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【關鍵詞】電力系統分析 教學方法 實踐經驗

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0230-01

電力系統分析課程是各高等院校電氣工程及其自動化專業的核心專業課程，是該專業學生知識體系的重要組成部分，同時也是該專業學生畢業后工作或深造的必修課程。但是，對于電力系統分析課程而言，該課程涉及的知識面廣，對電路原理、電機學、電力電子技術等先修課程的要求較高，同時，近年來世界范圍內智能電網技術發展迅猛，各種新技術層出不窮，這些因素都給課程體系的優化設計提出了更高的要求。要求該課程在有限的課時內，基于多門先修課程的基礎知識，系統講授電力系統靜態分析方法，并結合新興技術提高學生學習興趣與專業技能。

1教材的選擇

1.1國外經典教材

現代電力系統分析與控制起源于國外，國外的電力系統研究者和教學工作者在幾十年的發展過程中積累了大量的寶貴經驗，也出版了多本經典教材，如Robert H. Miller等編著的《Power System Operation》、Turan Gonen編著的《Modern Power System Analysis》、Prabha Kundur編著的《Power System Stability and Con？鄄trol》等。這些教材對電力系統分析的理論講解透徹，深入淺出，且經過幾十年時間的檢驗，其教學價值得到廣泛的認可。

雖然國內外電力系統分析的基本原理是相同的，但是由于電力系統運行機制的不同，國外教材對培養我國電力系統人才具有一定的局限性。此外，由于電力系統分析課程主要針對本科二、三年級的學生，完全使用國外經典教材進行雙語或全英授課難度較大。

1.2國內經典教材

國內的高校雖然較國外高校而言在現代電力系統分析領域的教學起步較晚、差距較大，但是近年來在國家政策的大力扶持下，取得了快速的發展。同時，也形成了幾本優秀的教材，如東南大學陳衍編著的《電力系統穩態分析》、華中科技大學何仰贊等編著的《電力系統分析》、四川大學劉天琪等編著的《電力系統分析理論》等。這些教材從簡單知識入手，由淺入深，分析透徹，自成體系。

針對國內本科電力系統分析教學的現狀，可以選擇國內出版的講解清晰、全面的教材為主線，并以國外經典教材為輔助。

2.教學方法的改進

電力系統分析課程作為電氣工程及其自動化專業核心課程，對電路原理、電機學等基礎先修課程的要求較高，且由于電力系統設備大多屬于高壓設備，對實驗室資金投入的要求較高，國內只有少數幾所高校具備開展電力系統動模實驗的條件。如果僅僅按照教材照本宣科，學生很難深入理解和掌握相關領域的知識。因此，在理論教學實踐中，穿插教材中所缺乏的仿真實驗，并結合生活實際經驗講解相關原理，可以更好地幫助學生掌握理論知識。

2.1計算機仿真輔助教學

MATPOWER是一款基于MATLAB的開源電力系統仿真軟件，具有操作簡單、運行結果可靠等優點，可以滿足一般電力系統計算和分析的需要，進行簡單講解后學生即可獨立操作，作為對理論教學的輔助。

例如，在電力系統電壓調整章節，根據如圖1所示的電壓調整原理圖，得到如式（1）所示的電壓調整關系式，進而得出電壓調整的四種措施：即改變發電機機端電壓、改變變壓器變比、改變負荷功率分布和改變網絡參數。

圖1 電壓調整原理圖

Vi=VGk1-■k2 （1）

但是，按部就班的理論推導難免枯燥和抽象，通過MATPOWER仿真軟件，可以簡單地通過修改相應系統參數，經過潮流計算后便可直觀地觀察節點電壓的變化情況，加深學生對知識的理解與記憶。

總的來說，MATPOWER是一款可以在Windows環境下方便使用的開源電力系統仿真軟件，可以方便地應用于課堂教學演示或課后仿真實驗。

2.2理論與實踐相結合教學

電力系統分析課程具有概念多、抽象和難以理解的特點，學生普遍反映所學知識與實際生活經驗較難結合，教學內容較為枯燥等問題。因此，在教學實踐中應努力將理論與實踐相結合，讓學生學得有興趣，學以致用。

例如，在講解“斷路器”這一常用電力設備時，如僅僅從其滅弧的原理和作用角度進行講解，往往得不到較好的教學效果。因此，作者在教學實踐中嘗試首先從電網電弧入手，講解電力系統中滅弧的重要性;然后，從生活中“斷電幾秒自動恢復”的現象，引入“自動重合閘”的介紹;最后，從電網操作安全的角度，講解“斷路器”和“隔離開關”之間的區別與聯系，以及電網檢修過程中兩者的操作順序。實踐表明，通過以上教學方法的應用，學生概念掌握清晰，且記憶深刻，取得了較好的教學效果。

此外，還可以用生動活潑的表達方式，激發學生學習的興趣。例如，電壓調整的方法大多是通過增加或減少無功功率的供給來達到調壓的目的，但是改變變壓器變比的方法是一個例外，因為其本身并不產生或消耗無功功率。如僅僅從改變變壓器變比進行調壓原理的角度進行講解，說明該調壓方式只適用于電網局部調壓的局限性，學生理解較為困難，記憶不深刻。因此，作者采用“我不生產無功，我只是無功的搬運工”這一描述，闡述改變變壓器變比的調壓原理，可有效激發學生興趣，加強記憶。

3.結束語

近年來，借助我國建設堅強智能電網的大背景，我國高校電力系統及其自動化專業的人才培養工作取得了快速發展。本文積極探索提高電力系統分析課程教學效果的教學方法，從教材的選擇和教學方法的改進兩個角度進行了較為詳盡的探討。作者所做的這些努力，在實踐中獲得了學生的普遍認可，同時也希望這些經驗與方法可以為兄弟院校相關專業的教學提供參考和借鑒。

參考文獻：

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[2]陳國平， 王楠， 簡獻忠. 數字集成電路設計教學方法探討課程教育研究[J]. 課程教育研究， 2014， 12： 214.

[3]張靜.淺析MATLAB/Simulink建模與仿真在電力系統分析教學中的應用[J]. 2014， 35： 218-219.

[4]馮宇.基于MATLAB的《電力系統分析》教學研究[J]. 教育教學論壇， 2013， 27： 73-74.

[5]吳曉華.淺談興趣教學在電工電子課程教學中的應用[J]. 中國教育技術裝備， 2013， 30： 96.

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關鍵詞：并行處理 電力系統分析 并行計算系統

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0026-01

電力系統有很多復雜的分析計算，包括潮流計算、電力系統暫態穩定分析、電磁暫態實時仿真、電力系統能量管理、電力系統規劃等。隨著電力系統的越來越龐大和復雜，電力系統分析也變得越來越復雜，計算越來越繁雜。為了提高電力系統分析計算的速度，多年來人們從算法上進行了深入的研究。但是串行計算技術仍然不能有效地解決單個處理器的運算速度問題。隨著并行計算技術的發展，新的理論、新的硬件和新的算法設計技術為電力系統分析帶來了新的發展契機。

1 并行處理技術

電子計算機從20世紀40年代問世以來，基本上是按照馮?諾依曼的計算機系統結構設計的，這是一種串行處理計算機。然而隨著計算機應用的逐步擴大，傳統串行計算機系統已經不能適應新環境下的計算性能需求。因此，并行處理技術也應運而生。微電子、超大規模集成電路、高性能處理機、封裝技術的發展為并行處理技術打下了基礎。

1.1 并行處理技術概述

并行一般指在同一時刻或者同一時間間隔內完成兩種或兩種以上的操作，操作性質可以相同也可以不同。并行一般要求在時間上相互重疊。并行處理技術一般有三種形式：時間并行、空間并行、時間并行+空間并行。

（1）時間并行指時間重疊，時間并行的具體實現就是目前計算機上應用廣泛的流水線技術。同一套硬件對不同的計算任務連續不斷地執行，而不需要等待一個任務的全部完成再執行下一條指令。（2）空間并行指資源的重復，主要實現方法是使用多處理機系統，采用空間優勢實現并行處理。（3）時間并行+空間并行綜合使用上述兩種方法，以得到更快的處理速度。

1.2 并行處理技術的要點

并行處理技術是各種軟件、硬件、操作系統相結合的技術。主要研究熱點為：并行系統、并行算法、并行操作系統等。

并行系統主要研究并行處理技術的硬件方面，研究如何將眾多的處理機（網絡中的或本地的）和存儲系統、輸入輸出系統組成一個完整的并行處理系統。包括硬件的連接、拓撲方式、同步通信機制、軟硬件配置等。

并行操作系統主要用于并行系統間的通信和同步，支持并行計算，實現進程間的通信，并且要均衡分配計算任務，以使系統達到計算能力最大化。并行操作系統主要有多處理機并行操作系統、多計算機并行操作系統。

