(北京林業(yè)大學工學院，北京 100083)

“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的基礎理論課程。該課程主要介紹電力系統(tǒng)的建模理論和計算方法，包括電力系統(tǒng)靜態(tài)分析和電力系統(tǒng)暫態(tài)分析2個部分，涉及電力系統(tǒng)短路、潮流、電壓控制和穩(wěn)定性分析等重要內容。該課程不僅內容豐富，而且還以建模為教學目標，因此學生常感到枯燥、抽象、難以理解、與實際工作差距大。為解決這一問題，有必要在“電力系統(tǒng)分析”課程教學過程中尋求一種有效的教學輔助方法，為此筆者將仿真軟件引入到了“電力系統(tǒng)分析”課程教學中。

一、“電力系統(tǒng)分析”課程教學常用的仿真軟件

目前，在電力系統(tǒng)中常用的仿真軟件有很多種，筆者主要介紹一些較為傳統(tǒng)的、經常應用于“電力系統(tǒng)分析”課程教學中的仿真軟件。

(一)PWS軟件

PWS(power world simulator)軟件是一個用于電力系統(tǒng)的可視化仿真軟件包，它由美國伊利諾伊大學的電子與計算機工程學院開發(fā)，這個集成了可視化方式的軟件是一種專用于電力系統(tǒng)的大型專業(yè)化的商業(yè)軟件，具有友好的用戶界面和良好的交互性能。這個軟件開發(fā)了多種可視化技術用于顯示電力系統(tǒng)的關鍵信息，包括動畫流程、輪廓、三維視圖和動態(tài)縮放的餅圖等。動畫流程不僅可以描述數據流的方向，也可以直觀地給出線路負載狀態(tài)。同時，借助于餅圖線條的自動變色和放大功能，學生可以十分方便地獲取更多受限的信息。另外，輪廓線條也有助于學生從總體上觀察、找出整個網絡的薄弱環(huán)節(jié)[1]。

(二)PSASP軟件

PSASP(power system analysis software package)軟件是具有我國自主知識產權的大型軟件包。它是由中國電力科學研究院開發(fā)的，主要用于研究、設計與運行電力系統(tǒng)的軟件。

PSASP軟件可以解決電力系統(tǒng)的各種計算和分析問題，包括潮流計算、短路計算、繼電保護整定計算、靜態(tài)和暫態(tài)分析，以及穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、線性、非線性分析手段。另外，其圖形化的結果可以自動生成，計算結果同樣如此，即可在單線圖或地理位置布線圖上進行標明[2]。

(三)MATLAB/SIMULINK軟件

MATLAB軟件是由美國Math Works公司開發(fā)的計算機仿真軟件。SIMULINK軟件是由MATLAB軟件提供的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的集成環(huán)境，它同時也是一種集框圖和交互仿真能力于一體的非線性動態(tài)系統(tǒng)仿真工具[3]。

SIMULINK軟件提供各種仿真模塊。例如，SPS(SimPowerSystem)模塊，它經常被用于電氣工程領域，包含各種電機的仿真模型、電力電子器件模型和各種測量裝置模型等。SIMULINK軟件的功能分為系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真2個部分。用戶需要做的只是一些簡單的鼠標拖動，即可在界面的模型窗口中建立一個所需要的控制系統(tǒng)模型，然后用它進行模擬與分析。采用SIMULINK軟件，可將復雜系統(tǒng)的輸入、輸出和控制變得簡單、直觀。

二、仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”課程教學中的實際應用

以上所介紹的仿真軟件都可以應用到“電力系統(tǒng)分析”課程的輔助教學中，而且他們均有自己獨特的優(yōu)勢。其中，PWS具有極佳的可視化功能和方便的人機交互界面；PSASP具有強大的運算功能和靈活的輸出形式；MATLAB/SIMULINK具有豐富的模塊庫與精準的結果分析方法。因此，為了更好地進行“電力系統(tǒng)分析”課程教學，筆者選擇了上述仿真軟件作為“電力系統(tǒng)分析”課程的輔助教學工具。

(一)PWS軟件應用實例

潮流計算作為“電力系統(tǒng)分析”課程的基礎和重要內容，不僅內容抽象，而且涉及到大量的公式。在以往的“電力系統(tǒng)分析”課程課堂教學中，教師主要集中于講授各種潮流計算方法，使學生感到枯燥乏味，而且教學效果不佳。為了解決這個問題，筆者在課堂上使用了PWS軟件，直觀、生動地演示了潮流計算分析的過程和結果，見圖1。

圖1 PWS軟件對潮流計算分析過程的演示

圖1所示，一個立方體表示一個斷路器，其紅色表明它是“封閉的”；傳輸線上的餅圖可以顯示其負載狀況；線路上的綠色和藍色的箭頭則代表方向與有功、無功功率各自的大小。如果線路流量大到超出了線容量，餅圖就會變成紅色，并向我們顯示出額外的比例。通過改變負載或調整發(fā)電機輸出箭頭按鈕，可以直觀地顯示負載調節(jié)或者發(fā)電機的輸出情況，從而可以觀察到潮流的變化。

