“電力系統(tǒng)分析”課程潮流計算教改研究

所謂電力系統(tǒng)潮流就是指電力系統(tǒng)運行時各節(jié)點以及各電氣設(shè)備的電壓、電流和功率。潮流計算是電力系統(tǒng)分析中采用的一種最基本的電氣運算，同時也是研究電力系統(tǒng)的運行以及規(guī)劃方案的重要手段，其本質(zhì)是求解一組多元非線性代數(shù)方程。

電力系統(tǒng)潮流計算具有很重要的現(xiàn)實意義：可以合理規(guī)劃電網(wǎng)中的電源容量和電源接入點以及確定最佳的電網(wǎng)架構(gòu)；可以找出電網(wǎng)中因為負(fù)荷增長和新設(shè)備投入而導(dǎo)致的薄弱環(huán)節(jié)，方便對電網(wǎng)進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改進以及基建的加速；提供發(fā)電廠進行有功、無功調(diào)整以及負(fù)荷調(diào)整的計算依據(jù)；可以分析未來可能發(fā)生的事故以及設(shè)備的投切對電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的影響，進而得出相應(yīng)的運行方式和調(diào)整方案。

在過去半個世紀(jì)以前，人們都是采用手工方法計算電力系統(tǒng)潮流，主要依靠計算尺。但是由于電力系統(tǒng)日漸復(fù)雜，手工計算起來非常復(fù)雜，不僅耗時費力，同時也容易出錯。與此同時，伴隨著計算機行業(yè)的飛速發(fā)展，就出現(xiàn)了后來的計算機算法。

在傳統(tǒng)的“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)課程中，教師們一般僅針對一些簡單的電力系統(tǒng)（節(jié)點數(shù)很少）進行潮流計算，而忽視了現(xiàn)有潮流計算最通行常用的計算機算法。這種課程教學(xué)不僅枯燥，學(xué)生難以深刻領(lǐng)悟，而且與實際研究脫軌，因為目前現(xiàn)實中的電力系統(tǒng)都很復(fù)雜，采用手算不切實際，也就失去了教學(xué)的根本意義。本文針對課程教學(xué)中潮流計算方面存在的問題而進行教學(xué)改革研究。

DIgSILENT軟件的潮流計算簡介

電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT的名稱來源于數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序（Digital Simulation and Electrical Network），是德國DIgSILENT GmbH公司開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件。

DIgSILENT軟件幾乎包含了所有電力系統(tǒng)的常用分析功能，如潮流計算、短路計算（包括對稱短路和不對稱短路計算）、機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)計算、諧波分析以及小干擾穩(wěn)定性分析等等。另外一個重要的特點是把機電暫態(tài)分析模型與電磁暫態(tài)分析模型結(jié)合到一起，這樣做的好處就是它不僅能夠分析電網(wǎng)的暫態(tài)故障，而且又能研究電網(wǎng)的長期的電能質(zhì)量問題及其控制手段。

DIgSILENT/Power Factory提供了非常全面的電力系統(tǒng)元件的模型庫，包括發(fā)電機、電動機、控制器、動態(tài)負(fù)荷、線路、變壓器、并聯(lián)設(shè)備的模型，甚至包括風(fēng)電機組電氣部分的模型，如：雙饋感應(yīng)電機、變頻器等等；其他部分如風(fēng)速、機械傳動系統(tǒng)、空氣動力學(xué)部分以及控制系統(tǒng)都采用動態(tài)仿真語言DSL進行搭建。

