楊家豪， 何 暢， 葉子薇

(廈門大學 嘉庚學院 普瑞特先進打印技術(shù)創(chuàng)新實驗室，福建 漳州363105)

0 引言

“電力系統(tǒng)分析”是電氣工程及其自動化專業(yè)本科階段的專業(yè)必修課，由于課程本身理論性強、難度較大，教學過程中僅對模型、公式進行理論分析常使學生不易理解，且形式較為枯燥，無法取得較好的教學效果[1]。

在新工科的背景下，越來越強調(diào)對學生實踐能力的培養(yǎng)。實驗教育是工科專業(yè)教育的一個重要環(huán)節(jié)?！半娏ο到y(tǒng)分析”的實驗一般采用模擬實驗臺來完成，由于設(shè)備更新慢、不穩(wěn)定、實驗內(nèi)容不靈活等問題，很難滿足實際教學中師生的需求，造成了實驗教學效果不能令人滿意[2]。

虛擬仿真實驗即基于軟件技術(shù)構(gòu)建的虛擬實驗教學系統(tǒng)，為開設(shè)專業(yè)實驗課程提供了全新的教學與科研環(huán)境，近年來被廣泛引入到實驗教學當中[3～5]。虛擬仿真實驗在增強實驗的便利性與靈活性的同時，也確保了實驗的安全性，能夠加強學生自主參與實驗的能力。

本文面向本科教學，針對“電力系統(tǒng)分析”課程中關(guān)于電壓調(diào)整的教學內(nèi)容，設(shè)計并開發(fā)了電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗教學平臺[6]。文中首先介紹仿真實驗教學平臺的總體架構(gòu)，其次基于Matlab對平臺進行開發(fā)，對其圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)設(shè)計及程序設(shè)計分別進行了說明[7～8]，最后將以仿真實驗教學案例的方式給出平臺的應(yīng)用實例，從而論證平臺的應(yīng)用效果。

1 仿真實驗教學平臺總體架構(gòu)

電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗教學平臺為實驗教學提供了一個交互式的用戶界面，實現(xiàn)無功與電壓調(diào)整的仿真，以虛擬仿真實驗的方式增進學生對該部分理論知識的理解和掌握。本平臺結(jié)合電壓調(diào)整的核心內(nèi)容，設(shè)計了平臺功能，該平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿真實驗教學平臺總體架構(gòu)圖

電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗教學平臺GUI作為人機交互的中間環(huán)節(jié)，用戶主要通過GUI進行操作，通過在GUI運行界面進行相關(guān)模塊的參數(shù)輸入及下達指令，GUI通過相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)執(zhí)行程序，其具體的計算由電壓調(diào)整計算程序來實現(xiàn)。

電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗教學平臺GUI包括系統(tǒng)圖顯示、負荷情況設(shè)置區(qū)、電壓調(diào)整設(shè)置區(qū)、當前運行狀態(tài)顯示、發(fā)電機向量圖顯示和變電站電壓/無功九區(qū)圖顯示。GUI界面接收到來自用戶的參數(shù)和指令后，調(diào)用電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的計算程序，并將程序運行后所反饋的計算結(jié)果通過數(shù)據(jù)、圖像等形式顯示在相應(yīng)模塊上。

電力系統(tǒng)電壓調(diào)整計算程序包括參數(shù)更新與顯示、潮流計算、發(fā)電機向量圖分析和變電站電壓/無功九區(qū)圖運行點分析。程序被GUI調(diào)用，讀取當前參數(shù)并更新程序內(nèi)置參數(shù)，根據(jù)當前的運行狀態(tài)進行相關(guān)計算。計算結(jié)束后，程序?qū)⒂嬎憬Y(jié)果反饋給GUI界面。

2 仿真實驗教學平臺的實現(xiàn)

Matlab的圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)為用戶設(shè)計用戶圖形界面提供了便利[9]。GUIDE將GUI設(shè)計的內(nèi)容保存在兩個文件中，一個是fig文件，包含對GUI及其組件的完整信息；另外一個是m文件，包含控制GUI的代碼和組件的回調(diào)函數(shù)。版面設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容保存在fig文件中，而程序代碼則保存在m文件中，兩個文件共同決定了GUI的顯示與功能實現(xiàn)。

2.1 GUI設(shè)計

首先設(shè)置了實驗?zāi)K選擇界面，如圖2所示，包括簡單系統(tǒng)仿真實驗以及復雜系統(tǒng)的仿真實驗，其中簡單系統(tǒng)主要是基于單機單向供電系統(tǒng)讓學生進行認知性實驗，便于掌握各種調(diào)壓手段的調(diào)壓規(guī)律，而復雜系統(tǒng)則是基于IEEE的9節(jié)點算例系統(tǒng)進行綜合性調(diào)壓實驗。

