電力系統(tǒng)仿真分析軟件ETAP在專業(yè)課教學(xué)中的應(yīng)用

江玉蓉?周煥森?戴江江

摘要：簡單分析了目前電力系統(tǒng)專業(yè)教學(xué)中實驗課和課程設(shè)計的情況，指出把成熟的商用電力系統(tǒng)實用分析軟件ETAP應(yīng)用到電力系統(tǒng)專業(yè)課程設(shè)計和綜合實驗課中的必要性。介紹了上海電力學(xué)院應(yīng)用ETAP軟件進行電力系統(tǒng)仿真分析的成果和經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：電力教學(xué)；ETAP；電力系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0092-02

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，單機容量和系統(tǒng)容量不斷增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，如果用人工方法對于龐大電力系統(tǒng)網(wǎng)進行分析與計算將十分繁瑣，甚至是難以實現(xiàn)的。但隨著計算機技術(shù)的不斷進步，使得這一切成為可能。電力系統(tǒng)分析軟件，是用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法對系統(tǒng)的運行特性進行研究，用來確定規(guī)劃設(shè)計方案，擬定運行方式，整定自動裝置的控制參數(shù)，進行事故分析和協(xié)助運行人員做出正確的決策，還可用于教學(xué)和培訓(xùn)。本文將簡單介紹使用電力系統(tǒng)實用分析軟件ETAP進行電力系統(tǒng)分析教學(xué)方面的一些應(yīng)用及體會。

一、高校電力系統(tǒng)專業(yè)課程實驗現(xiàn)狀

高等學(xué)校課程主要分為理論學(xué)習(xí)和實驗。電力系統(tǒng)專業(yè)因為它的抽象性和學(xué)生將來工作崗位安全要求高等特點，實驗及課程設(shè)計環(huán)節(jié)所占的比重越來越高。比較常見的有電機實驗、高壓實驗、繼電保護實驗等針對系統(tǒng)中某一設(shè)備的實驗。電力系統(tǒng)專業(yè)所研究的對象是橫跨大江南北的龐大的電力系統(tǒng)，從發(fā)電機到變壓器，從輸電線路到用戶，從一次系統(tǒng)到二次系統(tǒng)，其中各設(shè)備的聯(lián)系和相互影響非常密切，因此對于電力系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生來說針對單一設(shè)備的實驗已經(jīng)不能滿足他們學(xué)習(xí)的需要了。

而建立電力系統(tǒng)物理模擬實驗室耗資巨大，較難實現(xiàn)普遍應(yīng)用，因此人們把精力轉(zhuǎn)向了數(shù)學(xué)模型實驗。所謂的數(shù)學(xué)模型實驗就是用數(shù)學(xué)的方法建立電力系統(tǒng)各元件模型，模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)或計算系統(tǒng)中某點發(fā)生故障（如短路、跳閘等）后其他地方各電氣參數(shù)（如電壓、電流、相角等）的變化。

電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實驗在很大程度上可以幫助學(xué)生掌握電力系統(tǒng)理論知識和運行特性?，F(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有多款成熟的商用電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實驗軟件，ETAP就是其中的一款。

二、電力系統(tǒng)專業(yè)課中使用商業(yè)軟件的優(yōu)勢

電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件最初出現(xiàn)在電力系統(tǒng)運行、設(shè)計和研究機構(gòu)。電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件由有一定電力系統(tǒng)研究實力的公司開發(fā)，能保證算法的正確性；計算機的快速性和精確性把廣大從事電力系統(tǒng)工程設(shè)計和研究的人員從繁重枯燥的工作中解脫出來；開發(fā)商業(yè)軟件的電力系統(tǒng)專家把他們多年的研究成果寫入到軟件中，使一般工程技術(shù)人員也能做深入的研究，如暫態(tài)穩(wěn)定性分析。所以越來越多的公司開始使用甚至依賴商業(yè)軟件進行電力系統(tǒng)模擬計算。

高等電力院校和電力行業(yè)其他機構(gòu)不同，它的主要目的是讓學(xué)生掌握好知識，經(jīng)濟性相對來說排在后面。在電力行業(yè)中，電力院校使用商業(yè)軟件進行電力系統(tǒng)模擬實驗相對來說比較晚。經(jīng)過這些年的教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為在電力高校教學(xué)中使用商業(yè)軟件（以ETAP為例）還是有一定的優(yōu)勢。

