电力系统分析范文
时间：2023-03-21 21:16:40
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【中图分类号】G420 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）09-0230-01
电力系统分析课程是各高等院校电气工程及其自动化专业的核心专业课程，是该专业学生知识体系的重要组成部分，同时也是该专业学生毕业后工作或深造的必修课程。但是，对于电力系统分析课程而言，该课程涉及的知识面广，对电路原理、电机学、电力电子技术等先修课程的要求较高，同时，近年来世界范围内智能电网技术发展迅猛，各种新技术层出不穷，这些因素都给课程体系的优化设计提出了更高的要求。要求该课程在有限的课时内，基于多门先修课程的基础知识，系统讲授电力系统静态分析方法，并结合新兴技术提高学生学习兴趣与专业技能。
1教材的选择
1.1国外经典教材
现代电力系统分析与控制起源于国外，国外的电力系统研究者和教学工作者在几十年的发展过程中积累了大量的宝贵经验，也出版了多本经典教材，如Robert H. Miller等编著的《Power System Operation》、Turan Gonen编著的《Modern Power System Analysis》、Prabha Kundur编著的《Power System Stability and Con？鄄trol》等。这些教材对电力系统分析的理论讲解透彻，深入浅出，且经过几十年时间的检验，其教学价值得到广泛的认可。
虽然国内外电力系统分析的基本原理是相同的，但是由于电力系统运行机制的不同，国外教材对培养我国电力系统人才具有一定的局限性。此外，由于电力系统分析课程主要针对本科二、三年级的学生，完全使用国外经典教材进行双语或全英授课难度较大。
1.2国内经典教材
国内的高校虽然较国外高校而言在现代电力系统分析领域的教学起步较晚、差距较大，但是近年来在国家政策的大力扶持下，取得了快速的发展。同时，也形成了几本优秀的教材，如东南大学陈衍编著的《电力系统稳态分析》、华中科技大学何仰赞等编著的《电力系统分析》、四川大学刘天琪等编著的《电力系统分析理论》等。这些教材从简单知识入手，由浅入深，分析透彻，自成体系。
针对国内本科电力系统分析教学的现状，可以选择国内出版的讲解清晰、全面的教材为主线，并以国外经典教材为辅助。
2.教学方法的改进
电力系统分析课程作为电气工程及其自动化专业核心课程，对电路原理、电机学等基础先修课程的要求较高，且由于电力系统设备大多属于高压设备，对实验室资金投入的要求较高，国内只有少数几所高校具备开展电力系统动模实验的条件。如果仅仅按照教材照本宣科，学生很难深入理解和掌握相关领域的知识。因此，在理论教学实践中，穿插教材中所缺乏的仿真实验，并结合生活实际经验讲解相关原理，可以更好地帮助学生掌握理论知识。
2.1计算机仿真辅助教学
MATPOWER是一款基于MATLAB的开源电力系统仿真软件，具有操作简单、运行结果可靠等优点，可以满足一般电力系统计算和分析的需要，进行简单讲解后学生即可独立操作，作为对理论教学的辅助。
例如，在电力系统电压调整章节，根据如图1所示的电压调整原理图，得到如式（1）所示的电压调整关系式，进而得出电压调整的四种措施：即改变发电机机端电压、改变变压器变比、改变负荷功率分布和改变网络参数。
图1 电压调整原理图
Vi=VGk1-■k2 （1）
但是，按部就班的理论推导难免枯燥和抽象，通过MATPOWER仿真软件，可以简单地通过修改相应系统参数，经过潮流计算后便可直观地观察节点电压的变化情况，加深学生对知识的理解与记忆。
总的来说，MATPOWER是一款可以在Windows环境下方便使用的开源电力系统仿真软件，可以方便地应用于课堂教学演示或课后仿真实验。
2.2理论与实践相结合教学
电力系统分析课程具有概念多、抽象和难以理解的特点，学生普遍反映所学知识与实际生活经验较难结合，教学内容较为枯燥等问题。因此，在教学实践中应努力将理论与实践相结合，让学生学得有兴趣，学以致用。
例如，在讲解“断路器”这一常用电力设备时，如仅仅从其灭弧的原理和作用角度进行讲解，往往得不到较好的教学效果。因此，作者在教学实践中尝试首先从电网电弧入手，讲解电力系统中灭弧的重要性;然后，从生活中“断电几秒自动恢复”的现象，引入“自动重合闸”的介绍;最后，从电网操作安全的角度，讲解“断路器”和“隔离开关”之间的区别与联系，以及电网检修过程中两者的操作顺序。实践表明，通过以上教学方法的应用，学生概念掌握清晰，且记忆深刻，取得了较好的教学效果。
此外，还可以用生动活泼的表达方式，激发学生学习的兴趣。例如，电压调整的方法大多是通过增加或减少无功功率的供给来达到调压的目的，但是改变变压器变比的方法是一个例外，因为其本身并不产生或消耗无功功率。如仅仅从改变变压器变比进行调压原理的角度进行讲解，说明该调压方式只适用于电网局部调压的局限性，学生理解较为困难，记忆不深刻。因此，作者采用“我不生产无功，我只是无功的搬运工”这一描述，阐述改变变压器变比的调压原理，可有效激发学生兴趣，加强记忆。
3.结束语
近年来，借助我国建设坚强智能电网的大背景，我国高校电力系统及其自动化专业的人才培养工作取得了快速发展。本文积极探索提高电力系统分析课程教学效果的教学方法，从教材的选择和教学方法的改进两个角度进行了较为详尽的探讨。作者所做的这些努力，在实践中获得了学生的普遍认可，同时也希望这些经验与方法可以为兄弟院校相关专业的教学提供参考和借鉴。
参考文献：
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[2]陈国平， 王楠， 简献忠. 数字集成电路设计教学方法探讨课程教育研究[J]. 课程教育研究， 2014， 12： 214.
[3]张静.浅析MATLAB/Simulink建模与仿真在电力系统分析教学中的应用[J]. 2014， 35： 218-219.
[4]冯宇.基于MATLAB的《电力系统分析》教学研究[J]. 教育教学论坛， 2013， 27： 73-74.
[5]吴晓华.浅谈兴趣教学在电工电子课程教学中的应用[J]. 中国教育技术装备， 2013， 30： 96.
