“電力系統分析”課程潮流計算教改研究

所謂電力系統潮流就是指電力系統運行時各節點以及各電氣設備的電壓、電流和功率。潮流計算是電力系統分析中采用的一種最基本的電氣運算，同時也是研究電力系統的運行以及規劃方案的重要手段，其本質是求解一組多元非線性代數方程。

電力系統潮流計算具有很重要的現實意義：可以合理規劃電網中的電源容量和電源接入點以及確定最佳的電網架構；可以找出電網中因為負荷增長和新設備投入而導致的薄弱環節，方便對電網進行網架結構的改進以及基建的加速；提供發電廠進行有功、無功調整以及負荷調整的計算依據；可以分析未來可能發生的事故以及設備的投切對電力系統靜態穩定性的影響，進而得出相應的運行方式和調整方案。

在過去半個世紀以前，人們都是采用手工方法計算電力系統潮流，主要依靠計算尺。但是由于電力系統日漸復雜，手工計算起來非常復雜，不僅耗時費力，同時也容易出錯。與此同時，伴隨著計算機行業的飛速發展，就出現了后來的計算機算法。

在傳統的“電力系統分析”教學課程中，教師們一般僅針對一些簡單的電力系統（節點數很少）進行潮流計算，而忽視了現有潮流計算最通行常用的計算機算法。這種課程教學不僅枯燥，學生難以深刻領悟，而且與實際研究脫軌，因為目前現實中的電力系統都很復雜，采用手算不切實際，也就失去了教學的根本意義。本文針對課程教學中潮流計算方面存在的問題而進行教學改革研究。

DIgSILENT軟件的潮流計算簡介

電力系統仿真軟件DIgSILENT的名稱來源于數字仿真和電網計算程序（Digital Simulation and Electrical Network），是德國DIgSILENT GmbH公司開發的電力系統仿真軟件。

DIgSILENT軟件幾乎包含了所有電力系統的常用分析功能，如潮流計算、短路計算（包括對稱短路和不對稱短路計算）、機電暫態和電磁暫態計算、諧波分析以及小干擾穩定性分析等等。另外一個重要的特點是把機電暫態分析模型與電磁暫態分析模型結合到一起，這樣做的好處就是它不僅能夠分析電網的暫態故障，而且又能研究電網的長期的電能質量問題及其控制手段。

DIgSILENT/Power Factory提供了非常全面的電力系統元件的模型庫，包括發電機、電動機、控制器、動態負荷、線路、變壓器、并聯設備的模型，甚至包括風電機組電氣部分的模型，如：雙饋感應電機、變頻器等等；其他部分如風速、機械傳動系統、空氣動力學部分以及控制系統都采用動態仿真語言DSL進行搭建。

DIgSILENT可以描述復雜的單相和三相AC系統及各種交直流混合系統。利用DIgSILENT進行潮流計算時，通過指定發電機、異步電動機、負荷等系統元件的特性來確定與之相連的母線在潮流計算中相應的屬性，這樣就能夠以簡單的操作方式來模擬復雜而真實的系統。此外，程序還提供了多種遠程控制模式，例如多個發電機共同控制系統頻率或母線電壓等。DIgSILENT以更加接近實際情況的方式執行網絡的控制模式，使操作和計算均得到簡化。潮流求解過程提供了3種方法以供選擇：經典的牛頓-拉夫遜算法、牛頓-拉夫遜電流迭代法和線性方程法。與此同時，DIgSILENT軟件還可以進行變電站控制、網絡控制以及變壓器分接頭調整控制。當潮流計算遇到不收斂的情況時，程序會自動將非線性的元件模型逐步線性化（主要是將所有負荷逐步轉變為恒定阻抗，將非平衡節點發電機轉變為帶內阻抗的簡單電壓源），進而得出計算結果，該結果可用于對系統不收斂的原因作進一步分析。潮流計算的同時，DIgSILENT軟件還可以實現過負荷校驗計算等功能。

此外，最新版本的DIgSILENT還提供了最優潮流計算（OPF）功能。所謂最優潮流計算就是對基本潮流計算的有益補充。最優潮流計算主要采用內點法，而且提供了多種約束條件和控制手段，其目標函數主要有最小網損、最小燃料費用、最大利潤及最小區域交換潮流。

DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統研究方面最為認可的計算機軟件之一，其所提供的潮流計算以及仿真結果已經在世界范圍內得到廣泛認可。

課程教學安排

手算

潮流計算可以用一組高階的非線性的方程來表示，但是不含有微分方程，主要是因為潮流計算隸屬于穩態分析，故不涉及系統元件的動態特性和過渡過程，而解非線性代數方程組最基本的方法就是迭代。因此，設計潮流計算算法的首要任務同時也是最為關鍵的問題就是收斂性，最終得出合理的解。

