基于BPA的“电力工程基础”课程教学方法

张宝珍，张 尧

(1.海南大学 机电工程学院，海南 海口570228; 2.华南理工大学 电力学院，广东 广州510641)

“电力工程基础”是我校电气工程及其自动化专业的核心专业课程，它综合了“电力系统稳态分析”、“电力系统暂态分析”和“电气设备”等多门课程的内容。该课程主要内容包括电力系统的一次系统分析、稳态分析和暂态分析等，又是后续专业课程“电力系统继电保护”、“发电厂电气部分”和“工厂供电”等相关课程的理论基础。本课程是学生基本专业素质形成的关键课程［1-3］。

“电力工程基础”课程的理论分析内容可分为三部分:①潮流计算;②短路计算;③暂态稳定分析计算。在传统的教学过程中，学生普遍的感觉是与工程实际相关内容抽象，理论分析难度较大。

1 教学方法改进

1.1 教学思路

“电力工程基础”课程采用如下的分析和解决问题思路［4-5］。

(1)建立元件和网络的等值电路—分别建立各个元件(如变压器、线路、发电机等)的正序、负序和零序等值电路，从而得到整个电网络的等值电路。比如潮流计算、短路计算和暂态分析都是从等值电路出发进行分析。

(2)求解电网络—借助计算工具和方法求解所得到的等值电路即求解数学模型。如潮流计算中牛顿—拉夫逊法和短路计算中的正序等效定则等。

(3)分析计算结果—如潮流计算得到的有功功率、无功功率和节点电压的分布情况，对判别系统运行方式的合理性提供了定量分析的依据;再如短路计算为电力系统继电保护装置的合理整定、电气设备的动稳定和热稳定校验提供了科学依据。

由于计算机数值计算方法已普遍应用于电力系统的分析和计算中，我们在教学过程中除了改进常规教学方法外，可以将先进手段引入到教学过程中。

1.2 理论分析与BPA 软件结合

中国电力科学研究院系统所电力系统分析软件包PSD 由BPA 潮流及暂态稳定程序，SCCP 电力系统短路电流计算程序，DEQU 电力系统动态等值化简程序，SSAP 电力系统小干扰稳定性分析程序等组成［6-7］。

我们在教学过程中，让学生用一个小网络形成BPA 格式的数据，也就是建立网络的数学模型，在BPA 中各种不同元件模型形成不同种类的卡片。如输电线路的等值电路，课题讲授的是π 型等值电路。在形成BPA 格式数据过程中，需要填写支路数据卡，如填写对称线路数据L 卡，或不对称线路数据E 卡，卡片中包括线路电压、电阻、电抗和对地导纳等参数的填写。发电机填写M 卡和MF，变压器填写T 卡等。从而把等值电路和实际设备结合到一起，最终形成BPA 格式的整个系统模型。经过卡片的填写后，学生就能把理论和软件结合到一起，加深了对理论知识的进一步理解，用自己形成的BPA格式数据可对网络进行短路、潮流和暂态稳定计算。

2 案例分析

下面以网络动态等值化简中发电机等值化简为例，对理论与基于BPA 的等值软件PSD-DEQU 结合的过程进行详细的分析说明。

2.1 发电机等值教学要点

在“电力工程基础”课程的教学过程中，我们为了简化电力系统，对于存在多台发电机情况的处理是:如果每一台发电机都用一个电源点来代表，系统模型将非常复杂，计算工作会非常繁重。因此，在工程计算中常采用合并电源的方法来简化网络［5］。是否容许合并发电机的主要两个依据是发电机的特性和对短路点的电气距离。具体体现在以下几点。

(1)与短路点的电气距离相差不大的同类型发电机可以合并;

(2)远离短路点的同类型发电厂可以合并;

(3)直接接于短路点的发电机应予单独考虑;

(4)网络中功率无限大的电源应单独计算。

在对实际的系统进行化简的过程中，如何把握这些抽象的简化原则而又与工程实际相符合，即简化误差满足计算要求，所得等值网络保留原网络的稳态和动态特性，成为了简化发电机组的关键。

2.2 基于PSD-DEQU 软件的发电机简化

基于电力系统分析软件BPA 的PSD-DEQU 等值软件采用同调动态等值法进行电力系统的动态等值简化。同调等值法的核心是根据发电机在暂态过程中具有相近摇摆形式这一原则(即暂态特性相近)划分同调发电机，并在此基础上简化网络和同调发电机聚合，从而得到原网络的等值网络。

我们现以海南电网2013年丰大方式数据为背景进行分析。海南电网26 台发电机组等值简化应遵循如下原则。

(1)对于小电网(海南电网)不能实现水火电机组的聚合，发电机的类型不同，需要分别等值成不同机组，挂在等值母线上;

