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【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)分析 教學方法 實踐經(jīng)驗

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0230-01

電力系統(tǒng)分析課程是各高等院校電氣工程及其自動化專業(yè)的核心專業(yè)課程，是該專業(yè)學生知識體系的重要組成部分，同時也是該專業(yè)學生畢業(yè)后工作或深造的必修課程。但是，對于電力系統(tǒng)分析課程而言，該課程涉及的知識面廣，對電路原理、電機學、電力電子技術(shù)等先修課程的要求較高，同時，近年來世界范圍內(nèi)智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，各種新技術(shù)層出不窮，這些因素都給課程體系的優(yōu)化設計提出了更高的要求。要求該課程在有限的課時內(nèi)，基于多門先修課程的基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)講授電力系統(tǒng)靜態(tài)分析方法，并結(jié)合新興技術(shù)提高學生學習興趣與專業(yè)技能。

1教材的選擇

1.1國外經(jīng)典教材

現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析與控制起源于國外，國外的電力系統(tǒng)研究者和教學工作者在幾十年的發(fā)展過程中積累了大量的寶貴經(jīng)驗，也出版了多本經(jīng)典教材，如Robert H. Miller等編著的《Power System Operation》、Turan Gonen編著的《Modern Power System Analysis》、Prabha Kundur編著的《Power System Stability and Con？鄄trol》等。這些教材對電力系統(tǒng)分析的理論講解透徹，深入淺出，且經(jīng)過幾十年時間的檢驗，其教學價值得到廣泛的認可。

雖然國內(nèi)外電力系統(tǒng)分析的基本原理是相同的，但是由于電力系統(tǒng)運行機制的不同，國外教材對培養(yǎng)我國電力系統(tǒng)人才具有一定的局限性。此外，由于電力系統(tǒng)分析課程主要針對本科二、三年級的學生，完全使用國外經(jīng)典教材進行雙語或全英授課難度較大。

1.2國內(nèi)經(jīng)典教材

國內(nèi)的高校雖然較國外高校而言在現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析領(lǐng)域的教學起步較晚、差距較大，但是近年來在國家政策的大力扶持下，取得了快速的發(fā)展。同時，也形成了幾本優(yōu)秀的教材，如東南大學陳衍編著的《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》、華中科技大學何仰贊等編著的《電力系統(tǒng)分析》、四川大學劉天琪等編著的《電力系統(tǒng)分析理論》等。這些教材從簡單知識入手，由淺入深，分析透徹，自成體系。

針對國內(nèi)本科電力系統(tǒng)分析教學的現(xiàn)狀，可以選擇國內(nèi)出版的講解清晰、全面的教材為主線，并以國外經(jīng)典教材為輔助。

2.教學方法的改進

電力系統(tǒng)分析課程作為電氣工程及其自動化專業(yè)核心課程，對電路原理、電機學等基礎(chǔ)先修課程的要求較高，且由于電力系統(tǒng)設備大多屬于高壓設備，對實驗室資金投入的要求較高，國內(nèi)只有少數(shù)幾所高校具備開展電力系統(tǒng)動模實驗的條件。如果僅僅按照教材照本宣科，學生很難深入理解和掌握相關(guān)領(lǐng)域的知識。因此，在理論教學實踐中，穿插教材中所缺乏的仿真實驗，并結(jié)合生活實際經(jīng)驗講解相關(guān)原理，可以更好地幫助學生掌握理論知識。

2.1計算機仿真輔助教學

MATPOWER是一款基于MATLAB的開源電力系統(tǒng)仿真軟件，具有操作簡單、運行結(jié)果可靠等優(yōu)點，可以滿足一般電力系統(tǒng)計算和分析的需要，進行簡單講解后學生即可獨立操作，作為對理論教學的輔助。

例如，在電力系統(tǒng)電壓調(diào)整章節(jié)，根據(jù)如圖1所示的電壓調(diào)整原理圖，得到如式（1）所示的電壓調(diào)整關(guān)系式，進而得出電壓調(diào)整的四種措施：即改變發(fā)電機機端電壓、改變變壓器變比、改變負荷功率分布和改變網(wǎng)絡參數(shù)。

圖1 電壓調(diào)整原理圖

Vi=VGk1-■k2 （1）

但是，按部就班的理論推導難免枯燥和抽象，通過MATPOWER仿真軟件，可以簡單地通過修改相應系統(tǒng)參數(shù)，經(jīng)過潮流計算后便可直觀地觀察節(jié)點電壓的變化情況，加深學生對知識的理解與記憶。

總的來說，MATPOWER是一款可以在Windows環(huán)境下方便使用的開源電力系統(tǒng)仿真軟件，可以方便地應用于課堂教學演示或課后仿真實驗。

2.2理論與實踐相結(jié)合教學

電力系統(tǒng)分析課程具有概念多、抽象和難以理解的特點，學生普遍反映所學知識與實際生活經(jīng)驗較難結(jié)合，教學內(nèi)容較為枯燥等問題。因此，在教學實踐中應努力將理論與實踐相結(jié)合，讓學生學得有興趣，學以致用。

例如，在講解“斷路器”這一常用電力設備時，如僅僅從其滅弧的原理和作用角度進行講解，往往得不到較好的教學效果。因此，作者在教學實踐中嘗試首先從電網(wǎng)電弧入手，講解電力系統(tǒng)中滅弧的重要性;然后，從生活中“斷電幾秒自動恢復”的現(xiàn)象，引入“自動重合閘”的介紹;最后，從電網(wǎng)操作安全的角度，講解“斷路器”和“隔離開關(guān)”之間的區(qū)別與聯(lián)系，以及電網(wǎng)檢修過程中兩者的操作順序。實踐表明，通過以上教學方法的應用，學生概念掌握清晰，且記憶深刻，取得了較好的教學效果。

此外，還可以用生動活潑的表達方式，激發(fā)學生學習的興趣。例如，電壓調(diào)整的方法大多是通過增加或減少無功功率的供給來達到調(diào)壓的目的，但是改變變壓器變比的方法是一個例外，因為其本身并不產(chǎn)生或消耗無功功率。如僅僅從改變變壓器變比進行調(diào)壓原理的角度進行講解，說明該調(diào)壓方式只適用于電網(wǎng)局部調(diào)壓的局限性，學生理解較為困難，記憶不深刻。因此，作者采用“我不生產(chǎn)無功，我只是無功的搬運工”這一描述，闡述改變變壓器變比的調(diào)壓原理，可有效激發(fā)學生興趣，加強記憶。

3.結(jié)束語

近年來，借助我國建設堅強智能電網(wǎng)的大背景，我國高校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)的人才培養(yǎng)工作取得了快速發(fā)展。本文積極探索提高電力系統(tǒng)分析課程教學效果的教學方法，從教材的選擇和教學方法的改進兩個角度進行了較為詳盡的探討。作者所做的這些努力，在實踐中獲得了學生的普遍認可，同時也希望這些經(jīng)驗與方法可以為兄弟院校相關(guān)專業(yè)的教學提供參考和借鑒。

參考文獻：

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[3]張靜.淺析MATLAB/Simulink建模與仿真在電力系統(tǒng)分析教學中的應用[J]. 2014， 35： 218-219.

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[5]吳曉華.淺談興趣教學在電工電子課程教學中的應用[J]. 中國教育技術(shù)裝備， 2013， 30： 96.

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關(guān)鍵詞：并行處理 電力系統(tǒng)分析 并行計算系統(tǒng)

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0026-01

電力系統(tǒng)有很多復雜的分析計算，包括潮流計算、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析、電磁暫態(tài)實時仿真、電力系統(tǒng)能量管理、電力系統(tǒng)規(guī)劃等。隨著電力系統(tǒng)的越來越龐大和復雜，電力系統(tǒng)分析也變得越來越復雜，計算越來越繁雜。為了提高電力系統(tǒng)分析計算的速度，多年來人們從算法上進行了深入的研究。但是串行計算技術(shù)仍然不能有效地解決單個處理器的運算速度問題。隨著并行計算技術(shù)的發(fā)展，新的理論、新的硬件和新的算法設計技術(shù)為電力系統(tǒng)分析帶來了新的發(fā)展契機。

1 并行處理技術(shù)

電子計算機從20世紀40年代問世以來，基本上是按照馮?諾依曼的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的，這是一種串行處理計算機。然而隨著計算機應用的逐步擴大，傳統(tǒng)串行計算機系統(tǒng)已經(jīng)不能適應新環(huán)境下的計算性能需求。因此，并行處理技術(shù)也應運而生。微電子、超大規(guī)模集成電路、高性能處理機、封裝技術(shù)的發(fā)展為并行處理技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

1.1 并行處理技術(shù)概述

并行一般指在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上的操作，操作性質(zhì)可以相同也可以不同。并行一般要求在時間上相互重疊。并行處理技術(shù)一般有三種形式：時間并行、空間并行、時間并行+空間并行。

（1）時間并行指時間重疊，時間并行的具體實現(xiàn)就是目前計算機上應用廣泛的流水線技術(shù)。同一套硬件對不同的計算任務連續(xù)不斷地執(zhí)行，而不需要等待一個任務的全部完成再執(zhí)行下一條指令。（2）空間并行指資源的重復，主要實現(xiàn)方法是使用多處理機系統(tǒng)，采用空間優(yōu)勢實現(xiàn)并行處理。（3）時間并行+空間并行綜合使用上述兩種方法，以得到更快的處理速度。

1.2 并行處理技術(shù)的要點

并行處理技術(shù)是各種軟件、硬件、操作系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)。主要研究熱點為：并行系統(tǒng)、并行算法、并行操作系統(tǒng)等。

并行系統(tǒng)主要研究并行處理技術(shù)的硬件方面，研究如何將眾多的處理機（網(wǎng)絡中的或本地的）和存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)組成一個完整的并行處理系統(tǒng)。包括硬件的連接、拓撲方式、同步通信機制、軟硬件配置等。

并行操作系統(tǒng)主要用于并行系統(tǒng)間的通信和同步，支持并行計算，實現(xiàn)進程間的通信，并且要均衡分配計算任務，以使系統(tǒng)達到計算能力最大化。并行操作系統(tǒng)主要有多處理機并行操作系統(tǒng)、多計算機并行操作系統(tǒng)。

