PSD-BPA在電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)中的應(yīng)用

曹喜民 陳國(guó)初 張延遲

摘 ?要 電力系統(tǒng)分析課程概念抽象，難以將實(shí)際操作與演示應(yīng)用于課堂教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。針對(duì)存在的問(wèn)題，將電力系統(tǒng)仿真軟件PSD-BPA應(yīng)用在教學(xué)中，搭建IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)仿真模型，對(duì)課程中潮流計(jì)算與暫態(tài)穩(wěn)定分析兩大知識(shí)模塊進(jìn)行具體操作。實(shí)踐證明，利用PSD-BPA輔助教學(xué)能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)學(xué)生分析與解決問(wèn)題能力的提高有一定的積極作用。

關(guān)鍵詞 PSD-BPA;電力系統(tǒng)分析;仿真軟件;潮流計(jì)算

中圖分類號(hào)：G642.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）12-0039-03

Application of PSD-BPA in Teaching of Power System Analysis Course//CAO Ximin， CHEN Guochu， ZHANG Yanchi

Abstract Owing to the abstract conceptions of power system analy-

sis course， it is difficult to apply practical operations and demonstra-tions to classroom teaching， which leads to the low enthusiasm of

students. Aiming at the existing problems， the power system simula-

tion software PSD-BPA is applied in teaching， and the IEEE 3-

machine 9-node power system simulation model is built. The two

knowledge modules of power flow calculation and transient stability analysis are operated in the course. Practice has proved that PSD-BPA assisted teaching can improve students enthusiasm for learning，

and it has a positive effect on the improvement of students analytical

and problem-solving ability.

Key words PSD-BPA; power system analysis; simulation software; power flow calculation

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人民群眾物質(zhì)生活水平有了較大提高，對(duì)電力的需求也越來(lái)越大，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來(lái)越大。由于電力系統(tǒng)自身對(duì)安全性的要求較高，規(guī)模較大，系統(tǒng)復(fù)雜性的特點(diǎn)，不太可能將實(shí)際電力系統(tǒng)引入課堂實(shí)踐教學(xué)中。電力系統(tǒng)分析是電氣工程專業(yè)的一門主干課程，傳統(tǒng)的教學(xué)以講授為主，注重公式推導(dǎo)與基本概念的掌握，因此，學(xué)生常感覺(jué)知識(shí)抽象，提不起興趣，對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的理解不夠深入。

針對(duì)課堂教學(xué)存在的問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出將電力系統(tǒng)仿真軟件應(yīng)用于相關(guān)課程的課堂教學(xué)中，并對(duì)其在教學(xué)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議。文獻(xiàn)[2]提出在學(xué)生校內(nèi)實(shí)習(xí)中應(yīng)用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD作為輔助手段，在保證教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，彌補(bǔ)電力系統(tǒng)校內(nèi)實(shí)習(xí)的不足。文獻(xiàn)[3]指出將以問(wèn)題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)模式應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真教學(xué)中，更易激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維。文獻(xiàn)[4]在對(duì)電力系統(tǒng)仿真軟件PSASP進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用在電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)中，取得較好的課堂效果。由于仿真軟件PSD-BPA具有可視化程度高，界面友好，能夠把電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況直觀形象地表示出來(lái)等優(yōu)點(diǎn)，其在電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

針對(duì)電力系統(tǒng)分析課程概念抽象，無(wú)法進(jìn)行實(shí)際操作的問(wèn)題，將PSD-BPA應(yīng)用到課堂教學(xué)中，在講解理論知識(shí)的同時(shí)，利用仿真軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)有一個(gè)相對(duì)直觀感性的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。本實(shí)驗(yàn)利用PSD-BPA仿真軟件搭建IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)仿真模型，對(duì)潮流分析與暫態(tài)穩(wěn)定分析的實(shí)際操作方法進(jìn)行介紹，通過(guò)讓學(xué)生動(dòng)手操作，加深學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)分析潮流計(jì)算與暫態(tài)分析的理解與認(rèn)識(shí)，為學(xué)生的畢業(yè)實(shí)習(xí)和電網(wǎng)公司實(shí)習(xí)打下一個(gè)很好的基礎(chǔ)，能夠更好地完成本課程的教學(xué)目標(biāo)。

2 PSD-BPA仿真軟件

PSD電力系統(tǒng)分析工具（PSD Power Tools）簡(jiǎn)稱PSD，

由中國(guó)電力科學(xué)研究院系統(tǒng)所提供，具有常規(guī)電力系統(tǒng)的線路、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、變壓器及高壓直流輸電等系統(tǒng)基礎(chǔ)模型，新能源發(fā)電如雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與光伏發(fā)電等模型，功能強(qiáng)大，包括電力系統(tǒng)潮流分析與暫態(tài)穩(wěn)定分析計(jì)算、無(wú)功優(yōu)化、小干擾穩(wěn)定性分析、電壓穩(wěn)定性分析等軟件包，在電力系統(tǒng)分析中應(yīng)用非常廣泛。無(wú)論是我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃，還是穩(wěn)定運(yùn)行，PSD-BPA都發(fā)揮了重要作用。