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关键词：并行处理 电力系统分析 并行计算系统
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0026-01
电力系统有很多复杂的分析计算，包括潮流计算、电力系统暂态稳定分析、电磁暂态实时仿真、电力系统能量管理、电力系统规划等。随着电力系统的越来越庞大和复杂，电力系统分析也变得越来越复杂，计算越来越繁杂。为了提高电力系统分析计算的速度，多年来人们从算法上进行了深入的研究。但是串行计算技术仍然不能有效地解决单个处理器的运算速度问题。随着并行计算技术的发展，新的理论、新的硬件和新的算法设计技术为电力系统分析带来了新的发展契机。
1 并行处理技术
电子计算机从20世纪40年代问世以来，基本上是按照冯・诺依曼的计算机系统结构设计的，这是一种串行处理计算机。然而随着计算机应用的逐步扩大，传统串行计算机系统已经不能适应新环境下的计算性能需求。因此，并行处理技术也应运而生。微电子、超大规模集成电路、高性能处理机、封装技术的发展为并行处理技术打下了基础。
1.1 并行处理技术概述
并行一般指在同一时刻或者同一时间间隔内完成两种或两种以上的操作，操作性质可以相同也可以不同。并行一般要求在时间上相互重叠。并行处理技术一般有三种形式：时间并行、空间并行、时间并行+空间并行。
（1）时间并行指时间重叠，时间并行的具体实现就是目前计算机上应用广泛的流水线技术。同一套硬件对不同的计算任务连续不断地执行，而不需要等待一个任务的全部完成再执行下一条指令。（2）空间并行指资源的重复，主要实现方法是使用多处理机系统，采用空间优势实现并行处理。（3）时间并行+空间并行综合使用上述两种方法，以得到更快的处理速度。
1.2 并行处理技术的要点
并行处理技术是各种软件、硬件、操作系统相结合的技术。主要研究热点为：并行系统、并行算法、并行操作系统等。
并行系统主要研究并行处理技术的硬件方面，研究如何将众多的处理机（网络中的或本地的）和存储系统、输入输出系统组成一个完整的并行处理系统。包括硬件的连接、拓扑方式、同步通信机制、软硬件配置等。
并行操作系统主要用于并行系统间的通信和同步，支持并行计算，实现进程间的通信，并且要均衡分配计算任务，以使系统达到计算能力最大化。并行操作系统主要有多处理机并行操作系统、多计算机并行操作系统。
并行算法是并行处理技术中的一个研究热点。理论上，传统的串行算法无法在并行系统下直接运行，需要对其进行并行化处理才能运行。基本上需要从新设计并行的算法。并行算法主要研究如何将计算任务分解成能在并行系统上执行的任务，实现并行处理。并行算法优劣的评价通常采用以下指标：并行加速比、可扩展性、效率、成本、复杂性。
2 并行处理在电力系统分析中的应用
电力系统的并行处理主要是为了提高电力系统分析计算能力，增强实时计算性能。因为电力系统是一个快速变化的非线性系统。不同的电力系统计算任务具有不同的并行性和数据相关性，针对电力系统中不同的计算需求，通过认真研究和精确的算法设计，才能获得最好的并行计算结果。
2.1 并行处理在潮流计算中的应用
潮流计算即在给定电力系统网络拓扑结构、元件参数、发电量、负荷参量的条件下，计算出有功功率、无功功率和电压在电网中的分布等数据。潮流计算描述了电力系统的稳态情况，是电力系统计算中的重要部分。
传统的串行解法综合运用了稀疏矩阵、三角分解前代和回代、节点编号优化、快速分解法等相关技术和技巧。在潮流计算中串行算法已经发展得比较成熟。目前，针对并行化潮流计算，研究重点主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通过对矩阵分块法的的并行求解来实现并行性。通过降低最大因子路径的长度来减少顺序执行的步数，采用能够应用于向量机的向量化算法。通过超立方体结构找到稳态大矩阵的特征值以及特征向量。通过实践得到的一些结论表明，快速分解牛顿法的并行化算法可以获得接近10的加速比。
通过对现有的一些并行算法的研究，可以得出结论。新的并行算法都试图使相互依赖的前代和回代步数最小。但是在这些并行性算法中有着较大的限制。有些虽然可以将加速比提高到10左右，但是付出了较高的性能代价。由于迭代过程中前后依赖性大的困难一时难以克服，并行化潮流计算的瓶颈难以突破，有时强制的并行化算法反而比串行算法性能更差。
2.2 并行处理在电力系统暂态稳定中的应用
暂态稳定问题可以描述为求解一组非线性微分方程和代数方程。通过并行处理技术能极大地提高计算速度。
暂态稳定问题的并行化有两种方法。（1）将系统的变量分组，进行空间并行化。（2）通过几个时间段同时求解，称为时间并行化。最直接的并行化方法是按照发电机将微分方程进行分组，形成多个方程组，通过代数方程来实现各个微分方程组之间的耦合。时间并行是通过建立每个时间段的牛顿方程，同时求解来实现并行计算。
2.3 并行处理在能量管理中的应用
电力系统的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、电力系统静态安全分析、电力系统动态安全分析等。自从计算机硬件性能的大幅提升和工作站性价比的提高，能量管理系统已经得到了空前的发展。从集中的、孤立的系统发展为分布式、网络化、开放的系统。整个系统由多台计算机组成，通过网络互相连接。系统的功能分布在不同的计算机上，可扩展性得到了很大提高。在分布式系统上，通过并行处理技术实现整个能量管理系统的协同工作，极大地提高了工作效率，为并行化计算提供基本的硬件优势，适应电力系统的计算特点。因此，得到了很好的发展。
3 结语
电力系统的规划和建设要考虑整个国家经济发展和城市建设，考虑资源的合理配置和开发利用。对这些设备之间的配合、方案设计需要进行大量的比较和计算。电力系统的实时计算要求也对系统提出了更高的要求，因此并行处理技术作为一种良好的提高计算速度的技术在电力系统中得到了应用。
参考文献
[1] 周志云，李建兰.关于并行处理在电力系统分析中的探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2013（36）.
