仿真软件在“电力系统分析”课程教学中的应用

(北京林业大学工学院，北京 100083)

“电力系统分析”课程是电气工程及其自动化专业的基础理论课程。该课程主要介绍电力系统的建模理论和计算方法，包括电力系统静态分析和电力系统暂态分析2个部分，涉及电力系统短路、潮流、电压控制和稳定性分析等重要内容。该课程不仅内容丰富，而且还以建模为教学目标，因此学生常感到枯燥、抽象、难以理解、与实际工作差距大。为解决这一问题，有必要在“电力系统分析”课程教学过程中寻求一种有效的教学辅助方法，为此笔者将仿真软件引入到了“电力系统分析”课程教学中。

一、“电力系统分析”课程教学常用的仿真软件

目前，在电力系统中常用的仿真软件有很多种，笔者主要介绍一些较为传统的、经常应用于“电力系统分析”课程教学中的仿真软件。

(一)PWS软件

PWS(power world simulator)软件是一个用于电力系统的可视化仿真软件包，它由美国伊利诺伊大学的电子与计算机工程学院开发，这个集成了可视化方式的软件是一种专用于电力系统的大型专业化的商业软件，具有友好的用户界面和良好的交互性能。这个软件开发了多种可视化技术用于显示电力系统的关键信息，包括动画流程、轮廓、三维视图和动态缩放的饼图等。动画流程不仅可以描述数据流的方向，也可以直观地给出线路负载状态。同时，借助于饼图线条的自动变色和放大功能，学生可以十分方便地获取更多受限的信息。另外，轮廓线条也有助于学生从总体上观察、找出整个网络的薄弱环节[1]。

(二)PSASP软件

PSASP(power system analysis software package)软件是具有我国自主知识产权的大型软件包。它是由中国电力科学研究院开发的，主要用于研究、设计与运行电力系统的软件。

PSASP软件可以解决电力系统的各种计算和分析问题，包括潮流计算、短路计算、继电保护整定计算、静态和暂态分析，以及稳态、暂态、线性、非线性分析手段。另外，其图形化的结果可以自动生成，计算结果同样如此，即可在单线图或地理位置布线图上进行标明[2]。

(三)MATLAB/SIMULINK软件

MATLAB软件是由美国Math Works公司开发的计算机仿真软件。SIMULINK软件是由MATLAB软件提供的动态系统建模、仿真和分析的集成环境，它同时也是一种集框图和交互仿真能力于一体的非线性动态系统仿真工具[3]。

SIMULINK软件提供各种仿真模块。例如，SPS(SimPowerSystem)模块，它经常被用于电气工程领域，包含各种电机的仿真模型、电力电子器件模型和各种测量装置模型等。SIMULINK软件的功能分为系统建模和系统仿真2个部分。用户需要做的只是一些简单的鼠标拖动，即可在界面的模型窗口中建立一个所需要的控制系统模型，然后用它进行模拟与分析。采用SIMULINK软件，可将复杂系统的输入、输出和控制变得简单、直观。

二、仿真软件在“电力系统分析”课程教学中的实际应用

以上所介绍的仿真软件都可以应用到“电力系统分析”课程的辅助教学中，而且他们均有自己独特的优势。其中，PWS具有极佳的可视化功能和方便的人机交互界面；PSASP具有强大的运算功能和灵活的输出形式；MATLAB/SIMULINK具有丰富的模块库与精准的结果分析方法。因此，为了更好地进行“电力系统分析”课程教学，笔者选择了上述仿真软件作为“电力系统分析”课程的辅助教学工具。

(一)PWS软件应用实例

潮流计算作为“电力系统分析”课程的基础和重要内容，不仅内容抽象，而且涉及到大量的公式。在以往的“电力系统分析”课程课堂教学中，教师主要集中于讲授各种潮流计算方法，使学生感到枯燥乏味，而且教学效果不佳。为了解决这个问题，笔者在课堂上使用了PWS软件，直观、生动地演示了潮流计算分析的过程和结果，见图1。

图1 PWS软件对潮流计算分析过程的演示

图1所示，一个立方体表示一个断路器，其红色表明它是“封闭的”；传输线上的饼图可以显示其负载状况；线路上的绿色和蓝色的箭头则代表方向与有功、无功功率各自的大小。如果线路流量大到超出了线容量，饼图就会变成红色，并向我们显示出额外的比例。通过改变负载或调整发电机输出箭头按钮，可以直观地显示负载调节或者发电机的输出情况，从而可以观察到潮流的变化。

