“供配電”課程實踐教學的仿真實驗設計

摘要：實踐教學是理論教學的補充和輔助，是提高學生動手能力的有力工具，在高校教育環節中比重日益提高。現有電力系統實驗條件的限制，導致“供配電”課程的實體試驗無法開展。基于MATLAB仿真技術開發出多種典型的電力系統仿真實驗案例，并將其運用到“供配電”課程的教學實踐中，提高了學生的仿真實踐能力，改善了課程學習效果，有利于學生對課程知識的理解和掌握。

關鍵詞：供配電技術；實踐教學；仿真實驗

作者簡介：錢素琴（1971-），女，上海人，東華大學信息科學與技術學院，副教授。（上海 201620）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）33-0069-02

現代電力系統的大容量、超高壓、跨區域特征導致系統分析極其復雜。電力系統事故發生具有突發性和復雜性的特點，而且事故維持時間短，破壞力大，事故后對故障原因的分析和查找十分困難。對電力系統的分析研究需要進行各類試驗，但不管從現有技術能力還是從系統安全性角度考慮，在實際運行的電力系統及變電所中進行人員培訓和科研都是不現實的。

當前社會不僅要求高素質人才要掌握高新技術，還要具備實踐動手能力。因此，高校教育中實踐環節越來越受重視。從近年的高校教育改革來看，一方面是理論教學課時的壓縮和專業實踐環節課時量的大量增加，另一方面國家在教學經費投入上，也越來越傾向于實驗室建設和實踐教學改革。

“供配電”課程是電氣自動化專業一門重要的專業技術課程。其主要是研究電力供應和分配問題，包含了電力系統的發電、配電和用電三大環節的相關技術，涉及到電力系統的暫穩態分析、短路故障及電氣保護等問題。該課程內容與工程實際結合緊密，教學中迫切需要相應的電力系統實驗的支撐。但是目前學校不具備實驗條件，多年來只能開展供配電電氣設計實踐，無法結合理論內容進行相關的電力系統分析實驗，不利于學生的學習。

同時，電力系統的設備成本昂貴，要仿照實際應用的電力系統組建實驗裝備，投入太高。而且電力系統的安全運行也不允許進行如系統短路故障等類型的實驗。因此，采用計算機仿真技術進行電力系統仿真，可以不受原有系統規模和安全運行的限制，結合課本內容開發典型的仿真實驗，成為解決“供配電”課程實踐教學問題的最佳途徑。

一、仿真軟件的選用

當今比較流行的國內外電力系統仿真軟件，因其軟件結構和功能特點不同，其應用領域有所側重。如加拿大H.W.Dommel教授開發的EMTP軟件，主要用于進行電力系統電磁暫態過程數字仿真；德國西門子公司開發的NETOMAC軟件、美國電力技術公司開發的PSS/E主要進行電磁暫態和控制環節的仿真；中國電力科學研究院開發的電力系統分析綜合程序PSASP主要進行潮流和機電暫態數字仿真等。隨著科技的發展，這些大型的專業電力系統仿真軟件正不斷的更新完善，向多功能、綜合分析的方向發展。

以上專業仿真軟件功能強大但成本昂貴，用來作為課程教學的輔助工具不免大材小用。學生對這類軟件比較陌生，上手較慢，不利于教學的開展。Mathworks公司開發的MATLAB軟件是一種以矩陣為基本編程單元的程序設計語言，具有良好的開發性、高效的數據仿真分析。目前，該軟件大量應用于高校教育，已成為高等應用數學、工業控制、信號處理等領域有力的教學輔助工具，學生對該軟件的開發應用十分熟悉。MATLAB的電力系統模塊庫PSB（Power System Blockset）包含六個子模塊：電源模塊庫、連接模塊庫、測量模塊庫、基本元件模塊庫、電力電子模塊庫、電機模塊庫，可用于進行電力系統仿真。