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[关键词]：WAMS GPS 电力系统
一、引言
广域测量系统WAMS是近年以来运用在电力系统前沿技术当中属于最是活跃的领域之一，其核心技术就是PMU，即相角测量单元。目前对于大规模互联电力系统进行动态分析以及控制还存在困难，而广域测量系统的运用在一定程度上缓解了这个难题。
二、PMU测量的原理
PMU是在GPS的相量测量单位的基础之上进行，它属于一种多功能的信号采集系统。除了需要对电压相角的实时测量并且以此来获得参考相位角，还需要实现对电压、电流、有功的实时测量和计算，最终再将得出的数据帧送到调度中心。
PMU的测量原理是：先要通过GPS接收器给出1pps（1个脉冲每秒）信号，然后经过锁相振荡器将这个信号划分成一定的数量以便于采样，被滤波处理之后的交流信号又通过A/D转换器的量化，最后通过微处理器按照递归离散傅立叶变换原理计算得出相量。测量当中相角的测量是一个关键，因为只要有1ms的误差就会相应的带来18°工频相角误差，如果误差需要控制在0.1°，则时间同步的精度需要为5μs。为了保证最后的相位测量，GPS脉冲信号和国际标准同步误差应当小于1μs。
三、广域测量系统的应用
（一）全网的动态过程记录和事故分析
因为WAMS中的PMU能够在同一参考时间框架之下获得在各种扰动之下全网的动态过渡过程信息，所以仅从这个意义上来讲WAMS就相当于是一个大的故障录波器。PMU不仅可以实时上传得到的动态过渡过程信息起到一个监视作用，而且在事故发生之后也能够被用在事故分析之上。
（二）稳态分析
PMU的测量精度较高，一般可以直接对所装节点的电压幅值以及相角进行测量，并且可以避免一般的潮流计算或者状态估计的迭代过程，如果和现有的SCADA系统结合使用的话，可以大大提高系统状态估计的精度。由于现在谐波问题日益严重，可以在相量测量的电力系统的谐波状态估计方法的基础之上，把全系统范围内的谐波状态估计问题转化成为多个单母线系统的状态估计问题，这样做能够从很大程度上降低问题的求解难度。
（三）暂态稳定预测以及控制
如今已经被实际应用在工业当中的稳定控制系统可以分成两种模式：一是“在线预决策、实时匹配”；二是“离线计算、实时匹配”。不过当遇见那些不可预见的连锁故障所引起的大停电之时，这两种模式可能无法得到响应。为了达到对各种系统的运行工况、各种类型故障的完全自适应，可以选择采用WAMS。首先，WAMS提供的系统动态过程的时间序列响应，可以直接应用在某种时间序列预测方法或者人工智能方法系统未来的受干扰轨迹，并且判断出系统的稳定性。但受到电力系统在动力学之上的复杂性影响，此种方式可靠性尚且需要考究。
其次，WAMS通过对系统故障之后的状态初始值的提供，经过在巨型机或者PC机群之上进行一个电力系统超实时暂态时域仿真，通过仿真的结果来得到系统未来的受干扰轨迹，然后根据这个轨迹来判断系统的稳定性。
最后，根据WAMS所提供的系统动态过程时间序列的响应，先利用某种辨识方法得到一个简化系统动态模型，再对这个模型通过超实时仿真，通过这个仿真最后能够得到系统未来的受干扰轨迹，并且以此来判断系统的稳定性。
（四）电力系统动态模型辨识和模型的矫正
一个正确有效的电力系统动态模型是对所有的电力系统进行动态分析和控制的起点。电力系统动态模型可以通过在各离散时间点之上差分化为一系列的非线性方程，然后利用WAMS所获取的全网动态过程的时间序列信息对其动态模型进行辨识和模型的矫正工作，最终使负荷建模的准确性得到提高。
（五）低频振荡分析和抑制
随着大电网的互联，区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行构成威胁。一般情况如果只在本地信息的阻尼控制器基础上去抑制区域间的低频振荡效果不会非常好，面对这样的情况可以选择采用WAMS信号的区间阻尼控制器附加至发电机励磁控制器当中，从而达到抑制区域间振荡的目的。在使用WAMS信号作为控制器输入的时候，需要注意信号的时滞问题，当时滞太大的时候就很有可能会导致闭环系统不够稳定。
（六）电压、频率稳定监视及控制
因为静态电压问题以及频率稳定是属于慢动态的范围，所以相较于暂态稳定的问题，前者更容易利用WAMS信息来实现稳定的监视以及控制。可以利用WAMS提供的实测信息辨识出一个用于稳定电压分析的系统动态模型，并且在此基础之上预测系统电压的稳定性。也可以利用WAMS得到各个节点的电压相量测量值，并且将系统通过等值的方式分成两节点系统，这样的方式可以快速给出电压稳定裕度。在电压稳定控制方面可以利用WAMS提供的实测信息辨识出一个用在低频减载系统的动态模型，并且在此基础之上预测出系统的频率稳定性，然后对某一个给定的频率门槛值给出应当要切除的负荷量。
（七）全局反馈控制
对于全局信息的反馈和控制，可以在WAMS信号的全局电力系统稳定器控制的基础之上，通过仿真得出全局电力系统稳定器比分散/就地电力系统稳定器的控制效果更好。考虑到电力系统的固有非线性，可以在WAMS信号的全局非线性励磁控制器的基础之上，通过仿真的结果表明，和完全分散的非线性励磁控制进行比较，它明显可以更大的提高系统的暂态稳定性。
（八）故障定位及线路参数测量
故障定位的方法主要有两种：第一是阻抗法，这种方法有一个缺陷，是不能排除故障对于过渡电阻的影响。第二是行波法，行波法相较于阻抗法是可以达到不受过渡电阻影响的目的。而WAMS的使用，可以通过PMU来获取电流相量以及输电线路实时的电压，然后再通过一种经过改进而得到的离散傅立叶变换提取当中暂态电气量的基频分量，这样做就可以大大提高定位的精度。
结语
通过以上对WAMS在全网的动态过程记录和事故分析、故障定位及线路参数测量等方面的应用综述，可以看出WAMS的优势很多，在以后的研究当中可以更加充分利用它的优越性以更好的分析和控制电力系统。
参考文献
[1]方家琨. 超导磁储能技术在电力系统稳定控制中的应用研究[D].华中科技大学，2012.
[2]陆超，谢小荣，吴小辰，吴京涛. 基于广域测量系统的电力系统稳定控制[J]. 电力科学与技术学报，2009，02：20-27.
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【关键词】电力系统分析 电气工程虚拟仿真实验 运维合一
【基金项目】科研人才启动基金（KJ2013B025）。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）09-0228-01
电力系统分析课程是电力系统自动化专业的重要专业课程，涉及一系列电力系统的核心技术：潮流计算、调频调压、经济运行、同步发电机电磁暂态过程、短路计算及机电暂态稳定性分析等。学好电力系统分析对于电力系统专业的学生来讲至关重要。
1.电力系统分析课程教学现状
电力系统分析课程虽然重要，但从每年的教学效果来看并不是很理想。由于前修课程电机学没学好，以及电力系统分析课程知识点较多，理解起来有难度，部分同学没有养成良好的学习习惯，课下没有及时巩固复习，课堂内容掌握不好时容易产生畏难情绪。此外，即使部分同学理论知识掌握较好，但感觉较抽象，对某些知识持怀疑态度，如：调频时，增大气门开度，实际生产中发电机转速的变化，输出功率的变化，频率的变化等是否如课本上所写;调压时，负荷的波动对系统中各节点电压的影响究竟如何，那些调压措施能不能真正起到调压的效果。学生无法看到相关的现象，所以很难产生浓厚的学习兴趣和热情，即使当时掌握了，遗忘也会比较快，印象不深刻。为了解决以上问题必须借助与相关实验课程，让学生在实验操作中将理论和实际很好的联系起来，既能及时巩固相关知识，又能提前接受实际生产操作培训，为以后踏上工作岗位打下坚实的基础。
2.电气工程虚拟仿真实验的主要功能
2.1.电力系统仿真实验
电气工程虚拟仿真实验包括电力系统仿真实验和水电站仿真实验，电力系统仿真实验主要针对电力系统的相关设计，包括电网的主接线设计、设备选型及校验、故障计算、保护配置等;潮流、短路、稳定性等分析计算;运行过程、控制方法及原理的学习研究。提供了相关软件平台，实验室的软件平台包含两大类，一类是机电暂态过程仿真软件，一类是电磁暂态过程仿真软件，除了PSASP软件外，还有PSCAD、PSS/E、BPA、ATP/EMTP及EMTP-RV、CDEGS等软件，可以供学生进行课程实验、综合设计、毕业设计以及相关科学研究。开发了系列的课程实验、综合设计及研究项目，对于提高学生课程的学习效果、综合运用所学专业知识进行发电厂、变电站以及电网的设计、分析计算以及运行与控制的能力起到了很好的辅助作用。
2.2水电站虚拟仿真