(二)PSASP软件应用实例

众所周知，实验是配合理论教学不可或缺的环节。通过实验，学生一方面加深了对理论知识的理解，另一方面提高了工程实践水平。由于电力系统的特殊性，电气工程及其自动化专业的学生很难参与到实际的系统运行与控制中，而只能通过对电力系统的仿真实验来完成任务。因此，笔者完全可以利用PSASP软件去展开“电力系统分析”课程的仿真实验。

PSASP软件可以进行各种电力系统的计算。例如，设计的实验是完成一个9节点电力系统的潮流计算。首先，引入该实验模式的系统参数；其次，完成系统的潮流计算；最后，以报告和图表的形式输出计算结果，并输出在对应操作模式下的单线图。该实验的线图计算结果见图2。

图2 PSASP软件完成的潮流实验线图计算结果

(三)MATLAB/SIMULINK软件应用实例

除了使用PSASP软件来完成部分“电力系统分析”课程实验外，还有一些实验通过MATLAB/SIMULINK模拟软件建模完成。比如，短路电流计算、谐波分析(调和分析)与计算、单相接地故障的小电流系统的选线与仿真等，见图3。图3是一个基于MATLAB/SIMULINK模拟软件构建的3节点电力系统发生短路情况的仿真电路原理图。首先，依据实际电路在SIMULINK中选择相应模块，搭建系统图。其次，在短路故障模块，设置故障方式为A相单相接地故障，将电压和电流信号引入示波器。这样笔者就可以通过示波器模块知道当发生单相接地故障时三相电压和相电流的波形会如何变化，结果见图4。将SIMULINK引入“电力系统分析”课程的实验可以使学生亲自设计、搭建自己的系统，并对结果进行分析。

图3 MATLAB/SIMULINK软件构建的三节点电力系统短路仿真原理图

图4 SIMULINK软件演示的发生单相接地故障时电压和电流波形图

三、仿真软件在“电力系统分析”课程教学中的应用效果

北京林业大学电气工程及其自动化专业，目前主要采用MATLAB/SIMULINK软件作为电力系统的仿真工具，并作为“电力系统分析”课程的实验仿真软件。学生通过仿真软件的应用，对“电力系统分析”课堂上枯燥的理论知识有了更加直观的感受和理解；繁琐的公式变成了形象生动的图形；抽象的内容变得触手可及。在潮流分析章节的学习过程中，通过使用MATLAB/SIMULINK软件或者PSASP，使流动的电流、电压、功率仿佛呼之欲出；在短路分析过程中，瞬间产生巨大的电流波形也给学生以震撼；在电压控制过程中，学生利用课堂学到的知识使网络的各点电压达到标准要求。这些都极大地提高了学生学习“电力系统分析”课程的兴趣，学习不再是被动地接受知识，而是变成了一场游戏、一场竞赛。

总之，“电力系统分析”课程的许多概念和运作模式需要在大系统中进行仿真模拟，以便学生可以更好地理解理论知识。近年来，笔者一直尝试将这些仿真软件，无论是PWS、PSASP还是MATLAB/SIMULINK，应用到“电力系统分析”课程的课堂教学、实验和课程设计中。教学实践表明，通过仿真软件的教学，不仅可以演示复杂系统的未知结果，而且还可以演示系统随参数变化的各种趋势。这对学生理解抽象的理论知识有很大的帮助，弥补了实验手段的不足，提高了学生实践创新的能力。但单纯的软件仿真也有其不足，主要表现在学生仍然觉得软件仿真出来的结果过于理想，与实际差距较大，而且MATLAB/SIMULINK软件又是一种通用的数学仿真软件，其仿真效果不仅和电力系统的实际效果有一定的差距，而且和自己未来的工作也有一定的距离。为此，笔者正在引进RT-LAB仿真系统，它不仅仿真效果更优，而且还与实际系统直接相连，达到了半实物仿真的效果，更有利于学生的真实体验。

[1] 郭振威，黄肇，袁旭龙，等.PowerWorld Simulator在“电力系统分析”教学中的应用[J].中国电力教育，2011(3)：180-181.

[2] 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)：72-75.

[3] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社，2011：2-4.