電力系統分析課程虛擬仿真實驗教學項目設計與實現

徐萬萬 王 琦

（武漢科技大學信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

0 引言

電力系統分析是電氣工程相關專業重要的專業核心課程，不僅需要培養專業理論知識，也需要培養實踐和綜合素質。在不增加實驗物理設備的情況下，利用虛擬仿真和專業軟件仿真技術可以解決上述問題。電磁暫態仿真軟件PSCAD可提供各類電機、線纜、負荷、變壓器等電力系統常見模型，常作為電力制造企業做產品研發或實驗項目。本文結合PSCAD/EMTDC和“110kV變電站主設備高壓試驗虛擬仿真實驗”，重新設計電力系統分析實驗教學內容，不僅可以保證學生疫情中線上實踐教學，而且也可以作為線下實驗的先導課程。

1 PSCAD/EMTDC在實驗教學中應用

潮流計算是指在給定電力系統網絡拓撲、元件參數和發電、負荷參量條件下，計算有功功率、無功功 率及電壓在電力網中的分布，是電力系統分析中最基本也是最重要的一種計算。它可以為繼電保護和電力系統故障計算、穩定計算、設計規劃等提供原始數據，一般在規劃和安排系統運行方式時采用離線潮流計算，在電力系統運行狀態實時監控中采用在線潮流計算。PSCAD/EMTDC仿真軟件可以模擬復雜電力系統，包括直流輸電系統和其相關的控制系統，潮流顯示直觀，使用簡單。

以典型IEEE3機9節點電力系統為例，結構如圖1所示，給出具體的系統參數，由軟件獲取各個母線和節點的潮流分布。

系統搭建完成，參數設置完成，仿真運行潮流結果自動顯示在各母線和節點上，通過示波器可以查看波形，結果直觀，曲線圖上不僅可以看到各個時刻系統運行狀態，也可以直接判斷系統是否可以問題運行。學生自己操作完成，可以一目了然地看到各支路電流及各節點電壓分布。后續也可以在此基礎上設置短路類型，完成暫態穩定實驗，可擴展性強。

圖1 典型IEEE3機9節點電力系統

仿真實驗要求學生在課上得出實驗結果，學生積極性較高，提問題踴躍，老師可以根據學生運行結果給分，當運行有誤時，老師可以直接反饋給學生，幫助其找到原因并改正，對學生幫助更大。另外，實驗課程結束，教師可以根據學生仿真文件結果和合理設計的問卷調查了解學生學習情況，方便及時調整實驗內容，持續改進。

2 虛擬仿真平臺在實驗教學中應用

2．1 實驗項目-電力系統穩態、暫態運行

2013年國家教育部印發了《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工程的通知》（教高廳函〔2015〕24號）指出“虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物”虛擬仿真平臺選用我校開發設計的“110 kV變電站主設備高壓試驗虛擬仿真實驗”（見圖2），該仿真模型和我校電力系統綜合自動化實驗室400 V物理縮比實驗設備一致[6]。

實驗包括：主設備認知、知識預習、實驗考核、實驗報告四部分組成。實驗內容包括：電力系統功率特性和靜態功率極限實驗和電力系統暫態傳輸極限研究。

2.1.1 主設備認知

“110 kV變電站主設備高壓試驗虛擬仿真實驗”包含實際電力系統主設備110 kV變壓器動態拆解圖如圖3所示。電力長途傳輸中，變壓器擔當重要角色，變壓器內結構復雜，現場實驗也無法了解變壓器內部結構，所以通過虛擬仿真中的動態拆解圖可以方便認知。

圖2 110 kV變電站主設備高壓試驗虛擬仿真實驗

圖3 主設備動態拆解圖

2.1.2 知識預習

在實驗前，需要提前預習電力系統的有功功率和頻率調整、電力系統無功功率和電壓調整章節內容，明確電力系統頻率和電壓調整措施、有功功率和無功功率負荷優化分配機制，為實驗打下基礎。

2.1.3 實驗考核

虛擬仿真實驗中有詳細實驗步驟，每位學生均可以一步步操作后得到理想結果，擺脫了實際實驗室中設備臺套數限制學生無法都能實際動手操作。

2.1.4 實驗報告

由于選用其他學校虛擬仿真系統無法直接獲取學生實驗數據，所以采用上交實驗報告的形式考察學生學習情況。因為整個實驗實施過程均由學生自主控制，是學生獨立操作的結果，學生在做實驗室是帶著興趣和問題去學習，可以主動把理論與實際聯系起來，實驗結果由自己根據理論值來評定分析，最后獨立完成綜合實驗報告，培養了學生的獨立思考能力。

2.2 實驗考核評價與反饋

所有實驗結束后，傳統考核方式是給出的實驗分數作為學生課程期末成績的一部分，占10%，根據多年教學經驗，這部分成績對總成績影響有限，得不到學生的足夠重視，如果單獨對實驗成績考評才能形成學生綜合素質的客觀評價。考核方式可以根據實驗內容難易程度設置比例系數進行加權。

3 實驗教學效果

目前，利用該方案在武漢科技大學校內開展了面向電氣工程及其自動化本科專業電力系統分析課程的虛擬仿真實驗教學，學生反饋效果顯著。

（1）節約虛擬仿真類軟件設計費用和周期，減少專業實驗設備購置，有利于學科建設經費高效利用。

（2）提高實驗教學效率，學生在進實驗室時已經在通過虛擬仿真學習相關理論和操作知識，完成方案設計，實驗過程中可以更關注遇到的問題和結果分析，完成速度快，質量高。

（3）提高實踐創新型人才培養質量。設計項目只規定了目的和可學習資源，學生有很大的自主選擇范圍，特別在PSCAD/TMEDC仿真設計階段，加入自主設計的電源或負載完成，幫助學習開拓創新。

4 結語

電力系統分析課程理論性和實踐能力均要求較高，涉及的知識面廣，僅僅通過等比例縮小的400V物理實驗平臺無法實現實際系統的性能。通過加入基于PSCAD/EMTDC專業仿真軟件和3D虛擬仿真實驗項目后，可以加大實驗課程教學信息量，調動學生積極性和主動性，取得了較好的教學效果，也為培養學生應用能力復合型人才打下基礎。