求所有線路潮流和母線電壓在限度以內。

（2）對原電網考慮任一條輸電線路或變壓器故障的影響，進行事故分析。

（3）母線間的相對位置和輸電線參數及相關設備的價格已知。確定鋁材工廠新負荷接入后能保證系統基本運行和抵御偶然事故的最經濟的設計方案。改造總費用定義為建設成本減去未來五年內因降低系統損耗而所節省的花費[4]。

2.仿真建模

根據任務要求，利用PWS建立仿真模型，并進行初步潮流計算。計算結果顯示在圖1。

潮流結果顯示，原始的城市電網各處母線及線路的運行情況均正常，無任何電氣參數越限。

3.對原始電網進行預想事故分析

選擇Option/Tools-Contingency Analysis的任一條輸電線或變壓器故障選項進行自動事故分析。

結果顯示：

（1）若斷開RAY69-FERNA69線路，就會出現兩個越限情況，見圖2：節點FERNA69的電壓過低和節點DEMAR69和BLT69間的輸電線路過載。

（2）若斷開RAY69-RAY138線路則會出現一個越限情況，即節點DEMAR69和BLT69間的輸電線路過載。

說明原始電網雖然正常運行時潮流不越限，但是其背后卻隱藏著薄弱環節，通過預想事故分析仿真即可暴露其缺陷。

對此，提出了相應的解決方案：對于電壓過低現象的解決辦法是選擇利用無功補償設備來調壓。

從圖2中，可以看到母線FERNA69電壓過低，為額定值的94%。因這條母線上已經并聯了無功電源——補償電容，故只需增大母線FERNA69的并聯電容無功輸出值即可達到要求。補償的容量可以通過“試錯法”得到。

4.計及安全的新電網經濟方案設計

已知條件：輸電線路（69kV及138kV）——新輸電線路包括固定成本和可變成本。固定成本指購買和安裝斷路器、繼電保護的費用以及改變變電站母線構造所需費用。變壓器（138kV/69kV）——變壓器價格包括所連斷路器、繼電保護費用和安裝費用。母線成本，等等。因篇幅限制，此處省略具體成本參數。

根據課題要求，為了將新的負荷連入電網，可以設計兩種接線方案[5-6]，分別如圖3、4所示。

（1）方案1：從GROSS、PETE、DEMAR、FERNA中任取兩個69kV等級的母線連接到母線ABC69。

（2）方案2：在母線RAY138與ABC69間添加一臺變壓器，從GROSS、PETE、DEMAR、FERNA中任取一個69kV等級的母線連接到母線ABC69。

成本計算公式：

改造總價格=新增的建設成本-改造后節約的成本

=新增的建設成本-50×24×365×減少的有功電網損耗

=新增的建設成本-50×8760×減少的有功損耗

5.方案仿真分析及成本計算

（1）根據方案1，經過仿真，發現都不能使系統正常運行，電網出現崩潰。新負荷接入后的新網損為原來的2.58倍。故不采用方案1的接線方式。

（2）根據方案2，以ABC69連接GROSS69和RAY138的接線情況為例：

1）運行潮流演示，潮流功率分布也都在要求范圍內，這表示電網能保證日常工作的正常運行。

2）進行預想事故分析，結果顯示電網無越限情況，表明該電網能保證偶然事故時的穩定運行。

3）成本計算。查看case summary菜單，可得此時的有功電網損耗為10.41MW，進而計算相應的建造成本：

新增的建設成本=870000+100000+170000×11.9+250000+870000+100000+170000×10+50000+105000×3.2=6299000（美元）

改造總價格=6299000-50×8760×（11.56-10.41）=5795300（美元）

用相同的方法對其余三種接線方式進行仿真及成本計算，得到的改造總價如表1。

6.小結

按方案1進行線路連接，新的負荷加入后，電網會出現崩潰現象。出現此現象的原因是：原來這部分區域的電網較為薄弱，新負荷的接入進一步加重了電網的負擔，使得ABC69連接端的電壓連續下降。

按方案2進行線路連接，可使輸電網達到在基本情況和偶然事故時穩定運行的目標。比較四種方式，發現在負荷接入后，電網運行時產生的新的電網損耗較原來電網損耗的減少量相差無幾，故選擇方案時，主要考慮建設的成本大小。

經比較，最終選擇方案2中的方式①，即母線ABC69連接母線GROSS69和RAY138，變壓器容量選為101MVA，改造總價格為5795300美元，電網損耗比原來減少9.9%。同時在預想事故分析時未出現電壓降低或線路潮流功率過載現象，原電網也得到了加強。

三、結論

本文主要介紹了Power World在電網規劃設計方面的應用，即對原電網進行了潮流分析、預想事故分析，并著重比較了計及安全情況下新負荷接入后的經濟方案，制定出最合理的接線方式。

將電力仿真軟件PWS引入電氣專業的畢業設計環節，經多方反饋，一致認為取得了非常有意義的教學效果。不僅讓學生通過實例運行加深對電力系統的認識，而且可以充分發揮其創造力，進一步進行電網的規劃設計。希望本文能夠對兄弟院校的相關教學提供有效的幫助。

參考文獻：

[1]張仰飛，李先允，郝思鵬.可視化軟件包Power World Simulator在電力系統教學中的應用[J].中國電力教育，2006，(S1).

[2]廖青華，趙斌.電力系統可視化仿真軟件Power World的應用[J].河南機電高等專科學校學報，2008，(6).

[3]王慶紅，等.電力系統可視化計算分析平臺用戶手冊[M].廣西:電力勘察設計研究院數字電網研究中心，2005.

[4]J.Duncan Glover，Mulukutla.S.Sarma.電力系統分析與設計[M].北京:機械工業出版社，2007.

[5]呂文杰.地區電網最優化規劃方案研討[J].電網技術，1999，(1).

[6]徐海濤.淺議電力系統規劃[J].科技資訊，2009，(2).

（責任編輯：劉輝）