并行算法是并行處理技術(shù)中的一個研究熱點。理論上，傳統(tǒng)的串行算法無法在并行系統(tǒng)下直接運行，需要對其進行并行化處理才能運行?；旧闲枰獜男略O計并行的算法。并行算法主要研究如何將計算任務分解成能在并行系統(tǒng)上執(zhí)行的任務，實現(xiàn)并行處理。并行算法優(yōu)劣的評價通常采用以下指標：并行加速比、可擴展性、效率、成本、復雜性。

2 并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應用

電力系統(tǒng)的并行處理主要是為了提高電力系統(tǒng)分析計算能力，增強實時計算性能。因為電力系統(tǒng)是一個快速變化的非線性系統(tǒng)。不同的電力系統(tǒng)計算任務具有不同的并行性和數(shù)據(jù)相關(guān)性，針對電力系統(tǒng)中不同的計算需求，通過認真研究和精確的算法設計，才能獲得最好的并行計算結(jié)果。

2.1 并行處理在潮流計算中的應用

潮流計算即在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、發(fā)電量、負荷參量的條件下，計算出有功功率、無功功率和電壓在電網(wǎng)中的分布等數(shù)據(jù)。潮流計算描述了電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況，是電力系統(tǒng)計算中的重要部分。

傳統(tǒng)的串行解法綜合運用了稀疏矩陣、三角分解前代和回代、節(jié)點編號優(yōu)化、快速分解法等相關(guān)技術(shù)和技巧。在潮流計算中串行算法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。目前，針對并行化潮流計算，研究重點主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通過對矩陣分塊法的的并行求解來實現(xiàn)并行性。通過降低最大因子路徑的長度來減少順序執(zhí)行的步數(shù)，采用能夠應用于向量機的向量化算法。通過超立方體結(jié)構(gòu)找到穩(wěn)態(tài)大矩陣的特征值以及特征向量。通過實踐得到的一些結(jié)論表明，快速分解牛頓法的并行化算法可以獲得接近10的加速比。

通過對現(xiàn)有的一些并行算法的研究，可以得出結(jié)論。新的并行算法都試圖使相互依賴的前代和回代步數(shù)最小。但是在這些并行性算法中有著較大的限制。有些雖然可以將加速比提高到10左右，但是付出了較高的性能代價。由于迭代過程中前后依賴性大的困難一時難以克服，并行化潮流計算的瓶頸難以突破，有時強制的并行化算法反而比串行算法性能更差。

2.2 并行處理在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中的應用

暫態(tài)穩(wěn)定問題可以描述為求解一組非線性微分方程和代數(shù)方程。通過并行處理技術(shù)能極大地提高計算速度。

暫態(tài)穩(wěn)定問題的并行化有兩種方法。（1）將系統(tǒng)的變量分組，進行空間并行化。（2）通過幾個時間段同時求解，稱為時間并行化。最直接的并行化方法是按照發(fā)電機將微分方程進行分組，形成多個方程組，通過代數(shù)方程來實現(xiàn)各個微分方程組之間的耦合。時間并行是通過建立每個時間段的牛頓方程，同時求解來實現(xiàn)并行計算。

2.3 并行處理在能量管理中的應用

電力系統(tǒng)的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析、電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析等。自從計算機硬件性能的大幅提升和工作站性價比的提高，能量管理系統(tǒng)已經(jīng)得到了空前的發(fā)展。從集中的、孤立的系統(tǒng)發(fā)展為分布式、網(wǎng)絡化、開放的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由多臺計算機組成，通過網(wǎng)絡互相連接。系統(tǒng)的功能分布在不同的計算機上，可擴展性得到了很大提高。在分布式系統(tǒng)上，通過并行處理技術(shù)實現(xiàn)整個能量管理系統(tǒng)的協(xié)同工作，極大地提高了工作效率，為并行化計算提供基本的硬件優(yōu)勢，適應電力系統(tǒng)的計算特點。因此，得到了很好的發(fā)展。

3 結(jié)語

電力系統(tǒng)的規(guī)劃和建設要考慮整個國家經(jīng)濟發(fā)展和城市建設，考慮資源的合理配置和開發(fā)利用。對這些設備之間的配合、方案設計需要進行大量的比較和計算。電力系統(tǒng)的實時計算要求也對系統(tǒng)提出了更高的要求，因此并行處理技術(shù)作為一種良好的提高計算速度的技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了應用。

參考文獻

[1] 周志云，李建蘭.關(guān)于并行處理在電力系統(tǒng)分析中的探討[J].城市建設理論研究：電子版，2013（36）.

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[關(guān)鍵詞]：WAMS GPS 電力系統(tǒng)

一、引言

廣域測量系統(tǒng)WAMS是近年以來運用在電力系統(tǒng)前沿技術(shù)當中屬于最是活躍的領(lǐng)域之一，其核心技術(shù)就是PMU，即相角測量單元。目前對于大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)進行動態(tài)分析以及控制還存在困難，而廣域測量系統(tǒng)的運用在一定程度上緩解了這個難題。

二、PMU測量的原理

PMU是在GPS的相量測量單位的基礎(chǔ)之上進行，它屬于一種多功能的信號采集系統(tǒng)。除了需要對電壓相角的實時測量并且以此來獲得參考相位角，還需要實現(xiàn)對電壓、電流、有功的實時測量和計算，最終再將得出的數(shù)據(jù)幀送到調(diào)度中心。

PMU的測量原理是：先要通過GPS接收器給出1pps（1個脈沖每秒）信號，然后經(jīng)過鎖相振蕩器將這個信號劃分成一定的數(shù)量以便于采樣，被濾波處理之后的交流信號又通過A/D轉(zhuǎn)換器的量化，最后通過微處理器按照遞歸離散傅立葉變換原理計算得出相量。測量當中相角的測量是一個關(guān)鍵，因為只要有1ms的誤差就會相應的帶來18°工頻相角誤差，如果誤差需要控制在0.1°，則時間同步的精度需要為5μs。為了保證最后的相位測量，GPS脈沖信號和國際標準同步誤差應當小于1μs。

三、廣域測量系統(tǒng)的應用

（一）全網(wǎng)的動態(tài)過程記錄和事故分析

因為WAMS中的PMU能夠在同一參考時間框架之下獲得在各種擾動之下全網(wǎng)的動態(tài)過渡過程信息，所以僅從這個意義上來講WAMS就相當于是一個大的故障錄波器。PMU不僅可以實時上傳得到的動態(tài)過渡過程信息起到一個監(jiān)視作用，而且在事故發(fā)生之后也能夠被用在事故分析之上。

（二）穩(wěn)態(tài)分析

PMU的測量精度較高，一般可以直接對所裝節(jié)點的電壓幅值以及相角進行測量，并且可以避免一般的潮流計算或者狀態(tài)估計的迭代過程，如果和現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)結(jié)合使用的話，可以大大提高系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度。由于現(xiàn)在諧波問題日益嚴重，可以在相量測量的電力系統(tǒng)的諧波狀態(tài)估計方法的基礎(chǔ)之上，把全系統(tǒng)范圍內(nèi)的諧波狀態(tài)估計問題轉(zhuǎn)化成為多個單母線系統(tǒng)的狀態(tài)估計問題，這樣做能夠從很大程度上降低問題的求解難度。

（三）暫態(tài)穩(wěn)定預測以及控制

如今已經(jīng)被實際應用在工業(yè)當中的穩(wěn)定控制系統(tǒng)可以分成兩種模式：一是“在線預決策、實時匹配”；二是“離線計算、實時匹配”。不過當遇見那些不可預見的連鎖故障所引起的大停電之時，這兩種模式可能無法得到響應。為了達到對各種系統(tǒng)的運行工況、各種類型故障的完全自適應，可以選擇采用WAMS。首先，WAMS提供的系統(tǒng)動態(tài)過程的時間序列響應，可以直接應用在某種時間序列預測方法或者人工智能方法系統(tǒng)未來的受干擾軌跡，并且判斷出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但受到電力系統(tǒng)在動力學之上的復雜性影響，此種方式可靠性尚且需要考究。

其次，WAMS通過對系統(tǒng)故障之后的狀態(tài)初始值的提供，經(jīng)過在巨型機或者PC機群之上進行一個電力系統(tǒng)超實時暫態(tài)時域仿真，通過仿真的結(jié)果來得到系統(tǒng)未來的受干擾軌跡，然后根據(jù)這個軌跡來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后，根據(jù)WAMS所提供的系統(tǒng)動態(tài)過程時間序列的響應，先利用某種辨識方法得到一個簡化系統(tǒng)動態(tài)模型，再對這個模型通過超實時仿真，通過這個仿真最后能夠得到系統(tǒng)未來的受干擾軌跡，并且以此來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（四）電力系統(tǒng)動態(tài)模型辨識和模型的矯正

一個正確有效的電力系統(tǒng)動態(tài)模型是對所有的電力系統(tǒng)進行動態(tài)分析和控制的起點。電力系統(tǒng)動態(tài)模型可以通過在各離散時間點之上差分化為一系列的非線性方程，然后利用WAMS所獲取的全網(wǎng)動態(tài)過程的時間序列信息對其動態(tài)模型進行辨識和模型的矯正工作，最終使負荷建模的準確性得到提高。

（五）低頻振蕩分析和抑制

隨著大電網(wǎng)的互聯(lián)，區(qū)域間的低頻振蕩對互聯(lián)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。一般情況如果只在本地信息的阻尼控制器基礎(chǔ)上去抑制區(qū)域間的低頻振蕩效果不會非常好，面對這樣的情況可以選擇采用WAMS信號的區(qū)間阻尼控制器附加至發(fā)電機勵磁控制器當中，從而達到抑制區(qū)域間振蕩的目的。在使用WAMS信號作為控制器輸入的時候，需要注意信號的時滯問題，當時滯太大的時候就很有可能會導致閉環(huán)系統(tǒng)不夠穩(wěn)定。

（六）電壓、頻率穩(wěn)定監(jiān)視及控制

因為靜態(tài)電壓問題以及頻率穩(wěn)定是屬于慢動態(tài)的范圍，所以相較于暫態(tài)穩(wěn)定的問題，前者更容易利用WAMS信息來實現(xiàn)穩(wěn)定的監(jiān)視以及控制。可以利用WAMS提供的實測信息辨識出一個用于穩(wěn)定電壓分析的系統(tǒng)動態(tài)模型，并且在此基礎(chǔ)之上預測系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。也可以利用WAMS得到各個節(jié)點的電壓相量測量值，并且將系統(tǒng)通過等值的方式分成兩節(jié)點系統(tǒng)，這樣的方式可以快速給出電壓穩(wěn)定裕度。在電壓穩(wěn)定控制方面可以利用WAMS提供的實測信息辨識出一個用在低頻減載系統(tǒng)的動態(tài)模型，并且在此基礎(chǔ)之上預測出系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，然后對某一個給定的頻率門檻值給出應當要切除的負荷量。