并行算法是并行處理技術中的一個研究熱點。理論上，傳統的串行算法無法在并行系統下直接運行，需要對其進行并行化處理才能運行。基本上需要從新設計并行的算法。并行算法主要研究如何將計算任務分解成能在并行系統上執行的任務，實現并行處理。并行算法優劣的評價通常采用以下指標：并行加速比、可擴展性、效率、成本、復雜性。

2 并行處理在電力系統分析中的應用

電力系統的并行處理主要是為了提高電力系統分析計算能力，增強實時計算性能。因為電力系統是一個快速變化的非線性系統。不同的電力系統計算任務具有不同的并行性和數據相關性，針對電力系統中不同的計算需求，通過認真研究和精確的算法設計，才能獲得最好的并行計算結果。

2.1 并行處理在潮流計算中的應用

潮流計算即在給定電力系統網絡拓撲結構、元件參數、發電量、負荷參量的條件下，計算出有功功率、無功功率和電壓在電網中的分布等數據。潮流計算描述了電力系統的穩態情況，是電力系統計算中的重要部分。

傳統的串行解法綜合運用了稀疏矩陣、三角分解前代和回代、節點編號優化、快速分解法等相關技術和技巧。在潮流計算中串行算法已經發展得比較成熟。目前，針對并行化潮流計算，研究重點主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通過對矩陣分塊法的的并行求解來實現并行性。通過降低最大因子路徑的長度來減少順序執行的步數，采用能夠應用于向量機的向量化算法。通過超立方體結構找到穩態大矩陣的特征值以及特征向量。通過實踐得到的一些結論表明，快速分解牛頓法的并行化算法可以獲得接近10的加速比。

通過對現有的一些并行算法的研究，可以得出結論。新的并行算法都試圖使相互依賴的前代和回代步數最小。但是在這些并行性算法中有著較大的限制。有些雖然可以將加速比提高到10左右，但是付出了較高的性能代價。由于迭代過程中前后依賴性大的困難一時難以克服，并行化潮流計算的瓶頸難以突破，有時強制的并行化算法反而比串行算法性能更差。

2.2 并行處理在電力系統暫態穩定中的應用

暫態穩定問題可以描述為求解一組非線性微分方程和代數方程。通過并行處理技術能極大地提高計算速度。

暫態穩定問題的并行化有兩種方法。（1）將系統的變量分組，進行空間并行化。（2）通過幾個時間段同時求解，稱為時間并行化。最直接的并行化方法是按照發電機將微分方程進行分組，形成多個方程組，通過代數方程來實現各個微分方程組之間的耦合。時間并行是通過建立每個時間段的牛頓方程，同時求解來實現并行計算。

2.3 并行處理在能量管理中的應用

電力系統的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、電力系統靜態安全分析、電力系統動態安全分析等。自從計算機硬件性能的大幅提升和工作站性價比的提高，能量管理系統已經得到了空前的發展。從集中的、孤立的系統發展為分布式、網絡化、開放的系統。整個系統由多臺計算機組成，通過網絡互相連接。系統的功能分布在不同的計算機上，可擴展性得到了很大提高。在分布式系統上，通過并行處理技術實現整個能量管理系統的協同工作，極大地提高了工作效率，為并行化計算提供基本的硬件優勢，適應電力系統的計算特點。因此，得到了很好的發展。

3 結語

電力系統的規劃和建設要考慮整個國家經濟發展和城市建設，考慮資源的合理配置和開發利用。對這些設備之間的配合、方案設計需要進行大量的比較和計算。電力系統的實時計算要求也對系統提出了更高的要求，因此并行處理技術作為一種良好的提高計算速度的技術在電力系統中得到了應用。

參考文獻

[1] 周志云，李建蘭.關于并行處理在電力系統分析中的探討[J].城市建設理論研究：電子版，2013（36）.

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[關鍵詞]：WAMS GPS 電力系統

一、引言

廣域測量系統WAMS是近年以來運用在電力系統前沿技術當中屬于最是活躍的領域之一，其核心技術就是PMU，即相角測量單元。目前對于大規模互聯電力系統進行動態分析以及控制還存在困難，而廣域測量系統的運用在一定程度上緩解了這個難題。

二、PMU測量的原理

PMU是在GPS的相量測量單位的基礎之上進行，它屬于一種多功能的信號采集系統。除了需要對電壓相角的實時測量并且以此來獲得參考相位角，還需要實現對電壓、電流、有功的實時測量和計算，最終再將得出的數據幀送到調度中心。

PMU的測量原理是：先要通過GPS接收器給出1pps（1個脈沖每秒）信號，然后經過鎖相振蕩器將這個信號劃分成一定的數量以便于采樣，被濾波處理之后的交流信號又通過A/D轉換器的量化，最后通過微處理器按照遞歸離散傅立葉變換原理計算得出相量。測量當中相角的測量是一個關鍵，因為只要有1ms的誤差就會相應的帶來18°工頻相角誤差，如果誤差需要控制在0.1°，則時間同步的精度需要為5μs。為了保證最后的相位測量，GPS脈沖信號和國際標準同步誤差應當小于1μs。

三、廣域測量系統的應用

（一）全網的動態過程記錄和事故分析

因為WAMS中的PMU能夠在同一參考時間框架之下獲得在各種擾動之下全網的動態過渡過程信息，所以僅從這個意義上來講WAMS就相當于是一個大的故障錄波器。PMU不僅可以實時上傳得到的動態過渡過程信息起到一個監視作用，而且在事故發生之后也能夠被用在事故分析之上。

（二）穩態分析

PMU的測量精度較高，一般可以直接對所裝節點的電壓幅值以及相角進行測量，并且可以避免一般的潮流計算或者狀態估計的迭代過程，如果和現有的SCADA系統結合使用的話，可以大大提高系統狀態估計的精度。由于現在諧波問題日益嚴重，可以在相量測量的電力系統的諧波狀態估計方法的基礎之上，把全系統范圍內的諧波狀態估計問題轉化成為多個單母線系統的狀態估計問題，這樣做能夠從很大程度上降低問題的求解難度。

（三）暫態穩定預測以及控制

如今已經被實際應用在工業當中的穩定控制系統可以分成兩種模式：一是“在線預決策、實時匹配”；二是“離線計算、實時匹配”。不過當遇見那些不可預見的連鎖故障所引起的大停電之時，這兩種模式可能無法得到響應。為了達到對各種系統的運行工況、各種類型故障的完全自適應，可以選擇采用WAMS。首先，WAMS提供的系統動態過程的時間序列響應，可以直接應用在某種時間序列預測方法或者人工智能方法系統未來的受干擾軌跡，并且判斷出系統的穩定性。但受到電力系統在動力學之上的復雜性影響，此種方式可靠性尚且需要考究。

其次，WAMS通過對系統故障之后的狀態初始值的提供，經過在巨型機或者PC機群之上進行一個電力系統超實時暫態時域仿真，通過仿真的結果來得到系統未來的受干擾軌跡，然后根據這個軌跡來判斷系統的穩定性。

最后，根據WAMS所提供的系統動態過程時間序列的響應，先利用某種辨識方法得到一個簡化系統動態模型，再對這個模型通過超實時仿真，通過這個仿真最后能夠得到系統未來的受干擾軌跡，并且以此來判斷系統的穩定性。

（四）電力系統動態模型辨識和模型的矯正

一個正確有效的電力系統動態模型是對所有的電力系統進行動態分析和控制的起點。電力系統動態模型可以通過在各離散時間點之上差分化為一系列的非線性方程，然后利用WAMS所獲取的全網動態過程的時間序列信息對其動態模型進行辨識和模型的矯正工作，最終使負荷建模的準確性得到提高。

（五）低頻振蕩分析和抑制

隨著大電網的互聯，區域間的低頻振蕩對互聯電力系統的安全穩定運行構成威脅。一般情況如果只在本地信息的阻尼控制器基礎上去抑制區域間的低頻振蕩效果不會非常好，面對這樣的情況可以選擇采用WAMS信號的區間阻尼控制器附加至發電機勵磁控制器當中，從而達到抑制區域間振蕩的目的。在使用WAMS信號作為控制器輸入的時候，需要注意信號的時滯問題，當時滯太大的時候就很有可能會導致閉環系統不夠穩定。

（六）電壓、頻率穩定監視及控制

因為靜態電壓問題以及頻率穩定是屬于慢動態的范圍，所以相較于暫態穩定的問題，前者更容易利用WAMS信息來實現穩定的監視以及控制。可以利用WAMS提供的實測信息辨識出一個用于穩定電壓分析的系統動態模型，并且在此基礎之上預測系統電壓的穩定性。也可以利用WAMS得到各個節點的電壓相量測量值，并且將系統通過等值的方式分成兩節點系統，這樣的方式可以快速給出電壓穩定裕度。在電壓穩定控制方面可以利用WAMS提供的實測信息辨識出一個用在低頻減載系統的動態模型，并且在此基礎之上預測出系統的頻率穩定性，然后對某一個給定的頻率門檻值給出應當要切除的負荷量。

