江玉蓉?周煥森?戴江江

摘要：簡(jiǎn)單分析了目前電力系統(tǒng)專業(yè)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)的情況，指出把成熟的商用電力系統(tǒng)實(shí)用分析軟件ETAP應(yīng)用到電力系統(tǒng)專業(yè)課程設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)課中的必要性。介紹了上海電力學(xué)院應(yīng)用ETAP軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真分析的成果和經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：電力教學(xué)；ETAP；電力系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0092-02

隨著電力工業(yè)的發(fā)展，單機(jī)容量和系統(tǒng)容量不斷增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，如果用人工方法對(duì)于龐大電力系統(tǒng)網(wǎng)進(jìn)行分析與計(jì)算將十分繁瑣，甚至是難以實(shí)現(xiàn)的。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得這一切成為可能。電力系統(tǒng)分析軟件，是用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，用來確定規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，擬定運(yùn)行方式，整定自動(dòng)裝置的控制參數(shù)，進(jìn)行事故分析和協(xié)助運(yùn)行人員做出正確的決策，還可用于教學(xué)和培訓(xùn)。本文將簡(jiǎn)單介紹使用電力系統(tǒng)實(shí)用分析軟件ETAP進(jìn)行電力系統(tǒng)分析教學(xué)方面的一些應(yīng)用及體會(huì)。

一、高校電力系統(tǒng)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

高等學(xué)校課程主要分為理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。電力系統(tǒng)專業(yè)因?yàn)樗某橄笮院蛯W(xué)生將來工作崗位安全要求高等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所占的比重越來越高。比較常見的有電機(jī)實(shí)驗(yàn)、高壓實(shí)驗(yàn)、繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)等針對(duì)系統(tǒng)中某一設(shè)備的實(shí)驗(yàn)。電力系統(tǒng)專業(yè)所研究的對(duì)象是橫跨大江南北的龐大的電力系統(tǒng)，從發(fā)電機(jī)到變壓器，從輸電線路到用戶，從一次系統(tǒng)到二次系統(tǒng)，其中各設(shè)備的聯(lián)系和相互影響非常密切，因此對(duì)于電力系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生來說針對(duì)單一設(shè)備的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足他們學(xué)習(xí)的需要了。

而建立電力系統(tǒng)物理模擬實(shí)驗(yàn)室耗資巨大，較難實(shí)現(xiàn)普遍應(yīng)用，因此人們把精力轉(zhuǎn)向了數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)。所謂的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)就是用數(shù)學(xué)的方法建立電力系統(tǒng)各元件模型，模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)或計(jì)算系統(tǒng)中某點(diǎn)發(fā)生故障（如短路、跳閘等）后其他地方各電氣參數(shù)（如電壓、電流、相角等）的變化。

電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)在很大程度上可以幫助學(xué)生掌握電力系統(tǒng)理論知識(shí)和運(yùn)行特性?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多款成熟的商用電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)軟件，ETAP就是其中的一款。

二、電力系統(tǒng)專業(yè)課中使用商業(yè)軟件的優(yōu)勢(shì)

電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件最初出現(xiàn)在電力系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)計(jì)和研究機(jī)構(gòu)。電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件由有一定電力系統(tǒng)研究實(shí)力的公司開發(fā)，能保證算法的正確性；計(jì)算機(jī)的快速性和精確性把廣大從事電力系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)和研究的人員從繁重枯燥的工作中解脫出來；開發(fā)商業(yè)軟件的電力系統(tǒng)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(shù)人員也能做深入的研究，如暫態(tài)穩(wěn)定性分析。所以越來越多的公司開始使用甚至依賴商業(yè)軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)模擬計(jì)算。

高等電力院校和電力行業(yè)其他機(jī)構(gòu)不同，它的主要目的是讓學(xué)生掌握好知識(shí)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)來說排在后面。在電力行業(yè)中，電力院校使用商業(yè)軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)相對(duì)來說比較晚。經(jīng)過這些年的教學(xué)實(shí)踐，筆者認(rèn)為在電力高校教學(xué)中使用商業(yè)軟件（以ETAP為例）還是有一定的優(yōu)勢(shì)。

1.復(fù)習(xí)課堂知識(shí)

用商業(yè)軟件建立電力系統(tǒng)模型需要填入必要的參數(shù)，思考哪些參數(shù)是必須的過程也是一個(gè)復(fù)習(xí)課堂知識(shí)的過程。例如，建立變壓器模型時(shí)回顧下變壓器的模型是一理想變壓器和一阻抗串聯(lián)，而變壓器阻抗的計(jì)算公式是，所以可以得知在軟件里必須填入的數(shù)據(jù)有高壓側(cè)額定電壓、低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分?jǐn)?shù)。

