电力系统全数字仿真装置在虚拟仿真教学中的应用

1.王雪杰 2.齐 磊 3.郝书一 4.王元军

1.沈阳工程学院 电力学院 2.辽宁省安全科学研究院

3.国网辽宁省电力有限公司检修分公司 4.国网朝阳供电公司

电力系统全数字仿真装置在虚拟仿真教学中的应用

1.王雪杰 2.齐 磊 3.郝书一 4.王元军

1.沈阳工程学院 电力学院 2.辽宁省安全科学研究院

3.国网辽宁省电力有限公司检修分公司 4.国网朝阳供电公司

虚拟仿真实验教学逐步地与理论教学相结合弥补了电力系统物理实验平台的造价过高和实验具有破坏性的不足。结合电气工程专业的特点，本文探讨电力系统全数字仿真装置(ADPSS)在实验教学体系中的应用和教学方案的设定。该方案包括基于电力系统综合分析程序(PSASP)的潮流计算、短路计算和暂态稳定计算，丰富了教学内容，作为一种重要的辅助教学手段，在实际应用中取得了良好的效果，增强了学生的工程实践及创新能力。

电力系统全数字仿真装置；虚拟仿真实验教学；工程实践

1 引言

目前，电力系统安全是能源安全和国家安全的重要组成部分，电力系统是高电压大电流系统以及装置高造价的特点使得在实际装置上直接做各种试验极为困难，只能通过实时仿真试验进行电网运行特性研究和各类控制保护设备的验证，达到避免大停电事故﹑保障电力系统安全运行的目的。为了方便教学和科研任务，很多科研院所引进电力系统全数字仿真装置(Advanced Digital Power System Simulator,ADPSS)进行仿真科研和教学研究。ADPSS仿真装置采用网络并行计算技术，并对进程进行实时和同步控制，实现大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态的实时和超实时仿真以及外接物理装置试验[1]。本文主要探讨ADPSS教学体系的建立，如何根据电力系统实际运行情况，寻求实际应用技术与仿真教学的最佳结合点，进行课程内容的开发与建设，更好地发挥出仿真系统的作用。

2 课程内容建设

虚拟仿真教学课程建立在ADPSS仿真装置的基本功能基础上，与电力系统运行与控制，电力系统分析计算等课程紧密联系，包括基本网络的建模，参数的设定，以及网络潮流计算﹑短路计算﹑电压稳定﹑小干扰稳定﹑机电暂态仿真﹑电磁暂态仿真等。课程内容的设定注重学生的自主学习能力的提高，重视基础知识与工程实践相结合，提高学生的认知水平与创新能力。

2.1 基本网络及参数

首先建立电力网络以及给定元件参数，PSASP中参数的录入方式包括文本方式和图形方式，PSASP程序中参数的选取依据潮流计算需要数据。学生掌握潮流计算中各个节点类型及其设置原则，引导学生思考一个系统中哪些节点需设置成平衡节点，哪些是PQ节点，哪些是PV节点，并且根据结点类型输入相应的参数。通常选取调频电厂或外网作为平衡节点，选取有无功调节能力的电厂作为PV节点，其他节点作为PQ节点。

2.2 基于PSASP的潮流计算

PSASP系统提供了五种潮流算法，分别定义5个潮流作业，比较各个作业计算迭代次数﹑计算时间和结果。在电网运行过程中，存在着多种方式的变化，如常规的冬季大方式﹑冬季小方式﹑夏季大方式﹑夏季小方式等；可以指导学生进行方案定义，模拟电网的典型运行方式，反映的是基于同一个电网结构，电网内负荷的有功﹑无功变化。这四种方案分别建立四个潮流作业，就可以对不同运行方式的潮流分布进行分析。在这个过程中，学生可以选择结果输出的数据类型和输出对象。

2.3 基于PSASP的短路计算

电力系统短路计算是在某种故障情况下，求出短路点的故障电流﹑电压，以及全网各母 线电压和支路电流的计算 [2]。基于PSASP的短路计算其主要功能和特点可概括为以下几个方面：交直流混合电力系统的短路电流计算，以及电网的正﹑负﹑零序戴维南等值阻抗计算；简单故障方式的短路电流计算，可以在设定范围内进行扫描计算，以报表或曲线方式输出。从结果输出中，学生学习到不同短路类型对系统造成的影响和采用戴维南等值阻抗计算后的正序﹑负序和零序的阻抗值和阻抗角，有助于理解不对称短路计算的对称分量法的应用。

2.4 基于PSASP的暂态稳定计算

电力系统暂态稳定是指电力系统遭受大干扰时，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来运行状态的能力 [3]。理论教学中的稳定概念十分抽象，在实际的大电网中进行真正的打扰动实验的机会又很小，只有通过仿真教学，才能达到预期的目标。通过PSASP建立模型进行暂态稳定计算，学生可以直观地看到各个发电机的摇摆曲线图，通过图形观看各发电机转子间相对角度随时间是否逐渐衰减，系统是否回到扰动前的运行状态，或者过渡到一个新的稳定运行状态。设计任务中包括了交直流混合电力系统，并且可考虑变电站内部的开关状态对系统网络结构的影响等内容。学生在搭建的模型中知道了每个元件的基本最优，励磁控制，并且获得输出的波形。

3 实验考核环节

如何合理的进行考核是实验教学中非常重要的部分，在智能电网全数字仿真系统的应用中，我们把学生如何把仿真教学与理论知识结合掌握程度最为考核的一部分，并不是简单的要求学生重复性的操作程序，而是经过理论分析然后确定各个实验的各个步骤以及所需要的各项参数。在任务的设定过程中，学生可以自行设置故障类型和选择计算方法，考核过程中，对于学生能够更多的掌握不同任务间的区别和对于系统造成的不同影响予以适当加分。要求学生完成任务以实验的各种报表和图形的方式输出结果，进行分析处理，传到教师主机上，实时评分。与此同时，鼓励学生完成创新性实验，培养他们分析问题解决问题的能力。

辅助教学的应用范围比较广泛，可以应用课程包括电力系统分析计算﹑继电保护整定和调速系统的设计等。可以仿真模型出系统的实际的运行状态﹑各种故障和扰动对于系统的影响。学生在这个仿真平台上能更好地理解理论知识，提高工程实际能力；并且训练了分析问题﹑解决问题的能力。

[1] 电力系统分析综合程序(PSASP)用户手册[M] .北京:电力科学研究院, 2001.

[2] 李光琦.电力系统暂态分析[J].北京：中国电力出版社，2007.

[3] 周双喜.电力系统电压稳定性及其控制[M].北京：中国电力出版社，2004.