PSASP在电力系统分析实验教学中的应用.pdf
收稿日期:2008-04-15;修改日期:2008-06-17作者简介:钟慧荣(1977-),女,讲师,硕士,主要从事电力系统运行与控制方面的教学与研究。PSASP在电力系统分析实验教学中的应用钟慧荣,蒋秀洁(三峡大学电气信息学院,湖北 宜昌 443002)摘要:电力系统分析是电气工程及其自动化专业的一门重要专业基础课,也是三峡大学的在建省级精品课程,其理论性与实践性都很强,为提高教学质量,将电力系统分析综合分析程序(PSASP)引入该课程的实验教学。文中重点讨论了PSASP在电力系统分析课程重要内容部分:潮流计算、短路电流计算、稳态分析中的实验教学应用。关 键 词:电力系统分析综合分析程序;教学应用;实验教学中图分类号:TP319;TP39117 文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2008)06-0072-04Application of PSASP i n Power System AnalysisExperimental TeachingZHONG Hui2rong,J I ANG Xiu2jie(College of Electric Engineer&Infor mation Science,China Three GorgesUniversity,Yichang443002,China)Abstract:Power System Analysis is an important basic professional course in power system and its automation,and it is characterizedin its high theory and practice.Curriculum experiment hasnt been established due to the poor teaching condition in our school,theteachingmode of using PowerPoint,writing on blackboard,word picture can not fitwell the instructional requirement.In order to i m2prove the teaching quality,Power System Analysis Software Package(PSASP)is introduced into Power System AnalysisCurriculum ex2periment teaching.Based on the introduction of PSASP,this papermainly discusses the experi mental teaching use of PSASP in powerflow calculation,short circuit calculation,stability analysis.Key words:PSASP;teaching application;experimental teaching1 引 言电力系统分析是电气工程及其自动化专业的一门重要专业基础课,也是我校的校级精品课程及在建省级精品课程。从教学角度讲:课程内容很多,而教学学时只有80个,增加了教学难度;课程的内容广、概念深,计算繁琐且抽象化,学生也感到难度较大1;课程理论性与实践性都很强,但因条件的限制,没有开设针对该课程的实验2。为了提高电力系统分析的教学效果,有必要开设针对该课程的实验教学,考虑到电力系统的特殊性,构建物理实验平台经济造价过高,且有些故障试验、整定计算试验是破坏性的,不宜在物理实验平台上频繁地进行,而利用仿真分析就可很好的解决这一难题3。2PSASP简介电力系统分析综合程序(Power System AnalysisSoftware Package,PSASP),是中国电力科学研究院开发的一套功能强大的电力系统分析程序,具有运行稳定、运算结果准确、使用方便、界面友好等优点4。是国内进行电力系统计算和仿真经的常用软件,具有以下特点。(1)功能强大。PSASP可进行电力系统的各种计算,包含了电力系统潮流、短路电流计算、暂态稳定等计算模块,涉及了稳态、暂态、线性、非线性、优化等各种分析手段。