1.復(fù)習(xí)課堂知識

用商業(yè)軟件建立電力系統(tǒng)模型需要填入必要的參數(shù)，思考哪些參數(shù)是必須的過程也是一個復(fù)習(xí)課堂知識的過程。例如，建立變壓器模型時回顧下變壓器的模型是一理想變壓器和一阻抗串聯(lián)，而變壓器阻抗的計算公式是，所以可以得知在軟件里必須填入的數(shù)據(jù)有高壓側(cè)額定電壓、低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分?jǐn)?shù)。

2.校驗課堂知識

為了加深學(xué)生對學(xué)過知識的印象，通過實驗方法來校驗理論知識是常用的途徑。由于電力系統(tǒng)的抽象性、龐大性和高安全要求等特點，學(xué)生到實際現(xiàn)場做實驗可能性不大。有了商業(yè)電力系統(tǒng)模擬軟件在實驗室就可以完成理論知識校驗，如校驗無功電壓特性、不同類型節(jié)點的運行特性、環(huán)網(wǎng)潮流控制理論等。

3.實習(xí)系統(tǒng)運行

商業(yè)軟件的快速性和精確性可以讓學(xué)生在同樣的課堂時間內(nèi)完成電力系統(tǒng)在多個不同運行方式下的模擬實驗，對比不同運行方式下的實驗結(jié)果，豐富實驗課內(nèi)容，使學(xué)生更加容易理解電力系統(tǒng)運行方式的含義和掌握任何選擇運行方式的知識。

4.進行暫態(tài)穩(wěn)定研究

電力系統(tǒng)暫態(tài)過程是色極其復(fù)雜的過程，手工分析需要相當(dāng)扎實的理論基礎(chǔ)，讓學(xué)生獨立來做幾乎不可能。有了成熟的電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件后，學(xué)生可以借助開發(fā)軟件專家的經(jīng)驗和知識獨立完成電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的分析，加深他們對暫態(tài)過程的了解。

5.學(xué)習(xí)最新技術(shù)

當(dāng)今社會風(fēng)云變幻，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮，學(xué)生多學(xué)習(xí)些新技術(shù)、新產(chǎn)品有助于他們更快適應(yīng)現(xiàn)實工作環(huán)境。

總之，了解并初步學(xué)會使用先進的商用電力系統(tǒng)分析軟件，使用其對電力系統(tǒng)實例進行分析，可以使學(xué)生加深和鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，加深對電力系統(tǒng)物理規(guī)律的認(rèn)識，為今后的學(xué)習(xí)、工作打好基礎(chǔ)。

三、ETAP軟件介紹

ETAP（Electrical Transient Analysis Program）軟件由美國OTI（Operation Technology，Inc）公司開發(fā)，是第一個真正32位Windows環(huán)境下全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計算高級應(yīng)用軟件。ETAP采用圖庫一體化技術(shù)，實現(xiàn)在界面上圖形化添加、刪除、連接、移動設(shè)備，調(diào)整大小和方向、操作設(shè)備，在圖形界面上輸入各設(shè)備的參數(shù)和運行狀態(tài)。這些信息都自動保存到庫里，無須對庫操作。多個負(fù)荷和發(fā)電類型使人們能方便分析各種負(fù)荷狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，三維數(shù)據(jù)庫更是讓人們靈活使用不同的設(shè)計方案和運行方式，不限個數(shù)的分析案例實現(xiàn)了在一個工程里完成多個方案分析。ETAP擁有潮流分析、短路計算、電動機起動計算、諧波分析和暫態(tài)穩(wěn)定分析等20多個功能模塊，所有模塊計算所需要的數(shù)據(jù)保存在一個庫里，對一個工程只要通過模塊切換按鈕就可以做所有的計算，操作便捷。

ETAP在1986年問世，經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)是一款很成熟的電力系統(tǒng)實用分析軟件。OTI公司擁有大量知名的電力系統(tǒng)專家，他們中很多人在IEC和ANSI等組織中起著積極的作用參與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。ETAP算法嚴(yán)格遵循相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，并且密切監(jiān)視這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的改動及時修訂算法。ETAP每個新版本發(fā)布之前都要進行V&V認(rèn)證，計算結(jié)果經(jīng)手算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果雙重校驗。每年有數(shù)次由其他單位組織的質(zhì)量評審，保證ETAP質(zhì)量可靠。

ETAP在1999年進入中國市場，10多年來深受電氣技術(shù)人員的歡迎，在中國的用戶數(shù)不斷增加。上海電力學(xué)院在2003年引進ETAP用于教學(xué)，在2005年建立ETAP電力系統(tǒng)模擬實驗室。到目前為止，已經(jīng)有約4000人次接受了ETAP電力系統(tǒng)模擬實驗，教學(xué)效果比較理想。