水电站虚拟仿真实验教学平台以龙滩水电站为原型，提供了与现场效果一致的大型水电站仿真培训系统的实践教学环境，在水电站监控系统中涵盖了水电站的所有主要机电设备，包括：水电站水轮机、发电机、发动机出口短路器、主变、500kVGIS系统、厂用电系统、调速系统、励磁系统、监控系统、继电保护系统、安全自动装置系统、气系统、排水系统、机组及变压器技术供水系统、油系统、消防系统、闸门系统、流量水位曲线、（含黑启动系统）、AGC/AVC等系统及厂房场景、设备系统运行、维护、检修、拆装过程的多维立体展现。并研发了丰富的实验教学内容和典型教学案例，学生可以亲自动手操作实验，可进行水电站正常工况运行操作过程培训;异常工况运行操作过程培训;紧急事故工况处理操作培训;计算机监控系统培训;综合反事故培训;生产过程运行知识与专业理论培训。解决了传统课堂学习中学生“只能动口，不能动手”的难题，通过“操作、观察、分析、记录、总结”，激发了学生的学习兴趣和主动参与的学习热情，提高了理论和实践教学效果。
3.电气工程虚拟仿真实验的主要特点
3.1虚实结合，互为补充
“虚”是指采用虚拟的仿真实验平台为学生提供亲自动手操作实验或培训的机会，由于电力生产的特殊性，考虑到生产的安全性和学生自身的安全性，实验操作不可能在实际系统中进行，必须借助于软件平台。“实”则是通过校外企业作为实习基地提供学生参观实习的机会，建立学生对现场的感性认识，我校与三峡电厂、葛洲坝电厂、清江隔河岩电厂、清江高坝洲电厂等签订了协议，作为本专业学生的校外实习基地，学生先到校外实习基地参观实习，建立电力系统运行的感性认识，然后进入“虚拟仿真实验室”进行电力系统运行仿真培训综合实验。虚实结合的教学模式可以有效提高学生对电力系统运行特点及控制过程等知识的掌握。
3.2运维合一，多媒体一体化教学
多维多媒体仿真能极大增强仿真临场感和沉浸感。借助多维多媒体手段，创造一个虚拟现实培训环境，让学生在虚拟场景中上完成对调速、调压、AGC＼AVC等相关电力系统方面的操作。可对设备进行拆卸和装配，让学生看到平时不易见到的设备构造、工艺及内部运行情况，做到对设备的组成、结构、拆卸顺序及操作过程等了然于胸。还可实现事故场景真实再现，便于学生对暂态过程进行分析，可大大提高学生学习的积极性和学习效率。
3.3开放性实验平台
建有电气工程虚拟仿真实验教学示范中心平台网站，学生不仅可以实验课上运用实验室的仿真软件进行相关内容的操作学习，课后未完成的内容，或者学生所设想的创新性问题还可以通过互联网访问仿真软件平台，还可在线讨论，或者给老师留言。安排有值班老师对课余时间在实验室的学生进行指导答疑。
4.结束语
为了提高电力系统分析课程的教学效果，学院专门成立了课程组，一方面加强理论教学网站的建设，整理出相关课件、教案、习题等资料共学生下载学习，另一方面加强电力系统分析课程实践教学平台的建设，对学生在虚拟仿真平台的应用过程中所碰到的及时给予指导，此外课程组通过教研教改项目研究，改进教学方法、教学手段等来提高教学效果。
参考文献：
[1]孟祥萍.电力系统分析[M].高等教育出版社，2010.
[2]邓建高.高校本科生创新能力培养的校企合作模式研究[J].中国电力教育.2009，（2）.
[3]刘进志.基于网络教学平台的教学模式研究[J].中国电力教育.2010，（1）.
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[关键词]高职 电力系统分析 项目教学法 应用能力
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2014）18-0174-02
随着技术及经济的迅猛发展，市场对技术应用型高技能人才要求的日益增加，我国职业教育迎来了蓬勃的发展及革命。作为一种对能力培养行之有效的方法，高职高专课程项目化教学改造得到了广泛的推崇及应用。
一、高职强电专业电力系统分析课程与项目教学法
（一）高职强电专业电力系统分析课程教学目标
众所周知，“以就业为导向，以服务为宗旨”的职业教育培养目标，其培养的学生应当具有良好的职业道德和职业素质，具有熟练的职业技能，走上职业岗位之后具备持续发展的能力，还应当具有扎实的、系统的专业应用知识；也即职业教育培养的是面向市场的高技能的职业人。[1]
电力系统分析课程在发电厂及电力系统、电力系统自动化等强电专业中，既承担着后续专业课程的潮流计算及短路计算分析能力训练，也承担着培养学生具备如何确保电力系统的安全可靠运行、电能质量的控制及经济运行调度方面的岗位职业能力，故本课程的目标是培养学生掌握潮流计算及增强短路计算分析能力，掌握电力系统的安全可靠运行，电能质量的控制及经济运行调度等技术、知识，提高完成相关的电力岗位工作的综合技能。
（二）项目教学法的内涵
“项目教学法”是指学生在教师指导下，通过实施一个完整的项目而进行的教学活动。它以项目为载体，以实训为手段，采用知识、理论、实践一体化教学；在教师的指导下，学生亲自处理项目任务全过程；在这一过程中，学生主动探索掌握应用知识及技术，学生独立组织安排学习行为，解决项目中遇到的困难，学生在这个过程中锻炼各种能力，从而使学生的学习兴趣和积极性大大提高。[2]
（三）项目教学与传统教学的比较
传统的电力系统分析课程教学方式是通过讲授法让学生掌握知识和理论分析方法，课堂以教师为中心，理论教学为重点，注重的是考试成绩，培养出来的学生只是面向考场的读书人，而不是面向市场的高技能的职业人。与传统教学相比，项目教学法以技术应用型的高技能人才为培养目标，以职业活动为导向，以素质为基础，突出能力目标，以学生为主体，以项目为载体，以实训为手段，实现知识、理论、实践一体化教学。
项目教学法将传统的学科体系知识内容转化为若干个“教学项目”，围绕着项目，组织和开展教学；学生直接全程参与、体验、感悟、论证、探究。学生在项目实践过程中，理解和把握课程要求的知识和技能，体验创新的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的思想和方法，学生毕业后能更快、更好地对接工作岗位。[3]
二、项目教学法在高职电力系统分析课程教学中的实施案例
笔者实施项目教学内容为《电力系统分析》中的“无功平衡与电压调整”，实施项目教学班级为发电厂及电力系统专业各班。本项目的主要任务如下：将某地电力系统电压控制在合理范围。
（一）项目设计
设计项目时，要求教师要因材施教。教师应根据学生已完成的电路与磁路，电机学课程和发电厂变电站电气设备部分内容及学生能力来确定项目。电力系统分析教学不像在发电厂变电站电气设备、电力系统继电保护等专业课教学有着显著的操作性，教师可以要求学生完成诸如某一设备的装配、测试等看得见、摸得着的具体任务。电力系统分析教学可根据后续专业课程需求来设计确定项目，如为电气设备选型提供短路校验数据依据，为继电保护装置的选型及整定提供短路数据依据等，也可根据电力专业岗位进行引申。根据学生专业和本课程教学目标，笔者将电力系统分析中的“无功平衡与电压调整”派生出以职业为导向的项目――即将本地区电力系统电压调整控制到合格的范围。此项目对强电专业具有可操作性，它能够将学生的专业与未来职业方向相结合，激发学生学习动机和提高学习积极性。
（二）项目实施
1.项目分组
电力系统分析的项目分组主要依据是学生的专业学习能力、计算机应用操作水平，但同时也要考虑学生的组织能力、团队协作精神等。因此，教师在分组时应考虑学生的学习成绩、认知特征、认知能力等，采用异质分组，使小组成员在各方面具有一定的差异性和互补性。根据学生的学习成绩和计算机应用操作能力等，笔者将发电厂及电力系统各班（每班约42位同学）分为6～8个小组。
2.项目任务细化
为了培养学生解决问题的思路，保证学习的方向和目标，以便能较好地完成项目，教师可将总项目进行细化。实施过程中，笔者“将本地区电力系统电压调整控制到合格的范围”的总项目具体任务细化为：
任务1 选择电压中枢点
任务2 选择电压调压方式
任务3 选择电压调整措施
任务4 在PW中仿真实施电压调整
3.自主探索与项目完成
项目完成过程中，各组同学通过网络、图书馆、校本教材（或教师编写的讲义）、教学参考书来做项目准备，学习的主动性和积极性无疑得到了增强；各组同学讨论中展示了思维的多样性。各位同学对电压中枢点的选择、电压调整方式、调压措施以及如何在PW电网仿真软件中实施电压调整等问题都提出了自己的独特见解和认识。由于高职多数学生电力专业基础知识薄弱，对电力系统运行的认识肤浅或几乎为零，教师可将自己平时积累的相关材料提供给学生，如学校所在地区电网接线图及电网简介，电力现场实施电压调整的九区图及某时间段的电压控制要求等，使学生在准备的过程中对未来所从事的电力职业也有着更深刻的认识。
4.成果汇报
成果汇报是学生对知识掌握和应用能力提高的重要阶段，同时也是学生成就感体现的重要环节。学生完成项目后，应对其学习情况做出反馈和评价[4]，展示评价包括：
（1）自评、互评：学生们互相交流学习，取长补短，并推荐电压水平控制质量较高的PW模型。