(2)使用方便,易于掌握。PSASP有着简洁、明了、方便的人机界面;PSASP有丰富的算例系统,可供用户进行相应计算时参考或作为研究的参考系统;PSASP提供了内容非常详细的帮助,用户可方便地获得帮助。这些使得学生在短时间内就可学会并灵活应用。(3)结果分析功能强大。PSASP具有非常灵活和强大结果的分析功能,能以方便实用的报表和曲线形式输出;能自动生成的图示化结果;能在系统单线图和地理位置接线图上标注计算结果;还与Excel、AutoCAD、Matlab等通用的软件分析工具有着方便的接口,可充分利用这些软件的资源。27实 验 科 学 与 技 术2008年12月 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3PSASP在实验教学中的应用在教学中,我们强化了实践环节,为其分配了8个课程实验教学学时,针对课程的3大计算内容:电力系统潮流计算、短路计算和稳定计算,采用PSASP,按照课程教学大纲的要求,开发了4个必做实验:PSASP基础数据及潮流计算;PSASP短路计算;PSASP暂态稳定计算;PSASP小干扰稳定计算。在教学中学时安排如下:前面3个实验各2个学时,PSASP小干扰稳定计算1学时,实验考核1学时。311PSASP基础数据及潮流计算31111PSASP基础数据我们分析一个系统,首先要知道这个系统的结构和参数,PSASP数据录入方式有2种,(1)文本方式;(2)图形方式。考虑到图形方式下录入数据比较简单直观,故在教学中引导学生学习从图形方式下录入编辑数据。但在图形方式下检查修改数据要单击每个元件,比较麻烦,故又应该引导学生在文本方式下对数据进行检查修改。31112PSASP潮流计算潮流计算是对电力系统进行分析的一种最基本的计算,是静态安全分析、短路电流计算、暂态稳定计算等的基础,同时这也是教学中的难点和重点。在PSASP中进行潮流计算,首先要录入潮流数据,再设定其作业数据,再对其结果进行分析。(1)用提问的形式引出潮流方程,从潮流方程中引导学生思考潮流计算时需要哪些参数,再给出一个研究系统,指导学生录入参数。(2)引导学生复习结点类型及其特点,引导学生思考为什么每个系统中必须要指定一个平衡结点。指导学生指定研究系统各结点类型,并根据结点类型输入相应的参数的值。(3)引导学生复习潮流算法中的牛-拉法、PQ分解法的基本原理及其适用范围,优缺点。引导学生分别定义2个潮流作业,作业1用牛-拉法,作业2用PQ分解法,别的控制变量取相同的值。比较2个作业计算迭代次数、所用的时间及计算的结果,从而引导学生得出如下结论:用不同的求解方法,迭代次数不同,计算速度不同,但结果相同,计算精度只取决于设定的允许误差,与所用算法无关。(4)查用线路上有功及无功的流向,引导学生建立有功功率是从功角超前的结点流向功角滞后的结点,而无功功率是从电压幅值大的结点流向电压幅值小的结点的感性认识。(5)指导学生利用潮流结果进行系统网损分析。312PSASP短路电流计算分析短路电流计算也是电力系统分析中的一种主要计算,主要用于电气主接线方案的比较和选择,电气设备的动热稳定校验及继电保护装置的设计与整定。PSASP既可计算短路电流的初始值也可计算短路电流每个积分步长下的实时值。31211 短路电流初始值计算(1)引导学生思考短路电流计算需要哪些参数,并在潮流计算所用的系统上补充那些参数。(2)引导学生复习短路电流计算的两种常用方法,基于潮流的精确计算法和不基于潮流的经典计算法,分析经典计算法对节点电压、负荷电流的处理。(3)定义2个短路电流计算作业,取系统故障形式一样,作业1用基于潮流的计算方法,作业2用经典方法,对2个作业的计算结果进行对比分析。因经典计算中,不考虑线路充电电容和并联电抗,不考虑负荷电流和负荷的影响,节点电压取110,发电机空载。故计算时,故障前母线电压较低,等值阻抗较大,即用经典法计算所得结果偏小。(4)对系统进行不对称短路计算,对结果进行分析,看其相分量、序分量值,与对称分量法的边界条件进行对照分析。(5)对系统进行三相短路计算,查看系统的电流分布及电流的分布系数。引导学生复习电流分布系数的定义。查看短路容量,复习短路容量的求法。31212 短路电流实时值计算(1)引导学生复习短路电流实时值计算的用途。