圖2 實驗?zāi)K選擇界面

其中簡單系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗的GUI界面如圖3所示。

圖3 仿真實驗教學平臺界面

主要由六部分組成：系統(tǒng)圖顯示區(qū)、負荷情況設(shè)置區(qū)、電壓調(diào)整設(shè)置區(qū)、當前運行狀態(tài)顯示區(qū)、發(fā)電機向量圖顯示區(qū)、變電站電壓/無功自動控制九區(qū)圖顯示[10～11]。以下介紹這幾個主要功能區(qū)：

(1)系統(tǒng)圖顯示區(qū)：顯示實驗系統(tǒng)的電氣原理圖，如圖4所示，系統(tǒng)參數(shù)內(nèi)置在程序中，若需要修改參數(shù)可通過修改代碼來實現(xiàn)。

圖4 實驗系統(tǒng)的電氣原理圖

為貼合實際，考慮系統(tǒng)中輸電線路可能的日常檢修或者故障以及電容器組可能的日常檢修或者故障，可以通過程序參數(shù)的設(shè)置，調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)。例如可以將雙回輸電線路設(shè)置為故障開斷狀態(tài)，電容器組設(shè)置為部分檢修狀態(tài)，無法全部投入運行，對應(yīng)的系統(tǒng)圖界面將變更為圖5。

圖5 設(shè)置故障后的實驗系統(tǒng)界面

(2)負荷情況設(shè)置區(qū)：用于設(shè)置負荷參數(shù)，如圖6所示，提供兩種設(shè)置方式，一種是人工輸入給定負荷參數(shù)，并計算功率因數(shù)。此外考慮到外部負荷的隨機性，也可以由系統(tǒng)隨機生成負荷參數(shù)，適合開放性的實驗練習環(huán)節(jié)。且可以在連續(xù)的電壓調(diào)節(jié)實驗過程中進行更改以模擬負荷的波動。

圖6 負荷情況設(shè)置界面

(3)電壓調(diào)整設(shè)置區(qū)：用于設(shè)置多種電壓調(diào)整措施的參數(shù)，如圖7所示，包括調(diào)節(jié)發(fā)電機的機端電壓、選擇變壓器抽頭檔位、投退電容器補償?shù)取?/p>

(4)當前運行狀態(tài)顯示區(qū)：在分析結(jié)束后，仿真結(jié)果會顯示在該區(qū)域內(nèi)，顯示當前低壓母線電壓及功率因數(shù)。

(5)發(fā)電機向量圖顯示區(qū)：此部分模塊結(jié)合發(fā)

圖7 電壓調(diào)整設(shè)置界面

電機相量圖的知識點，顯示發(fā)電機的空載電勢、機端電壓、輸出電流的相量圖。

(6)變電站電壓/無功自動控制九區(qū)圖：此部分模塊結(jié)合變電站自動化的知識點，顯示根據(jù)低壓母線電壓和功率因數(shù)劃分的九區(qū)圖[10～11]，如圖8所示。

圖8 九區(qū)圖顯示界面

圖中深色區(qū)域為符合控制目標的正常工作區(qū)域，該區(qū)域還能夠根據(jù)調(diào)節(jié)變壓器分接頭位置和投入運行的電容器組數(shù)顯示系統(tǒng)運行點變化的軌跡。

此外，復雜系統(tǒng)的電壓調(diào)整仿真實驗界面如圖9所示。

圖9 IEEE9節(jié)點系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗界面

復雜系統(tǒng)主要考慮多機含環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，更接近實際電力系統(tǒng)調(diào)壓的場景，主要基于IEEE的9節(jié)點算例系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行實驗。主要包含系統(tǒng)圖顯示、電壓調(diào)整設(shè)置區(qū)、電壓柱狀圖顯示區(qū)。按鈕設(shè)置了“讀入基準點數(shù)據(jù)”、“運行”以及“轉(zhuǎn)換為標幺值”三項功能，其中“讀入基準點數(shù)據(jù)”主要是讀取IEEE9節(jié)點算例數(shù)據(jù)并得到初始電壓分布情況，選擇調(diào)壓方式后點擊“運行”可以得到調(diào)整后的電壓分布圖，而“轉(zhuǎn)換為標幺值”按鈕則是為了更直觀顯示當前電壓相對于額定值的大小。

2.2 程序設(shè)計

本平臺的程序流程圖如圖10所示。

圖10 程序流程圖

用戶運行GUI界面后，輸入或生成基礎(chǔ)負荷參數(shù)，點擊“分析”按鈕，系統(tǒng)讀取當前參數(shù)并更新程序內(nèi)置參數(shù)，并根據(jù)當前運行狀態(tài)進行相應(yīng)計算。該部分程序運行完成后，界面內(nèi)顯示當前運行狀態(tài)，更新發(fā)電機向量圖，并繪制九區(qū)圖運行點轉(zhuǎn)移軌跡。此時，用戶可繼續(xù)選擇“運行”、“清空”和“退出”命令。若選擇“運行”，則繼續(xù)設(shè)置電壓調(diào)整措施的對應(yīng)參數(shù)，程序重復進行上述流程；若選擇“清空”，系統(tǒng)將清除參數(shù)及圖形顯示，用戶重新輸入或生成基礎(chǔ)負荷數(shù)據(jù)，程序重復進行上述流程；若選擇“退出”，用戶將退出GUI界面，本實驗結(jié)束。

