電力系統全數字仿真裝置在虛擬仿真教學中的應用

1.王雪杰 2.齊 磊 3.郝書一 4.王元軍

1.沈陽工程學院 電力學院 2.遼寧省安全科學研究院

3.國網遼寧省電力有限公司檢修分公司 4.國網朝陽供電公司

電力系統全數字仿真裝置在虛擬仿真教學中的應用

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虛擬仿真實驗教學逐步地與理論教學相結合彌補了電力系統物理實驗平臺的造價過高和實驗具有破壞性的不足。結合電氣工程專業的特點，本文探討電力系統全數字仿真裝置(ADPSS)在實驗教學體系中的應用和教學方案的設定。該方案包括基于電力系統綜合分析程序(PSASP)的潮流計算、短路計算和暫態穩定計算，豐富了教學內容，作為一種重要的輔助教學手段，在實際應用中取得了良好的效果，增強了學生的工程實踐及創新能力。

電力系統全數字仿真裝置；虛擬仿真實驗教學；工程實踐

1 引言

目前，電力系統安全是能源安全和國家安全的重要組成部分，電力系統是高電壓大電流系統以及裝置高造價的特點使得在實際裝置上直接做各種試驗極為困難，只能通過實時仿真試驗進行電網運行特性研究和各類控制保護設備的驗證，達到避免大停電事故﹑保障電力系統安全運行的目的。為了方便教學和科研任務，很多科研院所引進電力系統全數字仿真裝置(Advanced Digital Power System Simulator,ADPSS)進行仿真科研和教學研究。ADPSS仿真裝置采用網絡并行計算技術，并對進程進行實時和同步控制，實現大規模復雜交直流電力系統機電暫態和電磁暫態的實時和超實時仿真以及外接物理裝置試驗[1]。本文主要探討ADPSS教學體系的建立，如何根據電力系統實際運行情況，尋求實際應用技術與仿真教學的最佳結合點，進行課程內容的開發與建設，更好地發揮出仿真系統的作用。

2 課程內容建設

虛擬仿真教學課程建立在ADPSS仿真裝置的基本功能基礎上，與電力系統運行與控制，電力系統分析計算等課程緊密聯系，包括基本網絡的建模，參數的設定，以及網絡潮流計算﹑短路計算﹑電壓穩定﹑小干擾穩定﹑機電暫態仿真﹑電磁暫態仿真等。課程內容的設定注重學生的自主學習能力的提高，重視基礎知識與工程實踐相結合，提高學生的認知水平與創新能力。

2.1 基本網絡及參數

首先建立電力網絡以及給定元件參數，PSASP中參數的錄入方式包括文本方式和圖形方式，PSASP程序中參數的選取依據潮流計算需要數據。學生掌握潮流計算中各個節點類型及其設置原則，引導學生思考一個系統中哪些節點需設置成平衡節點，哪些是PQ節點，哪些是PV節點，并且根據結點類型輸入相應的參數。通常選取調頻電廠或外網作為平衡節點，選取有無功調節能力的電廠作為PV節點，其他節點作為PQ節點。

2.2 基于PSASP的潮流計算

PSASP系統提供了五種潮流算法，分別定義5個潮流作業，比較各個作業計算迭代次數﹑計算時間和結果。在電網運行過程中，存在著多種方式的變化，如常規的冬季大方式﹑冬季小方式﹑夏季大方式﹑夏季小方式等；可以指導學生進行方案定義，模擬電網的典型運行方式，反映的是基于同一個電網結構，電網內負荷的有功﹑無功變化。這四種方案分別建立四個潮流作業，就可以對不同運行方式的潮流分布進行分析。在這個過程中，學生可以選擇結果輸出的數據類型和輸出對象。

2.3 基于PSASP的短路計算

電力系統短路計算是在某種故障情況下，求出短路點的故障電流﹑電壓，以及全網各母 線電壓和支路電流的計算 [2]。基于PSASP的短路計算其主要功能和特點可概括為以下幾個方面：交直流混合電力系統的短路電流計算，以及電網的正﹑負﹑零序戴維南等值阻抗計算；簡單故障方式的短路電流計算，可以在設定范圍內進行掃描計算，以報表或曲線方式輸出。從結果輸出中，學生學習到不同短路類型對系統造成的影響和采用戴維南等值阻抗計算后的正序﹑負序和零序的阻抗值和阻抗角，有助于理解不對稱短路計算的對稱分量法的應用。

2.4 基于PSASP的暫態穩定計算

電力系統暫態穩定是指電力系統遭受大干擾時，各同步發電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來運行狀態的能力 [3]。理論教學中的穩定概念十分抽象，在實際的大電網中進行真正的打擾動實驗的機會又很小，只有通過仿真教學，才能達到預期的目標。通過PSASP建立模型進行暫態穩定計算，學生可以直觀地看到各個發電機的搖擺曲線圖，通過圖形觀看各發電機轉子間相對角度隨時間是否逐漸衰減，系統是否回到擾動前的運行狀態，或者過渡到一個新的穩定運行狀態。設計任務中包括了交直流混合電力系統，并且可考慮變電站內部的開關狀態對系統網絡結構的影響等內容。學生在搭建的模型中知道了每個元件的基本最優，勵磁控制，并且獲得輸出的波形。

3 實驗考核環節

如何合理的進行考核是實驗教學中非常重要的部分，在智能電網全數字仿真系統的應用中，我們把學生如何把仿真教學與理論知識結合掌握程度最為考核的一部分，并不是簡單的要求學生重復性的操作程序，而是經過理論分析然后確定各個實驗的各個步驟以及所需要的各項參數。在任務的設定過程中，學生可以自行設置故障類型和選擇計算方法，考核過程中，對于學生能夠更多的掌握不同任務間的區別和對于系統造成的不同影響予以適當加分。要求學生完成任務以實驗的各種報表和圖形的方式輸出結果，進行分析處理，傳到教師主機上，實時評分。與此同時，鼓勵學生完成創新性實驗，培養他們分析問題解決問題的能力。

輔助教學的應用范圍比較廣泛，可以應用課程包括電力系統分析計算﹑繼電保護整定和調速系統的設計等。可以仿真模型出系統的實際的運行狀態﹑各種故障和擾動對于系統的影響。學生在這個仿真平臺上能更好地理解理論知識，提高工程實際能力；并且訓練了分析問題﹑解決問題的能力。

[1] 電力系統分析綜合程序(PSASP)用戶手冊[M] .北京:電力科學研究院, 2001.

[2] 李光琦.電力系統暫態分析[J].北京：中國電力出版社，2007.

[3] 周雙喜.電力系統電壓穩定性及其控制[M].北京：中國電力出版社，2004.