电力系统稳态分析实验课程教学方法改革研究
时间：2023-02-28 21:40:06 来源：千叶帆 本文已影响人
朱 慧
(青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266042)
《电力系统稳态分析》是电力系统专业方向课程模块的核心课程，是技术理论课，实验课程占有非常重要的地位。其实验课程传统上采用物理实验，物理实验有接近实际现场设备等突出的优点，但也存在着实验台数少、灵活性差和实验内容受限的缺点，导致许多实验只能演示，学生不能实际操作。本文探讨该实验课程的新的教学方式方法，如将仿真软件应用于实验教学，以期进一步提高这些实验课程的教学效果。而中国目前常用的电力系统实验仿真软件如PSASP、BPA等在电能质量方面的建模精度、算法收敛性等方面的选择都比较单一。国际通用的电力系统仿真软件ETAP是一种功能全面的综合型电力及电气分析计算软件，能为电力系统的规划、设计、分析、计算、运行、模拟提供全面的分析平台和解决方案，并且提供了更为方便的建模方法和分析算法，利用ETAP软件进行仿真实验时，只需点击相应的功能模块按钮，并进行合理的参数设置，即可获得分析结果，分析结果较一般电力系统分析软件更准确、快速和智能化，且结果可以以直接显示、文本报告的形式等多种形式直观地输出。可见，将ETAP软件应用于仿真实验,并将研究结果应用于指导电力系统的安全、稳定运行，具有很好的价值[1-3]。
ETAP可以提供完整的图形和编辑器, 以最简洁的方式对电力系统进行建模，且能快速而准确地对系统进行仿真分析，分析结果能以多种形式直观地输出。下面通过电压调整仿真实验来展示ETAP仿真软件是如何应用于实验教学的。[1]
2.1 运用ETAP仿真软件对系统进行建模
图1 系统仿真模型
图2 潮流仿真结果图
在利用ETAP软件进行仿真实验之前，首先要建立系统的仿真模型。本次的建模仿真，需要的元件包括发电机、变压器、静态无功补偿器、母线、导线。在左侧的元件栏里找到相应的元件，鼠标左键单击，然后拖拽到图纸OLV1(Edit Mode)上。每个元件都有可供连接的端子，一般是红色的，鼠标左键点击连接端子，然后拖动另一个元件的连接端子，根据任务书中的接线图依次连线，已建立的单线图如图1所示。
系统中各元件的参数取自文献[2]。系统建模完成后，就可以进行潮流分析了。之所以要潮流分析，是因为可以得出各个母线的电压。在ETAP软件的编辑界面，从上往下数，第四排就是“Model”工具栏，点击第一个“Load Flow Analysis”按钮切换到潮流分析模式，上面一排就会出现“Load Flow Analysis Study”工具栏，点击“Edit Study Case”，打开潮流分析案例编辑器。这个编辑器有五个栏，需要设置一下才能进行潮流分析。
把这个潮流分析案例编辑好之后，点击右侧工具栏第一个“Run Load Flow”按钮，ETAP软件就会进行潮流计算，计算的结果会显示在系统的建模图上，如图2所示。
通过ETAP软件的仿真分析数据，可以直观地看到有些母线电压质量不合格，需要采取一些措施对电压质量进行调整。而在通常采用的物理实验中，进行电压调整实验时需要将一些设备投入或切除，实验电压比较高，学生进行实验时有一定的潜在危险，另外，实验结果不太直观。下面通过ETAP软件仿真实验展示仿真试验独特的优势。
2.2 运用ETAP仿真软件对系统电压进行调整
2.2.1 改变发电机端电压进行调压
当发电机端电压升高6%。双击图中最左边的发电机，打开发电机的编辑页面。现在要将原来的额定电压10.5 kV提高百分之六，经过计算得出为11.13 kV，在发电机编辑页面的“额定”栏中将电压改为11.13 kV。这样所示就完成了将发电机端电压升高百分之六的操作。然后点击右侧运行潮流的按钮即可将调整后的变压器中压侧的电压计算出来了。具体计算结果如图3所示。
图3 改变发电机端电压进行调压的仿真结果
通过对于调压前后中压侧电压的比较我们可以看出，经过发电机端电压升高6%后，中压侧电压由原来的41.848 kV，升高到了43.581 kV，电压的变化量为1.733 kV。
2.2.2 改变变压器变比进行调压
图4 改变变压器变比后的潮流仿真结果
在将变压器的变比减小2.5%之前，我们需要将上一步已经调整了的发电机端电压再调整回来。这样做是为了保证变量的唯一性，在这次的仿真中只有变压器的变比是发生了变化的。双击图中唯一一个三相变压器，在打开的编辑页面选择“变比”栏，可以看到一次侧、二次侧和三次侧的变比都可以调节，在此我们只调节一次侧的变比，在“Prim”后面的“%Tap”栏里输入2.5%可，调压结果参见图4。通过对于调压前后中压侧电压的比较我们可以看出，经过变压器的变比减少2.5%后，中压侧电压由原来的41.848 kV，减少到了41.103 kV，电压的变化量为0.745 kV。
2.2.3 改变无功功率分布进行调压
将变压器与发电机都调整为最初的量，双击图中的电容器，在编辑页面的“额定”栏中将无功功率从15Mvar改为25Mvar，点击“确定”按钮就完成了对电容器的设置。潮流计算结果如图5所示。通过对于调压前后中压侧电压的比较我们可以看出，经过增加10Mvar无功功率后，中压侧电压由原来的41.848 kV，增加到了42.88 kV，电压的变化量为1.032 kV。
图5 改变无功功率分布后的潮流仿真结果
本文首先探讨了ETAP仿真软件在实验教学中的应用，通过ETAP软件仿真实验，使得相关教学内容实现了直观可视化效果，教学效果反馈也表明学生对相关概念方法的理解更加迅速、概念更加清晰，充分体现了ETAP仿真软件在实验课程教学中的优势。
通过教学实践证明，这种教学方法不仅能激发学生的学习兴趣，还能使学生更加深刻理解电力系统的运行特点，达到事半功倍的效果。
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