CAI在“电力工程课程设计”中的应用

王艳松?张丽霞

摘要：为了使学生较好地掌握变电所电气设计的基本理论和设计规范，提高从事电气工程设计的基本实践能力，应用VB开发了电力工程课程设计计算机辅助设计（CAI）通过数据库和文本信息提供电器设备电子手册、典型主接线图案例、设计规范和电气设计必备知识点，通过计算机辅助设计方案校对每一步设计结果，及时修正不正确的设计结果和方案。CAI的开发应用能有效地缩短学习时间、提高教學质量和教学效率。

关键词：CAI；电力工程；课程设计

作者简介：王艳松（1965-），女，山东蓬莱人，中国石油大学电气工程系，教授；张丽霞（1978-），女，山东潍坊人，中国石油大学电气工程系，副教授。（山东 青岛 266850）

基金项目：本文系校级重点教改项目（项目编号：JY-A201210）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）15-0044-02

“电力工程课程设计”是继电力工程专业核心课学习之后进行的一门综合性工程课程设计，使学生能应用“电力工程”课程[1]所学专业知识，对220kV及以下电压等级的变电所和供用电网络的电气部分进行初步设计，培养学生独立分析和解决工程设计实际问题的能力。“电力工程课程设计”的主要内容包括主接线设计、负荷计算和无功补偿、短路计算、电气设备选择、继电保护选型和整定计算等。其中，电力负荷计算、短路计算是电器设备选择和继电保护整定的重要设计依据。然而随着高校的扩招，学生人数增多，使得及时检验每一名学生的设计过程的难度增大。因此，开发一个适用于教与学的功能完善、资料丰富、界面友好、算法准确的“电力工程课程设计”CAI软件，让学生通过电子设备手册方便地查询所要选择的电气设备型号、学习“电力工程设计”所必需的专业知识和设计规范，并了解大量的理论计算可以通过建立数学模型应用计算机来实现，对及时指导学生的设计过程具有重要意义。

一、CAI主界面及功能简介

“电力工程课程设计”的题目来源于现场不同等级不同容量的变电所工程，对学生进行真题训练，要求每组学生（2～3人）发扬团结合作精神，综合应用所学电力工程课程中的专业知识设计一个变电所电气部分的初步方案。应用VB[2，3]开发的“电力工程课程设计”CAI软件的封面以功能主界面为背景，学生根据自己设计题目对应的账号和密码，登录进入电力工程设计主界面如图1。在电力工程课程设计CAI软件的主界面中，通过树状菜单[2，3]可见每个一级菜单对应一个功能模块，该模块的功能由其二级菜单和显示在主窗体中的相应图标所示。通过双击二级树状菜单或图标两种不同方式进入二级菜单所示功能界面。

CAI的“设计资料查询模块”提供了设计任务原始资料（20个现场变电站电气部分设计示例）、电力行业设计规范、设备电子手册、主接线案例。其中设备电子手册提供了设备名牌数据，为学生进行电器设备选型提供了资料支持。

CAI的“计算机辅助计算模块”包括负荷计算、短路计算、电器设备自动选择、保护整定计算。负荷计算、短路计算是通过分别建立数学模型制订算法流程，编制通用的程序进行计算的。电器设备选择主要根据设备选择原则编程实现的。线路、变压器保护整定计算主要根据短路计算结果和继电保护整定计算原则编程实现的，指导教师应用CAI的“计算机辅助计算模块”对所有设计题目进行预设计，将设计结果保存，用于校对学生设计结果的正确性。

CAI的“计算结果验证查询模块”主要用于学生对设计负荷计算和短路计算中间结果的检查和验证，学生根据自己的设计进度，通过教师授权进入“计算结果验证查询模块”，查看负荷计算、短路计算的计算结果的正确性。对于计算结果偏差较大的学生，教师重点指导，质疑其计算过程，检查其计算方法。

二、设计资料查询模块

电力工程课程设计要求学生掌握电力负荷计算、主接线设计原则与案例、短路计算、电气设备选择原则、继电保护设计与整定计算以及变电所设计规范等知识，并掌握设计题目的原始资料和任务要求。这些理论知识和设计任务以文本信息显示出来。如图2所示题目1的设计任务浏览界面。

通过建立电气设备公共数据库和电气设备查询界面，为学生提供了电气设备电子手册。[4]如图3电子设备手册有两种查询方式，一是按设备名称和设备型号；另一种是按设备名称。点击“查询”按钮可以将数据库中满足查询条件[5]的电气设备显示在界面中。

