電力系統(tǒng)作業(yè)設(shè)計論文范文

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一、MATPOWER用于“穩(wěn)態(tài)”課程“大作業(yè)”的可行性分析

我院“穩(wěn)態(tài)”課程選用中國電力出版社的《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》（第三版）[1]作為教材，課內(nèi)學(xué)時數(shù)為40學(xué)時。“穩(wěn)態(tài)”課程以電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)的建模、計算、分析和調(diào)節(jié)為主要內(nèi)容，涉及電力系統(tǒng)的基本概念、主要元件的穩(wěn)態(tài)模型、潮流計算方法，以及有功/頻率和無功/電壓的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化與控制等內(nèi)容。MATPOWER是由美國Cornell大學(xué)研發(fā)的一款基于MATLAB的免費(fèi)工具軟件，主要用于解決電力系統(tǒng)的潮流和最優(yōu)潮流問題，最新版本為5.0b1。[2]MATPOWER在分析功能上雖不及PSS/E、DSATools和PSASP這類商業(yè)軟件強(qiáng)大，但具有免費(fèi)和易學(xué)習(xí)、易操作的優(yōu)勢，其分析計算功能也基本覆蓋了“穩(wěn)態(tài)”課程的主要內(nèi)容。更重要的是，MATPOWER通過一組開放源代碼的m文件來實現(xiàn)計算功能，容易對代碼進(jìn)行修改、復(fù)用和功能擴(kuò)展。因此，MATPOWER非常適用于電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)問題的教育教學(xué)訓(xùn)練和科學(xué)研究，將其作為“穩(wěn)態(tài)”課程“大作業(yè)”的輔助分析工具是可行的。

二、基于MATPOWER的“大作業(yè)”題目設(shè)計和實現(xiàn)

1.電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)模型及潮流數(shù)據(jù)的形成發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路和負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)模型，以及電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)等值電路的建立方法是“穩(wěn)態(tài)”課程的一項基本教學(xué)內(nèi)容，其中，應(yīng)用等值變壓器模型（即變壓器的Π型等值電路）建立全網(wǎng)等值電路是難點。MATPOWER通過數(shù)據(jù)文件輸入潮流計算所需的基礎(chǔ)電網(wǎng)數(shù)據(jù)，其中，線路和變壓器參數(shù)以標(biāo)幺值和非標(biāo)準(zhǔn)變比的形式輸入。題目1要求學(xué)生以MATPOWER自帶的IEEE9節(jié)點系統(tǒng)（即文件case9.m）為例，學(xué)習(xí)和體會潮流基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的構(gòu)成和輸入方式；在此基礎(chǔ)上，要求學(xué)生應(yīng)用元件等值電路的相關(guān)知識，建立給定網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)幺值等值電路，確定電網(wǎng)中各節(jié)點的類型，并按照MATPOWER的數(shù)據(jù)格式形成輸入數(shù)據(jù)文件。此外，還可以鼓勵學(xué)生在MATLAB環(huán)境下，編寫元件實際參數(shù)（如架空線路原始參數(shù)和變壓器銘牌參數(shù)）向標(biāo)幺參數(shù)轉(zhuǎn)換的程序，以及自動生成MATPOWER輸入數(shù)據(jù)文件的程序。

