在电力系统电压调整仿真实验教学的应用

一、引言

《电力系统分析》是电气工程及其自动化专业本科阶段的专业必修课，由于课程理论知识体系较为庞大且抽象，常使学生难以理解相关知识，教学效果不甚乐观[1]。

目前的教学中，一般采用模拟实验台来完成《电力系统分析》的相关实验。由于实验台更新周期长、稳定性能差、实验内容不灵活等问题，很难满足实际教学需求，实验教学不易达到理想效果[2]。

本文针对《电力系统分析》课程中关于电压调整的本科教学内容，设计并开发了基于Matlab的电力系统电压调整仿真实验教学平台[3]。文中首先介绍电力系统电压调整仿真实验教学平台的总体架构，其次基于Matlab对平台进行开发，分别说明了其图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）设计及程序设计，从而论证平台的教学应用效果[4]。

二、仿真实验教学平台总体架构

电力系统电压调整仿真实验教学平台为实验教学提供了一个人机交互式的用户界面，实现无功功率与电压调整的仿真。通过虚拟仿真实验，学生增进了对该部分理论知识的理解和运用。

用户主要通过电力系统电压调整仿真实验教学平台中的人机交互的中间环节GUI进行相关操作，在GUI运行界面的相关模块输入参数及下达指令，GUI通过相应的回调函数执行程序，其具体的计算由电压调整计算程序来实现。

三、仿真实验教学平台的实现

Matlab的图形用户界面开发环境（Graphical User Interface Development Environment，GUIDE）将GUI设计的内容保存在两个文件中，一个是fig文件，包含对GUI及其组件的完整信息，保存了版面设计的相关内容；另外一个是m文件，包含控制GUI的代码和组件的回调函数，保存了程序代码。两个文件共同决定了GUI的显示与功能实现。

（一）GUI设计

电力系统电压调整仿真实验教学平台GUI界面主要由四部分组成：系统图显示区、负荷情况设置区、电压调整设置区、当前运行状态显示区。电压调整仿真实验教学平台界面的GUI设计如图1所示。

图1 仿真实验教学平台界面

以下介绍几个主要功能区。

1.系统图显示区：显示实验系统的电气原理图，系统参数内置在程序中，可通过修改代码来实现参数修改。

2.负荷情况设置区：用于设置负荷参数，用户自行输入设置最大有功负荷、最小有功负荷和负荷功率因数。

3.电压调整设置区：用于设置电压调整措施的参数，从而改变低压侧母线电压，用户可选择发电机的机端电压、变压器抽头档位、投退电容器补偿等。

4.当前运行状态显示区：分析结束后，仿真图像会显示在该区域内，显示用户侧母线电压与负荷大小的相关关系，同时，用户可对曲线颜色进行选择。

（二）程序设计

运行GUI界面后，用户输入基础负荷参数并设置电压调整措施，点击“分析”按钮，系统读取当前所设参数并更新程序内置参数，根据当前运行状态进行相应计算。该部分程序运行完成后，界面内显示用户侧母线电压与有功负荷相关关系的曲线。

在完成一次实验后，用户有三个选择：运行、清空和退出界面。若选择“运行”，用户可重新选择电压调整措施参数，更改曲线颜色，程序重复进行上述流程；若选择“清空”，系统将清除所有图像，用户重新输入或选择相关参数，程序重复进行上述流程；若选择“退出”，用户将退出GUI界面，本实验结束。

四、仿真实验教学实例

下面以我院《电力系统分析》课程教学中电力系统电压调整仿真实验平台的运用为例，介绍仿真实验教学平台的应用场景。

首先，在理论课教学过程中，教师讲授电压调整的基本原理，使学生对该部分知识点有基本的了解。在此基础上，通过增加仿真实验环节让学生对电压调整的效果有更为直观的认识。开放性实验的训练巩固了相关理论知识，使学生对电压调整环节理解深刻，运用熟稔。

实验实施过程举例如下。

1.设置负荷参数，如输入最大有功负荷100MW，最小有功负荷50MW，负荷功率因数为0.85。

2.设置电压调整措施，发电机机端电压为10kV，升压变与降压变均处于主抽头，低压侧不投入电容器补偿。

3.点击“分析”按钮执行潮流分析功能，生成用户侧（低压侧）母线电压与有功功率的关系曲线。由图像，学生可观察到一定范围内负荷所对应的低压侧母线电压。

文章来源：《电力系统保护与控制》 网址: http://www.dlxtbhykzzz.cn/qikandaodu/2021/0223/699.html