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

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虛擬仿真實驗教學(xué)逐步地與理論教學(xué)相結(jié)合彌補(bǔ)了電力系統(tǒng)物理實驗平臺的造價過高和實驗具有破壞性的不足。結(jié)合電氣工程專業(yè)的特點，本文探討電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(ADPSS)在實驗教學(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)的潮流計算、短路計算和暫態(tài)穩(wěn)定計算，豐富了教學(xué)內(nèi)容，作為一種重要的輔助教學(xué)手段，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實踐及創(chuàng)新能力。

電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置；虛擬仿真實驗教學(xué)；工程實踐

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(jìn)行電網(wǎng)運行特性研究和各類控制保護(hù)設(shè)備的驗證，達(dá)到避免大停電事故﹑保障電力系統(tǒng)安全運行的目的。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)并行計算技術(shù)，并對進(jìn)程進(jìn)行實時和同步控制，實現(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(xué)體系的建立，如何根據(jù)電力系統(tǒng)實際運行情況，尋求實際應(yīng)用技術(shù)與仿真教學(xué)的最佳結(jié)合點，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)運行與控制，電力系統(tǒng)分析計算等課程緊密聯(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)潮流計算﹑短路計算﹑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)知識與工程實踐相結(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)潮流計算需要數(shù)據(jù)。學(xué)生掌握潮流計算中各個節(jié)點類型及其設(shè)置原則，引導(dǎo)學(xué)生思考一個系統(tǒng)中哪些節(jié)點需設(shè)置成平衡節(jié)點，哪些是PQ節(jié)點，哪些是PV節(jié)點，并且根據(jù)結(jié)點類型輸入相應(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，選取有無功調(diào)節(jié)能力的電廠作為PV節(jié)點，其他節(jié)點作為PQ節(jié)點。

2.2 基于PSASP的潮流計算

PSASP系統(tǒng)提供了五種潮流算法，分別定義5個潮流作業(yè)，比較各個作業(yè)計算迭代次數(shù)﹑計算時間和結(jié)果。在電網(wǎng)運行過程中，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)的典型運行方式，反映的是基于同一個電網(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潮流作業(yè)，就可以對不同運行方式的潮流分布進(jìn)行分析。在這個過程中，學(xué)生可以選擇結(jié)果輸出的數(shù)據(jù)類型和輸出對象。

2.3 基于PSASP的短路計算

電力系統(tǒng)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(wǎng)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(tǒng)的短路電流計算，以及電網(wǎng)的正﹑負(fù)﹑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(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行掃描計算，以報表或曲線方式輸出。從結(jié)果輸出中，學(xué)生學(xué)習(xí)到不同短路類型對系統(tǒng)造成的影響和采用戴維南等值阻抗計算后的正序﹑負(fù)序和零序的阻抗值和阻抗角，有助于理解不對稱短路計算的對稱分量法的應(yīng)用。

2.4 基于PSASP的暫態(tài)穩(wěn)定計算

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)遭受大干擾時，各同步發(fā)電機(jī)保持同步運行并過渡到新的或恢復(fù)到原來運行狀態(tài)的能力 [3]。理論教學(xué)中的穩(wěn)定概念十分抽象，在實際的大電網(wǎng)中進(jìn)行真正的打擾動實驗的機(jī)會又很小，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)定計算，學(xué)生可以直觀地看到各個發(fā)電機(jī)的搖擺曲線圖，通過圖形觀看各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間相對角度隨時間是否逐漸衰減，系統(tǒng)是否回到擾動前的運行狀態(tài)，或者過渡到一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。設(shè)計任務(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元件的基本最優(yōu)，勵磁控制，并且獲得輸出的波形。

3 實驗考核環(huán)節(jié)

如何合理的進(jìn)行考核是實驗教學(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)與理論知識結(jié)合掌握程度最為考核的一部分，并不是簡單的要求學(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實驗的各個步驟以及所需要的各項參數(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算方法，考核過程中，對于學(xué)生能夠更多的掌握不同任務(wù)間的區(qū)別和對于系統(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)以實驗的各種報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，實時評分。與此同時，鼓勵學(xué)生完成創(chuàng)新性實驗，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)分析計算﹑繼電保護(hù)整定和調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計等?？梢苑抡婺Ｐ统鱿到y(tǒng)的實際的運行狀態(tài)﹑各種故障和擾動對于系統(tǒng)的影響。學(xué)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(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[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.