2.復(fù)雜電網(wǎng)的潮流計算和分析潮流計算是“穩(wěn)態(tài)”課程的核心內(nèi)容，包括簡單電網(wǎng)的手算方法和復(fù)雜電網(wǎng)的計算機(jī)計算方法兩部分，其中，復(fù)雜電網(wǎng)的潮流計算是難點。題目2的基本任務(wù)是要求學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用MATPOWER的runpf函數(shù)計算給定電網(wǎng)的潮流分布，從中體會潮流計算的初值設(shè)置、迭代和收斂；根據(jù)潮流計算結(jié)果分析支路和全網(wǎng)的功率平衡關(guān)系，分析輸電網(wǎng)中“有功功率–相角”和“無功功率–電壓”的耦合關(guān)系，還可以進(jìn)一步通過改變環(huán)網(wǎng)中支路的參數(shù)來仿真分析環(huán)網(wǎng)中潮流的分布規(guī)律。由于MATPOWER支持Newton法、快速解耦法（XB型和BX型）以及Gauss-Seidel法等四種潮流算法（通過mpoption函數(shù)可以進(jìn)行算法設(shè)置），而受學(xué)時限制，課堂上只講解Newton法的基本原理和步驟。因此，題目2可以進(jìn)一步要求學(xué)生以不同潮流算法計算較大規(guī)模系統(tǒng)（如MATPOWER提供的IEEE300節(jié)點系統(tǒng)或者波蘭實際電網(wǎng)的3375節(jié)點系統(tǒng)）的潮流，從而對比分析各種潮流算法的計算結(jié)果、迭代次數(shù)、計算時間和收斂性。題目2也鼓勵學(xué)生嘗試編制基于MATLAB的Newton法潮流計算程序，并與MATPOWER的潮流程序進(jìn)行對比分析。由于MATPOWER的程序設(shè)計中充分體現(xiàn)了MATLAB矩陣運(yùn)算的思想，在節(jié)點導(dǎo)納矩陣和Jacobian矩陣的形成部分都采用了非常巧妙和簡潔的矩陣運(yùn)算，為學(xué)生提供了非常好的MATLAB程序設(shè)計的學(xué)習(xí)范本。此外，MATPOWER并不提供輻射型網(wǎng)絡(luò)的“前推回代”潮流計算方法，而“前推回代法”是手算方法的基礎(chǔ)，也一直是課堂教學(xué)和考核的一項重要內(nèi)容。因此，題目2也可以鼓勵學(xué)生編程實現(xiàn)“前推回代”潮流計算，并引導(dǎo)學(xué)生思考輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)在潮流計算方法上的區(qū)別及其原因。

3.無功/電壓控制的仿真與分析“有功功率與頻率調(diào)整”和“無功功率與電壓調(diào)整”是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)控制的兩項重要內(nèi)容。MATPOWER并不直接支持對有功頻率調(diào)整的仿真（參見下文題目6），但支持對復(fù)雜電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)壓計算和分析。關(guān)于“無功功率與電壓調(diào)整”，課堂教學(xué)的重點是無功電源的特性和幾種主要的調(diào)壓措施，并基本上是以簡單輻射型網(wǎng)絡(luò)為例講解調(diào)壓措施的原理及其效果，此外，教材上“變比選取與校核”，“電容和變壓器組合調(diào)壓”等內(nèi)容還存在與工程實際脫節(jié)的問題。因此，設(shè)計題目3的主要目的就是讓學(xué)生在實際復(fù)雜電網(wǎng)的背景下，對課堂上所學(xué)調(diào)壓措施的實施方式和效果進(jìn)行仿真分析，幫助學(xué)生樹立“無功分區(qū)平衡和就地控制”的基本概念。題目3的基本任務(wù)是給定一個多區(qū)域、多電壓等級的算例系統(tǒng)，要求學(xué)生首先通過潮流計算和電壓要求，確定系統(tǒng)存在電壓問題的區(qū)域；然后根據(jù)算例給出的條件，確定可能采取的調(diào)壓措施，并至少給出一種滿足電壓要求的調(diào)壓方案。題目3同樣鼓勵學(xué)生從無功電源和調(diào)節(jié)手段兩個方面去嘗試分析算例系統(tǒng)產(chǎn)生電壓問題的根源，思考多種調(diào)壓措施的綜合應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生從有功損耗、電壓分區(qū)控制效果、無功電源的容量約束及變壓器的檔位約束等方面去體會和分析各種調(diào)壓措施的效果，以及各種調(diào)壓方案的優(yōu)劣。

4.電網(wǎng)靜態(tài)安全分析的實踐靜態(tài)安全分析是電網(wǎng)規(guī)劃和調(diào)度的一種重要手段，雖然屬于電網(wǎng)靜態(tài)分析或穩(wěn)態(tài)分析的范疇，但并不是“穩(wěn)態(tài)”課程的教學(xué)內(nèi)容。題目4的目的是讓學(xué)生自學(xué)電網(wǎng)“靜態(tài)安全”的內(nèi)容以及判斷標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)通過修改MATPOWER輸入文件或設(shè)置元件狀態(tài)參數(shù)（如支路的BR_STATUS參數(shù)）來模擬元件開斷（甚至電網(wǎng)解列），并通過潮流計算結(jié)果對電網(wǎng)的靜態(tài)安全進(jìn)行評估。進(jìn)一步，可以鼓勵學(xué)生嘗試通過循環(huán)調(diào)用runpf函數(shù)，來編程實現(xiàn)電網(wǎng)的“N-1”校驗。當(dāng)然，也可以引導(dǎo)一些學(xué)有余力的學(xué)生學(xué)習(xí)直流潮流模型和相應(yīng)的MATPOWER函數(shù)（rundcpf），并應(yīng)用于電網(wǎng)的靜態(tài)安全分析。