2.校驗(yàn)課堂知識(shí)

為了加深學(xué)生對(duì)學(xué)過知識(shí)的印象，通過實(shí)驗(yàn)方法來校驗(yàn)理論知識(shí)是常用的途徑。由于電力系統(tǒng)的抽象性、龐大性和高安全要求等特點(diǎn)，學(xué)生到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)可能性不大。有了商業(yè)電力系統(tǒng)模擬軟件在實(shí)驗(yàn)室就可以完成理論知識(shí)校驗(yàn)，如校驗(yàn)無功電壓特性、不同類型節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行特性、環(huán)網(wǎng)潮流控制理論等。

3.實(shí)習(xí)系統(tǒng)運(yùn)行

商業(yè)軟件的快速性和精確性可以讓學(xué)生在同樣的課堂時(shí)間內(nèi)完成電力系統(tǒng)在多個(gè)不同運(yùn)行方式下的模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同運(yùn)行方式下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，豐富實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容，使學(xué)生更加容易理解電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的含義和掌握任何選擇運(yùn)行方式的知識(shí)。

4.進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定研究

電力系統(tǒng)暫態(tài)過程是色極其復(fù)雜的過程，手工分析需要相當(dāng)扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，讓學(xué)生獨(dú)立來做幾乎不可能。有了成熟的電力系統(tǒng)模擬商業(yè)軟件后，學(xué)生可以借助開發(fā)軟件專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)獨(dú)立完成電力系統(tǒng)暫態(tài)過程的分析，加深他們對(duì)暫態(tài)過程的了解。

5.學(xué)習(xí)最新技術(shù)

當(dāng)今社會(huì)風(fēng)云變幻，新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮，學(xué)生多學(xué)習(xí)些新技術(shù)、新產(chǎn)品有助于他們更快適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工作環(huán)境。

總之，了解并初步學(xué)會(huì)使用先進(jìn)的商用電力系統(tǒng)分析軟件，使用其對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)例進(jìn)行分析，可以使學(xué)生加深和鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，加深對(duì)電力系統(tǒng)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為今后的學(xué)習(xí)、工作打好基礎(chǔ)。

三、ETAP軟件介紹

ETAP（Electrical Transient Analysis Program）軟件由美國(guó)OTI（Operation Technology，Inc）公司開發(fā)，是第一個(gè)真正32位Windows環(huán)境下全圖形界面的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件。ETAP采用圖庫(kù)一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在界面上圖形化添加、刪除、連接、移動(dòng)設(shè)備，調(diào)整大小和方向、操作設(shè)備，在圖形界面上輸入各設(shè)備的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。這些信息都自動(dòng)保存到庫(kù)里，無須對(duì)庫(kù)操作。多個(gè)負(fù)荷和發(fā)電類型使人們能方便分析各種負(fù)荷狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，三維數(shù)據(jù)庫(kù)更是讓人們靈活使用不同的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行方式，不限個(gè)數(shù)的分析案例實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)工程里完成多個(gè)方案分析。ETAP擁有潮流分析、短路計(jì)算、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)計(jì)算、諧波分析和暫態(tài)穩(wěn)定分析等20多個(gè)功能模塊，所有模塊計(jì)算所需要的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)庫(kù)里，對(duì)一個(gè)工程只要通過模塊切換按鈕就可以做所有的計(jì)算，操作便捷。

ETAP在1986年問世，經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)是一款很成熟的電力系統(tǒng)實(shí)用分析軟件。OTI公司擁有大量知名的電力系統(tǒng)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制訂。ETAP算法嚴(yán)格遵循相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并且密切監(jiān)視這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的改動(dòng)及時(shí)修訂算法。ETAP每個(gè)新版本發(fā)布之前都要進(jìn)行V&V認(rèn)證，計(jì)算結(jié)果經(jīng)手算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果雙重校驗(yàn)。每年有數(shù)次由其他單位組織的質(zhì)量評(píng)審，保證ETAP質(zhì)量可靠。

ETAP在1999年進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，10多年來深受電氣技術(shù)人員的歡迎，在中國(guó)的用戶數(shù)不斷增加。上海電力學(xué)院在2003年引進(jìn)ETAP用于教學(xué)，在2005年建立ETAP電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)室。到目前為止，已經(jīng)有約4000人次接受了ETAP電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，教學(xué)效果比較理想。

