CAI在“電力工程課程設計”中的應用

王艷松?張麗霞

摘要：為了使學生較好地掌握變電所電氣設計的基本理論和設計規(guī)范，提高從事電氣工程設計的基本實踐能力，應用VB開發(fā)了電力工程課程設計計算機輔助設計（CAI）通過數(shù)據(jù)庫和文本信息提供電器設備電子手冊、典型主接線圖案例、設計規(guī)范和電氣設計必備知識點，通過計算機輔助設計方案校對每一步設計結果，及時修正不正確的設計結果和方案。CAI的開發(fā)應用能有效地縮短學習時間、提高教學質量和教學效率。

關鍵詞：CAI；電力工程；課程設計

作者簡介：王艷松（1965-），女，山東蓬萊人，中國石油大學電氣工程系，教授；張麗霞（1978-），女，山東濰坊人，中國石油大學電氣工程系，副教授。（山東 青島 266850）

基金項目：本文系校級重點教改項目（項目編號：JY-A201210）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）15-0044-02

“電力工程課程設計”是繼電力工程專業(yè)核心課學習之后進行的一門綜合性工程課程設計，使學生能應用“電力工程”課程[1]所學專業(yè)知識，對220kV及以下電壓等級的變電所和供用電網(wǎng)絡的電氣部分進行初步設計，培養(yǎng)學生獨立分析和解決工程設計實際問題的能力。“電力工程課程設計”的主要內容包括主接線設計、負荷計算和無功補償、短路計算、電氣設備選擇、繼電保護選型和整定計算等。其中，電力負荷計算、短路計算是電器設備選擇和繼電保護整定的重要設計依據(jù)。然而隨著高校的擴招，學生人數(shù)增多，使得及時檢驗每一名學生的設計過程的難度增大。因此，開發(fā)一個適用于教與學的功能完善、資料豐富、界面友好、算法準確的“電力工程課程設計”CAI軟件，讓學生通過電子設備手冊方便地查詢所要選擇的電氣設備型號、學習“電力工程設計”所必需的專業(yè)知識和設計規(guī)范，并了解大量的理論計算可以通過建立數(shù)學模型應用計算機來實現(xiàn)，對及時指導學生的設計過程具有重要意義。

一、CAI主界面及功能簡介

“電力工程課程設計”的題目來源于現(xiàn)場不同等級不同容量的變電所工程，對學生進行真題訓練，要求每組學生（2～3人）發(fā)揚團結合作精神，綜合應用所學電力工程課程中的專業(yè)知識設計一個變電所電氣部分的初步方案。應用VB[2，3]開發(fā)的“電力工程課程設計”CAI軟件的封面以功能主界面為背景，學生根據(jù)自己設計題目對應的賬號和密碼，登錄進入電力工程設計主界面如圖1。在電力工程課程設計CAI軟件的主界面中，通過樹狀菜單[2，3]可見每個一級菜單對應一個功能模塊，該模塊的功能由其二級菜單和顯示在主窗體中的相應圖標所示。通過雙擊二級樹狀菜單或圖標兩種不同方式進入二級菜單所示功能界面。

CAI的“設計資料查詢模塊”提供了設計任務原始資料（20個現(xiàn)場變電站電氣部分設計示例）、電力行業(yè)設計規(guī)范、設備電子手冊、主接線案例。其中設備電子手冊提供了設備名牌數(shù)據(jù)，為學生進行電器設備選型提供了資料支持。

CAI的“計算機輔助計算模塊”包括負荷計算、短路計算、電器設備自動選擇、保護整定計算。負荷計算、短路計算是通過分別建立數(shù)學模型制訂算法流程，編制通用的程序進行計算的。電器設備選擇主要根據(jù)設備選擇原則編程實現(xiàn)的。線路、變壓器保護整定計算主要根據(jù)短路計算結果和繼電保護整定計算原則編程實現(xiàn)的，指導教師應用CAI的“計算機輔助計算模塊”對所有設計題目進行預設計，將設計結果保存，用于校對學生設計結果的正確性。

CAI的“計算結果驗證查詢模塊”主要用于學生對設計負荷計算和短路計算中間結果的檢查和驗證，學生根據(jù)自己的設計進度，通過教師授權進入“計算結果驗證查詢模塊”，查看負荷計算、短路計算的計算結果的正確性。對于計算結果偏差較大的學生，教師重點指導，質疑其計算過程，檢查其計算方法。

二、設計資料查詢模塊

電力工程課程設計要求學生掌握電力負荷計算、主接線設計原則與案例、短路計算、電氣設備選擇原則、繼電保護設計與整定計算以及變電所設計規(guī)范等知識，并掌握設計題目的原始資料和任務要求。這些理論知識和設計任務以文本信息顯示出來。如圖2所示題目1的設計任務瀏覽界面。

