電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法改革研究

朱 慧

(青島科技大學(xué) 自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東 青島 266042)

1 課程介紹

《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》是電力系統(tǒng)專業(yè)方向課程模塊的核心課程，是技術(shù)理論課，實(shí)驗(yàn)課程占有非常重要的地位。其實(shí)驗(yàn)課程傳統(tǒng)上采用物理實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)有接近實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等突出的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)少、靈活性差和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受限的缺點(diǎn)，導(dǎo)致許多實(shí)驗(yàn)只能演示，學(xué)生不能實(shí)際操作。本文探討該實(shí)驗(yàn)課程的新的教學(xué)方式方法，如將仿真軟件應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以期進(jìn)一步提高這些實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果。而中國(guó)目前常用的電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真軟件如PSASP、BPA等在電能質(zhì)量方面的建模精度、算法收斂性等方面的選擇都比較單一。國(guó)際通用的電力系統(tǒng)仿真軟件ETAP是一種功能全面的綜合型電力及電氣分析計(jì)算軟件，能為電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、運(yùn)行、模擬提供全面的分析平臺(tái)和解決方案，并且提供了更為方便的建模方法和分析算法，利用ETAP軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需點(diǎn)擊相應(yīng)的功能模塊按鈕，并進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)置，即可獲得分析結(jié)果，分析結(jié)果較一般電力系統(tǒng)分析軟件更準(zhǔn)確、快速和智能化，且結(jié)果可以以直接顯示、文本報(bào)告的形式等多種形式直觀地輸出。可見(jiàn)，將ETAP軟件應(yīng)用于仿真實(shí)驗(yàn),并將研究結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，具有很好的價(jià)值[1-3]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)

ETAP可以提供完整的圖形和編輯器, 以最簡(jiǎn)潔的方式對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，且能快速而準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果能以多種形式直觀地輸出。下面通過(guò)電壓調(diào)整仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)展示ETAP仿真軟件是如何應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的。[1]

2.1 運(yùn)用ETAP仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模

圖1 系統(tǒng)仿真模型

圖2 潮流仿真結(jié)果圖

在利用ETAP軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)之前，首先要建立系統(tǒng)的仿真模型。本次的建模仿真，需要的元件包括發(fā)電機(jī)、變壓器、靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器、母線、導(dǎo)線。在左側(cè)的元件欄里找到相應(yīng)的元件，鼠標(biāo)左鍵單擊，然后拖拽到圖紙OLV1(Edit Mode)上。每個(gè)元件都有可供連接的端子，一般是紅色的，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊連接端子，然后拖動(dòng)另一個(gè)元件的連接端子，根據(jù)任務(wù)書中的接線圖依次連線，已建立的單線圖如圖1所示。

系統(tǒng)中各元件的參數(shù)取自文獻(xiàn)[2]。系統(tǒng)建模完成后，就可以進(jìn)行潮流分析了。之所以要潮流分析，是因?yàn)榭梢缘贸龈鱾€(gè)母線的電壓。在ETAP軟件的編輯界面，從上往下數(shù)，第四排就是“Model”工具欄，點(diǎn)擊第一個(gè)“Load Flow Analysis”按鈕切換到潮流分析模式，上面一排就會(huì)出現(xiàn)“Load Flow Analysis Study”工具欄，點(diǎn)擊“Edit Study Case”，打開(kāi)潮流分析案例編輯器。這個(gè)編輯器有五個(gè)欄，需要設(shè)置一下才能進(jìn)行潮流分析。

把這個(gè)潮流分析案例編輯好之后，點(diǎn)擊右側(cè)工具欄第一個(gè)“Run Load Flow”按鈕，ETAP軟件就會(huì)進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果會(huì)顯示在系統(tǒng)的建模圖上，如圖2所示。