（七）全局反饋控制

對于全局信息的反饋和控制，可以在WAMS信號的全局電力系統穩定器控制的基礎之上，通過仿真得出全局電力系統穩定器比分散/就地電力系統穩定器的控制效果更好。考慮到電力系統的固有非線性，可以在WAMS信號的全局非線性勵磁控制器的基礎之上，通過仿真的結果表明，和完全分散的非線性勵磁控制進行比較，它明顯可以更大的提高系統的暫態穩定性。

（八）故障定位及線路參數測量

故障定位的方法主要有兩種：第一是阻抗法，這種方法有一個缺陷，是不能排除故障對于過渡電阻的影響。第二是行波法，行波法相較于阻抗法是可以達到不受過渡電阻影響的目的。而WAMS的使用，可以通過PMU來獲取電流相量以及輸電線路實時的電壓，然后再通過一種經過改進而得到的離散傅立葉變換提取當中暫態電氣量的基頻分量，這樣做就可以大大提高定位的精度。

結語

通過以上對WAMS在全網的動態過程記錄和事故分析、故障定位及線路參數測量等方面的應用綜述，可以看出WAMS的優勢很多，在以后的研究當中可以更加充分利用它的優越性以更好的分析和控制電力系統。

參考文獻

[1]方家琨. 超導磁儲能技術在電力系統穩定控制中的應用研究[D].華中科技大學，2012.

[2]陸超，謝小榮，吳小辰，吳京濤. 基于廣域測量系統的電力系統穩定控制[J]. 電力科學與技術學報，2009，02：20-27.

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【關鍵詞】電力系統分析 電氣工程虛擬仿真實驗 運維合一

【基金項目】科研人才啟動基金（KJ2013B025）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0228-01

電力系統分析課程是電力系統自動化專業的重要專業課程，涉及一系列電力系統的核心技術：潮流計算、調頻調壓、經濟運行、同步發電機電磁暫態過程、短路計算及機電暫態穩定性分析等。學好電力系統分析對于電力系統專業的學生來講至關重要。

1.電力系統分析課程教學現狀

電力系統分析課程雖然重要，但從每年的教學效果來看并不是很理想。由于前修課程電機學沒學好，以及電力系統分析課程知識點較多，理解起來有難度，部分同學沒有養成良好的學習習慣，課下沒有及時鞏固復習，課堂內容掌握不好時容易產生畏難情緒。此外，即使部分同學理論知識掌握較好，但感覺較抽象，對某些知識持懷疑態度，如：調頻時，增大氣門開度，實際生產中發電機轉速的變化，輸出功率的變化，頻率的變化等是否如課本上所寫;調壓時，負荷的波動對系統中各節點電壓的影響究竟如何，那些調壓措施能不能真正起到調壓的效果。學生無法看到相關的現象，所以很難產生濃厚的學習興趣和熱情，即使當時掌握了，遺忘也會比較快，印象不深刻。為了解決以上問題必須借助與相關實驗課程，讓學生在實驗操作中將理論和實際很好的聯系起來，既能及時鞏固相關知識，又能提前接受實際生產操作培訓，為以后踏上工作崗位打下堅實的基礎。

2.電氣工程虛擬仿真實驗的主要功能

2.1.電力系統仿真實驗

電氣工程虛擬仿真實驗包括電力系統仿真實驗和水電站仿真實驗，電力系統仿真實驗主要針對電力系統的相關設計，包括電網的主接線設計、設備選型及校驗、故障計算、保護配置等;潮流、短路、穩定性等分析計算;運行過程、控制方法及原理的學習研究。提供了相關軟件平臺，實驗室的軟件平臺包含兩大類，一類是機電暫態過程仿真軟件，一類是電磁暫態過程仿真軟件，除了PSASP軟件外，還有PSCAD、PSS/E、BPA、ATP/EMTP及EMTP-RV、CDEGS等軟件，可以供學生進行課程實驗、綜合設計、畢業設計以及相關科學研究。開發了系列的課程實驗、綜合設計及研究項目，對于提高學生課程的學習效果、綜合運用所學專業知識進行發電廠、變電站以及電網的設計、分析計算以及運行與控制的能力起到了很好的輔助作用。

2.2水電站虛擬仿真

水電站虛擬仿真實驗教學平臺以龍灘水電站為原型，提供了與現場效果一致的大型水電站仿真培訓系統的實踐教學環境，在水電站監控系統中涵蓋了水電站的所有主要機電設備，包括：水電站水輪機、發電機、發動機出口短路器、主變、500kVGIS系統、廠用電系統、調速系統、勵磁系統、監控系統、繼電保護系統、安全自動裝置系統、氣系統、排水系統、機組及變壓器技術供水系統、油系統、消防系統、閘門系統、流量水位曲線、（含黑啟動系統）、AGC/AVC等系統及廠房場景、設備系統運行、維護、檢修、拆裝過程的多維立體展現。并研發了豐富的實驗教學內容和典型教學案例，學生可以親自動手操作實驗，可進行水電站正常工況運行操作過程培訓;異常工況運行操作過程培訓;緊急事故工況處理操作培訓;計算機監控系統培訓;綜合反事故培訓;生產過程運行知識與專業理論培訓。解決了傳統課堂學習中學生“只能動口，不能動手”的難題，通過“操作、觀察、分析、記錄、總結”，激發了學生的學習興趣和主動參與的學習熱情，提高了理論和實踐教學效果。

3.電氣工程虛擬仿真實驗的主要特點

3.1虛實結合，互為補充

“虛”是指采用虛擬的仿真實驗平臺為學生提供親自動手操作實驗或培訓的機會，由于電力生產的特殊性，考慮到生產的安全性和學生自身的安全性，實驗操作不可能在實際系統中進行，必須借助于軟件平臺。“實”則是通過校外企業作為實習基地提供學生參觀實習的機會，建立學生對現場的感性認識，我校與三峽電廠、葛洲壩電廠、清江隔河巖電廠、清江高壩洲電廠等簽訂了協議，作為本專業學生的校外實習基地，學生先到校外實習基地參觀實習，建立電力系統運行的感性認識，然后進入“虛擬仿真實驗室”進行電力系統運行仿真培訓綜合實驗。虛實結合的教學模式可以有效提高學生對電力系統運行特點及控制過程等知識的掌握。

3.2運維合一，多媒體一體化教學

多維多媒體仿真能極大增強仿真臨場感和沉浸感。借助多維多媒體手段，創造一個虛擬現實培訓環境，讓學生在虛擬場景中上完成對調速、調壓、AGC＼AVC等相關電力系統方面的操作。可對設備進行拆卸和裝配，讓學生看到平時不易見到的設備構造、工藝及內部運行情況，做到對設備的組成、結構、拆卸順序及操作過程等了然于胸。還可實現事故場景真實再現，便于學生對暫態過程進行分析，可大大提高學生學習的積極性和學習效率。

3.3開放性實驗平臺

建有電氣工程虛擬仿真實驗教學示范中心平臺網站，學生不僅可以實驗課上運用實驗室的仿真軟件進行相關內容的操作學習，課后未完成的內容，或者學生所設想的創新性問題還可以通過互聯網訪問仿真軟件平臺，還可在線討論，或者給老師留言。安排有值班老師對課余時間在實驗室的學生進行指導答疑。

4.結束語

為了提高電力系統分析課程的教學效果，學院專門成立了課程組，一方面加強理論教學網站的建設，整理出相關課件、教案、習題等資料共學生下載學習，另一方面加強電力系統分析課程實踐教學平臺的建設，對學生在虛擬仿真平臺的應用過程中所碰到的及時給予指導，此外課程組通過教研教改項目研究，改進教學方法、教學手段等來提高教學效果。

參考文獻：

[1]孟祥萍.電力系統分析[M].高等教育出版社，2010.

[2]鄧建高.高校本科生創新能力培養的校企合作模式研究[J].中國電力教育.2009，（2）.

[3]劉進志.基于網絡教學平臺的教學模式研究[J].中國電力教育.2010，（1）.