通過建立電氣設備公共數(shù)據(jù)庫和電氣設備查詢界面，為學生提供了電氣設備電子手冊。[4]如圖3電子設備手冊有兩種查詢方式，一是按設備名稱和設備型號；另一種是按設備名稱。點擊“查詢”按鈕可以將數(shù)據(jù)庫中滿足查詢條件[5]的電氣設備顯示在界面中。

三、計算機輔助設計模塊

本文通過建立數(shù)學模型，編程實現(xiàn)了通用的負荷計算、短路計算程序。利用負荷計算和短路計算結果，根據(jù)不同類型繼電保護整定原則，編程實現(xiàn)了不同類型繼電保護的整定計算。根據(jù)電源進線信息、負荷用電信息和主接線設計信息，編程實現(xiàn)主接線的繪制。按電氣設備選擇原則和用戶界面輸入原始信息，編程自動選擇電氣設備。整個設計過程由負荷計算、主接線設計、短路計算、電氣設備選擇、繼電保護整定計算等先后順序組成。

1.數(shù)據(jù)庫的建立

應用Access分別建立公用數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫。公用數(shù)據(jù)庫（也稱設備名牌數(shù)據(jù)庫）是一些標準的設備參數(shù)，主要包括變壓器、架空線、電纜、電容器、電流互感器、電壓互感器和斷路器、隔離開關、熔斷器、母線等高低壓一次設備的型號和名牌參數(shù)。每一類設備作為公用數(shù)據(jù)庫中的一個表。公用數(shù)據(jù)庫用于電氣設備自動選擇和電氣設備手冊查詢，另外，公用數(shù)據(jù)庫中的變壓器、架空線和電纜線的參數(shù)為負荷計算和短路計算提供元件阻抗。

用戶數(shù)據(jù)庫對應于具體設計題目，主要包括負荷計算、短路計算及保護整定計算的用戶原始數(shù)據(jù)和計算結果。不同的原始數(shù)據(jù)和計算結果分別對應不同的表。用戶數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)由用戶輸入界面進行操作，計算結果顯示界面的數(shù)據(jù)不能修改。數(shù)據(jù)庫與輔助設計各模塊之間的連接關系如圖4所示。

2.理論計算模塊的實現(xiàn)

理論計算模塊包括負荷計算、短路計算及保護整定計算。[6，7]以負荷計算輸入界面和負荷計算結果輸出界面為例，見圖5。在輸入界面可以選擇數(shù)據(jù)輸入方式。如果選擇數(shù)據(jù)導入方式，可直接打開以文本形式保存的原始數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)讀入到用戶數(shù)據(jù)庫相應的表中，并顯示在輸入界面相應的DataGrid表格中；如果設計一個新的題目，需要輸入新的原始數(shù)據(jù)，可選擇手動輸入的方式。通過當前數(shù)據(jù)的操作，添加和刪除數(shù)據(jù)，也可將當前輸入的原始數(shù)據(jù)保存為文本文檔，以備下一次運行調用。原始數(shù)據(jù)輸入完畢，點擊“進行負荷計算”按鈕，執(zhí)行負荷計算程序，點擊“顯示計算結果”按鈕，進入輸出界面，顯示當前的負荷計算結果?？蓪Ξ斍坝嬎憬Y果進行保存，也可以利用導入數(shù)據(jù)功能瀏覽已保存的負荷計算結果。其他功能塊的輸入和輸出界面類似，在這里不一一列出。

3.設備選擇的基本原理

導線和電器設備的選擇是變電所設計的主要內容之一。電氣設備要能可靠地工作，必須按正常工作條件進行選擇，并且按短路條件進行穩(wěn)定校驗。各種電氣設備的選擇校驗項目匯總列于表1。每一個選擇和校驗項目都是兩個量的比較，見表1說明欄，因此根據(jù)理論計算模塊得到的設備正常電壓和計算電流、短路穩(wěn)態(tài)電流和沖擊電流，以選擇和校驗項目為條件，編程查詢數(shù)據(jù)庫中滿足正常和短路條件的電氣設備，各電氣設備選擇原則[8，9]見表1。

四、結束語

“電力工程課程設計”CAI軟件界面友好、操作方便靈活，輔助設計功能完善、通用性強。CAI軟件的資料查詢功能為學生提供了變電所電氣部分設計的詳細原始資料、技術資料和電氣設備電子手冊。CAI軟件的計算機輔助設計功能可以將不同設計題目的設計結果保存以供查閱或校對學生設計結果，使每一步設計方案的合理性和正確性得到及時檢查和指導，有效提高了課程設計的教學質量。

參考文獻：

[1]王艷松.電力工程[M].青島：中國石油大學出版社，2012.

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（責任編輯：王意琴）