通過(guò)ETAP軟件的仿真分析數(shù)據(jù)，可以直觀地看到有些母線電壓質(zhì)量不合格，需要采取一些措施對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整。而在通常采用的物理實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行電壓調(diào)整實(shí)驗(yàn)時(shí)需要將一些設(shè)備投入或切除，實(shí)驗(yàn)電壓比較高，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)有一定的潛在危險(xiǎn)，另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不太直觀。下面通過(guò)ETAP軟件仿真實(shí)驗(yàn)展示仿真試驗(yàn)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.2 運(yùn)用ETAP仿真軟件對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行調(diào)整

2.2.1 改變發(fā)電機(jī)端電壓進(jìn)行調(diào)壓

當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓升高6%。雙擊圖中最左邊的發(fā)電機(jī)，打開(kāi)發(fā)電機(jī)的編輯頁(yè)面。現(xiàn)在要將原來(lái)的額定電壓10.5 kV提高百分之六，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出為11.13 kV，在發(fā)電機(jī)編輯頁(yè)面的“額定”欄中將電壓改為11.13 kV。這樣所示就完成了將發(fā)電機(jī)端電壓升高百分之六的操作。然后點(diǎn)擊右側(cè)運(yùn)行潮流的按鈕即可將調(diào)整后的變壓器中壓側(cè)的電壓計(jì)算出來(lái)了。具體計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 改變發(fā)電機(jī)端電壓進(jìn)行調(diào)壓的仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)于調(diào)壓前后中壓側(cè)電壓的比較我們可以看出，經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)端電壓升高6%后，中壓側(cè)電壓由原來(lái)的41.848 kV，升高到了43.581 kV，電壓的變化量為1.733 kV。

2.2.2 改變變壓器變比進(jìn)行調(diào)壓

圖4 改變變壓器變比后的潮流仿真結(jié)果

在將變壓器的變比減小2.5%之前，我們需要將上一步已經(jīng)調(diào)整了的發(fā)電機(jī)端電壓再調(diào)整回來(lái)。這樣做是為了保證變量的唯一性，在這次的仿真中只有變壓器的變比是發(fā)生了變化的。雙擊圖中唯一一個(gè)三相變壓器，在打開(kāi)的編輯頁(yè)面選擇“變比”欄，可以看到一次側(cè)、二次側(cè)和三次側(cè)的變比都可以調(diào)節(jié)，在此我們只調(diào)節(jié)一次側(cè)的變比，在“Prim”后面的“%Tap”欄里輸入2.5%可，調(diào)壓結(jié)果參見(jiàn)圖4。通過(guò)對(duì)于調(diào)壓前后中壓側(cè)電壓的比較我們可以看出，經(jīng)過(guò)變壓器的變比減少2.5%后，中壓側(cè)電壓由原來(lái)的41.848 kV，減少到了41.103 kV，電壓的變化量為0.745 kV。

2.2.3 改變無(wú)功功率分布進(jìn)行調(diào)壓

將變壓器與發(fā)電機(jī)都調(diào)整為最初的量，雙擊圖中的電容器，在編輯頁(yè)面的“額定”欄中將無(wú)功功率從15Mvar改為25Mvar，點(diǎn)擊“確定”按鈕就完成了對(duì)電容器的設(shè)置。潮流計(jì)算結(jié)果如圖5所示。通過(guò)對(duì)于調(diào)壓前后中壓側(cè)電壓的比較我們可以看出，經(jīng)過(guò)增加10Mvar無(wú)功功率后，中壓側(cè)電壓由原來(lái)的41.848 kV，增加到了42.88 kV，電壓的變化量為1.032 kV。

圖5 改變無(wú)功功率分布后的潮流仿真結(jié)果

3 結(jié)論

本文首先探討了ETAP仿真軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，通過(guò)ETAP軟件仿真實(shí)驗(yàn)，使得相關(guān)教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了直觀可視化效果，教學(xué)效果反饋也表明學(xué)生對(duì)相關(guān)概念方法的理解更加迅速、概念更加清晰，充分體現(xiàn)了ETAP仿真軟件在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，這種教學(xué)方法不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能使學(xué)生更加深刻理解電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，達(dá)到事半功倍的效果。