基于Matlab的电力系统电压调整仿真实验教学平台设计

杨家豪， 何 畅， 叶子薇

(厦门大学 嘉庚学院 普瑞特先进打印技术创新实验室，福建 漳州363105)

0 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，由于课程本身理论性强、难度较大，教学过程中仅对模型、公式进行理论分析常使学生不易理解，且形式较为枯燥，无法取得较好的教学效果[1]。

在新工科的背景下，越来越强调对学生实践能力的培养。实验教育是工科专业教育的一个重要环节。“电力系统分析”的实验一般采用模拟实验台来完成，由于设备更新慢、不稳定、实验内容不灵活等问题，很难满足实际教学中师生的需求，造成了实验教学效果不能令人满意[2]。

虚拟仿真实验即基于软件技术构建的虚拟实验教学系统，为开设专业实验课程提供了全新的教学与科研环境，近年来被广泛引入到实验教学当中[3～5]。虚拟仿真实验在增强实验的便利性与灵活性的同时，也确保了实验的安全性，能够加强学生自主参与实验的能力。

本文面向本科教学，针对“电力系统分析”课程中关于电压调整的教学内容，设计并开发了电力系统电压调整仿真实验教学平台[6]。文中首先介绍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，对其图形用户界面GUI(Graphical User Interface)设计及程序设计分别进行了说明[7～8]，最后将以仿真实验教学案例的方式给出平台的应用实例，从而论证平台的应用效果。

1 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交互式的用户界面，实现无功与电压调整的仿真，以虚拟仿真实验的方式增进学生对该部分理论知识的理解和掌握。本平台结合电压调整的核心内容，设计了平台功能，该平台的总体架构如图1所示。

图1 仿真实验教学平台总体架构图

电力系统电压调整仿真实验教学平台GUI作为人机交互的中间环节，用户主要通过GUI进行操作，通过在GUI运行界面进行相关模块的参数输入及下达指令，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。

电力系统电压调整仿真实验教学平台GUI包括系统图显示、负荷情况设置区、电压调整设置区、当前运行状态显示、发电机向量图显示和变电站电压/无功九区图显示。GUI界面接收到来自用户的参数和指令后，调用电力系统电压调整的计算程序，并将程序运行后所反馈的计算结果通过数据、图像等形式显示在相应模块上。

电力系统电压调整计算程序包括参数更新与显示、潮流计算、发电机向量图分析和变电站电压/无功九区图运行点分析。程序被GUI调用，读取当前参数并更新程序内置参数，根据当前的运行状态进行相关计算。计算结束后，程序将计算结果反馈给GUI界面。

2 仿真实验教学平台的实现

Matlab的图形用户界面开发环境GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)为用户设计用户图形界面提供了便利[9]。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；另外一个是m文件，包含控制GUI的代码和组件的回调函数。版面设计的相关内容保存在fig文件中，而程序代码则保存在m文件中，两个文件共同决定了GUI的显示与功能实现。

2.1 GUI设计

首先设置了实验模块选择界面，如图2所示，包括简单系统仿真实验以及复杂系统的仿真实验，其中简单系统主要是基于单机单向供电系统让学生进行认知性实验，便于掌握各种调压手段的调压规律，而复杂系统则是基于IEEE的9节点算例系统进行综合性调压实验。

图2 实验模块选择界面

其中简单系统电压调整仿真实验的GUI界面如图3所示。

图3 仿真实验教学平台界面

主要由六部分组成：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、发电机向量图显示区、变电站电压/无功自动控制九区图显示[10～11]。以下介绍这几个主要功能区：

(1)系统图显示区：显示实验系统的电气原理图，如图4所示，系统参数内置在程序中，若需要修改参数可通过修改代码来实现。

图4 实验系统的电气原理图

为贴合实际，考虑系统中输电线路可能的日常检修或者故障以及电容器组可能的日常检修或者故障，可以通过程序参数的设置，调节系统状态。例如可以将双回输电线路设置为故障开断状态，电容器组设置为部分检修状态，无法全部投入运行，对应的系统图界面将变更为图5。

图5 设置故障后的实验系统界面

(2)负荷情况设置区：用于设置负荷参数，如图6所示，提供两种设置方式，一种是人工输入给定负荷参数，并计算功率因数。此外考虑到外部负荷的随机性，也可以由系统随机生成负荷参数，适合开放性的实验练习环节。且可以在连续的电压调节实验过程中进行更改以模拟负荷的波动。