(2)设置一个实时短路电流计算作业,从结果分析得到最大短路电流一般出现在什么时候,最大短路电流大小,进而直观了解短路对系统的危害。(3)从实时曲线中,找出电流的变化规律,主要查看电流的突变,衰减过程。313PSASP暂态稳定分析31311PSASP暂态稳定计算暂态稳定是系统爱到大干扰后,同步运行稳定性的问题,因此,暂态稳定计算首先是以某一稳态的潮流计算结果作为初始状态,然后对其控制信息进行设置。37第6卷 第6期Experiment Science&Technology 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(1)引导学生思考系统的暂态稳定性与哪些量相关,发电机应用什么模型,是否要考虑发电机的控制系统等,如对原来的系统进行暂稳计算需补充哪些参数。(2)暂态稳定计算时需要大量数据,录入需要较长时间且有些数据不易得到,故用PSASP自带的例子EPR I-36作为研究系统,指导学生用数据导入的方法得到整个系统的参数。(3)暂态稳定计算基于潮流,让学生利用前面学过的方法定义方案并进行潮流计算。(4)引导学生进暂态稳定计算控制信息进行设置,指定计算总时间,积分步长及编辑网络故障。定义作业1:基于潮流作业1,总计算时间为5 s,积分步长取01001 s,29号支路BUS30母线侧发生三相短路故障,0 s故障,012 s切除。(5)因暂态稳定计算时其计算结果为每个积分时段所有变量的计算值,为了节约内存提高速度,计算时只储存用户关心的在计算前加以指定内容。故要引导学生思考哪些量是对分析系统暂态稳定有用的,让学生指定输出信息,并执行计算。(6)引导学生对结果进行分析,并根据计算结果判断系统的暂态稳定性。引导学生熟悉暂态稳定结果输出的其中一种主要方式直接方式输出,作业1系统暂态不稳定。31312 提高暂态稳定方法提高系统暂态稳定性的方法很多,这只是对电力系统分析课本中讲到的快速切除故障、切机、电气制动三种方法进行PSASP计算,并与系统没采取这些方法前的暂态作业进行比较分析。1)快速切除故障(1)引导学生复习等面积法则及快速切除故障提高系统暂态稳定性的原理。(2)指导学生进行暂态稳定计算作业的复制,把暂态稳定计算作业1复制到作业2。(3)引导学生对作业2的作业数据进行调整修改,在这只修改故障数据,系统同一点发生同一类型故障,只是把故障时间修改为:0 s故障,0112 s切除,并执行计算。(4)对作业2的计算结果用直接方式输出,此时根据功角曲线可知系统是暂态稳定的,再指导学生用编辑方式对作业1和作业2的计算得到的功角进行图形输出,引导学生对比分析计算结果。2)切机(1)引导学生复习切机提高系统暂态稳定性的原理。(2)把暂态稳定计算作业1复制到作业3。(3)引导学生对作业3的作业数据进行调整修改,在这只增加节点扰动控制数据,对与故障母线BUS30通过变压器相连的母线BUS-7上的发电机进行切机,在时间段01225 期间切除机组的一半的出力,并执行计算。(4)引导学生对作业3的计算结果用直接方式输出,此时根据功角曲线可知系统是暂态稳定的。再指导学生用编辑方式对作业1和作业3的计算得到的功角进行图形输出,引导学生对比分析计算结果。3)电气制动(1)引导学生复习电气制动提高系统暂态稳定性的原理。(2)把暂态稳定计算作业1复制到作业4。(3)引导学生对作业4的作业数据进行调整修改,只修改故障信息,增加一个故障,7号支路BUS7母线侧发生三相接地短路故障,接入电阻R=110 p1u1,0122 s故障,1 s切除,并执行计算。(4)引导学生对作业4的计算结果用直接方式输出,此时根据功角曲线可知系统是暂态稳定的。再指导学生用编辑方式对作业1和作业4的计算得到的功角进行图形输出,引导学生对比分析计算结果。(5)指导学生对作业1、2、3、4计算得到的功角在编辑方式下输出,在这图中可直观明了地判断相应的作业的暂态稳定性。并对各种提高暂态稳定方法的效果进行对比分析。314PSASP小干扰稳定计算及实验考核31411PSASP小干扰稳定计算电力系统小干扰稳定是指系统受到小干扰后,不发生自发振荡或非周期性失步,自动恢复到起始运行状态的能力。(1)引导学生思考系统的小干扰稳定性与系统的哪些量相关,对一个系统进行小干扰稳定计算时要用到哪些元件模型,突出小干扰的概念理解。(2)引导学生思考为什么PSASP中小干扰稳定计算作业定义时要基于暂稳作业。