基于MATLAB的電力系統仿真相較于其他專業軟件，有以下優勢：

第一，PSB庫提供了豐富的電力及電氣系統通用元件模型。同一個元件有時提供不同模型，可根據仿真對象的實際情況和仿真目的合理選擇。特殊的元件可以通過MATLAB程序建立數學模型調入使用。數學模型可以根據工程實際情況單獨建立，也可以通過對現有元件模型的修改來實現。

第二，運行于Simulink模型化圖形輸入環境，操作十分方便。用戶只需知道所用模塊的輸入輸出及模塊功能，不必了解模塊內部如何實現。采用鼠標點擊和拖放方式將所需的元件模塊添加到模型編輯窗口中，并將其連接起來，即可建立用戶所需的電力系統仿真原理圖。利用模型元件的對話框設置相關參數，實現電力系統的仿真計算。利用示波器等測量模塊，顯示觀測點處的仿真結果和波形。

第三，MATLAB是一個開放式的開發平臺，提供了許多分析控制工具模塊，如神經網絡、模糊控制等，可以方便地實現電力系統的各種高級控制策略，并進行效果測試和分析。

第四，MATLAB提供了多種數值算法的選擇，可以對仿真過程進行跟蹤和調試。還可以從仿真模塊直接生成代碼，用于實時控制系統。

當然，基于MATLAB的電力系統仿真也有不足。由于沒有充分考慮電力系統的固有特性和應用要求，在模型上沒有進行相應的簡化，系統的仿真速度較慢。考慮到仿真實驗開發的目的是用于“供配電”課程的實踐教學，通過實驗進一步加強學生對理論知識的了解和深化。因此，應考慮仿真實驗內容的全面性，知識的由淺入深，對系統的結構復雜性和仿真速度要求不高。綜上所述，開發基于MATLAB的供配電系統仿真實驗是十分適宜的。

二、供配電系統仿真實驗開發

供配電系統仿真實驗主要包括：電力系統主要元件模塊的仿真認識、系統穩態分析即潮流計算、系統暫態仿真如開關暫態仿真和系統故障暫態仿真、無功補償仿真實驗等內容。應用MATLAB進行電力系統仿真的主要步驟為：一是建立系統模型；二是設置仿真參數和控制算法實現；三是動態仿真即穩態和暫態仿真；四是結果顯示和分析。

1.主要元件仿真

電力系統主要元件包括：發電機模塊、電力變壓器模塊、輸配電線路模塊和負載模塊等。

發電機模塊采用簡化同步電機模型。PSB庫中分別提供了標幺值單位和國際單位制下的兩種模塊，其實質相同，僅在參數單位上有所區別。模塊有二個輸入端子，一個輸出端子和三個電氣連接端子。輸入端子Pm輸入電機的機械功率，輸入端子E為電機內部電壓源的電壓。連接端子A，B，C為定子輸出電壓。輸出端m輸出電機的內部信號。

PSB庫提供兩種電力變壓器模塊：雙繞組和三繞組三相變壓器模塊。前者可以模擬線性和鐵芯變壓器，后者實際上是由三個單相變壓器模塊根據不同的聯接組別聯接而成的。雙繞組變壓器的一次二次側的連接方法有五種：Y型、Yn型、Yg型、D11型、D1型。不同的連接方法對應不同的模型圖標。

輸電線路分為RLC串聯型、PI型、分布參數線路型。在電力系統中，對于電壓等級不高的短線路，常忽略線路電容的影響，用RLC串聯支路等效；對于長度大于100KM的架空線路以及較長的電纜線路，電容的影響一般不能忽略，計算中常用PI型電路模塊；當分析線路的波過程或進行更精確分析時，常使用分布參數模塊。

電力系統的負荷種類繁多，工作狀態有很大的隨機性和時變性，建立準確的負荷模型十分困難。PSB中的負荷模型分為靜態模型和動態模型。靜態模型反映穩態下負荷功率與電壓頻率的關系，動態模型反應電壓頻率變化時負荷功率的變化。常用負荷模型有含源等效阻抗支路、恒定阻抗支路和異步電機等效電路等。

