电力系统分析仿真软件的应用

0引言

电力系统分析是高校电力类专业重要的专业基础课，其中的调压、潮流、短路计算等也是电力员工培训的重要内容。在教学与培训中，许多学员反映该课程系统性较强，有不少晦涩难懂的理论和大量繁琐的计算。考虑到电力行业的特殊性，建立可视化的电力系统分析仿真软件可以大大激发学员的学习兴趣，提高培训效果。

1本电力系统分析仿真软件的特点

1.1电力系统仿真软件的综述

随着我国经济和人民生活水平的迅速提高，电力需求大幅提高。电力系统仿真已成为电力系统研究规划和设计的重要手段，因此电力系统仿真软件的功能特性对于提高研究、设计的效率和可信性有重要作用。由于电力系统在国民经济中占有重要地位，一般都要用到多个数字仿真软件进行计算结果比较，主要有以下几种：

（1）邦纳维尔电力局开发的BPA程序和EMTP程序；

（2）曼尼托巴高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC程序；

（3）德国西门子公司研制的电力系统仿真软件NETOMAC；

（4）中国电力科学研究院开发的电力系统分析综合程序PSASP；

（5）MathWorks公司开发的科学与工程计算软件MATLAB[1-2]。

1.2仿真软件的设计思路和算法

为了提高学生对电力系统分析理论和实践应用的结合能力，加强就业的竞争力，并拓展电力企业服务和培训的空间，我们针对教学和培训开发了电力系统分析仿真软件，主要包括电力网数学模型、潮流计算、调压、短路电流计算等内容。本软件利用MATLAB语言，核心算法是在单台计算机的多个核上实现电网全局潮流联合的分布式计算方法，其计算速度相对单机单核要快得多。

①电网模型的建立通常给定的已知条件是：电力系统元件的型号、实验数据、容量、长度等参量，计算电网元件参数，得出导纳矩阵；

②电力系统功率调节和电压调整通常给定的已知条件是：参数调整滑块的调节量、电力系统元件的型号、实验数据、容量、长度等参量，系统中各电源和负荷节点的功率、平衡节点的电压和相位角，待求的运行状态参量为各节点的电压以及流经各元件的功率等。

③电力系统潮流计算：采用的是PQ分解法和前推回代法。可视化仿真计算电力系统在某一稳态的正常运行方式下，电力网络各节点的电压和支路功率的分布情况，通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷节点的功率、枢纽点电压、平衡节点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括各节点的电压及其相位角以及流经各元件的功率、网络的功率损耗等。

④电力系统短路电流计算：自动生成正序、负序、零序网络，计算故障电力系统的各种短路类型的短路电流。通常给定的已知条件是系统中各电源和负荷点设备的容量，待求的运行状态参量包括各节点的电压及其相位角以及流经各元件的功率、网络的功率损耗等。软件为学员提供了实验和仿真的平台，实现了全界面图形化、设备与设备属性资源管理化、操作与设计人性化和科学化。形象化显示实时运行结果，便于学生观察电力系统的各种正常状态、不正常状态；按电力系统的结构进行搭建电网模型；仿真软件在运行时，可以自由任意改变设备的开关状态，单击滑块可分级改变设备的各种参数；在一张仿真电力接线图上可以设计、显示、运行、保存、预览多种电力系统运行状态和故障状态。

2电力系统分析仿真软件在学历教学中的应用

针对不同的教学对象，我们设置了便利的操作和电网综合数据库管理界面。比如对高校的学生我们设置了B类元件库，学生可以根据书本提供的系统图中的元件输入各种电气元件的参数，比如导线的阻抗、导纳、基准电压；变压器的各侧额定电压、额定容量、短路损耗、短路电压百分数、分接头数等。电力系统分析仿真软件就可以计算电力系统各元件的参数、构建电网模型的功能、分析电力系统电力传输功能、电力系统潮流计算功能、分析电力系统无功功率平衡和电压调节功能、自动生成电力系统各序阻抗网络、计算各种类型的电力系统短路电流，计算电力系统中各运行点的各序电压。以教学中常用的电力系统调压为例。