三、计算机辅助设计模块

本文通过建立数学模型，编程实现了通用的负荷计算、短路计算程序。利用负荷计算和短路计算结果，根据不同类型继电保护整定原则，编程实现了不同类型继电保护的整定计算。根据电源进线信息、负荷用电信息和主接线设计信息，编程实现主接线的绘制。按电气设备选择原则和用户界面输入原始信息，编程自动选择电气设备。整个设计过程由负荷计算、主接线设计、短路计算、电气设备选择、继电保护整定计算等先后顺序组成。

1.数据库的建立

应用Access分别建立公用数据库和用户数据库。公用数据库（也称设备名牌数据库）是一些标准的设备参数，主要包括变压器、架空线、电缆、电容器、电流互感器、电压互感器和断路器、隔离开关、熔断器、母线等高低压一次设备的型号和名牌参数。每一类设备作为公用数据库中的一个表。公用数据库用于电气设备自动选择和电气设备手册查询，另外，公用数据库中的变压器、架空线和电缆线的参数为负荷计算和短路计算提供元件阻抗。

用户数据库对应于具体设计题目，主要包括负荷计算、短路计算及保护整定计算的用户原始数据和计算结果。不同的原始数据和计算结果分别对应不同的表。用户数据库的原始数据由用户输入界面进行操作，计算结果显示界面的数据不能修改。数据库与辅助设计各模块之间的连接关系如图4所示。

2.理论计算模块的实现

理论计算模块包括负荷计算、短路计算及保护整定计算。[6，7]以负荷计算输入界面和负荷计算结果输出界面为例，见图5。在输入界面可以选择数据输入方式。如果选择数据导入方式，可直接打开以文本形式保存的原始数据文件，将数据读入到用户数据库相应的表中，并显示在输入界面相应的DataGrid表格中；如果设计一个新的题目，需要输入新的原始数据，可选择手动输入的方式。通过当前数据的操作，添加和删除数据，也可将当前输入的原始数据保存为文本文档，以备下一次运行调用。原始数据输入完毕，点击“进行负荷计算”按钮，执行负荷计算程序，点击“显示计算结果”按钮，进入输出界面，显示当前的负荷计算结果。可对当前计算结果进行保存，也可以利用导入数据功能浏览已保存的负荷计算结果。其他功能块的输入和输出界面类似，在这里不一一列出。

3.设备选择的基本原理

导线和电器设备的选择是变电所设计的主要内容之一。电气设备要能可靠地工作，必须按正常工作条件进行选择，并且按短路条件进行稳定校验。各种电气设备的选择校验项目汇总列于表1。每一个选择和校验项目都是两个量的比较，见表1说明栏，因此根据理论计算模块得到的设备正常电压和计算电流、短路稳态电流和冲击电流，以选择和校验项目为条件，编程查询数据库中满足正常和短路条件的电气设备，各电气设备选择原则[8，9]见表1。

四、结束语

“电力工程课程设计”CAI軟件界面友好、操作方便灵活，辅助设计功能完善、通用性强。CAI软件的资料查询功能为学生提供了变电所电气部分设计的详细原始资料、技术资料和电气设备电子手册。CAI软件的计算机辅助设计功能可以将不同设计题目的设计结果保存以供查阅或校对学生设计结果，使每一步设计方案的合理性和正确性得到及时检查和指导，有效提高了课程设计的教学质量。

参考文献：

[1]王艳松.电力工程[M].青岛：中国石油大学出版社，2012.

[2]知寒工作室.Visual Basic6简明案例教程[M].北京：机械工业出版社，1999：1-50.

[3]郑阿奇，曹戈.Visual Basic实用教程[M].北京：电子工业出版社，

2000：1-418.

[4]傅知兰.电力系统电气设备选择与实用计算[M].北京：中国电力出版社，2004：51-200.

[5]王士政，冯金光.发电厂电气部分[M].北京：中国水利电力出版社，2002.

[6]何仰赞.电力系统分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[7]贺家李.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，

2004.

[8]黄纯华，葛少云.工厂供电[M].天津：天津大学出版社，2001：1-37.

[9]王荣藩.工厂供电设计与实验[M].天津：天津大学出版社，

1988：1-107.

（责任编辑：王意琴）