电力系统仿真分析软件ETAP在专业课教学中的应用

江玉蓉?周焕森?戴江江

摘要：简单分析了目前电力系统专业教学中实验课和课程设计的情况，指出把成熟的商用电力系统实用分析软件ETAP应用到电力系统专业课程设计和综合实验课中的必要性。介绍了上海电力学院应用ETAP软件进行电力系统仿真分析的成果和经验。

关键词：电力教学；ETAP；电力系统仿真分析

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0092-02

随着电力工业的发展，单机容量和系统容量不断增大，电网结构变得越来越复杂，如果用人工方法对于庞大电力系统网进行分析与计算将十分繁琐，甚至是难以实现的。但随着计算机技术的不断进步，使得这一切成为可能。电力系统分析软件，是用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究，用来确定规划设计方案，拟定运行方式，整定自动装置的控制参数，进行事故分析和协助运行人员做出正确的决策，还可用于教学和培训。本文将简单介绍使用电力系统实用分析软件ETAP进行电力系统分析教学方面的一些应用及体会。

一、高校电力系统专业课程实验现状

高等学校课程主要分为理论学习和实验。电力系统专业因为它的抽象性和学生将来工作岗位安全要求高等特点，实验及课程设计环节所占的比重越来越高。比较常见的有电机实验、高压实验、继电保护实验等针对系统中某一设备的实验。电力系统专业所研究的对象是横跨大江南北的庞大的电力系统，从发电机到变压器，从输电线路到用户，从一次系统到二次系统，其中各设备的联系和相互影响非常密切，因此对于电力系统专业的学生来说针对单一设备的实验已经不能满足他们学习的需要了。

而建立电力系统物理模拟实验室耗资巨大，较难实现普遍应用，因此人们把精力转向了数学模型实验。所谓的数学模型实验就是用数学的方法建立电力系统各元件模型，模拟系统的运行状态或计算系统中某点发生故障（如短路、跳闸等）后其他地方各电气参数（如电压、电流、相角等）的变化。

电力系统数学模型实验在很大程度上可以帮助学生掌握电力系统理论知识和运行特性。现在国内外已经有多款成熟的商用电力系统数学模型实验软件，ETAP就是其中的一款。

二、电力系统专业课中使用商业软件的优势

电力系统模拟商业软件最初出现在电力系统运行、设计和研究机构。电力系统模拟商业软件由有一定电力系统研究实力的公司开发，能保证算法的正确性；计算机的快速性和精确性把广大从事电力系统工程设计和研究的人员从繁重枯燥的工作中解脱出来；开发商业软件的电力系统专家把他们多年的研究成果写入到软件中，使一般工程技术人员也能做深入的研究，如暂态稳定性分析。所以越来越多的公司开始使用甚至依赖商业软件进行电力系统模拟计算。

高等电力院校和电力行业其他机构不同，它的主要目的是让学生掌握好知识，经济性相对来说排在后面。在电力行业中，电力院校使用商业软件进行电力系统模拟实验相对来说比较晚。经过这些年的教学实践，笔者认为在电力高校教学中使用商业软件（以ETAP为例）还是有一定的优势。

1.复习课堂知识

用商业软件建立电力系统模型需要填入必要的参数，思考哪些参数是必须的过程也是一个复习课堂知识的过程。例如，建立变压器模型时回顾下变压器的模型是一理想变压器和一阻抗串联，而变压器阻抗的计算公式是，所以可以得知在软件里必须填入的数据有高压侧额定电压、低压侧额定电压、额定容量、短路電压百分数。

2.校验课堂知识

为了加深学生对学过知识的印象，通过实验方法来校验理论知识是常用的途径。由于电力系统的抽象性、庞大性和高安全要求等特点，学生到实际现场做实验可能性不大。有了商业电力系统模拟软件在实验室就可以完成理论知识校验，如校验无功电压特性、不同类型节点的运行特性、环网潮流控制理论等。

3.实习系统运行

商业软件的快速性和精确性可以让学生在同样的课堂时间内完成电力系统在多个不同运行方式下的模拟实验，对比不同运行方式下的实验结果，丰富实验课内容，使学生更加容易理解电力系统运行方式的含义和掌握任何选择运行方式的知识。

4.进行暂态稳定研究

电力系统暂态过程是色极其复杂的过程，手工分析需要相当扎实的理论基础，让学生独立来做几乎不可能。有了成熟的电力系统模拟商业软件后，学生可以借助开发软件专家的经验和知识独立完成电力系统暂态过程的分析，加深他们对暂态过程的了解。

5.学习最新技术

当今社会风云变幻，新技术新产品层出不穷，学生多学习些新技术、新产品有助于他们更快适应现实工作环境。

总之，了解并初步学会使用先进的商用电力系统分析软件，使用其对电力系统实例进行分析，可以使学生加深和巩固课堂教学内容，加深对电力系统物理规律的认识，为今后的学习、工作打好基础。