（七）全局反饋控制

對于全局信息的反饋和控制，可以在WAMS信號的全局電力系統(tǒng)穩(wěn)定器控制的基礎(chǔ)之上，通過仿真得出全局電力系統(tǒng)穩(wěn)定器比分散/就地電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的控制效果更好。考慮到電力系統(tǒng)的固有非線性，可以在WAMS信號的全局非線性勵磁控制器的基礎(chǔ)之上，通過仿真的結(jié)果表明，和完全分散的非線性勵磁控制進行比較，它明顯可以更大的提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

（八）故障定位及線路參數(shù)測量

故障定位的方法主要有兩種：第一是阻抗法，這種方法有一個缺陷，是不能排除故障對于過渡電阻的影響。第二是行波法，行波法相較于阻抗法是可以達到不受過渡電阻影響的目的。而WAMS的使用，可以通過PMU來獲取電流相量以及輸電線路實時的電壓，然后再通過一種經(jīng)過改進而得到的離散傅立葉變換提取當中暫態(tài)電氣量的基頻分量，這樣做就可以大大提高定位的精度。

結(jié)語

通過以上對WAMS在全網(wǎng)的動態(tài)過程記錄和事故分析、故障定位及線路參數(shù)測量等方面的應用綜述，可以看出WAMS的優(yōu)勢很多，在以后的研究當中可以更加充分利用它的優(yōu)越性以更好的分析和控制電力系統(tǒng)。

參考文獻

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【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)分析 電氣工程虛擬仿真實驗 運維合一

【基金項目】科研人才啟動基金（KJ2013B025）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0228-01

電力系統(tǒng)分析課程是電力系統(tǒng)自動化專業(yè)的重要專業(yè)課程，涉及一系列電力系統(tǒng)的核心技術(shù)：潮流計算、調(diào)頻調(diào)壓、經(jīng)濟運行、同步發(fā)電機電磁暫態(tài)過程、短路計算及機電暫態(tài)穩(wěn)定性分析等。學好電力系統(tǒng)分析對于電力系統(tǒng)專業(yè)的學生來講至關(guān)重要。

1.電力系統(tǒng)分析課程教學現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)分析課程雖然重要，但從每年的教學效果來看并不是很理想。由于前修課程電機學沒學好，以及電力系統(tǒng)分析課程知識點較多，理解起來有難度，部分同學沒有養(yǎng)成良好的學習習慣，課下沒有及時鞏固復習，課堂內(nèi)容掌握不好時容易產(chǎn)生畏難情緒。此外，即使部分同學理論知識掌握較好，但感覺較抽象，對某些知識持懷疑態(tài)度，如：調(diào)頻時，增大氣門開度，實際生產(chǎn)中發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化，輸出功率的變化，頻率的變化等是否如課本上所寫;調(diào)壓時，負荷的波動對系統(tǒng)中各節(jié)點電壓的影響究竟如何，那些調(diào)壓措施能不能真正起到調(diào)壓的效果。學生無法看到相關(guān)的現(xiàn)象，所以很難產(chǎn)生濃厚的學習興趣和熱情，即使當時掌握了，遺忘也會比較快，印象不深刻。為了解決以上問題必須借助與相關(guān)實驗課程，讓學生在實驗操作中將理論和實際很好的聯(lián)系起來，既能及時鞏固相關(guān)知識，又能提前接受實際生產(chǎn)操作培訓，為以后踏上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

2.電氣工程虛擬仿真實驗的主要功能

2.1.電力系統(tǒng)仿真實驗

電氣工程虛擬仿真實驗包括電力系統(tǒng)仿真實驗和水電站仿真實驗，電力系統(tǒng)仿真實驗主要針對電力系統(tǒng)的相關(guān)設計，包括電網(wǎng)的主接線設計、設備選型及校驗、故障計算、保護配置等;潮流、短路、穩(wěn)定性等分析計算;運行過程、控制方法及原理的學習研究。提供了相關(guān)軟件平臺，實驗室的軟件平臺包含兩大類，一類是機電暫態(tài)過程仿真軟件，一類是電磁暫態(tài)過程仿真軟件，除了PSASP軟件外，還有PSCAD、PSS/E、BPA、ATP/EMTP及EMTP-RV、CDEGS等軟件，可以供學生進行課程實驗、綜合設計、畢業(yè)設計以及相關(guān)科學研究。開發(fā)了系列的課程實驗、綜合設計及研究項目，對于提高學生課程的學習效果、綜合運用所學專業(yè)知識進行發(fā)電廠、變電站以及電網(wǎng)的設計、分析計算以及運行與控制的能力起到了很好的輔助作用。

2.2水電站虛擬仿真

水電站虛擬仿真實驗教學平臺以龍灘水電站為原型，提供了與現(xiàn)場效果一致的大型水電站仿真培訓系統(tǒng)的實踐教學環(huán)境，在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中涵蓋了水電站的所有主要機電設備，包括：水電站水輪機、發(fā)電機、發(fā)動機出口短路器、主變、500kVGIS系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)、安全自動裝置系統(tǒng)、氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、機組及變壓器技術(shù)供水系統(tǒng)、油系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、閘門系統(tǒng)、流量水位曲線、（含黑啟動系統(tǒng)）、AGC/AVC等系統(tǒng)及廠房場景、設備系統(tǒng)運行、維護、檢修、拆裝過程的多維立體展現(xiàn)。并研發(fā)了豐富的實驗教學內(nèi)容和典型教學案例，學生可以親自動手操作實驗，可進行水電站正常工況運行操作過程培訓;異常工況運行操作過程培訓;緊急事故工況處理操作培訓;計算機監(jiān)控系統(tǒng)培訓;綜合反事故培訓;生產(chǎn)過程運行知識與專業(yè)理論培訓。解決了傳統(tǒng)課堂學習中學生“只能動口，不能動手”的難題，通過“操作、觀察、分析、記錄、總結(jié)”，激發(fā)了學生的學習興趣和主動參與的學習熱情，提高了理論和實踐教學效果。

3.電氣工程虛擬仿真實驗的主要特點

3.1虛實結(jié)合，互為補充

“虛”是指采用虛擬的仿真實驗平臺為學生提供親自動手操作實驗或培訓的機會，由于電力生產(chǎn)的特殊性，考慮到生產(chǎn)的安全性和學生自身的安全性，實驗操作不可能在實際系統(tǒng)中進行，必須借助于軟件平臺?！皩崱眲t是通過校外企業(yè)作為實習基地提供學生參觀實習的機會，建立學生對現(xiàn)場的感性認識，我校與三峽電廠、葛洲壩電廠、清江隔河巖電廠、清江高壩洲電廠等簽訂了協(xié)議，作為本專業(yè)學生的校外實習基地，學生先到校外實習基地參觀實習，建立電力系統(tǒng)運行的感性認識，然后進入“虛擬仿真實驗室”進行電力系統(tǒng)運行仿真培訓綜合實驗。虛實結(jié)合的教學模式可以有效提高學生對電力系統(tǒng)運行特點及控制過程等知識的掌握。

3.2運維合一，多媒體一體化教學

多維多媒體仿真能極大增強仿真臨場感和沉浸感。借助多維多媒體手段，創(chuàng)造一個虛擬現(xiàn)實培訓環(huán)境，讓學生在虛擬場景中上完成對調(diào)速、調(diào)壓、AGC＼AVC等相關(guān)電力系統(tǒng)方面的操作?？蓪υO備進行拆卸和裝配，讓學生看到平時不易見到的設備構(gòu)造、工藝及內(nèi)部運行情況，做到對設備的組成、結(jié)構(gòu)、拆卸順序及操作過程等了然于胸。還可實現(xiàn)事故場景真實再現(xiàn)，便于學生對暫態(tài)過程進行分析，可大大提高學生學習的積極性和學習效率。

3.3開放性實驗平臺

建有電氣工程虛擬仿真實驗教學示范中心平臺網(wǎng)站，學生不僅可以實驗課上運用實驗室的仿真軟件進行相關(guān)內(nèi)容的操作學習，課后未完成的內(nèi)容，或者學生所設想的創(chuàng)新性問題還可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問仿真軟件平臺，還可在線討論，或者給老師留言。安排有值班老師對課余時間在實驗室的學生進行指導答疑。

4.結(jié)束語

為了提高電力系統(tǒng)分析課程的教學效果，學院專門成立了課程組，一方面加強理論教學網(wǎng)站的建設，整理出相關(guān)課件、教案、習題等資料共學生下載學習，另一方面加強電力系統(tǒng)分析課程實踐教學平臺的建設，對學生在虛擬仿真平臺的應用過程中所碰到的及時給予指導，此外課程組通過教研教改項目研究，改進教學方法、教學手段等來提高教學效果。

參考文獻：

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[2]鄧建高.高校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的校企合作模式研究[J].中國電力教育.2009，（2）.

[3]劉進志.基于網(wǎng)絡教學平臺的教學模式研究[J].中國電力教育.2010，（1）.