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[關鍵詞]高職 電力系統分析 項目教學法 應用能力

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2014）18-0174-02

隨著技術及經濟的迅猛發展，市場對技術應用型高技能人才要求的日益增加，我國職業教育迎來了蓬勃的發展及革命。作為一種對能力培養行之有效的方法，高職高專課程項目化教學改造得到了廣泛的推崇及應用。

一、高職強電專業電力系統分析課程與項目教學法

（一）高職強電專業電力系統分析課程教學目標

眾所周知，“以就業為導向，以服務為宗旨”的職業教育培養目標，其培養的學生應當具有良好的職業道德和職業素質，具有熟練的職業技能，走上職業崗位之后具備持續發展的能力，還應當具有扎實的、系統的專業應用知識；也即職業教育培養的是面向市場的高技能的職業人。[1]

電力系統分析課程在發電廠及電力系統、電力系統自動化等強電專業中，既承擔著后續專業課程的潮流計算及短路計算分析能力訓練，也承擔著培養學生具備如何確保電力系統的安全可靠運行、電能質量的控制及經濟運行調度方面的崗位職業能力，故本課程的目標是培養學生掌握潮流計算及增強短路計算分析能力，掌握電力系統的安全可靠運行，電能質量的控制及經濟運行調度等技術、知識，提高完成相關的電力崗位工作的綜合技能。

（二）項目教學法的內涵

“項目教學法”是指學生在教師指導下，通過實施一個完整的項目而進行的教學活動。它以項目為載體，以實訓為手段，采用知識、理論、實踐一體化教學；在教師的指導下，學生親自處理項目任務全過程；在這一過程中，學生主動探索掌握應用知識及技術，學生獨立組織安排學習行為，解決項目中遇到的困難，學生在這個過程中鍛煉各種能力，從而使學生的學習興趣和積極性大大提高。[2]

（三）項目教學與傳統教學的比較

傳統的電力系統分析課程教學方式是通過講授法讓學生掌握知識和理論分析方法，課堂以教師為中心，理論教學為重點，注重的是考試成績，培養出來的學生只是面向考場的讀書人，而不是面向市場的高技能的職業人。與傳統教學相比，項目教學法以技術應用型的高技能人才為培養目標，以職業活動為導向，以素質為基礎，突出能力目標，以學生為主體，以項目為載體，以實訓為手段，實現知識、理論、實踐一體化教學。

項目教學法將傳統的學科體系知識內容轉化為若干個“教學項目”，圍繞著項目，組織和開展教學；學生直接全程參與、體驗、感悟、論證、探究。學生在項目實踐過程中，理解和把握課程要求的知識和技能，體驗創新的艱辛與樂趣，培養分析問題和解決問題的思想和方法，學生畢業后能更快、更好地對接工作崗位。[3]

二、項目教學法在高職電力系統分析課程教學中的實施案例

筆者實施項目教學內容為《電力系統分析》中的“無功平衡與電壓調整”，實施項目教學班級為發電廠及電力系統專業各班。本項目的主要任務如下：將某地電力系統電壓控制在合理范圍。

（一）項目設計

設計項目時，要求教師要因材施教。教師應根據學生已完成的電路與磁路，電機學課程和發電廠變電站電氣設備部分內容及學生能力來確定項目。電力系統分析教學不像在發電廠變電站電氣設備、電力系統繼電保護等專業課教學有著顯著的操作性，教師可以要求學生完成諸如某一設備的裝配、測試等看得見、摸得著的具體任務。電力系統分析教學可根據后續專業課程需求來設計確定項目，如為電氣設備選型提供短路校驗數據依據，為繼電保護裝置的選型及整定提供短路數據依據等，也可根據電力專業崗位進行引申。根據學生專業和本課程教學目標，筆者將電力系統分析中的“無功平衡與電壓調整”派生出以職業為導向的項目――即將本地區電力系統電壓調整控制到合格的范圍。此項目對強電專業具有可操作性，它能夠將學生的專業與未來職業方向相結合，激發學生學習動機和提高學習積極性。

（二）項目實施

1.項目分組

電力系統分析的項目分組主要依據是學生的專業學習能力、計算機應用操作水平，但同時也要考慮學生的組織能力、團隊協作精神等。因此，教師在分組時應考慮學生的學習成績、認知特征、認知能力等，采用異質分組，使小組成員在各方面具有一定的差異性和互補性。根據學生的學習成績和計算機應用操作能力等，筆者將發電廠及電力系統各班（每班約42位同學）分為6～8個小組。

2.項目任務細化

為了培養學生解決問題的思路，保證學習的方向和目標，以便能較好地完成項目，教師可將總項目進行細化。實施過程中，筆者“將本地區電力系統電壓調整控制到合格的范圍”的總項目具體任務細化為：

任務1 選擇電壓中樞點

任務2 選擇電壓調壓方式

任務3 選擇電壓調整措施

任務4 在PW中仿真實施電壓調整

3.自主探索與項目完成

項目完成過程中，各組同學通過網絡、圖書館、校本教材（或教師編寫的講義）、教學參考書來做項目準備，學習的主動性和積極性無疑得到了增強；各組同學討論中展示了思維的多樣性。各位同學對電壓中樞點的選擇、電壓調整方式、調壓措施以及如何在PW電網仿真軟件中實施電壓調整等問題都提出了自己的獨特見解和認識。由于高職多數學生電力專業基礎知識薄弱，對電力系統運行的認識膚淺或幾乎為零，教師可將自己平時積累的相關材料提供給學生，如學校所在地區電網接線圖及電網簡介，電力現場實施電壓調整的九區圖及某時間段的電壓控制要求等，使學生在準備的過程中對未來所從事的電力職業也有著更深刻的認識。

4.成果匯報

成果匯報是學生對知識掌握和應用能力提高的重要階段，同時也是學生成就感體現的重要環節。學生完成項目后，應對其學習情況做出反饋和評價[4]，展示評價包括：

（1）自評、互評：學生們互相交流學習，取長補短，并推薦電壓水平控制質量較高的PW模型。

（2）展示PW模型調壓方案：由學生推薦，教師結合實際情況選出三個左右具有代表性的PW模型調壓方案。

（3）教師總結：教師指出PW模型調壓方案中值得大家學習和借鑒的地方，同時指出學生在電壓調整過程中出現的問題，總結成功的經驗和失敗的原因。鼓勵學生們采用多種方式及程序嘗試電壓的調整，如某點電壓偏低，是調主變壓器分接頭還是投入電容器組進行無功補償等。對沒完成調壓或調壓不合格的小組讓他們回去繼續完成。

（三）教學評價

教學評價應對完成項目的全過程，包括知識與技能、情感態度與價值觀進行全面的評價，應重在過程而非結果。筆者具體做法是：以小組為單位，每小組隨機抽一名成員代表全組答辯，該成員的答辯成績就是該組的成績，這樣，既考出學生的專業技能操作水平，同時也考出學生的學習交流水平，培養了同學們大局觀、合作精神及集體榮譽感，培養了小組長的領導組織能力。另外，常常有一些組的結果和老師的不同，但只要學生分析原因，分析思路與方法是合理的都應該肯定，并予以引導、表揚和鼓勵。

學生成績評定后，教師應做點評總結。點評總結是“項目教學法”的重要環節，教師在點評中要指出問題的所在及解決的方法，使學生的知識學習能力和應用操作能力得到提高。

三、結束語

項目化教學與傳統教學相比，它對教師提出了更高的要求，要求教師既具有扎實的理論知識，又具有豐富的企業現場生產管理經驗。現代電力系統是一個很龐大的時空概念，為了能形象而具體的認識觸電力系統，高效完成職業素養、職業綜合能力的培養，通過工學結合，近幾年來我校在電力系統分析課程教學中，以取材于真實的本地區電力系統地理接線圖為載體，以電網仿真軟件為工具，以工作過程為主線，探索并開發了貫穿整個電力系統分析應用知識體系的若干個教學項目，采用任務驅動教學模式，大大提高了學生的技術應用能力及職業綜合能力。

[ 注 釋 ]

[1] 戴士弘.職業教育課程教學改革[M].北京：清華大學出版社.2007.

[2] 淺談項目教學法在高職英語教學中的實施案例-中國論文下載中心-英語教學論文-《網絡（http：//）》-2012-07-03.

[3] 項目教學法在專業教學中的應用Bai du文庫（網絡http：// / view / ab5f7b1da76e58fafab0）2011.10.25.