三、ETAP软件介绍

ETAP（Electrical Transient Analysis Program）软件由美国OTI（Operation Technology，Inc）公司开发，是第一个真正32位Windows环境下全图形界面的电力系统仿真分析计算高级应用软件。ETAP采用图库一体化技术，实现在界面上图形化添加、删除、连接、移动设备，调整大小和方向、操作设备，在图形界面上输入各设备的参数和运行状态。这些信息都自动保存到库里，无须对库操作。多个负荷和发电类型使人们能方便分析各种负荷状态下的电力系统，三维数据库更是让人们灵活使用不同的设计方案和运行方式，不限个数的分析案例实现了在一个工程里完成多个方案分析。ETAP拥有潮流分析、短路计算、电动机起动计算、谐波分析和暂态稳定分析等20多个功能模块，所有模块计算所需要的数据保存在一个库里，对一个工程只要通过模块切换按钮就可以做所有的计算，操作便捷。

ETAP在1986年问世，经过20多年的发展已经是一款很成熟的电力系统实用分析软件。OTI公司拥有大量知名的电力系统专家，他们中很多人在IEC和ANSI等组织中起着积极的作用参与相关标准的制订。ETAP算法严格遵循相关国际标准，并且密切监视这些标准的发展根据标准的改动及时修订算法。ETAP每个新版本发布之前都要进行V&V认证，计算结果经手算结果和现场实测结果双重校验。每年有数次由其他单位组织的质量评审，保证ETAP质量可靠。

ETAP在1999年进入中国市场，10多年来深受电气技术人员的欢迎，在中国的用户数不断增加。上海电力学院在2003年引进ETAP用于教学，在2005年建立ETAP电力系统模拟实验室。到目前为止，已经有约4000人次接受了ETAP电力系统模拟实验，教学效果比较理想。

四、ETAP软件教学应用实例

某系统接线图如图1。GEN1（Vθ节点）、GEN2（PV节点）和GEN3（PV节点）是三台发电机，通过三台升压变和220kV系统相连，母线BusA，BusB，BusC是三条220kV用户母线，上面挂有负荷（全是恒功率负荷）和无功补偿装置。Lump1=125MW+70Mvar，Lump2=35MW+10Mvar，Lump3=90MW+40Mvar，Lump4=100MW+55Mvar，其他设备参数见图中注释。

1.系统建模

ETAP提供了成型的发电机、变压器、负荷、并联电容器和线路模型，建系统模型时只需要从工具条中添加需要的模型，再根据接线图拓扑关系把他们连起来，然后填入需要的参数。

在仿真计算中发电机的模型是电压源和阻抗串联，暂态模拟需要发电机的次暂态电抗、暂态电抗、直轴电抗、电阻，额定电压和额定容量；变压器的模型是理想变压器和阻抗串联，需要变压器的高低压侧额定电压、额定容量、短路电压百分数、X/R；线路的模型是阻抗加并联电容，需要的数据是电阻、电抗和电纳；负荷和电容器的模型都是PQ节点，需要的数据是额定电压和有功、无功容量。

把GEN1设为平衡节点，确定它的出口电压值和无功限制范围；把GEN2和GEN3设为电压控制节点，确定他们的出口电压、有功输出和无功限制范围。

2.仿真分析

模型搭建后，可以方便地进行系统的潮流、短路和暂态模拟计算。可以对不同运行方式下潮流结果进行对比，观察不同设置对潮流结果的影响，并分析其原因。

能对不同地点发生各种短路故障进行仿真，分析其短路稳态电流及冲击电流大小，以及不同负荷模型在短路计算中的区别。在短路计算中把电动机负荷（或叫旋转负荷）和照明加热负荷（或叫静止负荷）分开考虑，前者有短路电流反馈，后者没有。

可以仿真分析系统受到干扰后的稳定性，如发生短路故障、故障切除、重合闸动作后等不同状态下系统的稳定性。并能直观观察各事件发生后发电机功角、端电压等参数随时间的变化情况，如图2、图3所示。

五、ETAP软件教学总结和评价

ETAP软件是新兴的科技产物，能帮助人们解决不少问题，但是它只是个工具，要用好它必须要懂得它的工作原理。所以在教学生使用ETAP前要求学生掌握好基本的电力系统分析计算理论，这样后面的实验课才能进行得顺利。

用ETAP软件做电力系统模拟分析有相当大一部分工作是建立系统模型，模型的质量直接关系到实验分析的成功和失败。为了保证模型的正确性，建模前先要弄清楚各元件的数学模型，并且注意模型中个数据的单位。

用ETAP软件做电力系统模拟实验，学生只要摁计算按钮就可以。大量的计算工作由计算机完成，所以跟传统的手工计算实验相比，在相同的实验时间内可以多分配些实验任务，让学生多了解些电力系统的运行特性。但对原理的透彻理解则更需要加强，否则是照葫芦画出了瓢，却不理解结果的来龙去脉。除了潮流、短路和暂态分析等基本功能外，ETAP还有电动机起动模拟、谐波模拟和保护设备动作模拟等模拟功能，全面应用这些模拟功能，可以把电力系统各方面特性全面地展现在学生面前，便于学生掌握。

参考文献：

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[3]唐春华.ETAP软件在大型石化企业电力系统中的应用[J].电气技术，2007，（S1）.

[4]冯煜珵.ETAP分析软件在最优潮流分析中的应用[J].华东电力，2004，（8）.

[5]凌卫家.面向用户的电力系统模拟计算高级应用软件[J].湖北电力，2002，（2）.

（责任编辑：王意琴）