（2）展示PW模型调压方案：由学生推荐，教师结合实际情况选出三个左右具有代表性的PW模型调压方案。
（3）教师总结：教师指出PW模型调压方案中值得大家学习和借鉴的地方，同时指出学生在电压调整过程中出现的问题，总结成功的经验和失败的原因。鼓励学生们采用多种方式及程序尝试电压的调整，如某点电压偏低，是调主变压器分接头还是投入电容器组进行无功补偿等。对没完成调压或调压不合格的小组让他们回去继续完成。
（三）教学评价
教学评价应对完成项目的全过程，包括知识与技能、情感态度与价值观进行全面的评价，应重在过程而非结果。笔者具体做法是：以小组为单位，每小组随机抽一名成员代表全组答辩，该成员的答辩成绩就是该组的成绩，这样，既考出学生的专业技能操作水平，同时也考出学生的学习交流水平，培养了同学们大局观、合作精神及集体荣誉感，培养了小组长的领导组织能力。另外，常常有一些组的结果和老师的不同，但只要学生分析原因，分析思路与方法是合理的都应该肯定，并予以引导、表扬和鼓励。
学生成绩评定后，教师应做点评总结。点评总结是“项目教学法”的重要环节，教师在点评中要指出问题的所在及解决的方法，使学生的知识学习能力和应用操作能力得到提高。
三、结束语
项目化教学与传统教学相比，它对教师提出了更高的要求，要求教师既具有扎实的理论知识，又具有丰富的企业现场生产管理经验。现代电力系统是一个很庞大的时空概念，为了能形象而具体的认识触电力系统，高效完成职业素养、职业综合能力的培养，通过工学结合，近几年来我校在电力系统分析课程教学中，以取材于真实的本地区电力系统地理接线图为载体，以电网仿真软件为工具，以工作过程为主线，探索并开发了贯穿整个电力系统分析应用知识体系的若干个教学项目，采用任务驱动教学模式，大大提高了学生的技术应用能力及职业综合能力。
[ 注 释 ]
[1] 戴士弘.职业教育课程教学改革[M].北京：清华大学出版社.2007.
[2] 浅谈项目教学法在高职英语教学中的实施案例-中国论文下载中心-英语教学论文-《网络（http：//）》-2012-07-03.
[3] 项目教学法在专业教学中的应用Bai du文库（网络http：// / view / ab5f7b1da76e58fafab0）2011.10.25.
篇6
【关键词】电力系统；谐波；仿真分析
产生谐波的主要根源是电力电子设备，而它又是提高供电可靠性和传输正弦电压和电流给终端用户的非常有效的手段。因此，谐波成为一个长期而重要的研究方向，对电力系统工作者提出了新的挑战。
1 电力系统中的谐波源
1.1 谐波的定义
“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础。傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945 J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有变流电力系统、工业、交流及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅利叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”，而现在供电系统谐波污染日趋严重。
1.2 电力系统中主要的谐波源
所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。周期为T=2π/ω的非正弦电压u（ωt），在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形式的傅里叶级数：
式中，频率为 （n=2，3…）的项即为谐波项，通常也称之为高次谐波。电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于非线性元件的存在，从而电网中总有谐波电流或电压。产生谐波的元件很多，包括荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器、电弧炉及晶闸管整流设备等，其中最为严重的是大型的晶闸管整流设备和大型电弧炉，它们产生的谐波电流特别突出。经统计表明，它们产生的谐波占总谐波量的近40%，是最大的谐波源。下面将对整流装置、电弧炉和电气化铁道的谐波进行简要的分析。
2 电力系统谐波仿真
系统仿真是根据被研究的真实系统的数学模型研究系统性能的一门学科，现在尤指利用计算机去研究数学模型行为的方法。计算机仿真的基本内容包括系统、模型、算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。仿真是系统分析研究的重要手段，它可以验证理论和设想、模拟实际系统运行过程、分析系统特性随参量的变化规律、描述系统的状态与特性，可以具有实验相同的作用，同时可以避免实际操作的复杂性，完成无法实验系统或过程的仿真模拟等。因此，实现对永磁同步伺服系统的仿真具有实际意义。
2.1 仿真工具介绍
近20年以来，国际、国内出现了许多专门用于计算机数字仿真的仿真语言与工具，如CSMp，ACSL，SIMNON，MATLAB/SimulinLk，Matrix刀SystemBuild，CSMP一C等。
Matlab是以复数矩阵作为基本编程单元的一种高级程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。MATLAB是一个高度集成的软件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一身，并提供了实用的WindowS图形界面设计方法，使用户能设计出友好的图形界面。MATLAB语言在自动控制、航天工业、汽车工业、语音处理、信号分析、图像信号处理等各行业中都有极广泛的应用。Simulink是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境，利用它的SinLk、Souree、Linear、Nonlinear、Conneetors、Extra选用现成模块或创建自己的模块，对于某些没有模型而又不便创建模型的环节或控制算法可以采用M文件（s函数）来实现系统部分功能。模型建立后，可以启动仿真。仿真过程中所感兴趣的量可以使用Scope示波器来加以观察。Simulink中可以使用的电力系统仿真模块集（powerSystemsBloekset）提供了七大类上百种电气元件模型，包括开关元件和电机模型等，可以用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真。它提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前将自动将其变化成状态方程描述的系统形式，然后才能在Simulink下进行仿真分析。
2.2 对无源滤波器进行仿真
在MATLAB/Simulink环境下，利用PSB模块库，在分析了无源滤波器的基础上，建立了仿真模型。本系统采用三相整流电路对电路系统注入谐波，分析比较仿真数据。
2.2.1 无源滤波模块
该无源滤波模块由三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成，主要针对整流器产生的特征谐波进行滤波，三个单调谐滤波器调谐在5、7、11特征谐波频率上。
2.2.2 三相整流桥模块
利用该模块模拟电力系统中的整流装置产生的谐波源，并对其进行滤波仿真。
2.2.3 10KV电力系统仿真模块
这个电力系统的仿真模块，可以准确的输出三相正弦电压，提供电力系统谐波的频域分析，从而更加明了的看出滤波的效果。
2.3仿真结果分析
从仿真结果可以看出，利用无源滤波器对电力系统中的谐波源（三相整流电路）进行滤波，电力系统中的谐波电流有明显下降，电流波形与正弦波仍相差较远；在电路系统中加装有源电力滤波器，滤波前电力系统中含有大量的谐波电流，滤波后电流波形近似为正弦波，频域分析中的谐波含量几乎为零。可以看出有源电力滤波器比起无源滤波器有更强的滤波效果。
3 结论
随着我国谐波治理工作的深入开展，谐波的发生，综合动态的谐波治理措施，电网的无功功率补偿问题，是当前电力系统面临的一大课题。要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，在设计、制造和使用非线性负载时，也要采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。
参考文献：
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[3]王丽霞，张世中.谐波的危害及治理[J].工程与建设，2008（4）.