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[關(guān)鍵詞]高職 電力系統(tǒng)分析 項目教學法 應用能力

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）18-0174-02

隨著技術(shù)及經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，市場對技術(shù)應用型高技能人才要求的日益增加，我國職業(yè)教育迎來了蓬勃的發(fā)展及革命。作為一種對能力培養(yǎng)行之有效的方法，高職高專課程項目化教學改造得到了廣泛的推崇及應用。

一、高職強電專業(yè)電力系統(tǒng)分析課程與項目教學法

（一）高職強電專業(yè)電力系統(tǒng)分析課程教學目標

眾所周知，“以就業(yè)為導向，以服務為宗旨”的職業(yè)教育培養(yǎng)目標，其培養(yǎng)的學生應當具有良好的職業(yè)道德和職業(yè)素質(zhì)，具有熟練的職業(yè)技能，走上職業(yè)崗位之后具備持續(xù)發(fā)展的能力，還應當具有扎實的、系統(tǒng)的專業(yè)應用知識；也即職業(yè)教育培養(yǎng)的是面向市場的高技能的職業(yè)人。[1]

電力系統(tǒng)分析課程在發(fā)電廠及電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)自動化等強電專業(yè)中，既承擔著后續(xù)專業(yè)課程的潮流計算及短路計算分析能力訓練，也承擔著培養(yǎng)學生具備如何確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行、電能質(zhì)量的控制及經(jīng)濟運行調(diào)度方面的崗位職業(yè)能力，故本課程的目標是培養(yǎng)學生掌握潮流計算及增強短路計算分析能力，掌握電力系統(tǒng)的安全可靠運行，電能質(zhì)量的控制及經(jīng)濟運行調(diào)度等技術(shù)、知識，提高完成相關(guān)的電力崗位工作的綜合技能。

（二）項目教學法的內(nèi)涵

“項目教學法”是指學生在教師指導下，通過實施一個完整的項目而進行的教學活動。它以項目為載體，以實訓為手段，采用知識、理論、實踐一體化教學；在教師的指導下，學生親自處理項目任務全過程；在這一過程中，學生主動探索掌握應用知識及技術(shù)，學生獨立組織安排學習行為，解決項目中遇到的困難，學生在這個過程中鍛煉各種能力，從而使學生的學習興趣和積極性大大提高。[2]

（三）項目教學與傳統(tǒng)教學的比較

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析課程教學方式是通過講授法讓學生掌握知識和理論分析方法，課堂以教師為中心，理論教學為重點，注重的是考試成績，培養(yǎng)出來的學生只是面向考場的讀書人，而不是面向市場的高技能的職業(yè)人。與傳統(tǒng)教學相比，項目教學法以技術(shù)應用型的高技能人才為培養(yǎng)目標，以職業(yè)活動為導向，以素質(zhì)為基礎(chǔ)，突出能力目標，以學生為主體，以項目為載體，以實訓為手段，實現(xiàn)知識、理論、實踐一體化教學。

項目教學法將傳統(tǒng)的學科體系知識內(nèi)容轉(zhuǎn)化為若干個“教學項目”，圍繞著項目，組織和開展教學；學生直接全程參與、體驗、感悟、論證、探究。學生在項目實踐過程中，理解和把握課程要求的知識和技能，體驗創(chuàng)新的艱辛與樂趣，培養(yǎng)分析問題和解決問題的思想和方法，學生畢業(yè)后能更快、更好地對接工作崗位。[3]

二、項目教學法在高職電力系統(tǒng)分析課程教學中的實施案例

筆者實施項目教學內(nèi)容為《電力系統(tǒng)分析》中的“無功平衡與電壓調(diào)整”，實施項目教學班級為發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)各班。本項目的主要任務如下：將某地電力系統(tǒng)電壓控制在合理范圍。

（一）項目設計

設計項目時，要求教師要因材施教。教師應根據(jù)學生已完成的電路與磁路，電機學課程和發(fā)電廠變電站電氣設備部分內(nèi)容及學生能力來確定項目。電力系統(tǒng)分析教學不像在發(fā)電廠變電站電氣設備、電力系統(tǒng)繼電保護等專業(yè)課教學有著顯著的操作性，教師可以要求學生完成諸如某一設備的裝配、測試等看得見、摸得著的具體任務。電力系統(tǒng)分析教學可根據(jù)后續(xù)專業(yè)課程需求來設計確定項目，如為電氣設備選型提供短路校驗數(shù)據(jù)依據(jù)，為繼電保護裝置的選型及整定提供短路數(shù)據(jù)依據(jù)等，也可根據(jù)電力專業(yè)崗位進行引申。根據(jù)學生專業(yè)和本課程教學目標，筆者將電力系統(tǒng)分析中的“無功平衡與電壓調(diào)整”派生出以職業(yè)為導向的項目――即將本地區(qū)電力系統(tǒng)電壓調(diào)整控制到合格的范圍。此項目對強電專業(yè)具有可操作性，它能夠?qū)W生的專業(yè)與未來職業(yè)方向相結(jié)合，激發(fā)學生學習動機和提高學習積極性。

（二）項目實施

1.項目分組

電力系統(tǒng)分析的項目分組主要依據(jù)是學生的專業(yè)學習能力、計算機應用操作水平，但同時也要考慮學生的組織能力、團隊協(xié)作精神等。因此，教師在分組時應考慮學生的學習成績、認知特征、認知能力等，采用異質(zhì)分組，使小組成員在各方面具有一定的差異性和互補性。根據(jù)學生的學習成績和計算機應用操作能力等，筆者將發(fā)電廠及電力系統(tǒng)各班（每班約42位同學）分為6～8個小組。

2.項目任務細化

為了培養(yǎng)學生解決問題的思路，保證學習的方向和目標，以便能較好地完成項目，教師可將總項目進行細化。實施過程中，筆者“將本地區(qū)電力系統(tǒng)電壓調(diào)整控制到合格的范圍”的總項目具體任務細化為：

任務1 選擇電壓中樞點

任務2 選擇電壓調(diào)壓方式

任務3 選擇電壓調(diào)整措施

任務4 在PW中仿真實施電壓調(diào)整

3.自主探索與項目完成

項目完成過程中，各組同學通過網(wǎng)絡、圖書館、校本教材（或教師編寫的講義）、教學參考書來做項目準備，學習的主動性和積極性無疑得到了增強；各組同學討論中展示了思維的多樣性。各位同學對電壓中樞點的選擇、電壓調(diào)整方式、調(diào)壓措施以及如何在PW電網(wǎng)仿真軟件中實施電壓調(diào)整等問題都提出了自己的獨特見解和認識。由于高職多數(shù)學生電力專業(yè)基礎(chǔ)知識薄弱，對電力系統(tǒng)運行的認識膚淺或幾乎為零，教師可將自己平時積累的相關(guān)材料提供給學生，如學校所在地區(qū)電網(wǎng)接線圖及電網(wǎng)簡介，電力現(xiàn)場實施電壓調(diào)整的九區(qū)圖及某時間段的電壓控制要求等，使學生在準備的過程中對未來所從事的電力職業(yè)也有著更深刻的認識。

4.成果匯報

成果匯報是學生對知識掌握和應用能力提高的重要階段，同時也是學生成就感體現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。學生完成項目后，應對其學習情況做出反饋和評價[4]，展示評價包括：

（1）自評、互評：學生們互相交流學習，取長補短，并推薦電壓水平控制質(zhì)量較高的PW模型。

（2）展示PW模型調(diào)壓方案：由學生推薦，教師結(jié)合實際情況選出三個左右具有代表性的PW模型調(diào)壓方案。

（3）教師總結(jié)：教師指出PW模型調(diào)壓方案中值得大家學習和借鑒的地方，同時指出學生在電壓調(diào)整過程中出現(xiàn)的問題，總結(jié)成功的經(jīng)驗和失敗的原因。鼓勵學生們采用多種方式及程序嘗試電壓的調(diào)整，如某點電壓偏低，是調(diào)主變壓器分接頭還是投入電容器組進行無功補償?shù)?。對沒完成調(diào)壓或調(diào)壓不合格的小組讓他們回去繼續(xù)完成。

（三）教學評價

教學評價應對完成項目的全過程，包括知識與技能、情感態(tài)度與價值觀進行全面的評價，應重在過程而非結(jié)果。筆者具體做法是：以小組為單位，每小組隨機抽一名成員代表全組答辯，該成員的答辯成績就是該組的成績，這樣，既考出學生的專業(yè)技能操作水平，同時也考出學生的學習交流水平，培養(yǎng)了同學們大局觀、合作精神及集體榮譽感，培養(yǎng)了小組長的領(lǐng)導組織能力。另外，常常有一些組的結(jié)果和老師的不同，但只要學生分析原因，分析思路與方法是合理的都應該肯定，并予以引導、表揚和鼓勵。

學生成績評定后，教師應做點評總結(jié)。點評總結(jié)是“項目教學法”的重要環(huán)節(jié)，教師在點評中要指出問題的所在及解決的方法，使學生的知識學習能力和應用操作能力得到提高。

三、結(jié)束語

項目化教學與傳統(tǒng)教學相比，它對教師提出了更高的要求，要求教師既具有扎實的理論知識，又具有豐富的企業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)管理經(jīng)驗。現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個很龐大的時空概念，為了能形象而具體的認識觸電力系統(tǒng)，高效完成職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)綜合能力的培養(yǎng)，通過工學結(jié)合，近幾年來我校在電力系統(tǒng)分析課程教學中，以取材于真實的本地區(qū)電力系統(tǒng)地理接線圖為載體，以電網(wǎng)仿真軟件為工具，以工作過程為主線，探索并開發(fā)了貫穿整個電力系統(tǒng)分析應用知識體系的若干個教學項目，采用任務驅(qū)動教學模式，大大提高了學生的技術(shù)應用能力及職業(yè)綜合能力。

[ 注 釋 ]

[1] 戴士弘.職業(yè)教育課程教學改革[M].北京：清華大學出版社.2007.

[2] 淺談項目教學法在高職英語教學中的實施案例-中國論文下載中心-英語教學論文-《網(wǎng)絡（http：//）》-2012-07-03.

[3] 項目教學法在專業(yè)教學中的應用Bai du文庫（網(wǎng)絡http：// / view / ab5f7b1da76e58fafab0）2011.10.25.