3 PSD-BPA在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

仿真模型 ?本文以IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搭建仿真模型。該模型由三臺(tái)發(fā)電機(jī)模型、三個(gè)負(fù)荷模型、三臺(tái)變壓器模型、六條線路模型組成，負(fù)荷分布在母線A、母線B、母線C上，設(shè)置發(fā)電機(jī)1為平衡機(jī)組，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

潮流分析計(jì)算 ?潮流分析計(jì)算在電力系統(tǒng)分析課程中是基礎(chǔ)而又非常重要的內(nèi)容。BPA通過(guò)輸入程序控制語(yǔ)句、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和老庫(kù)文件，進(jìn)行潮流計(jì)算，輸出計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果文件包括結(jié)果輸出打印所學(xué)要的文件、新庫(kù)文件與畫(huà)潮流圖所需要的結(jié)果文件。利用程序控制語(yǔ)句來(lái)指定作業(yè)及工程名字、潮流計(jì)算方法、輸入輸出文件的設(shè)置等。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)主要包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、支路數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置潮流求解算法為牛頓-拉夫遜算法，先采用PQ分解法迭代兩次，再用牛頓-拉夫遜算法迭代15次，輸出系統(tǒng)中全部潮流分析結(jié)果。指定潮流分析結(jié)果二進(jìn)制結(jié)果文件為“IEEE90.BSE”，供后續(xù)穩(wěn)定分析程序使用;指定MAP文件為“IEEE90.MAP”，供后續(xù)潮流圖程序使用。將1號(hào)發(fā)電機(jī)設(shè)置為平衡機(jī)，將計(jì)算潮流所需要的支路數(shù)據(jù)、母線數(shù)據(jù)與變壓器數(shù)據(jù)按潮流填寫(xiě)格式填到相應(yīng)的位置。

由潮流計(jì)算過(guò)程迭代信息可知系統(tǒng)共迭代五次，經(jīng)過(guò)兩次迭代已經(jīng)計(jì)算出最終結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果顯示，平衡機(jī)組發(fā)電機(jī)1的電壓為1.01 pu，有功出力為105.41 MW，無(wú)功出力為43.67 MVar。表1為線路的功率損耗情況。由表1可知，變壓器的有功損耗為零，無(wú)功損耗分別為7.24 MVar、

17.19 MVar、4.32 MVar，發(fā)電機(jī)共發(fā)出353.4 MW的有功功率、99.5 MVar的無(wú)功功率，系統(tǒng)共損耗3.4 MW的有功，23.5 MVar

的無(wú)功，負(fù)荷共用350 MW的有功功率、175 MVar的無(wú)功功率。各個(gè)線路的潮流、發(fā)電機(jī)的出力等具體情況如圖2所示。

暫態(tài)穩(wěn)定分析 ?BPA穩(wěn)定分析軟件可以對(duì)系統(tǒng)在各種擾動(dòng)下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的強(qiáng)有力的工具。該穩(wěn)定分析軟件將微分方程線性化后利用隱式梯形積分法求解，網(wǎng)絡(luò)方程采用導(dǎo)納陣三角分解后迭代求解。穩(wěn)定分析前需要將潮流計(jì)算結(jié)果文件、穩(wěn)定數(shù)據(jù)文件與穩(wěn)定庫(kù)文件輸入。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置母線A-母線1線路在100周波發(fā)生短路故障，在101周波故障消除。

輸出部分可進(jìn)行靈活設(shè)置，有選擇性地將母線、發(fā)電機(jī)、線路、直流、串補(bǔ)等相關(guān)變量輸出到文本文件和曲線文件，尋找最大功角差、最低母線電壓，計(jì)算振蕩頻率、阻尼比等。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輸出部分設(shè)置為輸出主要母線電壓與頻率偏差、三臺(tái)發(fā)電機(jī)的速度偏差、線路有功與無(wú)功功率。部分穩(wěn)定分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，線路傳輸功率發(fā)生不同程度的波動(dòng)，當(dāng)故障消除后，均能恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。故障情況下發(fā)電機(jī)功角變化如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角也隨之發(fā)生變化。

4 結(jié)語(yǔ)

不斷進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑。本文將電力系統(tǒng)仿真軟件PSD-BPA引入課堂教學(xué)中，使學(xué)生將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)際操作相結(jié)合。在搭建IEEE 3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)潮流計(jì)算及暫態(tài)穩(wěn)定分析進(jìn)行實(shí)際操作，結(jié)合理論知識(shí)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行講解。實(shí)踐表明，將仿真軟件引入課堂教學(xué)，通過(guò)讓學(xué)生動(dòng)手操作，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)提高學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力也起到較好的作用。

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