电力系统作业设计论文范文

一、MATPOWER用于“稳态”课程“大作业”的可行性分析

我院“稳态”课程选用中国电力出版社的《电力系统稳态分析》（第三版）[1]作为教材，课内学时数为40学时。“稳态”课程以电力系统正常运行状态的建模、计算、分析和调节为主要内容，涉及电力系统的基本概念、主要元件的稳态模型、潮流计算方法，以及有功/频率和无功/电压的稳态优化与控制等内容。MATPOWER是由美国Cornell大学研发的一款基于MATLAB的免费工具软件，主要用于解决电力系统的潮流和最优潮流问题，最新版本为5.0b1。[2]MATPOWER在分析功能上虽不及PSS/E、DSATools和PSASP这类商业软件强大，但具有免费和易学习、易操作的优势，其分析计算功能也基本覆盖了“稳态”课程的主要内容。更重要的是，MATPOWER通过一组开放源代码的m文件来实现计算功能，容易对代码进行修改、复用和功能扩展。因此，MATPOWER非常适用于电力系统稳态问题的教育教学训练和科学研究，将其作为“稳态”课程“大作业”的辅助分析工具是可行的。

二、基于MATPOWER的“大作业”题目设计和实现

1.电网稳态模型及潮流数据的形成发电机、变压器、电力线路和负荷的稳态模型，以及电网稳态等值电路的建立方法是“稳态”课程的一项基本教学内容，其中，应用等值变压器模型（即变压器的Π型等值电路）建立全网等值电路是难点。MATPOWER通过数据文件输入潮流计算所需的基础电网数据，其中，线路和变压器参数以标幺值和非标准变比的形式输入。题目1要求学生以MATPOWER自带的IEEE9节点系统（即文件case9.m）为例，学习和体会潮流基础数据的构成和输入方式；在此基础上，要求学生应用元件等值电路的相关知识，建立给定网络的标幺值等值电路，确定电网中各节点的类型，并按照MATPOWER的数据格式形成输入数据文件。此外，还可以鼓励学生在MATLAB环境下，编写元件实际参数（如架空线路原始参数和变压器铭牌参数）向标幺参数转换的程序，以及自动生成MATPOWER输入数据文件的程序。

2.复杂电网的潮流计算和分析潮流计算是“稳态”课程的核心内容，包括简单电网的手算方法和复杂电网的计算机计算方法两部分，其中，复杂电网的潮流计算是难点。题目2的基本任务是要求学生学习和应用MATPOWER的runpf函数计算给定电网的潮流分布，从中体会潮流计算的初值设置、迭代和收敛；根据潮流计算结果分析支路和全网的功率平衡关系，分析输电网中“有功功率–相角”和“无功功率–电压”的耦合关系，还可以进一步通过改变环网中支路的参数来仿真分析环网中潮流的分布规律。由于MATPOWER支持Newton法、快速解耦法（XB型和BX型）以及Gauss-Seidel法等四种潮流算法（通过mpoption函数可以进行算法设置），而受学时限制，课堂上只讲解Newton法的基本原理和步骤。因此，题目2可以进一步要求学生以不同潮流算法计算较大规模系统（如MATPOWER提供的IEEE300节点系统或者波兰实际电网的3375节点系统）的潮流，从而对比分析各种潮流算法的计算结果、迭代次数、计算时间和收敛性。题目2也鼓励学生尝试编制基于MATLAB的Newton法潮流计算程序，并与MATPOWER的潮流程序进行对比分析。由于MATPOWER的程序设计中充分体现了MATLAB矩阵运算的思想，在节点导纳矩阵和Jacobian矩阵的形成部分都采用了非常巧妙和简洁的矩阵运算，为学生提供了非常好的MATLAB程序设计的学习范本。此外，MATPOWER并不提供辐射型网络的“前推回代”潮流计算方法，而“前推回代法”是手算方法的基础，也一直是课堂教学和考核的一项重要内容。因此，题目2也可以鼓励学生编程实现“前推回代”潮流计算，并引导学生思考输电网和配电网在潮流计算方法上的区别及其原因。