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【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；諧波；仿真分析

產(chǎn)生諧波的主要根源是電力電子設備，而它又是提高供電可靠性和傳輸正弦電壓和電流給終端用戶的非常有效的手段。因此，諧波成為一個長期而重要的研究方向，對電力系統(tǒng)工作者提出了新的挑戰(zhàn)。

1 電力系統(tǒng)中的諧波源

1.1 諧波的定義

“諧波”一詞起源于聲學。有關(guān)諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀奠定了良好的基礎(chǔ)。傅利葉等提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945 J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有變流電力系統(tǒng)、工業(yè)、交流及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅利葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波稱為非諧波（Non-harmonics）或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”，而現(xiàn)在供電系統(tǒng)諧波污染日趨嚴重。

1.2 電力系統(tǒng)中主要的諧波源

所謂諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。周期為T=2π/ω的非正弦電壓u（ωt），在滿足狄里赫利條件下，可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：

式中，頻率為 （n=2，3…）的項即為諧波項，通常也稱之為高次諧波。電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生，主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。即使電力系統(tǒng)中電源的電壓為正弦波，但由于非線性元件的存在，從而電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓。產(chǎn)生諧波的元件很多，包括熒光燈和高壓汞燈等氣體放電燈、感應電動機、電焊機、變壓器、電弧爐及晶閘管整流設備等，其中最為嚴重的是大型的晶閘管整流設備和大型電弧爐，它們產(chǎn)生的諧波電流特別突出。經(jīng)統(tǒng)計表明，它們產(chǎn)生的諧波占總諧波量的近40%，是最大的諧波源。下面將對整流裝置、電弧爐和電氣化鐵道的諧波進行簡要的分析。

2 電力系統(tǒng)諧波仿真

系統(tǒng)仿真是根據(jù)被研究的真實系統(tǒng)的數(shù)學模型研究系統(tǒng)性能的一門學科，現(xiàn)在尤指利用計算機去研究數(shù)學模型行為的方法。計算機仿真的基本內(nèi)容包括系統(tǒng)、模型、算法、計算機程序設計與仿真結(jié)果顯示、分析與驗證等環(huán)節(jié)。仿真是系統(tǒng)分析研究的重要手段，它可以驗證理論和設想、模擬實際系統(tǒng)運行過程、分析系統(tǒng)特性隨參量的變化規(guī)律、描述系統(tǒng)的狀態(tài)與特性，可以具有實驗相同的作用，同時可以避免實際操作的復雜性，完成無法實驗系統(tǒng)或過程的仿真模擬等。因此，實現(xiàn)對永磁同步伺服系統(tǒng)的仿真具有實際意義。

2.1 仿真工具介紹

近20年以來，國際、國內(nèi)出現(xiàn)了許多專門用于計算機數(shù)字仿真的仿真語言與工具，如CSMp，ACSL，SIMNON，MATLAB/SimulinLk，Matrix刀SystemBuild，CSMP一C等。

Matlab是以復數(shù)矩陣作為基本編程單元的一種高級程序設計語言，它提供了各種矩陣的運算與操作，并有較強的繪圖功能。MATLAB是一個高度集成的軟件系統(tǒng)，它集科學與工程計算、圖形可視化、圖像處理、多媒體處理于一身，并提供了實用的WindowS圖形界面設計方法，使用戶能設計出友好的圖形界面。MATLAB語言在自動控制、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、語音處理、信號分析、圖像信號處理等各行業(yè)中都有極廣泛的應用。Simulink是用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，利用它的SinLk、Souree、Linear、Nonlinear、Conneetors、Extra選用現(xiàn)成模塊或創(chuàng)建自己的模塊，對于某些沒有模型而又不便創(chuàng)建模型的環(huán)節(jié)或控制算法可以采用M文件（s函數(shù)）來實現(xiàn)系統(tǒng)部分功能。模型建立后，可以啟動仿真。仿真過程中所感興趣的量可以使用Scope示波器來加以觀察。Simulink中可以使用的電力系統(tǒng)仿真模塊集（powerSystemsBloekset）提供了七大類上百種電氣元件模型，包括開關(guān)元件和電機模型等，可以用于電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)冗^程的仿真。它提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前將自動將其變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后才能在Simulink下進行仿真分析。

2.2 對無源濾波器進行仿真

在MATLAB/Simulink環(huán)境下，利用PSB模塊庫，在分析了無源濾波器的基礎(chǔ)上，建立了仿真模型。本系統(tǒng)采用三相整流電路對電路系統(tǒng)注入諧波，分析比較仿真數(shù)據(jù)。

2.2.1 無源濾波模塊

該無源濾波模塊由三個單調(diào)諧濾波器和一個高通濾波器組成，主要針對整流器產(chǎn)生的特征諧波進行濾波，三個單調(diào)諧濾波器調(diào)諧在5、7、11特征諧波頻率上。

2.2.2 三相整流橋模塊

利用該模塊模擬電力系統(tǒng)中的整流裝置產(chǎn)生的諧波源，并對其進行濾波仿真。

2.2.3 10KV電力系統(tǒng)仿真模塊

這個電力系統(tǒng)的仿真模塊，可以準確的輸出三相正弦電壓，提供電力系統(tǒng)諧波的頻域分析，從而更加明了的看出濾波的效果。

2.3仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，利用無源濾波器對電力系統(tǒng)中的諧波源（三相整流電路）進行濾波，電力系統(tǒng)中的諧波電流有明顯下降，電流波形與正弦波仍相差較遠；在電路系統(tǒng)中加裝有源電力濾波器，濾波前電力系統(tǒng)中含有大量的諧波電流，濾波后電流波形近似為正弦波，頻域分析中的諧波含量幾乎為零。可以看出有源電力濾波器比起無源濾波器有更強的濾波效果。

3 結(jié)論

隨著我國諧波治理工作的深入開展，諧波的發(fā)生，綜合動態(tài)的諧波治理措施，電網(wǎng)的無功功率補償問題，是當前電力系統(tǒng)面臨的一大課題。要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，在設計、制造和使用非線性負載時，也要采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟損失。

參考文獻：

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（無錫開放大學終身教育處，江蘇無錫214021）

摘要：諧波對于電力系統(tǒng)的運行具有較大危害，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，非整次諧波（間諧波）和突變諧波大量存在，傳統(tǒng)的諧波分析大都是使用快速傅立葉變換（FFT）和窗口傅立葉變換算法，傅立葉變換在時域分析中局部化處理能力有限，實時性不強。在比較了窗口傅立葉變換與離散小波變換后，認為離散小波變換在電力諧波分析上有諸多優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上提出采用離散小波變換進行電力系統(tǒng)諧波分析，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞 ：電力系統(tǒng)；諧波；傅立葉變換；離散小波變換

0引言

電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生有其復雜的原因，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)更多非線性設備的運行和使用，諧波對電力系統(tǒng)的影響日益突出［1］，例如，在逆變電路中，諧波的出現(xiàn)對電網(wǎng)和電力設備的正常運行有著較大威脅，嚴重情況下諧波分量甚至會使電網(wǎng)波形畸變；而在電機和電力拖動設備方面，高頻諧波的出現(xiàn)也會使電機等電力設備發(fā)熱，降低運行效率。因此，需要對諧波進行精確檢測，并實現(xiàn)快速跟蹤。傳統(tǒng)的諧波分析是使用快速傅立葉變換（FFT），不過，快速傅立葉變換在時域分析中局部化處理能力有限，實時性不強，小波變換則克服了傅立葉變換的上述缺點，可以很好地展開對信號的時頻特性分析，離散小波變換的思想是對連續(xù)信號進行分解，變成子頻段后再利用小波變換算法得到各子頻段的信息。

1離散小波變換算法理論

離散小波變換是基于小波基函數(shù)的變換算法，小波變換是根據(jù)信號進行時間—尺度的分析方法，多分辨率分析是其主要特點，連續(xù)小波變換具有線性、平移不變性等優(yōu)點［2］。不過，連續(xù)小波變換在處理長度足夠長的信號數(shù)據(jù)時會有很大誤差，只能通過設定辨識區(qū)間，對置信區(qū)間的數(shù)據(jù)進行分析，才能得到誤差較小的結(jié)果。在小波變換中，其離散化大都是針對連續(xù)尺度參數(shù)和連續(xù)平移參數(shù)，通常情況下，設尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b的離散公式分別為：

窗口傅立葉變換在某種程度上實現(xiàn)了諧波的局部化分析，但是，由于窗口與頻率無關(guān)，窗口傅立葉變換每改變一次分辨率就要改變一次窗口函數(shù)，所以其使用范圍受到局限。

2.2基于離散小波變換的電力諧波分析

離散小波變換的分析思想和基本算法，在理論上證明可以滿足對電力系統(tǒng)諧波的分析檢測需要，根據(jù)上述理論在MATLAB中對同樣的電力諧波進行仿真和分析，過程如下：

使用同樣的電力諧波，將采樣頻率設定為基波和3次諧波頻率的兩倍，根據(jù)小波分解算法可得諧波分解信號如圖2所示。

通過對離散小波諧波分析的實驗觀察發(fā)現(xiàn)，利用小波基函數(shù)分析發(fā)生了高頻率混疊現(xiàn)象，基波及低頻諧波部分則能夠被較好地分解。高頻部分之所以出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，主要原因是在小波分解過程中隔點取樣，在每一層小波包分解時降低了采樣頻率，從而使高頻部分模糊不清。解決這個問題可以采用先分解基波，再將諧波部分單獨分解的方法。

利用一維離散小波變換對信號的高頻及低頻部分進行提取，設y為被分析信號，N為分解層級，小波基函數(shù)選定為db10，［cA，cD］=dwt（y，’db10’），再經(jīng)過多層小波重構(gòu)的近似分量結(jié)果如圖3所示。

在同一個電力諧波下通過實驗對比，分別使用窗口（Hanning）傅立葉變換和離散小波變換算法對波形進行驗證，提取各次諧波的參數(shù)，具體如表2所示。

表中數(shù)據(jù)表明，離散小波變換在進行諧波尤其是間諧波分析方面，比傅立葉算法的精度要高很多，用離散小波變換效果較好。

3結(jié)語

電力系統(tǒng)諧波分析與檢測目前仍然是一個十分活躍的領(lǐng)域，其分析方法已經(jīng)普遍跨越了多種研究領(lǐng)域，眾多分析方法各有其優(yōu)缺點，基于離散小波變換的分析方法也是其中的一個重要方面。

通過在MATLAB中對傅立葉變換算法和離散小波變換算法進行仿真比較，結(jié)果表明，離散小波分析在電力系統(tǒng)諧波分析中能夠發(fā)揮其重要作用，可以預計，隨著小波理論的不斷發(fā)展，其必將在諧波分析與檢測中發(fā)揮出越來越大的作用。

［

參考文獻］

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［2］梁學章，何甲興，王新民，等.小波分析［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［3］胡昌華，張軍波，夏軍，等.基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設計——小波分析［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.

