电力系统分析课程虚拟仿真实验教学项目设计与实现

徐万万 王 琦

（武汉科技大学信息科学与工程学院，湖北 武汉 430081）

0 引言

电力系统分析是电气工程相关专业重要的专业核心课程，不仅需要培养专业理论知识，也需要培养实践和综合素质。在不增加实验物理设备的情况下，利用虚拟仿真和专业软件仿真技术可以解决上述问题。电磁暂态仿真软件PSCAD可提供各类电机、线缆、负荷、变压器等电力系统常见模型，常作为电力制造企业做产品研发或实验项目。本文结合PSCAD/EMTDC和“110kV变电站主设备高压试验虚拟仿真实验”，重新设计电力系统分析实验教学内容，不仅可以保证学生疫情中线上实践教学，而且也可以作为线下实验的先导课程。

1 PSCAD/EMTDC在实验教学中应用

潮流计算是指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下，计算有功功率、无功功 率及电压在电力网中的分布，是电力系统分析中最基本也是最重要的一种计算。它可以为继电保护和电力系统故障计算、稳定计算、设计规划等提供原始数据，一般在规划和安排系统运行方式时采用离线潮流计算，在电力系统运行状态实时监控中采用在线潮流计算。PSCAD/EMTDC仿真软件可以模拟复杂电力系统，包括直流输电系统和其相关的控制系统，潮流显示直观，使用简单。

以典型IEEE3机9节点电力系统为例，结构如图1所示，给出具体的系统参数，由软件获取各个母线和节点的潮流分布。

系统搭建完成，参数设置完成，仿真运行潮流结果自动显示在各母线和节点上，通过示波器可以查看波形，结果直观，曲线图上不仅可以看到各个时刻系统运行状态，也可以直接判断系统是否可以问题运行。学生自己操作完成，可以一目了然地看到各支路电流及各节点电压分布。后续也可以在此基础上设置短路类型，完成暂态稳定实验，可扩展性强。

图1 典型IEEE3机9节点电力系统

仿真实验要求学生在课上得出实验结果，学生积极性较高，提问题踊跃，老师可以根据学生运行结果给分，当运行有误时，老师可以直接反馈给学生，帮助其找到原因并改正，对学生帮助更大。另外，实验课程结束，教师可以根据学生仿真文件结果和合理设计的问卷调查了解学生学习情况，方便及时调整实验内容，持续改进。

2 虚拟仿真平台在实验教学中应用

2．1 实验项目-电力系统稳态、暂态运行

2013年国家教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工程的通知》（教高厅函〔2015〕24号）指出“虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物”虚拟仿真平台选用我校开发设计的“110 kV变电站主设备高压试验虚拟仿真实验”（见图2），该仿真模型和我校电力系统综合自动化实验室400 V物理缩比实验设备一致[6]。

实验包括：主设备认知、知识预习、实验考核、实验报告四部分组成。实验内容包括：电力系统功率特性和静态功率极限实验和电力系统暂态传输极限研究。

2.1.1 主设备认知

“110 kV变电站主设备高压试验虚拟仿真实验”包含实际电力系统主设备110 kV变压器动态拆解图如图3所示。电力长途传输中，变压器担当重要角色，变压器内结构复杂，现场实验也无法了解变压器内部结构，所以通过虚拟仿真中的动态拆解图可以方便认知。

图2 110 kV变电站主设备高压试验虚拟仿真实验

图3 主设备动态拆解图

2.1.2 知识预习

在实验前，需要提前预习电力系统的有功功率和频率调整、电力系统无功功率和电压调整章节内容，明确电力系统频率和电压调整措施、有功功率和无功功率负荷优化分配机制，为实验打下基础。

2.1.3 实验考核

虚拟仿真实验中有详细实验步骤，每位学生均可以一步步操作后得到理想结果，摆脱了实际实验室中设备台套数限制学生无法都能实际动手操作。

2.1.4 实验报告

由于选用其他学校虚拟仿真系统无法直接获取学生实验数据，所以采用上交实验报告的形式考察学生学习情况。因为整个实验实施过程均由学生自主控制，是学生独立操作的结果，学生在做实验室是带着兴趣和问题去学习，可以主动把理论与实际联系起来，实验结果由自己根据理论值来评定分析，最后独立完成综合实验报告，培养了学生的独立思考能力。

2.2 实验考核评价与反馈

所有实验结束后，传统考核方式是给出的实验分数作为学生课程期末成绩的一部分，占10%，根据多年教学经验，这部分成绩对总成绩影响有限，得不到学生的足够重视，如果单独对实验成绩考评才能形成学生综合素质的客观评价。考核方式可以根据实验内容难易程度设置比例系数进行加权。

3 实验教学效果

目前，利用该方案在武汉科技大学校内开展了面向电气工程及其自动化本科专业电力系统分析课程的虚拟仿真实验教学，学生反馈效果显著。

（1）节约虚拟仿真类软件设计费用和周期，减少专业实验设备购置，有利于学科建设经费高效利用。

（2）提高实验教学效率，学生在进实验室时已经在通过虚拟仿真学习相关理论和操作知识，完成方案设计，实验过程中可以更关注遇到的问题和结果分析，完成速度快，质量高。

（3）提高实践创新型人才培养质量。设计项目只规定了目的和可学习资源，学生有很大的自主选择范围，特别在PSCAD/TMEDC仿真设计阶段，加入自主设计的电源或负载完成，帮助学习开拓创新。

4 结语

电力系统分析课程理论性和实践能力均要求较高，涉及的知识面广，仅仅通过等比例缩小的400V物理实验平台无法实现实际系统的性能。通过加入基于PSCAD/EMTDC专业仿真软件和3D虚拟仿真实验项目后，可以加大实验课程教学信息量，调动学生积极性和主动性，取得了较好的教学效果，也为培养学生应用能力复合型人才打下基础。