DIgSILENT可以描述復(fù)雜的單相和三相AC系統(tǒng)及各種交直流混合系統(tǒng)。利用DIgSILENT進行潮流計算時，通過指定發(fā)電機、異步電動機、負(fù)荷等系統(tǒng)元件的特性來確定與之相連的母線在潮流計算中相應(yīng)的屬性，這樣就能夠以簡單的操作方式來模擬復(fù)雜而真實的系統(tǒng)。此外，程序還提供了多種遠程控制模式，例如多個發(fā)電機共同控制系統(tǒng)頻率或母線電壓等。DIgSILENT以更加接近實際情況的方式執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的控制模式，使操作和計算均得到簡化。潮流求解過程提供了3種方法以供選擇：經(jīng)典的牛頓-拉夫遜算法、牛頓-拉夫遜電流迭代法和線性方程法。與此同時，DIgSILENT軟件還可以進行變電站控制、網(wǎng)絡(luò)控制以及變壓器分接頭調(diào)整控制。當(dāng)潮流計算遇到不收斂的情況時，程序會自動將非線性的元件模型逐步線性化（主要是將所有負(fù)荷逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ㄗ杩梗瑢⒎瞧胶夤?jié)點發(fā)電機轉(zhuǎn)變?yōu)閹?nèi)阻抗的簡單電壓源），進而得出計算結(jié)果，該結(jié)果可用于對系統(tǒng)不收斂的原因作進一步分析。潮流計算的同時，DIgSILENT軟件還可以實現(xiàn)過負(fù)荷校驗計算等功能。

此外，最新版本的DIgSILENT還提供了最優(yōu)潮流計算（OPF）功能。所謂最優(yōu)潮流計算就是對基本潮流計算的有益補充。最優(yōu)潮流計算主要采用內(nèi)點法，而且提供了多種約束條件和控制手段，其目標(biāo)函數(shù)主要有最小網(wǎng)損、最小燃料費用、最大利潤及最小區(qū)域交換潮流。

DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統(tǒng)研究方面最為認(rèn)可的計算機軟件之一，其所提供的潮流計算以及仿真結(jié)果已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可。

課程教學(xué)安排

手算

潮流計算可以用一組高階的非線性的方程來表示，但是不含有微分方程，主要是因為潮流計算隸屬于穩(wěn)態(tài)分析，故不涉及系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和過渡過程，而解非線性代數(shù)方程組最基本的方法就是迭代。因此，設(shè)計潮流計算算法的首要任務(wù)同時也是最為關(guān)鍵的問題就是收斂性，最終得出合理的解。

雖然目前計算機潮流算法運用十分廣泛，但是掌握一些手算方法，不僅可以加深對其物理概念的理解，而且即便采用計算機算法，之前通常仍需采用手算求取某些原始數(shù)據(jù)。

這里所說的潮流計算手算方法主要針對簡單網(wǎng)絡(luò)的潮流分布，但是所謂的簡單網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)之間并沒有明顯的界限。課前老師把所需進行手算的算例以及分析資料分發(fā)給學(xué)生，讓大家提前預(yù)習(xí)并先進行獨立計算。然后在實驗課上針對大家可能出現(xiàn)的共同問題進行詳細講解，并推導(dǎo)全過程，加深大家對潮流計算的認(rèn)識和理解，掌握其原理。

運用DIgSILENT軟件計算電力系統(tǒng)潮流

前面已經(jīng)說到，計算機算法是大勢所趨，而且已經(jīng)得到廣泛運用，是電氣工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項重要技能，也是未來繼續(xù)深造以及競爭重要工作崗位的一個重要砝碼。所以掌握并熟練運用計算機軟件對本專業(yè)學(xué)生的未來發(fā)展起著重要的推動作用。

眾所周知，DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統(tǒng)研究方面最為認(rèn)可的計算機軟件之一。無一例外，任何一種電氣設(shè)計軟件都是先尋找或是自己搭建元件模型，然后通過所述關(guān)系搭建網(wǎng)絡(luò)模型，其次就是設(shè)置元件參數(shù)，最后進行潮流計算。那么，如何判斷一種設(shè)計軟件是否優(yōu)越，就是一看元件模型庫是否豐富、準(zhǔn)確，二看元件參數(shù)設(shè)置是否簡單明了，再者就是看控制語言是否簡潔易懂。