3 仿真實驗教學實例

下面以電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗平臺在我院“電力系統(tǒng)分析”課程教學中的運用為例，對仿真實驗教學平臺的應(yīng)用場景進行介紹，主要展示簡單系統(tǒng)電壓調(diào)整實驗的實驗過程。

首先在理論課教學環(huán)節(jié)中，學生通過教師講授的方式基本了解電壓調(diào)整的基本原理，在此基礎(chǔ)上通過增加仿真實驗環(huán)節(jié)讓學生對電壓調(diào)整的效果有直觀認識，并通過開放性實驗的訓練鞏固相關(guān)理論知識，透徹理解，熟練運用。

實驗實施過程舉例如下：

(1)設(shè)定外部故障，單回輸電線路開斷，給定負荷參數(shù)，如輸入有功負荷100MW，無功負荷50Mvar，系統(tǒng)計算得負荷功率因數(shù)為0.89。

(2)設(shè)置電壓調(diào)整措施，發(fā)電機機端電壓控制為10.5kV，升壓變與降壓變均處于主抽頭，低壓側(cè)不投入電容器補償。

(3)點擊“分析”按鈕執(zhí)行潮流分析功能，獲得當前低壓母線電壓為9.9kV，由于無補償，低壓母線功率因數(shù)即為初始負荷功率因數(shù)0.89。當前界面如圖11所示，可見系統(tǒng)當前存在一回輸電線路開斷的情況以及表征當前運行狀態(tài)的參數(shù)。

圖11 實驗過程界面

(4)可由學生自行選擇電壓調(diào)整措施，并調(diào)節(jié)參數(shù)，觀測實驗結(jié)果并記錄。例如投入1組10Mvar的電容器，觀測調(diào)整后的結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)低壓母線電壓提升到10.25kV，補償后低壓母線功率因數(shù)達到0.93。

(5)觀察發(fā)電機相量圖的變化，調(diào)整前后的發(fā)電機相量圖如圖12所示，以往的學生中發(fā)電機相量圖的知識點與電壓調(diào)整中發(fā)電機調(diào)壓的知識點是相互割裂的，本平臺將兩個知識點進行串聯(lián)，學生可直觀觀察電壓調(diào)整過程中，發(fā)電機相量圖的變化情況以及勵磁電流的變化情況。由圖可知，由于電容器補償提高了功率因數(shù)，電流相量滯后電壓相量的角度明顯減小。此外在維持機端電壓恒定的情況下，

(a)調(diào)整前 (b)調(diào)整后圖12 調(diào)整前后的相量圖對比

所需的勵磁電流也有所下降。

(6)觀察電壓/無功自動控制九區(qū)圖，學生可以直觀了解系統(tǒng)運行點的變化，如圖13所示。初始狀態(tài)下，系統(tǒng)運行點處于1處，電壓與功率因數(shù)均偏低，而調(diào)整后運行點來到2處，處于正常工作區(qū)域，可不必再繼續(xù)調(diào)整。

圖13 調(diào)整前后的系統(tǒng)運行點對比

(7)為模擬實際系統(tǒng)運行過程中負荷的變化，可以在實驗過程中修改負荷參數(shù)來模擬負荷的變動，從而實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)整實驗。如增加負荷為有功負荷120MW，無功負荷65Mvar，運行點變動到3處，低壓母線電壓與功率因數(shù)均明顯下降。隨之再投入1組電容器，運行點轉(zhuǎn)移到4處，功率因數(shù)合格而電壓仍偏低，進一步調(diào)節(jié)降壓變抽頭檔位，電壓提升至合格范圍，運行點轉(zhuǎn)移到5處，經(jīng)過一系列實驗操作從而得到系統(tǒng)運行點的動態(tài)變化軌跡，如圖14所示，學生可通過這一過程明確了解系統(tǒng)無功電壓的變化狀況。

圖14 系統(tǒng)運行點變化軌跡

4 結(jié)語

本文開發(fā)了一款基于Matlab的電力系統(tǒng)電壓調(diào)整仿真實驗教學平臺，獲得以下結(jié)論：

(1)通過虛擬仿真實驗?zāi)軌蜥槍υ境橄蟆㈦y理解的內(nèi)容進行直觀展示，提升理論課的教學效果。

該平臺有利于開展研究性和開放性實驗教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，激發(fā)學生的科研興趣。

(2)在電壓調(diào)整實驗中細化了勵磁調(diào)節(jié)特性、電容器補償?shù)臒o功電壓特性等，且與發(fā)電機相量圖、變電站電壓/無功九區(qū)圖的可視化相結(jié)合，有助于學生串聯(lián)多個相關(guān)知識點。

(3)仿真實驗教學平臺增強了實驗的便利性與靈活性，確保電氣類實驗安全，不會出現(xiàn)損壞設(shè)備或者危及人身安全的情況，能夠加強學生自主參與實驗的能力。