電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用

1.王雪杰 2.齊 磊 3.郝書一 4.王元軍

1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院 2.遼寧省安全科學(xué)研究院

3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司 4.國網(wǎng)朝陽供電公司

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置在虛擬仿真教學(xué)中的應(yīng)用

1.王雪杰 2.齊 磊 3.郝書一 4.王元軍

1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院 2.遼寧省安全科學(xué)研究院

3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司 4.國網(wǎng)朝陽供電公司

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步地與理論教學(xué)相結(jié)合彌補(bǔ)了電力系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的造價(jià)過高和實(shí)驗(yàn)具有破壞性的不足。結(jié)合電氣工程專業(yè)的特點(diǎn)，本文探討電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(ADPSS)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的應(yīng)用和教學(xué)方案的設(shè)定。該方案包括基于電力系統(tǒng)綜合分析程序(PSASP)的潮流計(jì)算、短路計(jì)算和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，豐富了教學(xué)內(nèi)容，作為一種重要的輔助教學(xué)手段，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)；工程實(shí)踐

1 引言

目前，電力系統(tǒng)安全是能源安全和國家安全的重要組成部分，電力系統(tǒng)是高電壓大電流系統(tǒng)以及裝置高造價(jià)的特點(diǎn)使得在實(shí)際裝置上直接做各種試驗(yàn)極為困難，只能通過實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行特性研究和各類控制保護(hù)設(shè)備的驗(yàn)證，達(dá)到避免大停電事故﹑保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。為了方便教學(xué)和科研任務(wù)，很多科研院所引進(jìn)電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(Advanced Digital Power System Simulator,ADPSS)進(jìn)行仿真科研和教學(xué)研究。ADPSS仿真裝置采用網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)，并對(duì)進(jìn)程進(jìn)行實(shí)時(shí)和同步控制，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)仿真以及外接物理裝置試驗(yàn)[1]。本文主要探討ADPSS教學(xué)體系的建立，如何根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，尋求實(shí)際應(yīng)用技術(shù)與仿真教學(xué)的最佳結(jié)合點(diǎn)，進(jìn)行課程內(nèi)容的開發(fā)與建設(shè)，更好地發(fā)揮出仿真系統(tǒng)的作用。

2 課程內(nèi)容建設(shè)

虛擬仿真教學(xué)課程建立在ADPSS仿真裝置的基本功能基礎(chǔ)上，與電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制，電力系統(tǒng)分析計(jì)算等課程緊密聯(lián)系，包括基本網(wǎng)絡(luò)的建模，參數(shù)的設(shè)定，以及網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算﹑短路計(jì)算﹑電壓穩(wěn)定﹑小干擾穩(wěn)定﹑機(jī)電暫態(tài)仿真﹑電磁暫態(tài)仿真等。課程內(nèi)容的設(shè)定注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的提高，重視基礎(chǔ)知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合，提高學(xué)生的認(rèn)知水平與創(chuàng)新能力。

2.1 基本網(wǎng)絡(luò)及參數(shù)

首先建立電力網(wǎng)絡(luò)以及給定元件參數(shù)，PSASP中參數(shù)的錄入方式包括文本方式和圖形方式，PSASP程序中參數(shù)的選取依據(jù)潮流計(jì)算需要數(shù)據(jù)。學(xué)生掌握潮流計(jì)算中各個(gè)節(jié)點(diǎn)類型及其設(shè)置原則，引導(dǎo)學(xué)生思考一個(gè)系統(tǒng)中哪些節(jié)點(diǎn)需設(shè)置成平衡節(jié)點(diǎn)，哪些是PQ節(jié)點(diǎn)，哪些是PV節(jié)點(diǎn)，并且根據(jù)結(jié)點(diǎn)類型輸入相應(yīng)的參數(shù)。通常選取調(diào)頻電廠或外網(wǎng)作為平衡節(jié)點(diǎn)，選取有無功調(diào)節(jié)能力的電廠作為PV節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)。