图6 负荷情况设置界面

(3)电压调整设置区：用于设置多种电压调整措施的参数，如图7所示，包括调节发电机的机端电压、选择变压器抽头档位、投退电容器补偿等。

(4)当前运行状态显示区：在分析结束后，仿真结果会显示在该区域内，显示当前低压母线电压及功率因数。

(5)发电机向量图显示区：此部分模块结合发

图7 电压调整设置界面

电机相量图的知识点，显示发电机的空载电势、机端电压、输出电流的相量图。

(6)变电站电压/无功自动控制九区图：此部分模块结合变电站自动化的知识点，显示根据低压母线电压和功率因数划分的九区图[10～11]，如图8所示。

图8 九区图显示界面

图中深色区域为符合控制目标的正常工作区域，该区域还能够根据调节变压器分接头位置和投入运行的电容器组数显示系统运行点变化的轨迹。

此外，复杂系统的电压调整仿真实验界面如图9所示。

图9 IEEE9节点系统电压调整仿真实验界面

复杂系统主要考虑多机含环网的网络，更接近实际电力系统调压的场景，主要基于IEEE的9节点算例系统的数据进行实验。主要包含系统图显示、电压调整设置区、电压柱状图显示区。按钮设置了“读入基准点数据”、“运行”以及“转换为标幺值”三项功能，其中“读入基准点数据”主要是读取IEEE9节点算例数据并得到初始电压分布情况，选择调压方式后点击“运行”可以得到调整后的电压分布图，而“转换为标幺值”按钮则是为了更直观显示当前电压相对于额定值的大小。

2.2 程序设计

本平台的程序流程图如图10所示。

图10 程序流程图

用户运行GUI界面后，输入或生成基础负荷参数，点击“分析”按钮，系统读取当前参数并更新程序内置参数，并根据当前运行状态进行相应计算。该部分程序运行完成后，界面内显示当前运行状态，更新发电机向量图，并绘制九区图运行点转移轨迹。此时，用户可继续选择“运行”、“清空”和“退出”命令。若选择“运行”，则继续设置电压调整措施的对应参数，程序重复进行上述流程；若选择“清空”，系统将清除参数及图形显示，用户重新输入或生成基础负荷数据，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。

3 仿真实验教学实例

下面以电力系统电压调整仿真实验平台在我院“电力系统分析”课程教学中的运用为例，对仿真实验教学平台的应用场景进行介绍，主要展示简单系统电压调整实验的实验过程。

首先在理论课教学环节中，学生通过教师讲授的方式基本了解电压调整的基本原理，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直观认识，并通过开放性实验的训练巩固相关理论知识，透彻理解，熟练运用。

实验实施过程举例如下：

(1)设定外部故障，单回输电线路开断，给定负荷参数，如输入有功负荷100MW，无功负荷50Mvar，系统计算得负荷功率因数为0.89。

(2)设置电压调整措施，发电机机端电压控制为10.5kV，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，获得当前低压母线电压为9.9kV，由于无补偿，低压母线功率因数即为初始负荷功率因数0.89。当前界面如图11所示，可见系统当前存在一回输电线路开断的情况以及表征当前运行状态的参数。

图11 实验过程界面

(4)可由学生自行选择电压调整措施，并调节参数，观测实验结果并记录。例如投入1组10Mvar的电容器，观测调整后的结果，可发现低压母线电压提升到10.25kV，补偿后低压母线功率因数达到0.93。

(5)观察发电机相量图的变化，调整前后的发电机相量图如图12所示，以往的学生中发电机相量图的知识点与电压调整中发电机调压的知识点是相互割裂的，本平台将两个知识点进行串联，学生可直观观察电压调整过程中，发电机相量图的变化情况以及励磁电流的变化情况。由图可知，由于电容器补偿提高了功率因数，电流相量滞后电压相量的角度明显减小。此外在维持机端电压恒定的情况下，

(a)调整前 (b)调整后图12 调整前后的相量图对比

所需的励磁电流也有所下降。

(6)观察电压/无功自动控制九区图，学生可以直观了解系统运行点的变化，如图13所示。初始状态下，系统运行点处于1处，电压与功率因数均偏低，而调整后运行点来到2处，处于正常工作区域，可不必再继续调整。

图13 调整前后的系统运行点对比

(7)为模拟实际系统运行过程中负荷的变化，可以在实验过程中修改负荷参数来模拟负荷的变动，从而实现动态电压调整实验。如增加负荷为有功负荷120MW，无功负荷65Mvar，运行点变动到3处，低压母线电压与功率因数均明显下降。随之再投入1组电容器，运行点转移到4处，功率因数合格而电压仍偏低，进一步调节降压变抽头档位，电压提升至合格范围，运行点转移到5处，经过一系列实验操作从而得到系统运行点的动态变化轨迹，如图14所示，学生可通过这一过程明确了解系统无功电压的变化状况。

图14 系统运行点变化轨迹

4 结语

本文开发了一款基于Matlab的电力系统电压调整仿真实验教学平台，获得以下结论：

(1)通过虚拟仿真实验能够针对原本抽象、难理解的内容进行直观展示，提升理论课的教学效果。

该平台有利于开展研究性和开放性实验教学，培养学生的创新意识，激发学生的科研兴趣。

(2)在电压调整实验中细化了励磁调节特性、电容器补偿的无功电压特性等，且与发电机相量图、变电站电压/无功九区图的可视化相结合，有助于学生串联多个相关知识点。

(3)仿真实验教学平台增强了实验的便利性与灵活性，确保电气类实验安全，不会出现损坏设备或者危及人身安全的情况，能够加强学生自主参与实验的能力。