DIgSILNET采用有名值進行計算，電網(wǎng)元件從類型數(shù)據(jù)和個體數(shù)據(jù)兩個層面被嚴(yán)格定義。類型數(shù)據(jù)包含了該類型元件用于各個計算功能的基本信息，例如某一架空線路的類型為OHL110kV-1，該類型的架空線為潮流計算提供的基本信息為，，，為短路計算提供的基本信息為，。對某一類型數(shù)據(jù)的改變將影響到所有采用該類型屬性的元件。個體數(shù)據(jù)則是每個元件在分析計算中所要用到的僅與該元件本身相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如某一架空線路的長為。采用該種方法進行計算機計算是有很多好處的。首先，我們無需再進行標(biāo)幺值計算，避免了繁瑣的計算，可以直接采用一些直觀的銘牌數(shù)據(jù)等；其次，對于軟件來講，這也大大減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)儲存，顯然對提高計算機速度也有一定的幫助。

在DIgSILNET中執(zhí)行潮流計算、故障分析、諧波分析、動態(tài)仿真等功能時，可以引入多種電力電子元件，包括FACTS裝置（如SVS、TCSC和UPFC）、直流整流和逆變器等。DIgSILENT為所使用的電力電子元件提供了豐富、開放且定期更新的模型庫。

這些對于課程教學(xué)來說，減輕了單純的軟件學(xué)習(xí)難度，可以緩解學(xué)生對新軟件學(xué)習(xí)的畏難心理。這種人機交互的友好界面，不僅老師們授課講解起來比較輕松，而且學(xué)生們更易于接受，更為重要的是可激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。

對比手算與機算

在課程的最后一個環(huán)節(jié)，但也是很重要的一個步驟，就是對比分析潮流分布的手算以及計算機算法。眾所周知，學(xué)習(xí)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要學(xué)會對比分析以及總結(jié)，這種能力是學(xué)生們亟待培養(yǎng)和掌握的。最后，通過對比兩種方法的結(jié)果，計算兩者之間的誤差，再分析一下導(dǎo)致這種后果的原因，原因可能是計算機算法或是手算采用了哪些近似處理，或是計算結(jié)果精確度的不同，這些都是需要學(xué)生自己進行總結(jié)歸納的。這一步看似可有可無，電力系統(tǒng)潮流分布的手算以及機算的結(jié)果都已經(jīng)出來，課程已經(jīng)結(jié)束。實則不然，這關(guān)鍵的最后一步恰恰是中國高等教育中最缺乏的部分，就是對新知識的分析與自我總結(jié)。做好這一步，對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力的提升起到關(guān)鍵作用。

教學(xué)效果和結(jié)論

基于上述課程設(shè)置，這種結(jié)合DIgSILENT軟件以及手算的潮流計算教學(xué)方法，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好，不僅對電力系統(tǒng)潮流分布的認(rèn)識更加深刻，而且更易于全面掌握。通過對“電力系統(tǒng)分析”潮流計算教學(xué)大綱的改革和實踐應(yīng)用表明，天津理工大學(xué)自動化學(xué)院“電氣工程及其自動化”專業(yè)的本科生在該方面的專業(yè)基礎(chǔ)知識更為扎實，這為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供了有力的保障，不僅避免出現(xiàn)基礎(chǔ)知識的“斷層”和“夾生”現(xiàn)象，與此同時會激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力以及創(chuàng)新能力。可以預(yù)見，如果將這種教學(xué)手段推廣至全國高校，也必將收獲良好的教學(xué)反響。（作者周雪松系天津理工大學(xué)自動化學(xué)院博士生導(dǎo)師；袁洪德系天津理工大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生。基金項目：本文系天津市重點教改項目“新能源科學(xué)與工程專業(yè)國際化合作辦學(xué)模式研究與實踐”（項目編號：B08-0805）的研究成果）