篇6

【關鍵詞】電力系統；諧波；仿真分析

產生諧波的主要根源是電力電子設備，而它又是提高供電可靠性和傳輸正弦電壓和電流給終端用戶的非常有效的手段。因此，諧波成為一個長期而重要的研究方向，對電力系統工作者提出了新的挑戰。

1 電力系統中的諧波源

1.1 諧波的定義

“諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀奠定了良好的基礎。傅利葉等提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945 J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發展，發表了有變流電力系統、工業、交流及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅利葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波稱為非諧波（Non-harmonics）或分數諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”，而現在供電系統諧波污染日趨嚴重。

1.2 電力系統中主要的諧波源

所謂諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。周期為T=2π/ω的非正弦電壓u（ωt），在滿足狄里赫利條件下，可分解為如下形式的傅里葉級數：

式中，頻率為 （n=2，3…）的項即為諧波項，通常也稱之為高次諧波。電網諧波的產生，主要在于電力系統中存在各種非線性元件。即使電力系統中電源的電壓為正弦波，但由于非線性元件的存在，從而電網中總有諧波電流或電壓。產生諧波的元件很多，包括熒光燈和高壓汞燈等氣體放電燈、感應電動機、電焊機、變壓器、電弧爐及晶閘管整流設備等，其中最為嚴重的是大型的晶閘管整流設備和大型電弧爐，它們產生的諧波電流特別突出。經統計表明，它們產生的諧波占總諧波量的近40%，是最大的諧波源。下面將對整流裝置、電弧爐和電氣化鐵道的諧波進行簡要的分析。

2 電力系統諧波仿真

系統仿真是根據被研究的真實系統的數學模型研究系統性能的一門學科，現在尤指利用計算機去研究數學模型行為的方法。計算機仿真的基本內容包括系統、模型、算法、計算機程序設計與仿真結果顯示、分析與驗證等環節。仿真是系統分析研究的重要手段，它可以驗證理論和設想、模擬實際系統運行過程、分析系統特性隨參量的變化規律、描述系統的狀態與特性，可以具有實驗相同的作用，同時可以避免實際操作的復雜性，完成無法實驗系統或過程的仿真模擬等。因此，實現對永磁同步伺服系統的仿真具有實際意義。

2.1 仿真工具介紹

近20年以來，國際、國內出現了許多專門用于計算機數字仿真的仿真語言與工具，如CSMp，ACSL，SIMNON，MATLAB/SimulinLk，Matrix刀SystemBuild，CSMP一C等。

Matlab是以復數矩陣作為基本編程單元的一種高級程序設計語言，它提供了各種矩陣的運算與操作，并有較強的繪圖功能。MATLAB是一個高度集成的軟件系統，它集科學與工程計算、圖形可視化、圖像處理、多媒體處理于一身，并提供了實用的WindowS圖形界面設計方法，使用戶能設計出友好的圖形界面。MATLAB語言在自動控制、航天工業、汽車工業、語音處理、信號分析、圖像信號處理等各行業中都有極廣泛的應用。Simulink是用于MATLAB下建立系統框圖和仿真的環境，利用它的SinLk、Souree、Linear、Nonlinear、Conneetors、Extra選用現成模塊或創建自己的模塊，對于某些沒有模型而又不便創建模型的環節或控制算法可以采用M文件（s函數）來實現系統部分功能。模型建立后，可以啟動仿真。仿真過程中所感興趣的量可以使用Scope示波器來加以觀察。Simulink中可以使用的電力系統仿真模塊集（powerSystemsBloekset）提供了七大類上百種電氣元件模型，包括開關元件和電機模型等，可以用于電路、電力電子系統、電機系統、電力傳輸等過程的仿真。它提供了一種類似電路建模的方式進行模型繪制，在仿真前將自動將其變化成狀態方程描述的系統形式，然后才能在Simulink下進行仿真分析。

2.2 對無源濾波器進行仿真

在MATLAB/Simulink環境下，利用PSB模塊庫，在分析了無源濾波器的基礎上，建立了仿真模型。本系統采用三相整流電路對電路系統注入諧波，分析比較仿真數據。

2.2.1 無源濾波模塊

該無源濾波模塊由三個單調諧濾波器和一個高通濾波器組成，主要針對整流器產生的特征諧波進行濾波，三個單調諧濾波器調諧在5、7、11特征諧波頻率上。

2.2.2 三相整流橋模塊

利用該模塊模擬電力系統中的整流裝置產生的諧波源，并對其進行濾波仿真。

2.2.3 10KV電力系統仿真模塊

這個電力系統的仿真模塊，可以準確的輸出三相正弦電壓，提供電力系統諧波的頻域分析，從而更加明了的看出濾波的效果。

2.3仿真結果分析

從仿真結果可以看出，利用無源濾波器對電力系統中的諧波源（三相整流電路）進行濾波，電力系統中的諧波電流有明顯下降，電流波形與正弦波仍相差較遠；在電路系統中加裝有源電力濾波器，濾波前電力系統中含有大量的諧波電流，濾波后電流波形近似為正弦波，頻域分析中的諧波含量幾乎為零。可以看出有源電力濾波器比起無源濾波器有更強的濾波效果。

3 結論

隨著我國諧波治理工作的深入開展，諧波的發生，綜合動態的諧波治理措施，電網的無功功率補償問題，是當前電力系統面臨的一大課題。要消除諧波污染，除在電力系統中大力發展高效的濾波措施外，在設計、制造和使用非線性負載時，也要采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經濟損失。

參考文獻：

[1]陸揚.供電系統諧波的產生、危害及其防護對策[D] 華東電力，2003 （10）.

[2]王慶紅.遵義電網諧波分析與監測[D].貴州大學，2006.

[3]王麗霞，張世中.諧波的危害及治理[J].工程與建設，2008（4）.

篇7

（無錫開放大學終身教育處，江蘇無錫214021）

摘要：諧波對于電力系統的運行具有較大危害，在現代電力系統中，非整次諧波（間諧波）和突變諧波大量存在，傳統的諧波分析大都是使用快速傅立葉變換（FFT）和窗口傅立葉變換算法，傅立葉變換在時域分析中局部化處理能力有限，實時性不強。在比較了窗口傅立葉變換與離散小波變換后，認為離散小波變換在電力諧波分析上有諸多優點，在此基礎上提出采用離散小波變換進行電力系統諧波分析，取得了較好的效果。

關鍵詞 ：電力系統；諧波；傅立葉變換；離散小波變換

0引言

電力系統諧波的產生有其復雜的原因，隨著現代電力系統更多非線性設備的運行和使用，諧波對電力系統的影響日益突出［1］，例如，在逆變電路中，諧波的出現對電網和電力設備的正常運行有著較大威脅，嚴重情況下諧波分量甚至會使電網波形畸變；而在電機和電力拖動設備方面，高頻諧波的出現也會使電機等電力設備發熱，降低運行效率。因此，需要對諧波進行精確檢測，并實現快速跟蹤。傳統的諧波分析是使用快速傅立葉變換（FFT），不過，快速傅立葉變換在時域分析中局部化處理能力有限，實時性不強，小波變換則克服了傅立葉變換的上述缺點，可以很好地展開對信號的時頻特性分析，離散小波變換的思想是對連續信號進行分解，變成子頻段后再利用小波變換算法得到各子頻段的信息。

1離散小波變換算法理論

離散小波變換是基于小波基函數的變換算法，小波變換是根據信號進行時間—尺度的分析方法，多分辨率分析是其主要特點，連續小波變換具有線性、平移不變性等優點［2］。不過，連續小波變換在處理長度足夠長的信號數據時會有很大誤差，只能通過設定辨識區間，對置信區間的數據進行分析，才能得到誤差較小的結果。在小波變換中，其離散化大都是針對連續尺度參數和連續平移參數，通常情況下，設尺度參數a和平移參數b的離散公式分別為：

窗口傅立葉變換在某種程度上實現了諧波的局部化分析，但是，由于窗口與頻率無關，窗口傅立葉變換每改變一次分辨率就要改變一次窗口函數，所以其使用范圍受到局限。

2.2基于離散小波變換的電力諧波分析

離散小波變換的分析思想和基本算法，在理論上證明可以滿足對電力系統諧波的分析檢測需要，根據上述理論在MATLAB中對同樣的電力諧波進行仿真和分析，過程如下：

使用同樣的電力諧波，將采樣頻率設定為基波和3次諧波頻率的兩倍，根據小波分解算法可得諧波分解信號如圖2所示。

通過對離散小波諧波分析的實驗觀察發現，利用小波基函數分析發生了高頻率混疊現象，基波及低頻諧波部分則能夠被較好地分解。高頻部分之所以出現頻率混疊現象，主要原因是在小波分解過程中隔點取樣，在每一層小波包分解時降低了采樣頻率，從而使高頻部分模糊不清。解決這個問題可以采用先分解基波，再將諧波部分單獨分解的方法。

利用一維離散小波變換對信號的高頻及低頻部分進行提取，設y為被分析信號，N為分解層級，小波基函數選定為db10，［cA，cD］=dwt（y，’db10’），再經過多層小波重構的近似分量結果如圖3所示。

在同一個電力諧波下通過實驗對比，分別使用窗口（Hanning）傅立葉變換和離散小波變換算法對波形進行驗證，提取各次諧波的參數，具體如表2所示。

表中數據表明，離散小波變換在進行諧波尤其是間諧波分析方面，比傅立葉算法的精度要高很多，用離散小波變換效果較好。

3結語

電力系統諧波分析與檢測目前仍然是一個十分活躍的領域，其分析方法已經普遍跨越了多種研究領域，眾多分析方法各有其優缺點，基于離散小波變換的分析方法也是其中的一個重要方面。

通過在MATLAB中對傅立葉變換算法和離散小波變換算法進行仿真比較，結果表明，離散小波分析在電力系統諧波分析中能夠發揮其重要作用，可以預計，隨著小波理論的不斷發展，其必將在諧波分析與檢測中發揮出越來越大的作用。

［

參考文獻］

［1］亓學廣.基于FFT和小波變換的電力系統諧波檢測方法研究［D］.青島：山東科技大學，2007.