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關(guān)鍵詞 暫態(tài)穩(wěn)定；牛拉法；改進歐拉法；搖擺曲線

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）11-0000-00

暫態(tài)穩(wěn)定計算在其程序設計構(gòu)成中包含了最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理、稀疏技術(shù)應用和模塊化程序設計思想。經(jīng)過二十多年來的應用和考核，已形成相對確定的程序結(jié)構(gòu)，并在功能上得以延伸。

1 暫態(tài)穩(wěn)定計算程序設計算法基礎(chǔ)

在應用歐拉法時，由各時段始點計算出的導數(shù)值被用于的整個時段，因而給計算造成較大的誤差。如果各折線段斜率取該時段始點導數(shù)值與終點導數(shù)值的平均值，我們就可以期望得到比較精確的計算結(jié)果。改進歐拉法就是根據(jù)這個原則提出來的計算方法。

對于一階微分方程，設給定初值為時，以下介紹改進歐拉法的主要步驟：

1）計算時Y的變化率；

2）用歐拉法求時的函數(shù)初步估計值：

； （1）

3）用初步估計值計算時Y的變化率；

4）用和的平均值求取的改進值：

（2）

5）用初步估計值計算時Y的變化率

6）用和的平均值求取的改進值：

（3）

……………………

這樣求得的比單純用歐拉法求得的更接近微分方程的正確解一般我們只要以此規(guī)律計算直到前后兩次估計值滿足誤差要求為止。

2 改進歐拉法暫態(tài)穩(wěn)定計算程序設計

2.1 初值的計算

在簡化的暫態(tài)穩(wěn)定計算程序中，初值的計算包括求系統(tǒng)擾動瞬間發(fā)電機的暫態(tài)電勢、轉(zhuǎn)子角度（與x軸的夾角）、原動機的機械功率、等值導納、電流在d-q軸的分量等。這些參數(shù)可以由擾動前的正常運行狀態(tài)計算得到。

2.2 直接法求解網(wǎng)絡方程

在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算時，電力網(wǎng)絡中聯(lián)絡節(jié)點、負荷節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點在網(wǎng)絡方程里有不同類型的表現(xiàn)形式。將以上三種類型的節(jié)點方程式歸納在一起，即可得到整個電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡方程式。

3 算例

用上述方法編寫暫態(tài)穩(wěn)定計算程序。對5節(jié)點，7條支路的系統(tǒng)進行計算。算例故障為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡4-5支路斷線。斷線后計算程序采用步長0.02 s，計算時間為1.1 s，迭代次數(shù)為55次對電力系統(tǒng)網(wǎng)絡進行暫態(tài)穩(wěn)定計算和分析。本文主要通過改變發(fā)電機參數(shù)定子電阻，q軸同步阻抗，阻尼系數(shù)D，時間常數(shù)來分析發(fā)電機參數(shù)是否影響電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。

當發(fā)電機參數(shù)選擇=0.0185013，=0.0595時調(diào)節(jié)發(fā)電機阻尼系數(shù)根據(jù)計算程序得到的數(shù)據(jù)繪出發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺曲線

由圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子搖擺曲線可知在系統(tǒng)在阻尼系數(shù)D=0.4789時，在0 s～1.1 s時間內(nèi)發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角度均在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定要求的范圍內(nèi)，故可以推知電力系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的；在阻尼系數(shù)D=0.1時，在0 s～1.1 s時間內(nèi)發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角度是一直有增大趨勢，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角度大于180時不滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定要求，故可以推知電力系統(tǒng)是暫態(tài)不穩(wěn)定的；在阻尼系數(shù)D=1.0時，在0 s～1.1s時間內(nèi)發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角度是一直有減小趨勢，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對角度小于-180時不滿足電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定要求，故可以推知電力系統(tǒng)是暫態(tài)不穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

本文采用改進歐拉法對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算進行程序設計。首先對程序設計進行算法的確定，本文采用簡化的暫態(tài)穩(wěn)定計算進行程序設計，然后進行程序設計和調(diào)試，最后是算例分析。本文中僅對電力系統(tǒng)斷線故障進行分析未涉及到其他故障的分析，但是本程序的故障與處理程序模塊采用了導納矩陣的重新形成故可以對電力系統(tǒng)其它故障的暫態(tài)穩(wěn)定計算同樣適用。

參考文獻

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作者簡介

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關(guān)鍵詞：電力教學；ETAP；電力系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0092-02

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，單機容量和系統(tǒng)容量不斷增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得越來越復雜，如果用人工方法對于龐大電力系統(tǒng)網(wǎng)進行分析與計算將十分繁瑣，甚至是難以實現(xiàn)的。但隨著計算機技術(shù)的不斷進步，使得這一切成為可能。電力系統(tǒng)分析軟件，是用數(shù)學模型和數(shù)值方法對系統(tǒng)的運行特性進行研究，用來確定規(guī)劃設計方案，擬定運行方式，整定自動裝置的控制參數(shù)，進行事故分析和協(xié)助運行人員做出正確的決策，還可用于教學和培訓。本文將簡單介紹使用電力系統(tǒng)實用分析軟件ETAP進行電力系統(tǒng)分析教學方面的一些應用及體會。

一、高校電力系統(tǒng)專業(yè)課程實驗現(xiàn)狀

高等學校課程主要分為理論學習和實驗。電力系統(tǒng)專業(yè)因為它的抽象性和學生將來工作崗位安全要求高等特點，實驗及課程設計環(huán)節(jié)所占的比重越來越高。比較常見的有電機實驗、高壓實驗、繼電保護實驗等針對系統(tǒng)中某一設備的實驗。電力系統(tǒng)專業(yè)所研究的對象是橫跨大江南北的龐大的電力系統(tǒng)，從發(fā)電機到變壓器，從輸電線路到用戶，從一次系統(tǒng)到二次系統(tǒng)，其中各設備的聯(lián)系和相互影響非常密切，因此對于電力系統(tǒng)專業(yè)的學生來說針對單一設備的實驗已經(jīng)不能滿足他們學習的需要了。

而建立電力系統(tǒng)物理模擬實驗室耗資巨大，較難實現(xiàn)普遍應用，因此人們把精力轉(zhuǎn)向了數(shù)學模型實驗。所謂的數(shù)學模型實驗就是用數(shù)學的方法建立電力系統(tǒng)各元件模型，模擬系統(tǒng)的運行狀態(tài)或計算系統(tǒng)中某點發(fā)生故障（如短路、跳閘等）后其他地方各電氣參數(shù)（如電壓、電流、相角等）的變化。

電力系統(tǒng)數(shù)學模型實驗在很大程度上可以幫助學生掌握電力系統(tǒng)理論知識和運行特性。現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有多款成熟的商用電力系統(tǒng)數(shù)學模型實驗軟件，ETAP就是其中的一款。

二、電力系統(tǒng)專業(yè)課中使用商業(yè)軟件的優(yōu)勢

電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件最初出現(xiàn)在電力系統(tǒng)運行、設計和研究機構(gòu)。電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件由有一定電力系統(tǒng)研究實力的公司開發(fā)，能保證算法的正確性；計算機的快速性和精確性把廣大從事電力系統(tǒng)工程設計和研究的人員從繁重枯燥的工作中解脫出來；開發(fā)商業(yè)軟件的電力系統(tǒng)專家把他們多年的研究成果寫入到軟件中，使一般工程技術(shù)人員也能做深入的研究，如暫態(tài)穩(wěn)定性分析。所以越來越多的公司開始使用甚至依賴商業(yè)軟件進行電力系統(tǒng)模擬計算。

高等電力院校和電力行業(yè)其他機構(gòu)不同，它的主要目的是讓學生掌握好知識，經(jīng)濟性相對來說排在后面。在電力行業(yè)中，電力院校使用商業(yè)軟件進行電力系統(tǒng)模擬實驗相對來說比較晚。經(jīng)過這些年的教學實踐，筆者認為在電力高校教學中使用商業(yè)軟件（以ETAP為例）還是有一定的優(yōu)勢。

1.復習課堂知識

用商業(yè)軟件建立電力系統(tǒng)模型需要填入必要的參數(shù)，思考哪些參數(shù)是必須的過程也是一個復習課堂知識的過程。例如，建立變壓器模型時回顧下變壓器的模型是一理想變壓器和一阻抗串聯(lián)，而變壓器阻抗的計算公式是，所以可以得知在軟件里必須填入的數(shù)據(jù)有高壓側(cè)額定電壓、低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分數(shù)。

2.校驗課堂知識

為了加深學生對學過知識的印象，通過實驗方法來校驗理論知識是常用的途徑。由于電力系統(tǒng)的抽象性、龐大性和高安全要求等特點，學生到實際現(xiàn)場做實驗可能性不大。有了商業(yè)電力系統(tǒng)模擬軟件在實驗室就可以完成理論知識校驗，如校驗無功電壓特性、不同類型節(jié)點的運行特性、環(huán)網(wǎng)潮流控制理論等。

3.實習系統(tǒng)運行

商業(yè)軟件的快速性和精確性可以讓學生在同樣的課堂時間內(nèi)完成電力系統(tǒng)在多個不同運行方式下的模擬實驗，對比不同運行方式下的實驗結(jié)果，豐富實驗課內(nèi)容，使學生更加容易理解電力系統(tǒng)運行方式的含義和掌握任何選擇運行方式的知識。

4.進行暫態(tài)穩(wěn)定研究

電力系統(tǒng)暫態(tài)過程是色極其復雜的過程，手工分析需要相當扎實的理論基礎(chǔ)，讓學生獨立來做幾乎不可能。有了成熟的電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件后，學生可以借助開發(fā)軟件專家的經(jīng)驗和知識獨立完成電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的分析，加深他們對暫態(tài)過程的了解。

5.學習最新技術(shù)

當今社會風云變幻，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮，學生多學習些新技術(shù)、新產(chǎn)品有助于他們更快適應現(xiàn)實工作環(huán)境。

總之，了解并初步學會使用先進的商用電力系統(tǒng)分析軟件，使用其對電力系統(tǒng)實例進行分析，可以使學生加深和鞏固課堂教學內(nèi)容，加深對電力系統(tǒng)物理規(guī)律的認識，為今后的學習、工作打好基礎(chǔ)。

三、ETAP軟件介紹

ETAP（Electrical Transient Analysis Program）軟件由美國OTI（Operation Technology，Inc）公司開發(fā)，是第一個真正32位Windows環(huán)境下全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計算高級應用軟件。ETAP采用圖庫一體化技術(shù)，實現(xiàn)在界面上圖形化添加、刪除、連接、移動設備，調(diào)整大小和方向、操作設備，在圖形界面上輸入各設備的參數(shù)和運行狀態(tài)。這些信息都自動保存到庫里，無須對庫操作。多個負荷和發(fā)電類型使人們能方便分析各種負荷狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，三維數(shù)據(jù)庫更是讓人們靈活使用不同的設計方案和運行方式，不限個數(shù)的分析案例實現(xiàn)了在一個工程里完成多個方案分析。ETAP擁有潮流分析、短路計算、電動機起動計算、諧波分析和暫態(tài)穩(wěn)定分析等20多個功能模塊，所有模塊計算所需要的數(shù)據(jù)保存在一個庫里，對一個工程只要通過模塊切換按鈕就可以做所有的計算，操作便捷。