有一简单电力系统，参数如下：发电机出口电压为10.5kV，高压输电线路的额定电压为110kV，长度为80km，采用LGJ185型导线，变压器的额定电压为110/11kV，容量为15MVA，空载损耗为40.5kW，短路损耗为128kW，短路电压百分数为10.5，空载电流百分数为3.5，原始负荷功率为Sb=28+j10MVA和Sc=20+j15MVA，现在负荷增加到Sb=32+j12MVA和Sc=24+j15MVA，问应如何调整用户b、c点的电压？利用本仿真软件可以方便计算和分析出各种调压措施对负荷点电压的影响。首先学生根据题目的要求建立电力系统的拓扑图如图1所示，然后输入各种元件的电气参数（以输电线为例如图2所示），最后设计了共计6个滑块。滑块是一种图形单元（如图3所示），可以放到图纸上，并可以对图纸上的某一个图元的一种参数进行微调，它是一对一的调整，主要用于频繁调整某固定参数使用，在属性设置中对图元名、属性名、最大档、最小档、每档值、大小尺寸进行设置。

从而可以让此滑块知道要控制那一个图元单元，从而在运行状态下，可以微调此滑块指定的图形单元的参数。拓扑图从左至右第一个滑块代表了可调节发电机的端电压（变化范围为10.5~11kV）；第二和第四个滑块代表了升、降压变压器的分接头档位：其中5档变压器分接头值为+2*2.5%，4档变压器分接头值为+1*2.5%，3档为变压器的主抽头，2档变压器分接头值为-1*2.5%，1档变压器分接头值为-2*2.5%；第三个滑块代表了可调节线路的阻抗（变化范围为80~60km），第五、六个滑块代表了可调节负荷的有功和无功；另外可通过无功补偿装置前的开关控制是否投入。仿真软件可以直观地把各种计算数据展示在程序界面上，把比较结果导出后可形成表1。从上述示例中可发现，利用电力系统分析仿真软件在教学中可以避免大量繁琐的计算，学生可以通过软件计算出的结果更好地加深理论理解，丰富学生的专业技能，培养学生电力系统运行、调度的基本能力，提升学生的就业竞争力。

3电力系统分析仿真软件在培训中的应用

针对电力在职职工的技能培训，本软件用电网综合数据库来存取所有的相关信息，包括A类元件库和图形拓扑结构数据库。拓扑中的顶点就是由母线来组成，拓扑的关系由电线、变压器来组成；有了点与线那么一张网络拓扑就形成了。所以形成的流算法所需要的矩阵也就可以组合而成了。画图的组成也是用电线来连接母线。电线的两端、变压器的两端三端连着的是母线。那么输电线、双卷变压器、三卷变压器的端点处连接的都是母线［3］。

按照各图形类的继承关系，又考虑到发电厂和母线潮流走向的区别，将数据表分为母线数据表、线路数据表和发电厂数据表，分别存储母线信息，包括节点电压、节点负荷等；线路信息，包括两节点间线路的潮流、首末端节点名称等；发电厂信息，包括所连节点名称、发电功率等。学员不需要输入各种线路、变压器等电气元件的参数，只需输入设备的型号系统就自动生成其阻抗、导纳、容量等电气参数。电力系统分析仿真软件具有电力系统潮流计算和短路电流计算功能。本软件构建的某系统潮流如图4所示，学员可以对各个开关进行变位，或者利用滑块调节发电机、变压器分接头位置，从而观察软件可视化界面的潮流数据的变化，特别注意电气参数有无越限，最后确定合理经济的系统运行方式。本软件的潮流计算可以计算多个平衡点的电网潮流计算。软件在计算电力系统故障时能够自动生成电力系统的正序、负序、零序网络，可以仿真各种电力系统正常的运行状态和各种电力系统故障状态，为电力员工提供了培训和研究的平台。

4结束语

利用电力系统分析仿真软件可以将原本抽象和繁琐的大量理论知识用可视化界面展现出来，更加与电力生产的真实工作场景贴近，可以让学员直观地接受。另外以仿真软件为科研平台，积极开展产学研合作，不断加强教师的科研水平，深入浅出，达到提高教学和培训效果的目标。

作者：连小洲 刘晓东   单位：江西电力职业技术学院 国网赣州供电公司