实际上小干扰稳定计算与暂稳作业基于的潮流作业所定义的初始稳态运行点有关,与暂稳作业的发电机与其调节系统、负荷、线路等元件模型有关,与暂稳作业中的故障、扰动及输出信息无关。为了方便,PSASP小干扰稳定计算中就通过调用暂稳作业来调用相同的计算数据。(3)引导学生思考小干扰稳定计算的数学模型,为什么可以在运行点附近线性化,引导学生复习李亚普诺夫渐近稳定理论。47实 验 科 学 与 技 术2008年12月 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(4)引导学生复习小干扰稳定的判据。(5)指导学生对PSASP小干扰稳定进行作业定义,选择以前一已定义好的暂稳作业,选择特性值计算方法为QR法,执行计算。(6)引导学生进行结果分析,通过查看特征值简表判断系统的小干扰稳定性,再查用特征值及模态图分析系统的振荡模式。31412 实验考核考核是实验中重要的一环,主要考核学生对PSASP在电力系统分析应用中的掌握程度,所以要求学生不只是会用PSASP对一个系统进行常规的作业定义及计算,还要会对计算结果进行分析。在实验教学中,指定学生以PSASP自带的例子WER I-7节点系统为算例,对其进行潮流、短路电流、暂态稳定、小干扰稳定计算分析,其中短路电流计算和暂态稳定计算时,学生可自行指定故障形式及暂稳计算时的扰动控制信息。并要求学生计算后能以一个Word文档形式给出结果分析,最后要求学生把结果上传到教师的FTP上,以供教师评阅。4 结束语PSASP的引入,弥补了电力系统分析在传统教学中的不足,利用PSASP对课程中的重要内容:潮流分析、短路故障分析、稳定分析进行计算分析,真实地再现了系统的实际运行过程,为学生提供了一个很好的理论联系实际的实验平台,充实了教学的内容、方法和手段。教学实践证明,PSASP作为电力系统规划、运行、控制、分析与决策的重要工具,它在实验教学中的投入使用,让学生对系统有了一个感性的认识,使学生加强了对理论知识的理解,并提高了学生的学习兴趣和积极性,并为学生今后走上工作岗位打下了一定的基础。参 考 文 献1 梁志坚,韦化 1DTS在电力专业教学的应用探讨J 1广西大学学报:自然科学版,2005,30(7):1-412 林蓉,张步涵 1重视实验教学改革,提高学生创新能力J 1电力系统及其自动化学报,2001,13(5):73-7713 梁旭,刘鹏,韩念杭 1新型全数字电力系统仿真与教学实验平台的研制J 1 现代电力,2005,22(6):57-6014 电力科学研究院 1电力系统分析综合程序(PSASP)用户手册M 1 北京:电力科学研究院,20011(上接第71页)特别是对复杂线路的设计,收到了明显的效果。学生通过学习电子技术课程,接触了实际生活中的电路,他们的兴趣与日俱增。通过仿真可预知实验的结果,从而可自己检查实验是否成功,大大提高了学生分析与设计电路的能力。图5 相位仿真波形213PSpice技术在实验、实践教学中的应用由于PSpice仿真技术可以不受实验室的元器件品种、规格和数量以及实验仪器设备的限制。特别是对一些抽象的、复杂的变换过程,利用PSpice仿真工具进行仿真,用波形、图形等形象生动地表现处理,帮助学生更好地理解所学知识,提高教学质量。同时学生借助于PSpice仿真软件可以进行比较复杂的电子系统设计,利用实验开发系统方便地进行硬件验证,提高学生的专业学习兴趣,增强综合分析能力,提高实验技能,启发学生的创新思维,提升其专业素养,培养出富有市场竞争力的高质量的专业人才。4 结束语在实验中应用PSpice软件辅助仿真分析电路,可以使学生更好地理解电路工作原理,也直观地了解电路的功能;因而能够使得学生容易在实际实验操作中发现问题,从而分析问题,并且找到解决问题的方法。参 考 文 献1 王小海,蔡忠法 1电子技术基础实验教程M 1 北京:高等教育出版社,200512 高伟涛 1PSpice810电路设计实例精粹M 1北京:国防科技大学出版社,200113 贾新章 1OrCAD/Pspice9实用教程M 1西安:西安电子科技大学出版社,1999157第6卷 第6期Experiment Science&Technology 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