［2］梁學章，何甲興，王新民，等.小波分析［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［3］胡昌華，張軍波，夏軍，等.基于MATLAB的系統分析與設計——小波分析［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.

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關鍵詞 暫態穩定；牛拉法；改進歐拉法；搖擺曲線

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）11-0000-00

暫態穩定計算在其程序設計構成中包含了最基本的數據結構處理、稀疏技術應用和模塊化程序設計思想。經過二十多年來的應用和考核，已形成相對確定的程序結構，并在功能上得以延伸。

1 暫態穩定計算程序設計算法基礎

在應用歐拉法時，由各時段始點計算出的導數值被用于的整個時段，因而給計算造成較大的誤差。如果各折線段斜率取該時段始點導數值與終點導數值的平均值，我們就可以期望得到比較精確的計算結果。改進歐拉法就是根據這個原則提出來的計算方法。

對于一階微分方程，設給定初值為時，以下介紹改進歐拉法的主要步驟：

1）計算時Y的變化率；

2）用歐拉法求時的函數初步估計值：

； （1）

3）用初步估計值計算時Y的變化率；

4）用和的平均值求取的改進值：

（2）

5）用初步估計值計算時Y的變化率

6）用和的平均值求取的改進值：

（3）

……………………

這樣求得的比單純用歐拉法求得的更接近微分方程的正確解一般我們只要以此規律計算直到前后兩次估計值滿足誤差要求為止。

2 改進歐拉法暫態穩定計算程序設計

2.1 初值的計算

在簡化的暫態穩定計算程序中，初值的計算包括求系統擾動瞬間發電機的暫態電勢、轉子角度（與x軸的夾角）、原動機的機械功率、等值導納、電流在d-q軸的分量等。這些參數可以由擾動前的正常運行狀態計算得到。

2.2 直接法求解網絡方程

在電力系統暫態穩定計算時，電力網絡中聯絡節點、負荷節點和發電機節點在網絡方程里有不同類型的表現形式。將以上三種類型的節點方程式歸納在一起，即可得到整個電力系統的網絡方程式。

3 算例

用上述方法編寫暫態穩定計算程序。對5節點，7條支路的系統進行計算。算例故障為電力系統網絡4-5支路斷線。斷線后計算程序采用步長0.02 s，計算時間為1.1 s，迭代次數為55次對電力系統網絡進行暫態穩定計算和分析。本文主要通過改變發電機參數定子電阻，q軸同步阻抗，阻尼系數D，時間常數來分析發電機參數是否影響電力系統暫態穩定。

當發電機參數選擇=0.0185013，=0.0595時調節發電機阻尼系數根據計算程序得到的數據繪出發電機轉子搖擺曲線如圖1所示。

圖1 發電機轉子搖擺曲線

由圖1 發電機轉子搖擺曲線可知在系統在阻尼系數D=0.4789時，在0 s～1.1 s時間內發電機轉子相對角度均在電力系統暫態穩定要求的范圍內，故可以推知電力系統是暫態穩定的；在阻尼系數D=0.1時，在0 s～1.1 s時間內發電機轉子相對角度是一直有增大趨勢，當發電機轉子相對角度大于180時不滿足電力系統暫態穩定要求，故可以推知電力系統是暫態不穩定的；在阻尼系數D=1.0時，在0 s～1.1s時間內發電機轉子相對角度是一直有減小趨勢，當發電機轉子相對角度小于-180時不滿足電力系統暫態穩定要求，故可以推知電力系統是暫態不穩定的。

4 結論

本文采用改進歐拉法對電力系統暫態穩定計算進行程序設計。首先對程序設計進行算法的確定，本文采用簡化的暫態穩定計算進行程序設計，然后進行程序設計和調試，最后是算例分析。本文中僅對電力系統斷線故障進行分析未涉及到其他故障的分析，但是本程序的故障與處理程序模塊采用了導納矩陣的重新形成故可以對電力系統其它故障的暫態穩定計算同樣適用。

參考文獻

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[4]尹淑萍，蔣德瓏.基于隱式算式的改進歐拉法暫態穩定分析程序設計及應用[J].工業技術，2010（9上）：68-69.

作者簡介

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關鍵詞：電力教學；ETAP；電力系統仿真分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0092-02

隨著電力工業的發展，單機容量和系統容量不斷增大，電網結構變得越來越復雜，如果用人工方法對于龐大電力系統網進行分析與計算將十分繁瑣，甚至是難以實現的。但隨著計算機技術的不斷進步，使得這一切成為可能。電力系統分析軟件，是用數學模型和數值方法對系統的運行特性進行研究，用來確定規劃設計方案，擬定運行方式，整定自動裝置的控制參數，進行事故分析和協助運行人員做出正確的決策，還可用于教學和培訓。本文將簡單介紹使用電力系統實用分析軟件ETAP進行電力系統分析教學方面的一些應用及體會。

一、高校電力系統專業課程實驗現狀

高等學校課程主要分為理論學習和實驗。電力系統專業因為它的抽象性和學生將來工作崗位安全要求高等特點，實驗及課程設計環節所占的比重越來越高。比較常見的有電機實驗、高壓實驗、繼電保護實驗等針對系統中某一設備的實驗。電力系統專業所研究的對象是橫跨大江南北的龐大的電力系統，從發電機到變壓器，從輸電線路到用戶，從一次系統到二次系統，其中各設備的聯系和相互影響非常密切，因此對于電力系統專業的學生來說針對單一設備的實驗已經不能滿足他們學習的需要了。

而建立電力系統物理模擬實驗室耗資巨大，較難實現普遍應用，因此人們把精力轉向了數學模型實驗。所謂的數學模型實驗就是用數學的方法建立電力系統各元件模型，模擬系統的運行狀態或計算系統中某點發生故障（如短路、跳閘等）后其他地方各電氣參數（如電壓、電流、相角等）的變化。

電力系統數學模型實驗在很大程度上可以幫助學生掌握電力系統理論知識和運行特性。現在國內外已經有多款成熟的商用電力系統數學模型實驗軟件，ETAP就是其中的一款。

二、電力系統專業課中使用商業軟件的優勢

電力系統模擬商業軟件最初出現在電力系統運行、設計和研究機構。電力系統模擬商業軟件由有一定電力系統研究實力的公司開發，能保證算法的正確性；計算機的快速性和精確性把廣大從事電力系統工程設計和研究的人員從繁重枯燥的工作中解脫出來；開發商業軟件的電力系統專家把他們多年的研究成果寫入到軟件中，使一般工程技術人員也能做深入的研究，如暫態穩定性分析。所以越來越多的公司開始使用甚至依賴商業軟件進行電力系統模擬計算。

高等電力院校和電力行業其他機構不同，它的主要目的是讓學生掌握好知識，經濟性相對來說排在后面。在電力行業中，電力院校使用商業軟件進行電力系統模擬實驗相對來說比較晚。經過這些年的教學實踐，筆者認為在電力高校教學中使用商業軟件（以ETAP為例）還是有一定的優勢。

1.復習課堂知識

用商業軟件建立電力系統模型需要填入必要的參數，思考哪些參數是必須的過程也是一個復習課堂知識的過程。例如，建立變壓器模型時回顧下變壓器的模型是一理想變壓器和一阻抗串聯，而變壓器阻抗的計算公式是，所以可以得知在軟件里必須填入的數據有高壓側額定電壓、低壓側額定電壓、額定容量、短路電壓百分數。

2.校驗課堂知識

為了加深學生對學過知識的印象，通過實驗方法來校驗理論知識是常用的途徑。由于電力系統的抽象性、龐大性和高安全要求等特點，學生到實際現場做實驗可能性不大。有了商業電力系統模擬軟件在實驗室就可以完成理論知識校驗，如校驗無功電壓特性、不同類型節點的運行特性、環網潮流控制理論等。

3.實習系統運行

商業軟件的快速性和精確性可以讓學生在同樣的課堂時間內完成電力系統在多個不同運行方式下的模擬實驗，對比不同運行方式下的實驗結果，豐富實驗課內容，使學生更加容易理解電力系統運行方式的含義和掌握任何選擇運行方式的知識。

4.進行暫態穩定研究

電力系統暫態過程是色極其復雜的過程，手工分析需要相當扎實的理論基礎，讓學生獨立來做幾乎不可能。有了成熟的電力系統模擬商業軟件后，學生可以借助開發軟件專家的經驗和知識獨立完成電力系統暫態過程的分析，加深他們對暫態過程的了解。