2.系統穩態仿真

PSB庫Powergui模塊為電力系統的暫穩態仿真提供了有用的圖形用戶界面。對該模塊進行功能設置，可以選取不同的仿真類型，進行穩態電壓電流分析、潮流計算和頻率分析等。

潮流計算是在給定電力系統網絡結構、參數和系統運行條件的情況下確定系統的穩態運行狀態，求取電力系統節點電壓和功率分布，用于檢查系統各元件是否過負荷、各點電壓是否滿足要求，功率的分布是否合理等。這是電力系統分析中最基本、最重要的計算。潮流計算是基于矩陣的迭代運算，MATLAB最大優勢正是矩陣處理，因此基于MATLAB的電力仿真系統的潮流計算是可行的。

3.系統暫態仿真

電力系統暫態仿真是了解電力系統在正常運行情況下遭受擾動，系統中各種電氣參數變化趨勢的一種方法。常見的暫態仿真包括：開關暫態仿真和故障暫態仿真。

開關暫態仿真是模擬一次閉合操作后流過系統的暫態電流，或一次開斷操作后，工頻電流被遮斷時出現在遮斷設備端子上的暫態電壓，從而了解不同電網配置下電流和電壓的變化情況。PSB庫提供的斷路器模塊可以對機械開關設備的閉合和關斷進行仿真，從而實現開關暫態分析。

電力系統故障暫態仿真是模擬短路發生時故障點的電壓和電流的變化情況。短路故障類型有單相接地短路、兩相接地短路、兩相短路和三相接地短路等。PSB中的三相故障模塊由三個獨立的斷路器模型組合而成，能模擬各種相與相之間或相與地之間的故障。

4.無功補償仿真

多數電力系統用電設備從電網吸收大量無功功率，導致系統功率因素降低，增加電能損耗和電壓損失。當現有功率因數不滿足國家標準要求時，需進行人工補償。最常用的方法是采用并聯電容器補償。電容器裝置根據安裝點分為集中和分散兩種。前者電容器組集中裝設在變電所母線上，安裝位置集中利于維護；后者安裝在個別功率因數較低的設備或設備組旁，補償效果更好，但位置分散不利于維護。電容器組的接線方式分為星形和三角形兩種，在補償容量大小和安全性方面各有利弊。

基于MATLAB的無功補償仿真實驗，可以按照用戶的不同補償要求，采用三個一組的電力電容器元件模塊進行不同的接線組合，通過鼠標拖動和連接，可以將其任意布置到電力系統的不同補償點。

5.仿真界面設計

仿真開發應考慮實驗內容的由淺入深和系統結構的逐步復雜。因此，建立的供配電系統模型涵蓋了簡單的單機無窮大系統和多電源拓撲結構的大系統，實驗內容較多。如果把多種類型的仿真實驗集中在同一個軟件平臺下，通過人機交互來選擇實驗類型并觀看仿真結果，這是很有意義的。

MATLAB提供了用戶圖形界面的設計向導GUIDE。在GUIDE環境下，建立一個交互式圖形用戶界面，集成上述各種仿真實驗，并設置按鈕控件和菜單式的交互功能，學生可以方便快捷地運行各種仿真實驗，并顯示對應的仿真波形和結果。

三、總結

將實踐環節融入課程教學中，有利于學生充分理解枯燥的專業理論知識。但現有實驗條件的限制，導致無法開展“供配電”等相關課程的實體實驗，嚴重制約了課程教學實踐的開展。利用仿真技術開發具有典型意義的電力系統仿真實驗，為解決上述問題提供了有效手段。

目前MATLAB在高等教學的許多重要課程中反復應用和深化，其PSB模塊提供了豐富的電力電子系統元件模型，可以方便地進行電力系統仿真。我們嘗試采用MATLAB仿真技術設計出多種典型的電力系統案例，并將其應用到“供配電”課程教學中。

實踐證明，仿真實驗的應用活躍了教學氣氛，激發了學生的學習興趣，提高了教學效果，使學生在較短的時間內對電力系統和供配電技術的相關理論有了較深的理解和掌握，并提高了學生的仿真實踐能力。

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（責任編輯：孫晴）