5.靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的仿真與靜態(tài)安全分析一樣，靜態(tài)電壓穩(wěn)定性同樣不是“穩(wěn)態(tài)”課程的教學(xué)內(nèi)容，但也屬于電網(wǎng)靜態(tài)分析的范疇。題目5也與題目4一樣，是具有一定自學(xué)性質(zhì)的題目，要求學(xué)生自學(xué)電網(wǎng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性的物理概念，嘗試基于MATPOWER的潮流計算功能，通過不斷增加節(jié)點負(fù)荷來獲取節(jié)點的PV及QV曲線，甚至模擬出電壓靜態(tài)失穩(wěn)的現(xiàn)象。MATPOWER提供用于靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析的連續(xù)潮流法程序（runcdf），因此也可以鼓勵有興趣的同學(xué)進(jìn)一步深入了解和學(xué)習(xí)連續(xù)潮流模型及其在靜態(tài)電壓穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用。

6.考慮負(fù)荷和機(jī)組靜態(tài)調(diào)節(jié)特性的潮流程序設(shè)計“穩(wěn)態(tài)”課程中“負(fù)荷模型”的章節(jié)會涉及負(fù)荷的靜態(tài)電壓/頻率特性，而“有功功率和頻率調(diào)節(jié)”的章節(jié)要講解機(jī)組及負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性、頻率調(diào)節(jié)原理及其基本計算。然而，如前所述，MATPOWER并不能直接用于有功頻率調(diào)節(jié)的仿真，也只能部分考慮負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性（僅支持恒功率和恒阻抗負(fù)荷模型）。題目6要求學(xué)生將負(fù)荷的靜態(tài)電壓特性納入潮流方程，推導(dǎo)相應(yīng)的Jacobian矩陣，并嘗試通過修改runpf中的部分代碼，編程實現(xiàn)考慮負(fù)荷靜態(tài)電壓特性的潮流計算。進(jìn)一步，可以鼓勵學(xué)生思考和研究如何在常規(guī)潮流模型中考慮機(jī)組和負(fù)荷的頻率特性。該課題需要打破常規(guī)潮流模型中節(jié)點分類（PQ、PV和平衡節(jié)點）的概念，并將系統(tǒng)頻率和節(jié)點電壓一并作為潮流方程的狀態(tài)變量，因此，程序編制要求對runpf的代碼進(jìn)行大幅改動，有較大難度。但是，若能實現(xiàn)該程序的編制，則可將其用于電網(wǎng)有功頻率調(diào)節(jié)的仿真分析，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié)的區(qū)別。因此，該課題也是值得一試的一個選題。

7.其它選題除了上述6個題目以外，還可以考慮結(jié)合MATPOWER的run_se函數(shù)和runopf函數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生了解和學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計和最優(yōu)潮流的相關(guān)內(nèi)容，而這兩項內(nèi)容都是“穩(wěn)態(tài)”課程的選修內(nèi)容。此外，隨著新能源的發(fā)展，風(fēng)電和光伏電源的隨機(jī)性及其對電網(wǎng)的影響也成為一個有意思的問題，而基于MATPOWER來實現(xiàn)隨機(jī)潮流的蒙特卡羅模擬是比較容易的。因此，也可以考慮將學(xué)生引入隨機(jī)潮流的研究領(lǐng)域，拓展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生對新事物和新問題的興趣和思考。

三、結(jié)論

本文探討了“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”課程中應(yīng)用“大作業(yè)”的可行性以及選題問題，根據(jù)課程教學(xué)大綱，本著“基礎(chǔ)性和挑戰(zhàn)性并重”的選題原則，提出了6個“大作業(yè)”選題，對每一選題的基本任務(wù)和擴(kuò)展要求進(jìn)行了設(shè)計，并結(jié)合MATPOWER的分析功能，討論了每一選題的實現(xiàn)方式。在此基礎(chǔ)上，討論了針對課程選修內(nèi)容以及新能源的一些可能選題。本文僅討論了“大作業(yè)”的選題問題，后續(xù)研究將進(jìn)一步探討“大作業(yè)”在“穩(wěn)態(tài)”課程教學(xué)中的組織、實施和考核方式等問題。

作者：趙霞單位：重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院