篇7
（无锡开放大学终身教育处，江苏无锡214021）
摘要：谐波对于电力系统的运行具有较大危害，在现代电力系统中，非整次谐波（间谐波）和突变谐波大量存在，传统的谐波分析大都是使用快速傅立叶变换（FFT）和窗口傅立叶变换算法，傅立叶变换在时域分析中局部化处理能力有限，实时性不强。在比较了窗口傅立叶变换与离散小波变换后，认为离散小波变换在电力谐波分析上有诸多优点，在此基础上提出采用离散小波变换进行电力系统谐波分析，取得了较好的效果。
关键词 ：电力系统；谐波；傅立叶变换；离散小波变换
0引言
电力系统谐波的产生有其复杂的原因，随着现代电力系统更多非线性设备的运行和使用，谐波对电力系统的影响日益突出［1］，例如，在逆变电路中，谐波的出现对电网和电力设备的正常运行有着较大威胁，严重情况下谐波分量甚至会使电网波形畸变；而在电机和电力拖动设备方面，高频谐波的出现也会使电机等电力设备发热，降低运行效率。因此，需要对谐波进行精确检测，并实现快速跟踪。传统的谐波分析是使用快速傅立叶变换（FFT），不过，快速傅立叶变换在时域分析中局部化处理能力有限，实时性不强，小波变换则克服了傅立叶变换的上述缺点，可以很好地展开对信号的时频特性分析，离散小波变换的思想是对连续信号进行分解，变成子频段后再利用小波变换算法得到各子频段的信息。
1离散小波变换算法理论
离散小波变换是基于小波基函数的变换算法，小波变换是根据信号进行时间—尺度的分析方法，多分辨率分析是其主要特点，连续小波变换具有线性、平移不变性等优点［2］。不过，连续小波变换在处理长度足够长的信号数据时会有很大误差，只能通过设定辨识区间，对置信区间的数据进行分析，才能得到误差较小的结果。在小波变换中，其离散化大都是针对连续尺度参数和连续平移参数，通常情况下，设尺度参数a和平移参数b的离散公式分别为：
窗口傅立叶变换在某种程度上实现了谐波的局部化分析，但是，由于窗口与频率无关，窗口傅立叶变换每改变一次分辨率就要改变一次窗口函数，所以其使用范围受到局限。
2.2基于离散小波变换的电力谐波分析
离散小波变换的分析思想和基本算法，在理论上证明可以满足对电力系统谐波的分析检测需要，根据上述理论在MATLAB中对同样的电力谐波进行仿真和分析，过程如下：
使用同样的电力谐波，将采样频率设定为基波和3次谐波频率的两倍，根据小波分解算法可得谐波分解信号如图2所示。
通过对离散小波谐波分析的实验观察发现，利用小波基函数分析发生了高频率混叠现象，基波及低频谐波部分则能够被较好地分解。高频部分之所以出现频率混叠现象，主要原因是在小波分解过程中隔点取样，在每一层小波包分解时降低了采样频率，从而使高频部分模糊不清。解决这个问题可以采用先分解基波，再将谐波部分单独分解的方法。
利用一维离散小波变换对信号的高频及低频部分进行提取，设y为被分析信号，N为分解层级，小波基函数选定为db10，［cA，cD］=dwt（y，’db10’），再经过多层小波重构的近似分量结果如图3所示。
在同一个电力谐波下通过实验对比，分别使用窗口（Hanning）傅立叶变换和离散小波变换算法对波形进行验证，提取各次谐波的参数，具体如表2所示。
表中数据表明，离散小波变换在进行谐波尤其是间谐波分析方面，比傅立叶算法的精度要高很多，用离散小波变换效果较好。
3结语
电力系统谐波分析与检测目前仍然是一个十分活跃的领域，其分析方法已经普遍跨越了多种研究领域，众多分析方法各有其优缺点，基于离散小波变换的分析方法也是其中的一个重要方面。
通过在MATLAB中对傅立叶变换算法和离散小波变换算法进行仿真比较，结果表明，离散小波分析在电力系统谐波分析中能够发挥其重要作用，可以预计，随着小波理论的不断发展，其必将在谐波分析与检测中发挥出越来越大的作用。
［
参考文献］
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［3］胡昌华，张军波，夏军，等.基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1999.