5.學習最新技術

當今社會風云變幻，新技術新產品層出不窮，學生多學習些新技術、新產品有助于他們更快適應現實工作環境。

總之，了解并初步學會使用先進的商用電力系統分析軟件，使用其對電力系統實例進行分析，可以使學生加深和鞏固課堂教學內容，加深對電力系統物理規律的認識，為今后的學習、工作打好基礎。

三、ETAP軟件介紹

ETAP（Electrical Transient Analysis Program）軟件由美國OTI（Operation Technology，Inc）公司開發，是第一個真正32位Windows環境下全圖形界面的電力系統仿真分析計算高級應用軟件。ETAP采用圖庫一體化技術，實現在界面上圖形化添加、刪除、連接、移動設備，調整大小和方向、操作設備，在圖形界面上輸入各設備的參數和運行狀態。這些信息都自動保存到庫里，無須對庫操作。多個負荷和發電類型使人們能方便分析各種負荷狀態下的電力系統，三維數據庫更是讓人們靈活使用不同的設計方案和運行方式，不限個數的分析案例實現了在一個工程里完成多個方案分析。ETAP擁有潮流分析、短路計算、電動機起動計算、諧波分析和暫態穩定分析等20多個功能模塊，所有模塊計算所需要的數據保存在一個庫里，對一個工程只要通過模塊切換按鈕就可以做所有的計算，操作便捷。

ETAP在1986年問世，經過20多年的發展已經是一款很成熟的電力系統實用分析軟件。OTI公司擁有大量知名的電力系統專家，他們中很多人在IEC和ANSI等組織中起著積極的作用參與相關標準的制訂。ETAP算法嚴格遵循相關國際標準，并且密切監視這些標準的發展根據標準的改動及時修訂算法。ETAP每個新版本之前都要進行V&V認證，計算結果經手算結果和現場實測結果雙重校驗。每年有數次由其他單位組織的質量評審，保證ETAP質量可靠。

ETAP在1999年進入中國市場，10多年來深受電氣技術人員的歡迎，在中國的用戶數不斷增加。上海電力學院在2003年引進ETAP用于教學，在2005年建立ETAP電力系統模擬實驗室。到目前為止，已經有約4000人次接受了ETAP電力系統模擬實驗，教學效果比較理想。

四、ETAP軟件教學應用實例

某系統接線圖如圖1。GEN1（Vθ節點）、GEN2（PV節點）和GEN3（PV節點）是三臺發電機，通過三臺升壓變和220kV系統相連，母線BusA，BusB，BusC是三條220kV用戶母線，上面掛有負荷（全是恒功率負荷）和無功補償裝置。Lump1=125MW+70Mvar，Lump2=35MW+10Mvar，Lump3=90MW+40Mvar，Lump4=100MW+55Mvar，其他設備參數見圖中注釋。

1.系統建模

ETAP提供了成型的發電機、變壓器、負荷、并聯電容器和線路模型，建系統模型時只需要從工具條中添加需要的模型，再根據接線圖拓撲關系把他們連起來，然后填入需要的參數。

在仿真計算中發電機的模型是電壓源和阻抗串聯，暫態模擬需要發電機的次暫態電抗、暫態電抗、直軸電抗、電阻，額定電壓和額定容量；變壓器的模型是理想變壓器和阻抗串聯，需要變壓器的高低壓側額定電壓、額定容量、短路電壓百分數、X/R；線路的模型是阻抗加并聯電容，需要的數據是電阻、電抗和電納；負荷和電容器的模型都是PQ節點，需要的數據是額定電壓和有功、無功容量。

把GEN1設為平衡節點，確定它的出口電壓值和無功限制范圍；把GEN2和GEN3設為電壓控制節點，確定他們的出口電壓、有功輸出和無功限制范圍。

2.仿真分析

模型搭建后，可以方便地進行系統的潮流、短路和暫態模擬計算。可以對不同運行方式下潮流結果進行對比，觀察不同設置對潮流結果的影響，并分析其原因。

能對不同地點發生各種短路故障進行仿真，分析其短路穩態電流及沖擊電流大小，以及不同負荷模型在短路計算中的區別。在短路計算中把電動機負荷（或叫旋轉負荷）和照明加熱負荷（或叫靜止負荷）分開考慮，前者有短路電流反饋，后者沒有。

可以仿真分析系統受到干擾后的穩定性，如發生短路故障、故障切除、重合閘動作后等不同狀態下系統的穩定性。并能直觀觀察各事件發生后發電機功角、端電壓等參數隨時間的變化情況，如圖2、圖3所示。

五、ETAP軟件教學總結和評價

ETAP軟件是新興的科技產物，能幫助人們解決不少問題，但是它只是個工具，要用好它必須要懂得它的工作原理。所以在教學生使用ETAP前要求學生掌握好基本的電力系統分析計算理論，這樣后面的實驗課才能進行得順利。

用ETAP軟件做電力系統模擬分析有相當大一部分工作是建立系統模型，模型的質量直接關系到實驗分析的成功和失敗。為了保證模型的正確性，建模前先要弄清楚各元件的數學模型，并且注意模型中個數據的單位。

用ETAP軟件做電力系統模擬實驗，學生只要摁計算按鈕就可以。大量的計算工作由計算機完成，所以跟傳統的手工計算實驗相比，在相同的實驗時間內可以多分配些實驗任務，讓學生多了解些電力系統的運行特性。但對原理的透徹理解則更需要加強，否則是照葫蘆畫出了瓢，卻不理解結果的來龍去脈。除了潮流、短路和暫態分析等基本功能外，ETAP還有電動機起動模擬、諧波模擬和保護設備動作模擬等模擬功能，全面應用這些模擬功能，可以把電力系統各方面特性全面地展現在學生面前，便于學生掌握。

參考文獻：

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[2]李光琦.電力系統暫態分析[M].北京：中國電力出版社，1995.

[3]唐春華.ETAP軟件在大型石化企業電力系統中的應用[J].電氣技術，2007，（S1）.

篇10

在中國，中國電力科學研究院、國網電力科學研究院聯合研發動態安全評估和預警系統(powersystemdynamicsecurityassessment&earlywarningsystem，PDSA)，并成功應用于國家電網和南方電網進行周期不間斷在線安全穩定分析，實現穩定裕度評估和預防控制輔助決策[16-19]。清華大學張伯明教研組研發了基于EMS/DTS的電網控制中心安全預警和決策支持系統并實施于江西電網[20-23]，石立寶教研組著眼于動態安全裕度，研發了實時動態安全評估及預警仿真系統，實現了極限傳輸容量的高效計算[24-25]。在各機構或專家學者的研究成果中，或對電網進行全面安全分析，或針對某一特定穩定問題進行評估，而在線安全穩定分析均是實現大電網動態安全評估的核心技術。基于實時數據的在線安全穩定分析綜合利用穩態、動態、暫態多角度在線安全分析評估以及穩定裕度評估，在一定程度上實現了大電網運行的全面安全預警和多維多層協調的主動安全防御[26-27]。然而，基于實時數據的在線安全穩定分析仍存在以下幾個問題：1）在系統實際運行需要時間間隔內(如5~15min)，進行周期、事件和人工觸發計算，運算結果合理性保證的前提條件是計算周期內，電網不發生明顯的拓撲和電氣量的變化。2）電網調度和運行人員會經常對電網運行工況進行調整，如開關刀閘操作、發電量調節、電網元件投切，需要對調整后的電網安全穩定情況進行預先校核。3）由于存在電網模型等值，對跨區電網的在線安全穩定分析，上級與下級調度控制中心之間、兩級調度控制中心之間僅依靠實時數據自動計算無法滿足電網潮流和動態行為的一致性。4）新能源發電、負荷的快速變化對電網在線安全穩定情況的預知提出了實際要求，基于實時數據的在線安全穩定分析無法滿足。上述原因對在線安全穩定分析提出了更高的要求。基于此，深化關于電力系統在線動態安全評估和預警系統方面的研究，提出滿足實際電網調度運行需求的在線安全穩定分析應用模式具有重要意義。

1在線安全穩定分析介紹

在線安全穩定分析的服務對象是電網調度運行，包括提出電網運行的主要問題和解決方案2方面含義。在線安全穩定分析中，同時進行靜態安全分析、暫態穩定分析、電壓穩定分析、小干擾穩定分析和短路電流計算，并進行穩定裕度評估；若系統存在不安全的問題，針對不同穩定問題，即時啟動相應預防控制輔助決策計算，提供運行方式調整的可行方案，以保證系統的穩定運行。在線安全穩定分析整體上可劃分為4個過程：數據整合(dataintegration，DI)、動態安全穩定分析(dynamicsecurity/stabilityanalysis，DSA)、穩定裕度評估(stabilitymarginevaluation，SME)和預防控制輔助決策(preventivecontroldecisionmaking，PCDM)。基于智能電網調度控制系統基礎平臺，獲取電網模型、故障集等計算參數，分別接入來自狀態估計、上級調控機構下發的電網運行數據，通過數據準備生成滿足在線安全穩定分析要求的計算數據，基于并行計算實現安全穩定分析和穩定裕度評估(或預防控制輔助決策)功能。圖1是在線安全分析總體框架。

