混合編程在電力系統分析教學中的應用

林碧云

摘要：本文通過對電力系統分析中最抽象的部分——潮流分析的牛頓-拉夫遜算法特點的分析，提出了混合編程在電力系統分析、潮流計算中應用的具體方向和路徑。

關鍵詞：混合編程;電力系統分析;教學應用;matlab

中圖分類號：TP311.52 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

電力系統分析是電力類專業的核心課程之一，對大部分學生與教師來說都是電力教學中的重點與難點。電力系統分析課程具有以下三個方面的特點：（1）抽象性：電力系統分析的課程內容涉及的許多概念與運算大多是建立在大電網上的。大電網本身具有宏觀性的特點，與學生的日常生活距離較遠，所以對學生來說，大電網是“看不見摸不著”的。這就造成即使在基礎課程已經完成鋪墊的情況下，許多學生仍然無法理解部分大電網相關概念，所以將抽象概念具體化為教學當前迫切需要解決的問題之一;（2）復雜性：電力系統分析課程的教學中有部分展現電力系統運行過程的計算較為復雜，例如潮流計算，其中涉及多個矩陣的計算以及迭代，對于學生來說理解計算過程也有一定的困難;（3）重要性：電力系統分析課程中包括了變壓器的相關運算、短路分析計算、潮流計算等，對學生全面了解電力系統發、輸、配以及轉換等十分重要。信息化教學恰好可以一定程度上解決電力系統分析課程教學中出現的這些問題。

信息化教學有以下三個方面的特點[1]：（1）抽象問題具體化：信息化教學可以采用編程的手段，把無限大電網輸配變各個環節簡化為設備模型，例如利用MATLAB或MATLAB中的simulink的電力設備集成系統，將電網具體化為實際模型，這樣就將抽象問題具象化了;（2）加深學生理解：在高職高專的教學過程中，信息化教學可以通過事先編程跳過復雜計算過程，優先向學生展示參數變化對系統變化的影響，讓學生在宏觀上對系統的整體部分有一定理解后再進行深入教學，做到深入淺出;（3）增加趣味性：信息化教學較傳統教學手段更加豐富，可以借助多媒體、動畫、模擬等技術手段將枯燥的專業課轉化為寓教于樂的興趣課堂，進一步幫助學生學習這門課程。

信息化教學的手段較為豐富，本文將討論混合編程作為信息化教學的手段，進一步探討其在信息化教學中的應用。本文所述的混合編程是將VB（Visual Basic，下簡稱為VB）與MATLAB相結合，其優點在于：（1）電力系統分析中大部分計算依賴于矩陣間的運算，MATLAB是最優選擇;（2）MATLAB雖然對于矩陣運算十分方便，但對于人機界面的交互則不夠友好，VB建立界面簡單，而且同MATLAB有多種方法可以相互結合，因而采用VB與MATLAB的混合編程具有相當大的優勢;（3）C語言、C++等高級語言編寫教學中的潮流計算等過程較為復雜、語言優勢并不明顯，因而不太適用于教學程序的編寫。

綜上所述，在電力系統分析教學中采用信息化教學是很有必要的，而VB與MATLAB相結合的混合編程作為信息化教學手段之一具有相當優勢。討論將這一混合編程在電力系統分析的信息化教學中的應用是很有現實意義的。

1 混合編程的實現

VB和MATLAB的混合編程是可以實現的。目前基于MATLAB的VB混合編程大略有四種方法：（1）在MATLAB中導入一個專門的將VB與MATLAB集成編寫的插件——MatrixVB，在MATLAB中完成相應編程后再使用插件二者相互集成;（2）直接在MATLAB中安裝ActiveX控件，這一控件在支持Client/Server功能的MATLAB版本中能夠令MATLAB的相關指令在VB中被直接調用，包括MATLAB工具箱等;（3）使用M文件直接將VB作為一個函數進行調用;（4）較為復雜的DDE模式。這一模式是利用DDE作為一個交互媒介，讓VB通過其支持的DDE客戶端與MATLAB的程序之間進行對話，將需要運行的VB程序在MATLAB中通過DDE進行讀取。這四種方法中（2）（4）都較為復雜，需要安裝空間并編寫相應程序代碼，因此，教學應用的編程選擇僅僅在（1）（3）中進行考慮，但是由于（1）中的插件對MATLAB 版本有較高要求，程序仍然較為冗長，更加適合復雜程序的復雜運算問題，因而本文采用（2）中M函數引入法來建立整個混合編程的教學程序。

本文采用VB.net建立VB程序界面，利用VB.net擬寫代碼，在VB.net中調用MATLAB的M函數文件，使用MATLAB編寫運算過程，最后將計算結果反饋到VB.NET中，并使用VB.net作為主界面建立人機交互界面。

2 電力系統分析教學實例

2.1 電力系統分析潮流計算

在電力系統分析課程中，電力系統潮流計算的主要目的是通過建立線路運算的數學模型，再通過一系列迭代運算最終得到：（1）線路的電流與功率分布;（2）功率損耗;（3）節點電壓及其損耗[2]。