2.2 基于PSASP的潮流計(jì)算

PSASP系統(tǒng)提供了五種潮流算法，分別定義5個(gè)潮流作業(yè)，比較各個(gè)作業(yè)計(jì)算迭代次數(shù)﹑計(jì)算時(shí)間和結(jié)果。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，存在著多種方式的變化，如常規(guī)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(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案定義，模擬電網(wǎng)的典型運(yùn)行方式，反映的是基于同一個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的有功﹑無功變化。這四種方案分別建立四個(gè)潮流作業(yè)，就可以對(duì)不同運(yùn)行方式的潮流分布進(jìn)行分析。在這個(gè)過程中，學(xué)生可以選擇結(jié)果輸出的數(shù)據(jù)類型和輸出對(duì)象。

2.3 基于PSASP的短路計(jì)算

電力系統(tǒng)短路計(jì)算是在某種故障情況下，求出短路點(diǎn)的故障電流﹑電壓，以及全網(wǎng)各母 線電壓和支路電流的計(jì)算 [2]。基于PSASP的短路計(jì)算其主要功能和特點(diǎn)可概括為以下幾個(gè)方面：交直流混合電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算，以及電網(wǎng)的正﹑負(fù)﹑零序戴維南等值阻抗計(jì)算；簡(jiǎn)單故障方式的短路電流計(jì)算，可以在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描計(jì)算，以報(bào)表或曲線方式輸出。從結(jié)果輸出中，學(xué)生學(xué)習(xí)到不同短路類型對(duì)系統(tǒng)造成的影響和采用戴維南等值阻抗計(jì)算后的正序﹑負(fù)序和零序的阻抗值和阻抗角，有助于理解不對(duì)稱短路計(jì)算的對(duì)稱分量法的應(yīng)用。

2.4 基于PSASP的暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受大干擾時(shí)，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行并過渡到新的或恢復(fù)到原來運(yùn)行狀態(tài)的能力 [3]。理論教學(xué)中的穩(wěn)定概念十分抽象，在實(shí)際的大電網(wǎng)中進(jìn)行真正的打擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)又很小，只有通過仿真教學(xué)，才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。通過PSASP建立模型進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，學(xué)生可以直觀地看到各個(gè)發(fā)電機(jī)的搖擺曲線圖，通過圖形觀看各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間相對(duì)角度隨時(shí)間是否逐漸衰減，系統(tǒng)是否回到擾動(dòng)前的運(yùn)行狀態(tài)，或者過渡到一個(gè)新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)任務(wù)中包括了交直流混合電力系統(tǒng)，并且可考慮變電站內(nèi)部的開關(guān)狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響等內(nèi)容。學(xué)生在搭建的模型中知道了每個(gè)元件的基本最優(yōu)，勵(lì)磁控制，并且獲得輸出的波形。

3 實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)

如何合理的進(jìn)行考核是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中非常重要的部分，在智能電網(wǎng)全數(shù)字仿真系統(tǒng)的應(yīng)用中，我們把學(xué)生如何把仿真教學(xué)與理論知識(shí)結(jié)合掌握程度最為考核的一部分，并不是簡(jiǎn)單的要求學(xué)生重復(fù)性的操作程序，而是經(jīng)過理論分析然后確定各個(gè)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟以及所需要的各項(xiàng)參數(shù)。在任務(wù)的設(shè)定過程中，學(xué)生可以自行設(shè)置故障類型和選擇計(jì)算方法，考核過程中，對(duì)于學(xué)生能夠更多的掌握不同任務(wù)間的區(qū)別和對(duì)于系統(tǒng)造成的不同影響予以適當(dāng)加分。要求學(xué)生完成任務(wù)以實(shí)驗(yàn)的各種報(bào)表和圖形的方式輸出結(jié)果，進(jìn)行分析處理，傳到教師主機(jī)上，實(shí)時(shí)評(píng)分。與此同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)他們分析問題解決問題的能力。

輔助教學(xué)的應(yīng)用范圍比較廣泛，可以應(yīng)用課程包括電力系統(tǒng)分析計(jì)算﹑繼電保護(hù)整定和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。可以仿真模型出系統(tǒng)的實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)﹑各種故障和擾動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)的影響。學(xué)生在這個(gè)仿真平臺(tái)上能更好地理解理論知識(shí)，提高工程實(shí)際能力；并且訓(xùn)練了分析問題﹑解決問題的能力。

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

[2] 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[J].北京：中國電力出版社，2007.

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