3.无功/电压控制的仿真与分析“有功功率与频率调整”和“无功功率与电压调整”是电力系统稳态控制的两项重要内容。MATPOWER并不直接支持对有功频率调整的仿真（参见下文题目6），但支持对复杂电网进行调压计算和分析。关于“无功功率与电压调整”，课堂教学的重点是无功电源的特性和几种主要的调压措施，并基本上是以简单辐射型网络为例讲解调压措施的原理及其效果，此外，教材上“变比选取与校核”，“电容和变压器组合调压”等内容还存在与工程实际脱节的问题。因此，设计题目3的主要目的就是让学生在实际复杂电网的背景下，对课堂上所学调压措施的实施方式和效果进行仿真分析，帮助学生树立“无功分区平衡和就地控制”的基本概念。题目3的基本任务是给定一个多区域、多电压等级的算例系统，要求学生首先通过潮流计算和电压要求，确定系统存在电压问题的区域；然后根据算例给出的条件，确定可能采取的调压措施，并至少给出一种满足电压要求的调压方案。题目3同样鼓励学生从无功电源和调节手段两个方面去尝试分析算例系统产生电压问题的根源，思考多种调压措施的综合应用，并引导学生从有功损耗、电压分区控制效果、无功电源的容量约束及变压器的档位约束等方面去体会和分析各种调压措施的效果，以及各种调压方案的优劣。

4.电网静态安全分析的实践静态安全分析是电网规划和调度的一种重要手段，虽然属于电网静态分析或稳态分析的范畴，但并不是“稳态”课程的教学内容。题目4的目的是让学生自学电网“静态安全”的内容以及判断标准，学习通过修改MATPOWER输入文件或设置元件状态参数（如支路的BR_STATUS参数）来模拟元件开断（甚至电网解列），并通过潮流计算结果对电网的静态安全进行评估。进一步，可以鼓励学生尝试通过循环调用runpf函数，来编程实现电网的“N-1”校验。当然，也可以引导一些学有余力的学生学习直流潮流模型和相应的MATPOWER函数（rundcpf），并应用于电网的静态安全分析。

5.静态电压稳定性的仿真与静态安全分析一样，静态电压稳定性同样不是“稳态”课程的教学内容，但也属于电网静态分析的范畴。题目5也与题目4一样，是具有一定自学性质的题目，要求学生自学电网静态电压稳定性的物理概念，尝试基于MATPOWER的潮流计算功能，通过不断增加节点负荷来获取节点的PV及QV曲线，甚至模拟出电压静态失稳的现象。MATPOWER提供用于静态电压稳定性分析的连续潮流法程序（runcdf），因此也可以鼓励有兴趣的同学进一步深入了解和学习连续潮流模型及其在静态电压稳定性分析中的应用。

6.考虑负荷和机组静态调节特性的潮流程序设计“稳态”课程中“负荷模型”的章节会涉及负荷的静态电压/频率特性，而“有功功率和频率调节”的章节要讲解机组及负荷的频率调节特性、频率调节原理及其基本计算。然而，如前所述，MATPOWER并不能直接用于有功频率调节的仿真，也只能部分考虑负荷的静态电压特性（仅支持恒功率和恒阻抗负荷模型）。题目6要求学生将负荷的静态电压特性纳入潮流方程，推导相应的Jacobian矩阵，并尝试通过修改runpf中的部分代码，编程实现考虑负荷静态电压特性的潮流计算。进一步，可以鼓励学生思考和研究如何在常规潮流模型中考虑机组和负荷的频率特性。该课题需要打破常规潮流模型中节点分类（PQ、PV和平衡节点）的概念，并将系统频率和节点电压一并作为潮流方程的状态变量，因此，程序编制要求对runpf的代码进行大幅改动，有较大难度。但是，若能实现该程序的编制，则可将其用于电网有功频率调节的仿真分析，促进学生进一步理解频率调节和电压调节的区别。因此，该课题也是值得一试的一个选题。

7.其它选题除了上述6个题目以外，还可以考虑结合MATPOWER的run_se函数和runopf函数，引导学生了解和学习电力系统状态估计和最优潮流的相关内容，而这两项内容都是“稳态”课程的选修内容。此外，随着新能源的发展，风电和光伏电源的随机性及其对电网的影响也成为一个有意思的问题，而基于MATPOWER来实现随机潮流的蒙特卡罗模拟是比较容易的。因此，也可以考虑将学生引入随机潮流的研究领域，拓展学生的视野，激发学生对新事物和新问题的兴趣和思考。

三、结论

本文探讨了“电力系统稳态分析”课程中应用“大作业”的可行性以及选题问题，根据课程教学大纲，本着“基础性和挑战性并重”的选题原则，提出了6个“大作业”选题，对每一选题的基本任务和扩展要求进行了设计，并结合MATPOWER的分析功能，讨论了每一选题的实现方式。在此基础上，讨论了针对课程选修内容以及新能源的一些可能选题。本文仅讨论了“大作业”的选题问题，后续研究将进一步探讨“大作业”在“稳态”课程教学中的组织、实施和考核方式等问题。

作者：赵霞单位：重庆大学电气工程学院