則由以上各式通過迭代即可取得需要的結果。

2.2 電力系統潮流分析在MATLAB中的實現

以2.1為基礎通過MATLAB對電力系統進行潮流分析。其主要處理步驟為：

在MATLAB中通過導入文件建立節點電阻（系數）矩陣，并利用窗口顯示命令將其顯示在窗口上;

對建立的系數矩陣求逆。利用MATLAB中的inv運算直接求逆，但是需要注意，考慮逆矩陣的存在性。求逆的目的是為了下一步計算各節點電壓的相位角;

利用求得的相位角計算節點功率初始值，代入MATLAB自帶的復數功能語句，計算出節點功率不平衡量的初始值;

利用MATLAB直接編輯公式計算出雅克比矩陣的各元素，解出各修正方程式初值，并建立循環。設置循環結束條件后將循環次數k與結果輸出在結果框內;

最后利用解得的參數計算其余未知數。

計算流程過程可總結為圖1：

2.3 VB人機交互界面的建立

潮流分析在MATLAB中較易實現而在Visual Basic中實現較為復雜的具體原因有以下幾個方面[3]：

導納矩陣建立的問題。而Visual Basic需要提前對矩陣輸入作出說明，并且二維以上矩陣在VB中需要使用循環語句，且僅能進行單精度計算，即只能保留小數點后七位數，不能滿足潮流計算所需要的精度;

矩陣求逆的問題。雖然VB同樣有INV語言來直接求逆，但是VB需要對矩陣事先進行MAT聲明后方可求逆，內部計算時間由于計算的復雜度而大大增加了;

涉及復數計算的部分。VB本身沒有語句進行直接的復數計算，必須編寫程序將實數與虛數部分分別計算后再把答案表達出來，在潮流計算中有許多疊加公式和迭代公式，分開計算不僅加大計算量，同時也增加了計算的復雜程度。

綜上，VB不適合直接編寫潮流計算的程序，但是其強大的人機友好界面是比MATLAB 更加簡便適合學生上手操作的。

本文采用將MATLAB的程序整理為M文件，借由VB.net 編寫代碼后調用M程序，即利用MATLAB進行潮流計算后將計算的結果反饋到VB.net中，顯示在所使用的交互界面中，如圖2、圖3。

2.4 應用實例

以中國電力出版社出版的第三版電力系統分析P134例7-4為例，說明其在教學實際中的應用問題。

以此題為例對不同程度院校學生進行教學課程設計。

（1）認識系統

在之前的課程學生是通過圖片、錄像等在宏觀維度認識電力系統。但是在電力系統潮流分析的內容中，需要學生建立起電力系統相對應的電路圖，并通過對電路圖的分析進一步了解潮流計算。在課堂中針對成績比較優異的學生，可以通過直接在課堂實踐環節中進行VB教學，引導學生在CAD中完成電路圖繪制后導入VB作為程序編制封面;

其次，直接通過MATLAB引導學生將例題所給出的數據建立相對應的導納矩陣，在實踐環節中引導學生進一步明白潮流計算的基本參數和基本方式;

另一方面，對于基礎比較薄弱的學生，教師可以直接采用示范性教學，由教師建立起電路圖和導納矩陣，引導學生理解導納矩陣的具體含義。

（2）課堂實踐

在理論課已經充分學習了解了潮流計算后，通過課堂實踐，將潮流計算中較為復雜的牛頓-拉夫遜計算方法進行程序上的迭代計算。同樣課堂設計分為成績較為優秀的學生和基礎薄弱的學生兩類：對于成績較為優秀的學生，可以借由本例題首先讓學生獨立寫出編寫matlab程序所需要的流程圖，根據流程圖進行matlab潮流計算的編程，包括學習矩陣求逆以及循環的使用等;對于程度較為一般的同學，可以由教師引導完成整個潮流計算過程，學生只需要對潮流極端的過程有定性認識即可。

（3）計算總結

將潮流計算過程借由matlab計算得出后，基本上學生的實踐部分暫告一段落，其后由教師完成將matlab和VB的混合編程部分，并最終生成混合編程的集成程序，引導學生更改矩陣參數、迭代次數等變量，觀察潮流計算的結果，并從中定性總結出電力系統潮流計算的一般規律，從而能夠真正理解和掌握潮流計算。

3 結語

信息化和技術化教學在當今高等教育、職業教育中所占的比重越來越大，特別是諸如電力系統分析這類專業性較強的課程中。混合編程將matlab和Visual Basic結合起來，大大簡化了潮流計算的抽象性，有利于加深學生對知識點的運用與理解，其推廣應用前景十分廣大。但本文也存在著較多不足之處，僅僅以潮流計算為例論述混合編程在電力系統分析中的應用，而沒有推廣到這一課程其余知識點例如短路計算中，也沒有更進一步探討在整個電力院校課程中的應用廣度和深度，這些問題都仍然亟待解決。

（責任編輯：武多多）

參考文獻：

[1]李濱，祝云，黎靜華.《電力系統分析》課程實踐教學環節設計[J].中國電力教育，2008：134-135

[2]陳立新，楊光宇.電力系統分析（第三版）[M].中國電力出版社，2005.

[3]張寧，江紅梅，張渭.基于MATLAB的電力系統潮流計算[J].西北農林科技大學學報（自然科學版）， 2004（12）：124-126..