(2)发电机同调分组。随扰动位置的不同，比如近海口地区和近三亚地区，各发电机组的同调分组是不同的，进而得到网络不同的等值结果文件，但等值的原则是一致的。以长流至永庄230kV 线路单回大丰侧发生三相永久性故障，0.1s 后切除故障仿真12s，得到海南电网原始系统26 台发电机的转子摇摆曲线(如图1所示)。根据基于发电机转子摇摆角的最大—最小原则并结合地域原则划分发电机同调组从而对海南电网进行动态等值。

图1 海南电网26 台发电机功角摇摆曲线

(3)保留部分对研究系统稳定特性有重要影响的主要厂站，比如容量大的机组不易与其它机组同调，可将其单独化为一组。

2.3 结果分析

通过对海南26 台发电机组情况的详细分析，得到了机组的分组结果，从而把26 台机组等值为8 台机组，然后基于PSD-DEQU 等值软件得到等值网络。等值网络共有两个数据文件:潮流(dat)文件和稳定(swi)文件。分析均是基于这两个文件。

根据动态等值的要求，等值网络和原始网络的潮流需基本一致，否则此等值网络就不能代替原始网络进行后面相关的分析。先用等值网络的dat 文件计算潮流，然后和原始网络的dat 文件潮流计算结果作对比，用于检验等值网络是否可用。

等值网络稳态潮流计算收敛之后，才能进行暂态分析，分析的基础基于潮流结果文件和稳定(swi)数据文件。等值网络和原始网络分别进行暂态计算后即可进行对比分析，从而确定等值网络是否基本保留原始网络的动态特性。

1)潮流稳态分析

以重要线路潮流有功功率和关键节点电压为例分析，如表1和表2所示。等值系统与原始系统的重要线路有功潮流和关键节点电压误差均很小，可以说，等值系统与原始系统潮流稳态基本一致。

表1 原始网络和等值网络的潮流(MW)

表2 原始网络和等值网络的节点电压(kV)

2)暂态分析

以近海口地区的长流至永庄230kV 线路单回大丰侧发生三相永久性故障(所加故障与发电机分群仿真所加故障相同)，0.1s 后切除故障仿真12s。因为本文基于同调动态等值法对整个海南电网进行规模压缩，各个电厂的发电机组基本上全部用与其对应的等值机代替了，比较发电机转子摇摆角的意义不大。因此，当施加扰动时从节点电压、有功功率和无功功率的角度进行对比分析，从而验证等值网络是否基本保留了原始网络的动态性能。由于篇幅有限，只比较了关键节点的电压。

根据海南电网原始系统和等值系统BPA 暂态仿真结果，节点电压曲线对比如图2所示。

图2 玉州站节点电压(P.u.)曲线

从仿真结果看，等值网络与原始网络关键节点电压波动的情况基本一致，原始网络的动态特性基本被保留。

根据潮流稳态和暂态仿真结果，26 台发电机等值为8 台后得到的等值网络可用于分析海南电网，即等值网络可代替原始网络进行相关分析计算，从而使分析计算过程得到简化。

3 结语

本文把电力系统仿真软件PSD-BPA 引入到“电力工程基础”课程的教学过程中，以海南电网的实际工程背景把理论分析与软件使用结合到一起。一方面能够巩固学生所学的理论知识，提高学生学习专业基本理论的兴趣;另一方面在用BPA 软件建模过程中客观地反应了学生的学习效果，有助于教师了解学生掌握知识的情况，以便进一步提高该课程的教学水平和教学效果。

［1］ 鞠平等.“电力工程”教材建设与教学改革［J］.南京:电气电子教学学报，2011，33(2):93-94.

［2］ 王如玫，石笑寒. 关于电气专业基础课教学创新的探讨［J］.天津:电力系统及其自动化学报，2002，14(6):82-84.

［3］ 张靠社等. 《电力系统分析》课程的教学改革和实践［J］. 天津:电力系统及其自动化学报，2008，20(2):126-128.

［4］ 王敏，汪兴强，李生虎.“电力系统分析”学习的关键知识点［J］.南京:电气电子教学学报，2008，30(2):52-56.

［5］ 熊信银，张步涵. 电力系统工程基础［M］. 武汉:华中科技大学出版社，2008，2.

［6］ 印永华，卜广全.PSD-BPA 潮流程序用户手册［R］.北京:中国电力科学研究院，2005.9.

［7］ 印永华，卜广全. 电力系统动态等值程序技术和使用手册［R］.北京:中国电力科学研究院，1993.