篇8
关键词 暂态稳定；牛拉法；改进欧拉法；摇摆曲线
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）11-0000-00
暂态稳定计算在其程序设计构成中包含了最基本的数据结构处理、稀疏技术应用和模块化程序设计思想。经过二十多年来的应用和考核，已形成相对确定的程序结构，并在功能上得以延伸。
1 暂态稳定计算程序设计算法基础
在应用欧拉法时，由各时段始点计算出的导数值被用于的整个时段，因而给计算造成较大的误差。如果各折线段斜率取该时段始点导数值与终点导数值的平均值，我们就可以期望得到比较精确的计算结果。改进欧拉法就是根据这个原则提出来的计算方法。
对于一阶微分方程，设给定初值为时，以下介绍改进欧拉法的主要步骤：
1）计算时Y的变化率；
2）用欧拉法求时的函数初步估计值：
； （1）
3）用初步估计值计算时Y的变化率；
4）用和的平均值求取的改进值：
（2）
5）用初步估计值计算时Y的变化率
6）用和的平均值求取的改进值：
（3）
……………………
这样求得的比单纯用欧拉法求得的更接近微分方程的正确解一般我们只要以此规律计算直到前后两次估计值满足误差要求为止。
2 改进欧拉法暂态稳定计算程序设计
2.1 初值的计算
在简化的暂态稳定计算程序中，初值的计算包括求系统扰动瞬间发电机的暂态电势、转子角度（与x轴的夹角）、原动机的机械功率、等值导纳、电流在d-q轴的分量等。这些参数可以由扰动前的正常运行状态计算得到。
2.2 直接法求解网络方程
在电力系统暂态稳定计算时，电力网络中联络节点、负荷节点和发电机节点在网络方程里有不同类型的表现形式。将以上三种类型的节点方程式归纳在一起，即可得到整个电力系统的网络方程式。
3 算例
用上述方法编写暂态稳定计算程序。对5节点，7条支路的系统进行计算。算例故障为电力系统网络4-5支路断线。断线后计算程序采用步长0.02 s，计算时间为1.1 s，迭代次数为55次对电力系统网络进行暂态稳定计算和分析。本文主要通过改变发电机参数定子电阻，q轴同步阻抗，阻尼系数D，时间常数来分析发电机参数是否影响电力系统暂态稳定。
当发电机参数选择=0.0185013，=0.0595时调节发电机阻尼系数根据计算程序得到的数据绘出发电机转子摇摆曲线如图1所示。
图1 发电机转子摇摆曲线
由图1 发电机转子摇摆曲线可知在系统在阻尼系数D=0.4789时，在0 s～1.1 s时间内发电机转子相对角度均在电力系统暂态稳定要求的范围内，故可以推知电力系统是暂态稳定的；在阻尼系数D=0.1时，在0 s～1.1 s时间内发电机转子相对角度是一直有增大趋势，当发电机转子相对角度大于180时不满足电力系统暂态稳定要求，故可以推知电力系统是暂态不稳定的；在阻尼系数D=1.0时，在0 s～1.1s时间内发电机转子相对角度是一直有减小趋势，当发电机转子相对角度小于-180时不满足电力系统暂态稳定要求，故可以推知电力系统是暂态不稳定的。
4 结论
本文采用改进欧拉法对电力系统暂态稳定计算进行程序设计。首先对程序设计进行算法的确定，本文采用简化的暂态稳定计算进行程序设计，然后进行程序设计和调试，最后是算例分析。本文中仅对电力系统断线故障进行分析未涉及到其他故障的分析，但是本程序的故障与处理程序模块采用了导纳矩阵的重新形成故可以对电力系统其它故障的暂态稳定计算同样适用。
参考文献
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[4]尹淑萍，蒋德珑.基于隐式算式的改进欧拉法暂态稳定分析程序设计及应用[J].工业技术，2010（9上）：68-69.
作者简介
篇9
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、短路电压百分数。
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。
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篇10
在中国，中国电力科学研究院、国网电力科学研究院联合研发动态安全评估和预警系统(powersystemdynamicsecurityassessment&earlywarningsystem，PDSA)，并成功应用于国家电网和南方电网进行周期不间断在线安全稳定分析，实现稳定裕度评估和预防控制辅助决策[16-19]。清华大学张伯明教研组研发了基于EMS/DTS的电网控制中心安全预警和决策支持系统并实施于江西电网[20-23]，石立宝教研组着眼于动态安全裕度，研发了实时动态安全评估及预警仿真系统，实现了极限传输容量的高效计算[24-25]。在各机构或专家学者的研究成果中，或对电网进行全面安全分析，或针对某一特定稳定问题进行评估，而在线安全稳定分析均是实现大电网动态安全评估的核心技术。基于实时数据的在线安全稳定分析综合利用稳态、动态、暂态多角度在线安全分析评估以及稳定裕度评估，在一定程度上实现了大电网运行的全面安全预警和多维多层协调的主动安全防御[26-27]。然而，基于实时数据的在线安全稳定分析仍存在以下几个问题：1）在系统实际运行需要时间间隔内(如5~15min)，进行周期、事件和人工触发计算，运算结果合理性保证的前提条件是计算周期内，电网不发生明显的拓扑和电气量的变化。2）电网调度和运行人员会经常对电网运行工况进行调整，如开关刀闸操作、发电量调节、电网元件投切，需要对调整后的电网安全稳定情况进行预先校核。3）由于存在电网模型等值，对跨区电网的在线安全稳定分析，上级与下级调度控制中心之间、两级调度控制中心之间仅依靠实时数据自动计算无法满足电网潮流和动态行为的一致性。4）新能源发电、负荷的快速变化对电网在线安全稳定情况的预知提出了实际要求，基于实时数据的在线安全稳定分析无法满足。上述原因对在线安全稳定分析提出了更高的要求。基于此，深化关于电力系统在线动态安全评估和预警系统方面的研究，提出满足实际电网调度运行需求的在线安全稳定分析应用模式具有重要意义。
1在线安全稳定分析介绍
在线安全稳定分析的服务对象是电网调度运行，包括提出电网运行的主要问题和解决方案2方面含义。在线安全稳定分析中，同时进行静态安全分析、暂态稳定分析、电压稳定分析、小干扰稳定分析和短路电流计算，并进行稳定裕度评估；若系统存在不安全的问题，针对不同稳定问题，即时启动相应预防控制辅助决策计算，提供运行方式调整的可行方案，以保证系统的稳定运行。在线安全稳定分析整体上可划分为4个过程：数据整合(dataintegration，DI)、动态安全稳定分析(dynamicsecurity/stabilityanalysis，DSA)、稳定裕度评估(stabilitymarginevaluation，SME)和预防控制辅助决策(preventivecontroldecisionmaking，PCDM)。基于智能电网调度控制系统基础平台，获取电网模型、故障集等计算参数，分别接入来自状态估计、上级调控机构下发的电网运行数据，通过数据准备生成满足在线安全稳定分析要求的计算数据，基于并行计算实现安全稳定分析和稳定裕度评估(或预防控制辅助决策)功能。图1是在线安全分析总体框架。
2应用模式