四、ETAP軟件教學(xué)應(yīng)用實例

某系統(tǒng)接線圖如圖1。GEN1（Vθ節(jié)點）、GEN2（PV節(jié)點）和GEN3（PV節(jié)點）是三臺發(fā)電機，通過三臺升壓變和220kV系統(tǒng)相連，母線BusA，BusB，BusC是三條220kV用戶母線，上面掛有負(fù)荷（全是恒功率負(fù)荷）和無功補償裝置。Lump1=125MW+70Mvar，Lump2=35MW+10Mvar，Lump3=90MW+40Mvar，Lump4=100MW+55Mvar，其他設(shè)備參數(shù)見圖中注釋。

1.系統(tǒng)建模

ETAP提供了成型的發(fā)電機、變壓器、負(fù)荷、并聯(lián)電容器和線路模型，建系統(tǒng)模型時只需要從工具條中添加需要的模型，再根據(jù)接線圖拓?fù)潢P(guān)系把他們連起來，然后填入需要的參數(shù)。

在仿真計算中發(fā)電機的模型是電壓源和阻抗串聯(lián)，暫態(tài)模擬需要發(fā)電機的次暫態(tài)電抗、暫態(tài)電抗、直軸電抗、電阻，額定電壓和額定容量；變壓器的模型是理想變壓器和阻抗串聯(lián)，需要變壓器的高低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分?jǐn)?shù)、X/R；線路的模型是阻抗加并聯(lián)電容，需要的數(shù)據(jù)是電阻、電抗和電納；負(fù)荷和電容器的模型都是PQ節(jié)點，需要的數(shù)據(jù)是額定電壓和有功、無功容量。

把GEN1設(shè)為平衡節(jié)點，確定它的出口電壓值和無功限制范圍；把GEN2和GEN3設(shè)為電壓控制節(jié)點，確定他們的出口電壓、有功輸出和無功限制范圍。

2.仿真分析

模型搭建后，可以方便地進行系統(tǒng)的潮流、短路和暫態(tài)模擬計算?？梢詫Σ煌\行方式下潮流結(jié)果進行對比，觀察不同設(shè)置對潮流結(jié)果的影響，并分析其原因。

能對不同地點發(fā)生各種短路故障進行仿真，分析其短路穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流大小，以及不同負(fù)荷模型在短路計算中的區(qū)別。在短路計算中把電動機負(fù)荷（或叫旋轉(zhuǎn)負(fù)荷）和照明加熱負(fù)荷（或叫靜止負(fù)荷）分開考慮，前者有短路電流反饋，后者沒有。

可以仿真分析系統(tǒng)受到干擾后的穩(wěn)定性，如發(fā)生短路故障、故障切除、重合閘動作后等不同狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并能直觀觀察各事件發(fā)生后發(fā)電機功角、端電壓等參數(shù)隨時間的變化情況，如圖2、圖3所示。

五、ETAP軟件教學(xué)總結(jié)和評價

ETAP軟件是新興的科技產(chǎn)物，能幫助人們解決不少問題，但是它只是個工具，要用好它必須要懂得它的工作原理。所以在教學(xué)生使用ETAP前要求學(xué)生掌握好基本的電力系統(tǒng)分析計算理論，這樣后面的實驗課才能進行得順利。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬分析有相當(dāng)大一部分工作是建立系統(tǒng)模型，模型的質(zhì)量直接關(guān)系到實驗分析的成功和失敗。為了保證模型的正確性，建模前先要弄清楚各元件的數(shù)學(xué)模型，并且注意模型中個數(shù)據(jù)的單位。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬實驗，學(xué)生只要摁計算按鈕就可以。大量的計算工作由計算機完成，所以跟傳統(tǒng)的手工計算實驗相比，在相同的實驗時間內(nèi)可以多分配些實驗任務(wù)，讓學(xué)生多了解些電力系統(tǒng)的運行特性。但對原理的透徹理解則更需要加強，否則是照葫蘆畫出了瓢，卻不理解結(jié)果的來龍去脈。除了潮流、短路和暫態(tài)分析等基本功能外，ETAP還有電動機起動模擬、諧波模擬和保護設(shè)備動作模擬等模擬功能，全面應(yīng)用這些模擬功能，可以把電力系統(tǒng)各方面特性全面地展現(xiàn)在學(xué)生面前，便于學(xué)生掌握。

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（責(zé)任編輯：王意琴）