(二)PSASP軟件應用實例

眾所周知，實驗是配合理論教學不可或缺的環(huán)節(jié)。通過實驗，學生一方面加深了對理論知識的理解，另一方面提高了工程實踐水平。由于電力系統(tǒng)的特殊性，電氣工程及其自動化專業(yè)的學生很難參與到實際的系統(tǒng)運行與控制中，而只能通過對電力系統(tǒng)的仿真實驗來完成任務。因此，筆者完全可以利用PSASP軟件去展開“電力系統(tǒng)分析”課程的仿真實驗。

PSASP軟件可以進行各種電力系統(tǒng)的計算。例如，設計的實驗是完成一個9節(jié)點電力系統(tǒng)的潮流計算。首先，引入該實驗模式的系統(tǒng)參數；其次，完成系統(tǒng)的潮流計算；最后，以報告和圖表的形式輸出計算結果，并輸出在對應操作模式下的單線圖。該實驗的線圖計算結果見圖2。

圖2 PSASP軟件完成的潮流實驗線圖計算結果

(三)MATLAB/SIMULINK軟件應用實例

除了使用PSASP軟件來完成部分“電力系統(tǒng)分析”課程實驗外，還有一些實驗通過MATLAB/SIMULINK模擬軟件建模完成。比如，短路電流計算、諧波分析(調和分析)與計算、單相接地故障的小電流系統(tǒng)的選線與仿真等，見圖3。圖3是一個基于MATLAB/SIMULINK模擬軟件構建的3節(jié)點電力系統(tǒng)發(fā)生短路情況的仿真電路原理圖。首先，依據實際電路在SIMULINK中選擇相應模塊，搭建系統(tǒng)圖。其次，在短路故障模塊，設置故障方式為A相單相接地故障，將電壓和電流信號引入示波器。這樣筆者就可以通過示波器模塊知道當發(fā)生單相接地故障時三相電壓和相電流的波形會如何變化，結果見圖4。將SIMULINK引入“電力系統(tǒng)分析”課程的實驗可以使學生親自設計、搭建自己的系統(tǒng)，并對結果進行分析。

圖3 MATLAB/SIMULINK軟件構建的三節(jié)點電力系統(tǒng)短路仿真原理圖

圖4 SIMULINK軟件演示的發(fā)生單相接地故障時電壓和電流波形圖

三、仿真軟件在“電力系統(tǒng)分析”課程教學中的應用效果

北京林業(yè)大學電氣工程及其自動化專業(yè)，目前主要采用MATLAB/SIMULINK軟件作為電力系統(tǒng)的仿真工具，并作為“電力系統(tǒng)分析”課程的實驗仿真軟件。學生通過仿真軟件的應用，對“電力系統(tǒng)分析”課堂上枯燥的理論知識有了更加直觀的感受和理解；繁瑣的公式變成了形象生動的圖形；抽象的內容變得觸手可及。在潮流分析章節(jié)的學習過程中，通過使用MATLAB/SIMULINK軟件或者PSASP，使流動的電流、電壓、功率仿佛呼之欲出；在短路分析過程中，瞬間產生巨大的電流波形也給學生以震撼；在電壓控制過程中，學生利用課堂學到的知識使網絡的各點電壓達到標準要求。這些都極大地提高了學生學習“電力系統(tǒng)分析”課程的興趣，學習不再是被動地接受知識，而是變成了一場游戲、一場競賽。

總之，“電力系統(tǒng)分析”課程的許多概念和運作模式需要在大系統(tǒng)中進行仿真模擬，以便學生可以更好地理解理論知識。近年來，筆者一直嘗試將這些仿真軟件，無論是PWS、PSASP還是MATLAB/SIMULINK，應用到“電力系統(tǒng)分析”課程的課堂教學、實驗和課程設計中。教學實踐表明，通過仿真軟件的教學，不僅可以演示復雜系統(tǒng)的未知結果，而且還可以演示系統(tǒng)隨參數變化的各種趨勢。這對學生理解抽象的理論知識有很大的幫助，彌補了實驗手段的不足，提高了學生實踐創(chuàng)新的能力。但單純的軟件仿真也有其不足，主要表現在學生仍然覺得軟件仿真出來的結果過于理想，與實際差距較大，而且MATLAB/SIMULINK軟件又是一種通用的數學仿真軟件，其仿真效果不僅和電力系統(tǒng)的實際效果有一定的差距，而且和自己未來的工作也有一定的距離。為此，筆者正在引進RT-LAB仿真系統(tǒng)，它不僅仿真效果更優(yōu)，而且還與實際系統(tǒng)直接相連，達到了半實物仿真的效果，更有利于學生的真實體驗。

[1] 郭振威，黃肇，袁旭龍，等.PowerWorld Simulator在“電力系統(tǒng)分析”教學中的應用[J].中國電力教育，2011(3)：180-181.

[2] 鐘慧榮，蔣秀潔.PSASP在“電力系統(tǒng)分析”實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術，2008(6)：72-75.

[3] 于群，曹娜.MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011：2-4.