ETAP在1986年問世，經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)是一款很成熟的電力系統(tǒng)實用分析軟件。OTI公司擁有大量知名的電力系統(tǒng)專家，他們中很多人在IEC和ANSI等組織中起著積極的作用參與相關(guān)標準的制訂。ETAP算法嚴格遵循相關(guān)國際標準，并且密切監(jiān)視這些標準的發(fā)展根據(jù)標準的改動及時修訂算法。ETAP每個新版本之前都要進行V&V認證，計算結(jié)果經(jīng)手算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果雙重校驗。每年有數(shù)次由其他單位組織的質(zhì)量評審，保證ETAP質(zhì)量可靠。

ETAP在1999年進入中國市場，10多年來深受電氣技術(shù)人員的歡迎，在中國的用戶數(shù)不斷增加。上海電力學院在2003年引進ETAP用于教學，在2005年建立ETAP電力系統(tǒng)模擬實驗室。到目前為止，已經(jīng)有約4000人次接受了ETAP電力系統(tǒng)模擬實驗，教學效果比較理想。

四、ETAP軟件教學應用實例

某系統(tǒng)接線圖如圖1。GEN1（Vθ節(jié)點）、GEN2（PV節(jié)點）和GEN3（PV節(jié)點）是三臺發(fā)電機，通過三臺升壓變和220kV系統(tǒng)相連，母線BusA，BusB，BusC是三條220kV用戶母線，上面掛有負荷（全是恒功率負荷）和無功補償裝置。Lump1=125MW+70Mvar，Lump2=35MW+10Mvar，Lump3=90MW+40Mvar，Lump4=100MW+55Mvar，其他設備參數(shù)見圖中注釋。

1.系統(tǒng)建模

ETAP提供了成型的發(fā)電機、變壓器、負荷、并聯(lián)電容器和線路模型，建系統(tǒng)模型時只需要從工具條中添加需要的模型，再根據(jù)接線圖拓撲關(guān)系把他們連起來，然后填入需要的參數(shù)。

在仿真計算中發(fā)電機的模型是電壓源和阻抗串聯(lián)，暫態(tài)模擬需要發(fā)電機的次暫態(tài)電抗、暫態(tài)電抗、直軸電抗、電阻，額定電壓和額定容量；變壓器的模型是理想變壓器和阻抗串聯(lián)，需要變壓器的高低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分數(shù)、X/R；線路的模型是阻抗加并聯(lián)電容，需要的數(shù)據(jù)是電阻、電抗和電納；負荷和電容器的模型都是PQ節(jié)點，需要的數(shù)據(jù)是額定電壓和有功、無功容量。

把GEN1設為平衡節(jié)點，確定它的出口電壓值和無功限制范圍；把GEN2和GEN3設為電壓控制節(jié)點，確定他們的出口電壓、有功輸出和無功限制范圍。

2.仿真分析

模型搭建后，可以方便地進行系統(tǒng)的潮流、短路和暫態(tài)模擬計算。可以對不同運行方式下潮流結(jié)果進行對比，觀察不同設置對潮流結(jié)果的影響，并分析其原因。

能對不同地點發(fā)生各種短路故障進行仿真，分析其短路穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流大小，以及不同負荷模型在短路計算中的區(qū)別。在短路計算中把電動機負荷（或叫旋轉(zhuǎn)負荷）和照明加熱負荷（或叫靜止負荷）分開考慮，前者有短路電流反饋，后者沒有。

可以仿真分析系統(tǒng)受到干擾后的穩(wěn)定性，如發(fā)生短路故障、故障切除、重合閘動作后等不同狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并能直觀觀察各事件發(fā)生后發(fā)電機功角、端電壓等參數(shù)隨時間的變化情況，如圖2、圖3所示。

五、ETAP軟件教學總結(jié)和評價

ETAP軟件是新興的科技產(chǎn)物，能幫助人們解決不少問題，但是它只是個工具，要用好它必須要懂得它的工作原理。所以在教學生使用ETAP前要求學生掌握好基本的電力系統(tǒng)分析計算理論，這樣后面的實驗課才能進行得順利。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬分析有相當大一部分工作是建立系統(tǒng)模型，模型的質(zhì)量直接關(guān)系到實驗分析的成功和失敗。為了保證模型的正確性，建模前先要弄清楚各元件的數(shù)學模型，并且注意模型中個數(shù)據(jù)的單位。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬實驗，學生只要摁計算按鈕就可以。大量的計算工作由計算機完成，所以跟傳統(tǒng)的手工計算實驗相比，在相同的實驗時間內(nèi)可以多分配些實驗任務，讓學生多了解些電力系統(tǒng)的運行特性。但對原理的透徹理解則更需要加強，否則是照葫蘆畫出了瓢，卻不理解結(jié)果的來龍去脈。除了潮流、短路和暫態(tài)分析等基本功能外，ETAP還有電動機起動模擬、諧波模擬和保護設備動作模擬等模擬功能，全面應用這些模擬功能，可以把電力系統(tǒng)各方面特性全面地展現(xiàn)在學生面前，便于學生掌握。

參考文獻：

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[3]唐春華.ETAP軟件在大型石化企業(yè)電力系統(tǒng)中的應用[J].電氣技術(shù)，2007，（S1）.

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在中國，中國電力科學研究院、國網(wǎng)電力科學研究院聯(lián)合研發(fā)動態(tài)安全評估和預警系統(tǒng)(powersystemdynamicsecurityassessment&earlywarningsystem，PDSA)，并成功應用于國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)進行周期不間斷在線安全穩(wěn)定分析，實現(xiàn)穩(wěn)定裕度評估和預防控制輔助決策[16-19]。清華大學張伯明教研組研發(fā)了基于EMS/DTS的電網(wǎng)控制中心安全預警和決策支持系統(tǒng)并實施于江西電網(wǎng)[20-23]，石立寶教研組著眼于動態(tài)安全裕度，研發(fā)了實時動態(tài)安全評估及預警仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了極限傳輸容量的高效計算[24-25]。在各機構(gòu)或?qū)＜覍W者的研究成果中，或?qū)﹄娋W(wǎng)進行全面安全分析，或針對某一特定穩(wěn)定問題進行評估，而在線安全穩(wěn)定分析均是實現(xiàn)大電網(wǎng)動態(tài)安全評估的核心技術(shù)。基于實時數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析綜合利用穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)多角度在線安全分析評估以及穩(wěn)定裕度評估，在一定程度上實現(xiàn)了大電網(wǎng)運行的全面安全預警和多維多層協(xié)調(diào)的主動安全防御[26-27]。然而，基于實時數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析仍存在以下幾個問題：1）在系統(tǒng)實際運行需要時間間隔內(nèi)(如5~15min)，進行周期、事件和人工觸發(fā)計算，運算結(jié)果合理性保證的前提條件是計算周期內(nèi)，電網(wǎng)不發(fā)生明顯的拓撲和電氣量的變化。2）電網(wǎng)調(diào)度和運行人員會經(jīng)常對電網(wǎng)運行工況進行調(diào)整，如開關(guān)刀閘操作、發(fā)電量調(diào)節(jié)、電網(wǎng)元件投切，需要對調(diào)整后的電網(wǎng)安全穩(wěn)定情況進行預先校核。3）由于存在電網(wǎng)模型等值，對跨區(qū)電網(wǎng)的在線安全穩(wěn)定分析，上級與下級調(diào)度控制中心之間、兩級調(diào)度控制中心之間僅依靠實時數(shù)據(jù)自動計算無法滿足電網(wǎng)潮流和動態(tài)行為的一致性。4）新能源發(fā)電、負荷的快速變化對電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定情況的預知提出了實際要求，基于實時數(shù)據(jù)的在線安全穩(wěn)定分析無法滿足。上述原因?qū)υ诰€安全穩(wěn)定分析提出了更高的要求?；诖耍罨P(guān)于電力系統(tǒng)在線動態(tài)安全評估和預警系統(tǒng)方面的研究，提出滿足實際電網(wǎng)調(diào)度運行需求的在線安全穩(wěn)定分析應用模式具有重要意義。

1在線安全穩(wěn)定分析介紹

在線安全穩(wěn)定分析的服務對象是電網(wǎng)調(diào)度運行，包括提出電網(wǎng)運行的主要問題和解決方案2方面含義。在線安全穩(wěn)定分析中，同時進行靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析和短路電流計算，并進行穩(wěn)定裕度評估；若系統(tǒng)存在不安全的問題，針對不同穩(wěn)定問題，即時啟動相應預防控制輔助決策計算，提供運行方式調(diào)整的可行方案，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在線安全穩(wěn)定分析整體上可劃分為4個過程：數(shù)據(jù)整合(dataintegration，DI)、動態(tài)安全穩(wěn)定分析(dynamicsecurity/stabilityanalysis，DSA)、穩(wěn)定裕度評估(stabilitymarginevaluation，SME)和預防控制輔助決策(preventivecontroldecisionmaking，PCDM)?；谥悄茈娋W(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，獲取電網(wǎng)模型、故障集等計算參數(shù)，分別接入來自狀態(tài)估計、上級調(diào)控機構(gòu)下發(fā)的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)準備生成滿足在線安全穩(wěn)定分析要求的計算數(shù)據(jù)，基于并行計算實現(xiàn)安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評估(或預防控制輔助決策)功能。圖1是在線安全分析總體框架。

2應用模式

在應用模式上，完整的在線安全穩(wěn)定分析應分為實時分析模式、研究分析模式和趨勢分析模式。實時分析模式對當前電網(wǎng)運行方式進行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評估和預防控制輔助決策；研究分析模式對研究方式進行潮流調(diào)整，并進行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評估和預防控制輔助決策；趨勢分析模式基于當前實時方式數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)度計劃類數(shù)據(jù)生成未來一段時間內(nèi)的電網(wǎng)趨勢運行方式，并依時序滾動進行安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度評估和預防控制輔助決策。