在应用模式上，完整的在线安全稳定分析应分为实时分析模式、研究分析模式和趋势分析模式。实时分析模式对当前电网运行方式进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策；研究分析模式对研究方式进行潮流调整，并进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策；趋势分析模式基于当前实时方式数据，根据调度计划类数据生成未来一段时间内的电网趋势运行方式，并依时序滚动进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策。
2.1实时分析模式
实时分析模式是实现在线安全稳定分析的主要功能。其主要特点是，基于未经任何修改的在线运行数据，不允许任何人工对模型、数据的修改，自动执行系统分析过程，对电力系统做出客观的安全稳定分析结论和稳定裕度评估结论(或辅助决策计算结果)。实时分析模式分析对象的形成如图2所示。在流程上，首先通过实现与调度支持系统的接口，获取调度支持系统中的各类安全稳定分析所需要的在线数据；然后进行数据整合和数据交换，送入到并行计算平台中；并行计算平台通过高效的计算组织方法，实现各个电力系统应用软件的并行分析，并通过统一规范接口送回计算结论到调度支持系统。图3是完整计算执行过程流程图，从上至下按执行时间顺序描述执行过程，同时体现了硬件设备之间的数据流向。具体可划分为4个过程。1）计算触发阶段。支持周期触发、事件触发和人工触发3种启动方式：周期触发自动完成对当前电网运行方式的安全扫描，实现对当前电网运行方式的评估、预警和辅助决策；事件触发获取事件信息，从状态估计获取设备故障后电网运行方式，实现对设备故障后电网运行方式的评估、预警和辅助决策；人工触发支持调度运行人员手动触发在线分析计算，实现对当前电网运行方式的评估、预警和辅助决策。依3种启动方式的重要程度，其优先级为人工触发最高，事件触发次之，周期触发最次。周期触发为以每5或15min为周期的不间断触发计算。触发计算后，计算平台状态和计算任务执行状态被全过程跟踪，调度运行人员对在线分析的计算状态全景掌握。2）数据整合阶段。计算触发后，从EMS/SCADA等系统获取计算数据，经过状态估计和潮流计算，得到支持的潮流数据、稳态数据和动态数据。然后将完整计算数据和相关计算配置文件发送至调度服务器。3）安全稳定分析和稳定裕度计算阶段。基于并行计算技术，利用数据整合形成的计算数据，进行静态安全分析、暂态稳定分析、电压稳定分析、小干扰稳定分析、短路电流计算和稳定裕度评估。稳定计算结果存入数据库，并发送至人机界面。安全稳定分析结束后，执行稳定裕度评估计算，稳定裕度计算考虑静稳裕度、热稳裕度和暂稳裕度。4）调度辅助决策计算阶段。对于DSA计算存在不安全的分析结果，进行预防控制辅助决策的计算。其中不安全结果包括热稳越限、暂态失稳、电压失稳、低频振荡、短路电流超标。整个计算完成后，运行方式数据和计算结果存入数据库。实时运行模式依靠并行计算的高速计算能力和开放的集成性能，完全实现基于在线数据的全部稳定分析计算，整个分析计算可在5min完成。其全面快速的安全预警功能，改变传统的基于典型方式进行离线稳定分析的模式，分析结果更全面客观，解决电力系统长过程连续故障(或开断)情况下的安全分析的速度、全面性和可信度的问题，为应对电网的大面积停电事故提供宝贵的技术手段。
2.2研究分析模式
研究分析模式主要实现调度运行操作前的安全稳定分析功能。其主要特点是，通过人工修改运行方式，对即将在系统中发生的调度运行参与事件进行安全稳定评估。在作用上，研究分析模式可以对实时运行方式进行干预，研究调度运行操作对电网安全稳定运行影响和校核；也可以对历史潮流断面进行研究，可用于事故反演和分析。研究分析模式分析对象的形成如图4所示。在流程上，首先通过人机界面，记录下用户的修改内容并计算潮流；然后送入到并行计算平台中；最后并行计算平台通过高效可靠的任务分配方法，实现各种稳定计算并行分析，并推送计算结论到人机界面。图5是完整计算执行过程流程图。与实时分析相区别的是，研究分析在触发计算之前，允许对潮流数据进行修改。因而基于在线数据的研究分析本质上属于一种在线研究态分析，基于历史数据的研究分析本质上已经属于离线分析，所以其计算触发仅支持人工触发即可。在形式上，包括独立推演和联合推演2种形式，当调度运行人员仅对管辖范围内电气元件进行操作时，可利用独立推演对操作后电网的稳定情况进行研究；当调度运行人员的操作影响会波及到相邻或远方电网时，可以进行上下级调度和不同区域调度间进行联合推演。
2.3趋势分析模式
由于实时分析模式基于当前电网运行状态进行计算，对即将发生的变化缺少应对手段。趋势分析实现对短期内电网安全稳定状态发展趋势的预先评估。趋势分析可以拓展在线安全稳定分析的覆盖范围，能给出电网运行即将发生的重大变化及其稳定状态。在电网安全稳定趋势发生恶化或者没有改善的情况下，给出电网短期控制的辅助决策，调整电网未来运行状态，进一步实现电网运行安全的预防控制。趋势分析基于在线运行方式，利用未来短时间内的计划数据(如断面功率计划、交直流联络线功率计划、实时发电计划、检修计划等)和预测数据(如新能源发电超短期预测、超短期负荷预测等)，将实时运行方式与计划和预测数据匹配在一起，形成未来短时间内的潮流解。趋势分析模式分析对象的形成如图6所示。在分析流程上，趋势分析与实时分析并无不同，只是趋势分析仅需支持周期触发启动，由于研究对象本质上属于对电网未来态的预测，无事件触发和人工触发功能的必要性。图7是完整计算执行过程流程图。显然，趋势分析模式一方面是实时分析模式在时间尺度上的向前延伸，另一方面通过一系列稳定指标的对比判断电网安全稳定情况是趋向更安全还是更危险。但应说明的是，由于趋势运行方式本质上为对电网未来态的预测，仍存在着很大的不确定性，预测运行方式与实际运行方式之间存在差别不可避免，因而在实际调度运行应用中，趋势分析模式并不能取代实时分析模式。
2.4应用模式比较
表1是3种应用模式的比较。3种应用模式的根本区别在于研究数据源范围的差异，因而导致各自的分析对象的不同。实时分析和趋势分析要求客观的反映电网实际或预测的安全稳定情况，因而不允许对电网潮流进行人工调整，不允许人工参与分析过程，依据客观要求形成了各自需要满足的触发方式。实时分析和趋势分析在时间上要求的快速性导致必须利用高效可靠的大规模并行计算平台；而研究分析模式用于十几分钟至小时时间尺度内的调度操作校核或事故反演，因而关心的往往是特定的稳定任务，利用小规模或单机计算即可满足运算速度的要求。
3算例分析
以某省级实际电网实例进行分析，该电网调度控制中心具备实时分析和趋势分析同时进行周期触发计算，触发周期为15min。2014年11月4日00:15:00—03:00:00期间，实时分析和趋势分析同时给出静态安全分析预警：若BXI线发生N-1故障，将造成BXII热稳越限。次日进行研究分析模式仿真重演、并依据调度辅助决策给出的方式调整进行研究分析，实时分析、趋势分析、研究分析的结果比对如图9所示。算例结果可见，实时分析对当前电网断面安全稳定情况进行分析，同时，趋势分析可对电网未来时间段内的运行安全稳定性进行有效预测。由于趋势分析的分析对象为基于当前断面和计划数据生成的未来态趋势潮流，与15min后实际潮流断面的误差不可避免，因而基于趋势潮流的安全稳定分析结果与实际分析结果也存在定量上的误差。但在计划执行和预测数据满足一定准确性的范围内，分析结果并不影响其对未来电网安全稳定分析的定性结论。研究分析的重演可以与实时分析结论相印证，通过调度辅助决策给出的建议，利用研究分析对电网潮流断面进行调整，重新进行BXI线N-1断开的静态安全分析，BXII线热稳定分析的越限情况消失，有效遏制了电网热稳越限风险。
4结论