四、ETAP軟件教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

某系統(tǒng)接線圖如圖1。GEN1（Vθ節(jié)點(diǎn)）、GEN2（PV節(jié)點(diǎn)）和GEN3（PV節(jié)點(diǎn)）是三臺(tái)發(fā)電機(jī)，通過三臺(tái)升壓變和220kV系統(tǒng)相連，母線BusA，BusB，BusC是三條220kV用戶母線，上面掛有負(fù)荷（全是恒功率負(fù)荷）和無功補(bǔ)償裝置。Lump1=125MW+70Mvar，Lump2=35MW+10Mvar，Lump3=90MW+40Mvar，Lump4=100MW+55Mvar，其他設(shè)備參數(shù)見圖中注釋。

1.系統(tǒng)建模

ETAP提供了成型的發(fā)電機(jī)、變壓器、負(fù)荷、并聯(lián)電容器和線路模型，建系統(tǒng)模型時(shí)只需要從工具條中添加需要的模型，再根據(jù)接線圖拓?fù)潢P(guān)系把他們連起來，然后填入需要的參數(shù)。

在仿真計(jì)算中發(fā)電機(jī)的模型是電壓源和阻抗串聯(lián)，暫態(tài)模擬需要發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗、暫態(tài)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(lián)，需要變壓器的高低壓側(cè)額定電壓、額定容量、短路電壓百分?jǐn)?shù)、X/R；線路的模型是阻抗加并聯(lián)電容，需要的數(shù)據(jù)是電阻、電抗和電納；負(fù)荷和電容器的模型都是PQ節(jié)點(diǎn)，需要的數(shù)據(jù)是額定電壓和有功、無功容量。

把GEN1設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn)，確定它的出口電壓值和無功限制范圍；把GEN2和GEN3設(shè)為電壓控制節(jié)點(diǎn)，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(jìn)行系統(tǒng)的潮流、短路和暫態(tài)模擬計(jì)算。可以對(duì)不同運(yùn)行方式下潮流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，觀察不同設(shè)置對(duì)潮流結(jié)果的影響，并分析其原因。

能對(duì)不同地點(diǎn)發(fā)生各種短路故障進(jìn)行仿真，分析其短路穩(wěn)態(tài)電流及沖擊電流大小，以及不同負(fù)荷模型在短路計(jì)算中的區(qū)別。在短路計(jì)算中把電動(dòng)機(jī)負(fù)荷（或叫旋轉(zhuǎn)負(fù)荷）和照明加熱負(fù)荷（或叫靜止負(fù)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(tǒng)受到干擾后的穩(wěn)定性，如發(fā)生短路故障、故障切除、重合閘動(dòng)作后等不同狀態(tài)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并能直觀觀察各事件發(fā)生后發(fā)電機(jī)功角、端電壓等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，如圖2、圖3所示。

五、ETAP軟件教學(xué)總結(jié)和評(píng)價(jià)

ETAP軟件是新興的科技產(chǎn)物，能幫助人們解決不少問題，但是它只是個(gè)工具，要用好它必須要懂得它的工作原理。所以在教學(xué)生使用ETAP前要求學(xué)生掌握好基本的電力系統(tǒng)分析計(jì)算理論，這樣后面的實(shí)驗(yàn)課才能進(jìn)行得順利。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬分析有相當(dāng)大一部分工作是建立系統(tǒng)模型，模型的質(zhì)量直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)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(shù)學(xué)模型，并且注意模型中個(gè)數(shù)據(jù)的單位。

用ETAP軟件做電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只要摁計(jì)算按鈕就可以。大量的計(jì)算工作由計(jì)算機(jī)完成，所以跟傳統(tǒng)的手工計(jì)算實(shí)驗(yàn)相比，在相同的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)可以多分配些實(shí)驗(yàn)任務(wù)，讓學(xué)生多了解些電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性。但對(duì)原理的透徹理解則更需要加強(qiáng)，否則是照葫蘆畫出了瓢，卻不理解結(jié)果的來龍去脈。除了潮流、短路和暫態(tài)分析等基本功能外，ETAP還有電動(dòng)機(jī)起動(dòng)模擬、諧波模擬和保護(hù)設(shè)備動(dòng)作模擬等模擬功能，全面應(yīng)用這些模擬功能，可以把電力系統(tǒng)各方面特性全面地展現(xiàn)在學(xué)生面前，便于學(xué)生掌握。

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（責(zé)任編輯：王意琴）