2應用模式

在應用模式上，完整的在線安全穩定分析應分為實時分析模式、研究分析模式和趨勢分析模式。實時分析模式對當前電網運行方式進行安全穩定分析和穩定裕度評估和預防控制輔助決策；研究分析模式對研究方式進行潮流調整，并進行安全穩定分析和穩定裕度評估和預防控制輔助決策；趨勢分析模式基于當前實時方式數據，根據調度計劃類數據生成未來一段時間內的電網趨勢運行方式，并依時序滾動進行安全穩定分析和穩定裕度評估和預防控制輔助決策。

2.1實時分析模式

實時分析模式是實現在線安全穩定分析的主要功能。其主要特點是，基于未經任何修改的在線運行數據，不允許任何人工對模型、數據的修改，自動執行系統分析過程，對電力系統做出客觀的安全穩定分析結論和穩定裕度評估結論(或輔助決策計算結果)。實時分析模式分析對象的形成如圖2所示。在流程上，首先通過實現與調度支持系統的接口，獲取調度支持系統中的各類安全穩定分析所需要的在線數據；然后進行數據整合和數據交換，送入到并行計算平臺中；并行計算平臺通過高效的計算組織方法，實現各個電力系統應用軟件的并行分析，并通過統一規范接口送回計算結論到調度支持系統。圖3是完整計算執行過程流程圖，從上至下按執行時間順序描述執行過程，同時體現了硬件設備之間的數據流向。具體可劃分為4個過程。1）計算觸發階段。支持周期觸發、事件觸發和人工觸發3種啟動方式：周期觸發自動完成對當前電網運行方式的安全掃描，實現對當前電網運行方式的評估、預警和輔助決策；事件觸發獲取事件信息，從狀態估計獲取設備故障后電網運行方式，實現對設備故障后電網運行方式的評估、預警和輔助決策；人工觸發支持調度運行人員手動觸發在線分析計算，實現對當前電網運行方式的評估、預警和輔助決策。依3種啟動方式的重要程度，其優先級為人工觸發最高，事件觸發次之，周期觸發最次。周期觸發為以每5或15min為周期的不間斷觸發計算。觸發計算后，計算平臺狀態和計算任務執行狀態被全過程跟蹤，調度運行人員對在線分析的計算狀態全景掌握。2）數據整合階段。計算觸發后，從EMS/SCADA等系統獲取計算數據，經過狀態估計和潮流計算，得到支持的潮流數據、穩態數據和動態數據。然后將完整計算數據和相關計算配置文件發送至調度服務器。3）安全穩定分析和穩定裕度計算階段。基于并行計算技術，利用數據整合形成的計算數據，進行靜態安全分析、暫態穩定分析、電壓穩定分析、小干擾穩定分析、短路電流計算和穩定裕度評估。穩定計算結果存入數據庫，并發送至人機界面。安全穩定分析結束后，執行穩定裕度評估計算，穩定裕度計算考慮靜穩裕度、熱穩裕度和暫穩裕度。4）調度輔助決策計算階段。對于DSA計算存在不安全的分析結果，進行預防控制輔助決策的計算。其中不安全結果包括熱穩越限、暫態失穩、電壓失穩、低頻振蕩、短路電流超標。整個計算完成后，運行方式數據和計算結果存入數據庫。實時運行模式依靠并行計算的高速計算能力和開放的集成性能，完全實現基于在線數據的全部穩定分析計算，整個分析計算可在5min完成。其全面快速的安全預警功能，改變傳統的基于典型方式進行離線穩定分析的模式，分析結果更全面客觀，解決電力系統長過程連續故障(或開斷)情況下的安全分析的速度、全面性和可信度的問題，為應對電網的大面積停電事故提供寶貴的技術手段。

2.2研究分析模式

研究分析模式主要實現調度運行操作前的安全穩定分析功能。其主要特點是，通過人工修改運行方式，對即將在系統中發生的調度運行參與事件進行安全穩定評估。在作用上，研究分析模式可以對實時運行方式進行干預，研究調度運行操作對電網安全穩定運行影響和校核；也可以對歷史潮流斷面進行研究，可用于事故反演和分析。研究分析模式分析對象的形成如圖4所示。在流程上，首先通過人機界面，記錄下用戶的修改內容并計算潮流；然后送入到并行計算平臺中；最后并行計算平臺通過高效可靠的任務分配方法，實現各種穩定計算并行分析，并推送計算結論到人機界面。圖5是完整計算執行過程流程圖。與實時分析相區別的是，研究分析在觸發計算之前，允許對潮流數據進行修改。因而基于在線數據的研究分析本質上屬于一種在線研究態分析，基于歷史數據的研究分析本質上已經屬于離線分析，所以其計算觸發僅支持人工觸發即可。在形式上，包括獨立推演和聯合推演2種形式，當調度運行人員僅對管轄范圍內電氣元件進行操作時，可利用獨立推演對操作后電網的穩定情況進行研究；當調度運行人員的操作影響會波及到相鄰或遠方電網時，可以進行上下級調度和不同區域調度間進行聯合推演。

2.3趨勢分析模式

由于實時分析模式基于當前電網運行狀態進行計算，對即將發生的變化缺少應對手段。趨勢分析實現對短期內電網安全穩定狀態發展趨勢的預先評估。趨勢分析可以拓展在線安全穩定分析的覆蓋范圍，能給出電網運行即將發生的重大變化及其穩定狀態。在電網安全穩定趨勢發生惡化或者沒有改善的情況下，給出電網短期控制的輔助決策，調整電網未來運行狀態，進一步實現電網運行安全的預防控制。趨勢分析基于在線運行方式，利用未來短時間內的計劃數據(如斷面功率計劃、交直流聯絡線功率計劃、實時發電計劃、檢修計劃等)和預測數據(如新能源發電超短期預測、超短期負荷預測等)，將實時運行方式與計劃和預測數據匹配在一起，形成未來短時間內的潮流解。趨勢分析模式分析對象的形成如圖6所示。在分析流程上，趨勢分析與實時分析并無不同，只是趨勢分析僅需支持周期觸發啟動，由于研究對象本質上屬于對電網未來態的預測，無事件觸發和人工觸發功能的必要性。圖7是完整計算執行過程流程圖。顯然，趨勢分析模式一方面是實時分析模式在時間尺度上的向前延伸，另一方面通過一系列穩定指標的對比判斷電網安全穩定情況是趨向更安全還是更危險。但應說明的是，由于趨勢運行方式本質上為對電網未來態的預測，仍存在著很大的不確定性，預測運行方式與實際運行方式之間存在差別不可避免，因而在實際調度運行應用中，趨勢分析模式并不能取代實時分析模式。

2.4應用模式比較

表1是3種應用模式的比較。3種應用模式的根本區別在于研究數據源范圍的差異，因而導致各自的分析對象的不同。實時分析和趨勢分析要求客觀的反映電網實際或預測的安全穩定情況，因而不允許對電網潮流進行人工調整，不允許人工參與分析過程，依據客觀要求形成了各自需要滿足的觸發方式。實時分析和趨勢分析在時間上要求的快速性導致必須利用高效可靠的大規模并行計算平臺；而研究分析模式用于十幾分鐘至小時時間尺度內的調度操作校核或事故反演，因而關心的往往是特定的穩定任務，利用小規模或單機計算即可滿足運算速度的要求。

3算例分析

以某省級實際電網實例進行分析，該電網調度控制中心具備實時分析和趨勢分析同時進行周期觸發計算，觸發周期為15min。2014年11月4日00:15:00—03:00:00期間，實時分析和趨勢分析同時給出靜態安全分析預警：若BXI線發生N-1故障，將造成BXII熱穩越限。次日進行研究分析模式仿真重演、并依據調度輔助決策給出的方式調整進行研究分析，實時分析、趨勢分析、研究分析的結果比對如圖9所示。算例結果可見，實時分析對當前電網斷面安全穩定情況進行分析，同時，趨勢分析可對電網未來時間段內的運行安全穩定性進行有效預測。由于趨勢分析的分析對象為基于當前斷面和計劃數據生成的未來態趨勢潮流，與15min后實際潮流斷面的誤差不可避免，因而基于趨勢潮流的安全穩定分析結果與實際分析結果也存在定量上的誤差。但在計劃執行和預測數據滿足一定準確性的范圍內，分析結果并不影響其對未來電網安全穩定分析的定性結論。研究分析的重演可以與實時分析結論相印證，通過調度輔助決策給出的建議，利用研究分析對電網潮流斷面進行調整，重新進行BXI線N-1斷開的靜態安全分析，BXII線熱穩定分析的越限情況消失，有效遏制了電網熱穩越限風險。

4結論