PowerWorld Simulator在电力系统类课程教学中的应用

李红伟,王洪诚,许 瑾

(西南石油大学电子信息工程学院,四川成都 610500)

0 引言

随着电力系统行业的数字化、自动化和综合化程度的提高,对电力专业学生的要求也越来越高。而电力系统类课程概念较为抽象,学生理解存在较大的难度,且课程理论性与实践性都很强,为了提高教学效果,实验教学是必须的,但是现在课时压缩后实验学时普遍较少。仿真软件的引入可解决课时少的问题,利用仿真软件可以直观地模拟电力系统的基本元件、连接状态和运行状态,并且基于其良好的图形界面和交互性,使电力系统的分析结果能够浅显、直观地反映在图形里。克服了传统靠采用单调和枯燥的“教师-黑板-学生”的教学模式,且辅助教学软件的利用可以激发学生的学习兴趣,增强学生的实践能力,更好地掌握相应的专业理论知识[1-2]。

目前电力系统采仿真工具很多[3],而 Power-World Simulator(简称PWS)是其中较好的一种。PWS是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序,与其他同类应用软件不同的是:PWS允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统,可以运用可视化分析程序个性鲜明的示例(CASE)编辑器对模型任意进行修改[4-5]。在PWS可视化分析程序中,输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及其各种功能切换以及联络线的建立等等,只需点击鼠标就可完成。负荷、发电量和联络线功率随时间的变化、以及因此产生的系统运行状况的变化都可以图形化地显示,可以帮助学生理解有功、无功的概念,可增加学生对系统特性、存在的问题和限制条件的理解,并且知道如何采取补救措施。下面结合一具体例子来介绍和展示该软件的功能。

1 认识PowerWorld Simulator

PWS有两种不同的模式:“编辑模式”(EDIT MODE)和“运行模式”(RUN MODE)。编辑模式用于创建新的示例(CASE)和单线图或修改已存在的示例(CASE)和单线图;运行模式可求解单步潮流计算以及运行电力系统的时域仿真来模拟演示实际系统。二者通过点击程序栏的按钮切换。

图1为一个三母线(一个电源两个负荷)的环形电网结构图,图中状态为运行模式,箭头方向表示功率流向,且箭头大小与传送功率成正比。每条线路都含有一线路潮流饼图,其作用是来以图形方式显示线路或变压器上流动的潮流占线路容量的百分比。从图中可以清楚的看出潮流的分布、母线电压情况等,同时可操作断路器的通断来了解其对整个电网的影响,是否能对线路造成危害等。

2 某电网的PWS软件分析

基于某地区一局部电网运行分析来演示PWS软件功能,表1-4(表中所列阻抗数据为标幺值)是该电网的运行数据、设备技术参数,为了分析简便,作出如下假设:

(1)从电网获取电源的线路等效为发电机,它的容量规定为线路的额定容量,并且认为母线电压不受地区电网的影响,即幅值保持为1(标幺值)。

图1 三母线电网可视化效果图

(2)设母线1为松弛节点。

表1 负荷表

表2 电源表

表 3 变压器表

表4 线路参数表

2.1 系统正常运行时的供电分析

系统正常运行时Powerworld Simulator仿真效果图见图2。图中绿色箭头表示有功潮流流向,蓝色箭头表示无功潮流流向,每条线路的传输容量在图中也有显示。

从图中可以看出,在电网正常运行(无功不投入)时:

(1)本系统电网满足电力需求,通过饼状图,可明显看出各台变压器、输线路的负载率都没达到50%,但存在负荷率过低的现象;

(2)除了BUS 5的电压较低外,其他节点的电压都满足供电电压要求。

图2 系统正常运行时的供电能力效果图

2.2 线路或变压器故障时供电情况分析

实际系统中,线路故障、变压器故障或检修都可能造成该线路断开,而每条线路对系统的运行影响是不同的,如针对1#变压器和2#变压器因故障或检修退出运行时PWS仿真效果图见图3和图4。

图3 1#变压器退出运行仿真效果图

图4 2#变压器退出运行仿真效果图

从图中结果可以看出,无功补偿设备没有投入时:

(1)从图3可以看出,1#变压器退出运行时系统供电能力不能满足电力需求(BUS3、BUS 5母线负荷分别降低到了71MW和59MW);电压质量严重恶化,BUS3-5母线的电压降远远超过了规定水平,不能满足电压要求,即电压可靠性差,电网不能安全运行。

(2)从图2可以看出,虽然2#变压器退出运行时,系统供电能力能保证本电网的电力需求,但通过饼状图,可明显看出变压器的负载率都达到了86%。BUS4-5母线的电压较低,不能满足电压要求,即电压可靠性也不高。

(3)总的来说,本无功设备没有投入时,为了保证供电安全,不允许断开1#变压器线路。

2.3 采取无功补偿,提高供电质量

对上述电网,如果不采取措施,线路故障时母线电压下降严重,低压侧电网不能安全运行。分析可知,为了提高电压质量,比较常见的做法就是在母线上装设补偿电容器,可在BUS3、BUS 5母线都加装无功补偿装置。考虑最严重1#变压器退出运行时电压改善效果,此时其供电效果图见图5和图6。

图5 仅在BUS3母线上投入无功补偿后供电效果图

图6 BUS3和BUS5母线上均投入无功补偿后供电效果图

从图中可以看出,加装无功补偿后,变压器负荷率在50%左右,BUS3-BUS 5的电压质量都得到了大大的改善,尤其是BUS3和BUS5母线上均投入无功补偿后电压改善效果更好,大大地提高了电压质量,提高了电网供电能力和安全性。

3 在教学中引入PWS软件

从上面的仿真算例可以看出PWS软件具有信息的直观显示、方便的交互操作、很容易改变各地电气设备、电源等的参数和运行状态、能方便的评估某个负荷点的承受负荷增长的能力等优点,当然这只是其一个简单应用。PWS是集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC,最优潮流OPF、无功优化,GIS功能、电压稳定分析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体,并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。把其引入到电力系统类课程可以大大提高教学效果,如《电力系统分析》课程对初学者而言很抽象,传统课堂分章节的讲授更多拘泥于对具体方法的认识和计算过程的强调,使学生把大量的时间花在公式记忆和公式应用上,很难产生对电力系统较为全面的理解,导致知识割裂,很多基本概念理解很模糊。引入PWS之后,学生通过简单算例就能以直观的方式巩固电力系统中的一些基本概念,如潮流计算、电压稳定、无功补偿等,并且可利用大型作业的方式把各章节的知识连贯起来。教师授课时可以让计算部分完全由程序实现,授课可以更多地集中在模型的建立和对结果的分析,强化对概念的认识和理解。

其他可引入PWS的课程还包含“工厂供电”、“发电厂电气部分”、“电气工程基础”、“电力系统自动化”、“电路”及相关的本科毕业设计等课程,可以丰富课堂内容,加深知识的理解,从而取得较好的教学效果。

4 结语

PWS的引入,可以弥补电力系统类课程在传统教学中的不足,利用PWS对相关课程中的重要内容进行计算分析,真实地再现了系统的实际运行过程,为学生提供了一个很好的理论联系实际的平台,充实了教学的内容、方法和手段。PWS作为电力系统规划、运行、控制、分析与决策的重要工具,基于其简单、直观的图形显示,可以加强学生对理论知识的理解,提高学生的学习兴趣和积极性,加深他们对系统运行的认识。

[1]樊艳芳,蔺红.MAT LAB/SIMU LINK在电力系统仿真中的应用[J].新疆大学学报,2004,21(2):106-109

[2]李广凯,李庚银.电力系统仿真软件综述[J].电气电子教学学报,2005,27(3):61-65

[3]钟慧荣,蒋秀洁.PSASP在电力系统分析实验教学中的应用[J].实验科学与技术,2008,6(6):72-75

[4]宋云亭,张瑞华.电力系统可视化仿真软件-PowerWorld[J].电力建设,2002,23(3):52-53,58

[5]韩祯祥,张琪.电力系统仿真可视化软件包[J].浙江电力,1997,16(6):6-9,21