雖然目前計算機潮流算法運用十分廣泛，但是掌握一些手算方法，不僅可以加深對其物理概念的理解，而且即便采用計算機算法，之前通常仍需采用手算求取某些原始數據。

這里所說的潮流計算手算方法主要針對簡單網絡的潮流分布，但是所謂的簡單網絡和復雜網絡之間并沒有明顯的界限。課前老師把所需進行手算的算例以及分析資料分發給學生，讓大家提前預習并先進行獨立計算。然后在實驗課上針對大家可能出現的共同問題進行詳細講解，并推導全過程，加深大家對潮流計算的認識和理解，掌握其原理。

運用DIgSILENT軟件計算電力系統潮流

前面已經說到，計算機算法是大勢所趨，而且已經得到廣泛運用，是電氣工程專業學生必須掌握的一項重要技能，也是未來繼續深造以及競爭重要工作崗位的一個重要砝碼。所以掌握并熟練運用計算機軟件對本專業學生的未來發展起著重要的推動作用。

眾所周知，DIgSILENT軟件正逐漸成為電力系統研究方面最為認可的計算機軟件之一。無一例外，任何一種電氣設計軟件都是先尋找或是自己搭建元件模型，然后通過所述關系搭建網絡模型，其次就是設置元件參數，最后進行潮流計算。那么，如何判斷一種設計軟件是否優越，就是一看元件模型庫是否豐富、準確，二看元件參數設置是否簡單明了，再者就是看控制語言是否簡潔易懂。

DIgSILNET采用有名值進行計算，電網元件從類型數據和個體數據兩個層面被嚴格定義。類型數據包含了該類型元件用于各個計算功能的基本信息，例如某一架空線路的類型為OHL110kV-1，該類型的架空線為潮流計算提供的基本信息為，，，為短路計算提供的基本信息為，。對某一類型數據的改變將影響到所有采用該類型屬性的元件。個體數據則是每個元件在分析計算中所要用到的僅與該元件本身相關的數據，例如某一架空線路的長為。采用該種方法進行計算機計算是有很多好處的。首先，我們無需再進行標幺值計算，避免了繁瑣的計算，可以直接采用一些直觀的銘牌數據等；其次，對于軟件來講，這也大大減少了數據的重復儲存，顯然對提高計算機速度也有一定的幫助。

在DIgSILNET中執行潮流計算、故障分析、諧波分析、動態仿真等功能時，可以引入多種電力電子元件，包括FACTS裝置（如SVS、TCSC和UPFC）、直流整流和逆變器等。DIgSILENT為所使用的電力電子元件提供了豐富、開放且定期更新的模型庫。

這些對于課程教學來說，減輕了單純的軟件學習難度，可以緩解學生對新軟件學習的畏難心理。這種人機交互的友好界面，不僅老師們授課講解起來比較輕松，而且學生們更易于接受，更為重要的是可激發學生的自主學習興趣。

對比手算與機算

在課程的最后一個環節，但也是很重要的一個步驟，就是對比分析潮流分布的手算以及計算機算法。眾所周知，學習的一個關鍵環節就是要學會對比分析以及總結，這種能力是學生們亟待培養和掌握的。最后，通過對比兩種方法的結果，計算兩者之間的誤差，再分析一下導致這種后果的原因，原因可能是計算機算法或是手算采用了哪些近似處理，或是計算結果精確度的不同，這些都是需要學生自己進行總結歸納的。這一步看似可有可無，電力系統潮流分布的手算以及機算的結果都已經出來，課程已經結束。實則不然，這關鍵的最后一步恰恰是中國高等教育中最缺乏的部分，就是對新知識的分析與自我總結。做好這一步，對于學生自主學習創新能力的提升起到關鍵作用。

教學效果和結論

基于上述課程設置，這種結合DIgSILENT軟件以及手算的潮流計算教學方法，學生普遍反映教學效果良好，不僅對電力系統潮流分布的認識更加深刻，而且更易于全面掌握。通過對“電力系統分析”潮流計算教學大綱的改革和實踐應用表明，天津理工大學自動化學院“電氣工程及其自動化”專業的本科生在該方面的專業基礎知識更為扎實，這為后續專業課的學習提供了有力的保障，不僅避免出現基礎知識的“斷層”和“夾生”現象，與此同時會激發學生的自主學習能力以及創新能力。可以預見，如果將這種教學手段推廣至全國高校，也必將收獲良好的教學反響。（作者周雪松系天津理工大學自動化學院博士生導師；袁洪德系天津理工大學自動化學院碩士研究生。基金項目：本文系天津市重點教改項目“新能源科學與工程專業國際化合作辦學模式研究與實踐”（項目編號：B08-0805）的研究成果）