電力系統(tǒng)分析課程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐萬萬 王 琦

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

0 引言

電力系統(tǒng)分析是電氣工程相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)核心課程，不僅需要培養(yǎng)專業(yè)理論知識(shí)，也需要培養(yǎng)實(shí)踐和綜合素質(zhì)。在不增加實(shí)驗(yàn)物理設(shè)備的情況下，利用虛擬仿真和專業(yè)軟件仿真技術(shù)可以解決上述問題。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD可提供各類電機(jī)、線纜、負(fù)荷、變壓器等電力系統(tǒng)常見模型，常作為電力制造企業(yè)做產(chǎn)品研發(fā)或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目。本文結(jié)合PSCAD/EMTDC和“110kV變電站主設(shè)備高壓試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，重新設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅可以保證學(xué)生疫情中線上實(shí)踐教學(xué)，而且也可以作為線下實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)課程。

1 PSCAD/EMTDC在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

潮流計(jì)算是指在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、元件參?shù)和發(fā)電、負(fù)荷參量條件下，計(jì)算有功功率、無功功 率及電壓在電力網(wǎng)中的分布，是電力系統(tǒng)分析中最基本也是最重要的一種計(jì)算。它可以為繼電保護(hù)和電力系統(tǒng)故障計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、設(shè)計(jì)規(guī)劃等提供原始數(shù)據(jù)，一般在規(guī)劃和安排系統(tǒng)運(yùn)行方式時(shí)采用離線潮流計(jì)算，在電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控中采用在線潮流計(jì)算。PSCAD/EMTDC仿真軟件可以模擬復(fù)雜電力系統(tǒng)，包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)，潮流顯示直觀，使用簡單。

以典型IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)為例，結(jié)構(gòu)如圖1所示，給出具體的系統(tǒng)參數(shù)，由軟件獲取各個(gè)母線和節(jié)點(diǎn)的潮流分布。

系統(tǒng)搭建完成，參數(shù)設(shè)置完成，仿真運(yùn)行潮流結(jié)果自動(dòng)顯示在各母線和節(jié)點(diǎn)上，通過示波器可以查看波形，結(jié)果直觀，曲線圖上不僅可以看到各個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，也可以直接判斷系統(tǒng)是否可以問題運(yùn)行。學(xué)生自己操作完成，可以一目了然地看到各支路電流及各節(jié)點(diǎn)電壓分布。后續(xù)也可以在此基礎(chǔ)上設(shè)置短路類型，完成暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

圖1 典型IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)

仿真實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在課上得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生積極性較高，提問題踴躍，老師可以根據(jù)學(xué)生運(yùn)行結(jié)果給分，當(dāng)運(yùn)行有誤時(shí)，老師可以直接反饋給學(xué)生，幫助其找到原因并改正，對(duì)學(xué)生幫助更大。另外，實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束，教師可以根據(jù)學(xué)生仿真文件結(jié)果和合理設(shè)計(jì)的問卷調(diào)查了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，方便及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，持續(xù)改進(jìn)。

2 虛擬仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

2．1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目-電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)運(yùn)行

2013年國家教育部印發(fā)了《關(guān)于開展國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工程的通知》（教高廳函〔2015〕24號(hào)）指出“虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容，是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物”虛擬仿真平臺(tái)選用我校開發(fā)設(shè)計(jì)的“110 kV變電站主設(shè)備高壓試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”（見圖2），該仿真模型和我校電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室400 V物理縮比實(shí)驗(yàn)設(shè)備一致[6]。

實(shí)驗(yàn)包括：主設(shè)備認(rèn)知、知識(shí)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告四部分組成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：電力系統(tǒng)功率特性和靜態(tài)功率極限實(shí)驗(yàn)和電力系統(tǒng)暫態(tài)傳輸極限研究。

2.1.1 主設(shè)備認(rèn)知

“110 kV變電站主設(shè)備高壓試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”包含實(shí)際電力系統(tǒng)主設(shè)備110 kV變壓器動(dòng)態(tài)拆解圖如圖3所示。電力長途傳輸中，變壓器擔(dān)當(dāng)重要角色，變壓器內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)也無法了解變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以通過虛擬仿真中的動(dòng)態(tài)拆解圖可以方便認(rèn)知。

圖2 110 kV變電站主設(shè)備高壓試驗(yàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

圖3 主設(shè)備動(dòng)態(tài)拆解圖

2.1.2 知識(shí)預(yù)習(xí)

在實(shí)驗(yàn)前，需要提前預(yù)習(xí)電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整、電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整章節(jié)內(nèi)容，明確電力系統(tǒng)頻率和電壓調(diào)整措施、有功功率和無功功率負(fù)荷優(yōu)化分配機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)考核

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中有詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟，每位學(xué)生均可以一步步操作后得到理想結(jié)果，擺脫了實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備臺(tái)套數(shù)限制學(xué)生無法都能實(shí)際動(dòng)手操作。

2.1.4 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

由于選用其他學(xué)校虛擬仿真系統(tǒng)無法直接獲取學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以采用上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式考察學(xué)生學(xué)習(xí)情況。因?yàn)檎麄€(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程均由學(xué)生自主控制，是學(xué)生獨(dú)立操作的結(jié)果，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)室是帶著興趣和問題去學(xué)習(xí)，可以主動(dòng)把理論與實(shí)際聯(lián)系起來，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由自己根據(jù)理論值來評(píng)定分析，最后獨(dú)立完成綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)與反饋

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，傳統(tǒng)考核方式是給出的實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)作為學(xué)生課程期末成績的一部分，占10%，根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這部分成績對(duì)總成績影響有限，得不到學(xué)生的足夠重視，如果單獨(dú)對(duì)實(shí)驗(yàn)成績考評(píng)才能形成學(xué)生綜合素質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)。考核方式可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難易程度設(shè)置比例系數(shù)進(jìn)行加權(quán)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

目前，利用該方案在武漢科技大學(xué)校內(nèi)開展了面向電氣工程及其自動(dòng)化本科專業(yè)電力系統(tǒng)分析課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生反饋效果顯著。

（1）節(jié)約虛擬仿真類軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用和周期，減少專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備購置，有利于學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)高效利用。

（2）提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，學(xué)生在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)已經(jīng)在通過虛擬仿真學(xué)習(xí)相關(guān)理論和操作知識(shí)，完成方案設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)過程中可以更關(guān)注遇到的問題和結(jié)果分析，完成速度快，質(zhì)量高。

（3）提高實(shí)踐創(chuàng)新型人才培養(yǎng)質(zhì)量。設(shè)計(jì)項(xiàng)目只規(guī)定了目的和可學(xué)習(xí)資源，學(xué)生有很大的自主選擇范圍，特別在PSCAD/TMEDC仿真設(shè)計(jì)階段，加入自主設(shè)計(jì)的電源或負(fù)載完成，幫助學(xué)習(xí)開拓創(chuàng)新。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)分析課程理論性和實(shí)踐能力均要求較高，涉及的知識(shí)面廣，僅僅通過等比例縮小的400V物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的性能。通過加入基于PSCAD/EMTDC專業(yè)仿真軟件和3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，可以加大實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)信息量，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性，取得了較好的教學(xué)效果，也為培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力復(fù)合型人才打下基礎(chǔ)。