2.1實時分析模式

實時分析模式是實現(xiàn)在線安全穩(wěn)定分析的主要功能。其主要特點是，基于未經(jīng)任何修改的在線運行數(shù)據(jù)，不允許任何人工對模型、數(shù)據(jù)的修改，自動執(zhí)行系統(tǒng)分析過程，對電力系統(tǒng)做出客觀的安全穩(wěn)定分析結(jié)論和穩(wěn)定裕度評估結(jié)論(或輔助決策計算結(jié)果)。實時分析模式分析對象的形成如圖2所示。在流程上，首先通過實現(xiàn)與調(diào)度支持系統(tǒng)的接口，獲取調(diào)度支持系統(tǒng)中的各類安全穩(wěn)定分析所需要的在線數(shù)據(jù)；然后進行數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)交換，送入到并行計算平臺中；并行計算平臺通過高效的計算組織方法，實現(xiàn)各個電力系統(tǒng)應用軟件的并行分析，并通過統(tǒng)一規(guī)范接口送回計算結(jié)論到調(diào)度支持系統(tǒng)。圖3是完整計算執(zhí)行過程流程圖，從上至下按執(zhí)行時間順序描述執(zhí)行過程，同時體現(xiàn)了硬件設備之間的數(shù)據(jù)流向。具體可劃分為4個過程。1）計算觸發(fā)階段。支持周期觸發(fā)、事件觸發(fā)和人工觸發(fā)3種啟動方式：周期觸發(fā)自動完成對當前電網(wǎng)運行方式的安全掃描，實現(xiàn)對當前電網(wǎng)運行方式的評估、預警和輔助決策；事件觸發(fā)獲取事件信息，從狀態(tài)估計獲取設備故障后電網(wǎng)運行方式，實現(xiàn)對設備故障后電網(wǎng)運行方式的評估、預警和輔助決策；人工觸發(fā)支持調(diào)度運行人員手動觸發(fā)在線分析計算，實現(xiàn)對當前電網(wǎng)運行方式的評估、預警和輔助決策。依3種啟動方式的重要程度，其優(yōu)先級為人工觸發(fā)最高，事件觸發(fā)次之，周期觸發(fā)最次。周期觸發(fā)為以每5或15min為周期的不間斷觸發(fā)計算。觸發(fā)計算后，計算平臺狀態(tài)和計算任務執(zhí)行狀態(tài)被全過程跟蹤，調(diào)度運行人員對在線分析的計算狀態(tài)全景掌握。2）數(shù)據(jù)整合階段。計算觸發(fā)后，從EMS/SCADA等系統(tǒng)獲取計算數(shù)據(jù)，經(jīng)過狀態(tài)估計和潮流計算，得到支持的潮流數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。然后將完整計算數(shù)據(jù)和相關(guān)計算配置文件發(fā)送至調(diào)度服務器。3）安全穩(wěn)定分析和穩(wěn)定裕度計算階段?；诓⑿杏嬎慵夹g(shù)，利用數(shù)據(jù)整合形成的計算數(shù)據(jù)，進行靜態(tài)安全分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析、短路電流計算和穩(wěn)定裕度評估。穩(wěn)定計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫，并發(fā)送至人機界面。安全穩(wěn)定分析結(jié)束后，執(zhí)行穩(wěn)定裕度評估計算，穩(wěn)定裕度計算考慮靜穩(wěn)裕度、熱穩(wěn)裕度和暫穩(wěn)裕度。4）調(diào)度輔助決策計算階段。對于DSA計算存在不安全的分析結(jié)果，進行預防控制輔助決策的計算。其中不安全結(jié)果包括熱穩(wěn)越限、暫態(tài)失穩(wěn)、電壓失穩(wěn)、低頻振蕩、短路電流超標。整個計算完成后，運行方式數(shù)據(jù)和計算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。實時運行模式依靠并行計算的高速計算能力和開放的集成性能，完全實現(xiàn)基于在線數(shù)據(jù)的全部穩(wěn)定分析計算，整個分析計算可在5min完成。其全面快速的安全預警功能，改變傳統(tǒng)的基于典型方式進行離線穩(wěn)定分析的模式，分析結(jié)果更全面客觀，解決電力系統(tǒng)長過程連續(xù)故障(或開斷)情況下的安全分析的速度、全面性和可信度的問題，為應對電網(wǎng)的大面積停電事故提供寶貴的技術(shù)手段。

2.2研究分析模式

研究分析模式主要實現(xiàn)調(diào)度運行操作前的安全穩(wěn)定分析功能。其主要特點是，通過人工修改運行方式，對即將在系統(tǒng)中發(fā)生的調(diào)度運行參與事件進行安全穩(wěn)定評估。在作用上，研究分析模式可以對實時運行方式進行干預，研究調(diào)度運行操作對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響和校核；也可以對歷史潮流斷面進行研究，可用于事故反演和分析。研究分析模式分析對象的形成如圖4所示。在流程上，首先通過人機界面，記錄下用戶的修改內(nèi)容并計算潮流；然后送入到并行計算平臺中；最后并行計算平臺通過高效可靠的任務分配方法，實現(xiàn)各種穩(wěn)定計算并行分析，并推送計算結(jié)論到人機界面。圖5是完整計算執(zhí)行過程流程圖。與實時分析相區(qū)別的是，研究分析在觸發(fā)計算之前，允許對潮流數(shù)據(jù)進行修改。因而基于在線數(shù)據(jù)的研究分析本質(zhì)上屬于一種在線研究態(tài)分析，基于歷史數(shù)據(jù)的研究分析本質(zhì)上已經(jīng)屬于離線分析，所以其計算觸發(fā)僅支持人工觸發(fā)即可。在形式上，包括獨立推演和聯(lián)合推演2種形式，當調(diào)度運行人員僅對管轄范圍內(nèi)電氣元件進行操作時，可利用獨立推演對操作后電網(wǎng)的穩(wěn)定情況進行研究；當調(diào)度運行人員的操作影響會波及到相鄰或遠方電網(wǎng)時，可以進行上下級調(diào)度和不同區(qū)域調(diào)度間進行聯(lián)合推演。

2.3趨勢分析模式

由于實時分析模式基于當前電網(wǎng)運行狀態(tài)進行計算，對即將發(fā)生的變化缺少應對手段。趨勢分析實現(xiàn)對短期內(nèi)電網(wǎng)安全穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展趨勢的預先評估。趨勢分析可以拓展在線安全穩(wěn)定分析的覆蓋范圍，能給出電網(wǎng)運行即將發(fā)生的重大變化及其穩(wěn)定狀態(tài)。在電網(wǎng)安全穩(wěn)定趨勢發(fā)生惡化或者沒有改善的情況下，給出電網(wǎng)短期控制的輔助決策，調(diào)整電網(wǎng)未來運行狀態(tài)，進一步實現(xiàn)電網(wǎng)運行安全的預防控制。趨勢分析基于在線運行方式，利用未來短時間內(nèi)的計劃數(shù)據(jù)(如斷面功率計劃、交直流聯(lián)絡線功率計劃、實時發(fā)電計劃、檢修計劃等)和預測數(shù)據(jù)(如新能源發(fā)電超短期預測、超短期負荷預測等)，將實時運行方式與計劃和預測數(shù)據(jù)匹配在一起，形成未來短時間內(nèi)的潮流解。趨勢分析模式分析對象的形成如圖6所示。在分析流程上，趨勢分析與實時分析并無不同，只是趨勢分析僅需支持周期觸發(fā)啟動，由于研究對象本質(zhì)上屬于對電網(wǎng)未來態(tài)的預測，無事件觸發(fā)和人工觸發(fā)功能的必要性。圖7是完整計算執(zhí)行過程流程圖。顯然，趨勢分析模式一方面是實時分析模式在時間尺度上的向前延伸，另一方面通過一系列穩(wěn)定指標的對比判斷電網(wǎng)安全穩(wěn)定情況是趨向更安全還是更危險。但應說明的是，由于趨勢運行方式本質(zhì)上為對電網(wǎng)未來態(tài)的預測，仍存在著很大的不確定性，預測運行方式與實際運行方式之間存在差別不可避免，因而在實際調(diào)度運行應用中，趨勢分析模式并不能取代實時分析模式。

2.4應用模式比較

表1是3種應用模式的比較。3種應用模式的根本區(qū)別在于研究數(shù)據(jù)源范圍的差異，因而導致各自的分析對象的不同。實時分析和趨勢分析要求客觀的反映電網(wǎng)實際或預測的安全穩(wěn)定情況，因而不允許對電網(wǎng)潮流進行人工調(diào)整，不允許人工參與分析過程，依據(jù)客觀要求形成了各自需要滿足的觸發(fā)方式。實時分析和趨勢分析在時間上要求的快速性導致必須利用高效可靠的大規(guī)模并行計算平臺；而研究分析模式用于十幾分鐘至小時時間尺度內(nèi)的調(diào)度操作校核或事故反演，因而關(guān)心的往往是特定的穩(wěn)定任務，利用小規(guī)?；騿螜C計算即可滿足運算速度的要求。

3算例分析

以某省級實際電網(wǎng)實例進行分析，該電網(wǎng)調(diào)度控制中心具備實時分析和趨勢分析同時進行周期觸發(fā)計算，觸發(fā)周期為15min。2014年11月4日00:15:00—03:00:00期間，實時分析和趨勢分析同時給出靜態(tài)安全分析預警：若BXI線發(fā)生N-1故障，將造成BXII熱穩(wěn)越限。次日進行研究分析模式仿真重演、并依據(jù)調(diào)度輔助決策給出的方式調(diào)整進行研究分析，實時分析、趨勢分析、研究分析的結(jié)果比對如圖9所示。算例結(jié)果可見，實時分析對當前電網(wǎng)斷面安全穩(wěn)定情況進行分析，同時，趨勢分析可對電網(wǎng)未來時間段內(nèi)的運行安全穩(wěn)定性進行有效預測。由于趨勢分析的分析對象為基于當前斷面和計劃數(shù)據(jù)生成的未來態(tài)趨勢潮流，與15min后實際潮流斷面的誤差不可避免，因而基于趨勢潮流的安全穩(wěn)定分析結(jié)果與實際分析結(jié)果也存在定量上的誤差。但在計劃執(zhí)行和預測數(shù)據(jù)滿足一定準確性的范圍內(nèi)，分析結(jié)果并不影響其對未來電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的定性結(jié)論。研究分析的重演可以與實時分析結(jié)論相印證，通過調(diào)度輔助決策給出的建議，利用研究分析對電網(wǎng)潮流斷面進行調(diào)整，重新進行BXI線N-1斷開的靜態(tài)安全分析，BXII線熱穩(wěn)定分析的越限情況消失，有效遏制了電網(wǎng)熱穩(wěn)越限風險。

4結(jié)論