摘要：PowerWorld Simulator是一款大型电力系统分析专业商用软件，具有友好便捷的可视化分析界面。应用该软件辅助“电力系统分析”课程的教学，使波阻抗、自然功率、潮流分析、电力系统故障模拟分析、无功补偿及电压调整等理论概念变得直观、形象、生动，取得了良好的教学效果。
关键词：PowerWorld Simulator；电力系统分析教学；可视化
作者简介：郭振威（1974-），男，湖南新宁人，邵阳学院电力工程系，讲师；黄肇（1970-），男，湖南绥宁人，邵阳学院电力工程系，讲师。（湖南
邵阳 422000）
基金项目：本文系邵阳学院教改课题“PowerWorld在‘电力系统分析’教学改革中的应用研究”的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）03- 0180-02
“电力系统分析”是电力相关专业的主干核心课程，由于电力系统是一个庞大、复杂的时变系统，并且该课程具有高度抽象性，传统教学模式更多地拘泥于对具体方法的认识和计算过程的强调，使学生把大量的时间花在公式记忆和公式应用上，导致知识割裂，对很多基本概念理解很模糊，更难于全面把握整个电力系统的概念，造成对实际电网的理解不够深入。在多媒体教学日益普及的今天，亟需借助合适的辅助教学手段提升教学效果。
一、可视化电力系统仿真软件
PowerWorld Simulator（以下简称PWS）融合了多种可视化手段，是一款大型电力系统分析专业商用软件。在算法设计上以高效无缝的潮流计算为基础，以强大的软件功能包为支撑，能够充分满足校内教学以及科研的需求，并且在系统建模过程中体现了良好的用户交互性。
1.优秀的可视化功能
软件开发了多种类型的可视化技术手段来展现电力系统的关键电气信息，包括动画潮流、等高线、三维视图、动态缩放饼图、高亮突显功能、动态格式化、GIS功能、分层显示、过滤器等。动画潮流不仅可以表征数据流动的方向，同时还可以给出线路负载的直观感觉；借助线路饼图的自动变色及放大功能，可方便地获取具体的越限信息；线路等高线有助于从整体上去观察和发现全网的薄弱环节。该软件的高级功能，如最优潮流、事故分析、线路传输容量等，需考虑的变量更多，为方便这些领域的研究，软件引入三维可视化技术进行辅助研究。
2.强大的计算功能
PWS的核心是一个综合的、强大的潮流计算软件，它可以有效地求解多达100 000个节点的系统。软件提供单步牛拉法、直流法、快速解耦法、极坐标牛拉法等多种算法供选择，并且经过对稀疏矩阵技术的优化以及潮流算法本身鲁棒性的进一步优化，实现了无缝潮流计算功能，即一旦在图形界面上灵活地修改运行方式（包括进行开断/闭合线路、改变发电机出力、负荷大小、改变网架结构等操作）时，无需任何切换就可以重新进行潮流计算，以可视化的手段展现新的计算结果。借助这种仿真手段，可以实时观察到电网运行方式发生变化时对应的最新潮流及电网运行状况，真正实现了“所见即所得”，这是有别于其他电力系统分析计算软件的。
作为电力系统仿真软件必不可少的部分，该软件还包含了强大的分析功能，即系统静态安全分析、短路计算、灵敏度计算、最优潮流（OPF）/带安全约束的最优潮流（SCOPF）、PVQV分析工具、暂态稳定计算、分时段仿真、差异潮流、电力市场交易等。
3.友好方便的操作界面
软件的用户界面非常友好，系统元件齐全，采用图模一体化的方式进行建模，在图形界面上搭建网络的同时完成数据的录入、数据自动入库并形成连接关系。这种建模方式也使得在PWS上搭建的模型具有良好的扩展性，用户可以运用仿真器中的编辑器对模型进行任意修改直至满意。在图形界面上可以实现所见即所得的效果；对于复杂电网，某些暂时不希望观察到的部分可以隐藏掉，以便界面更清晰，要实现这一功能只需做简单的隐藏筛选设置即可。该软件可以将直接导入的BPA、PSS-E等数据转化为PWS数据，并利用图模一体化功能，系统建模变得方便快捷，极大地提高了效率。
二、PWS在电力系统分析教学中的应用
1.电力系统潮流可视化分析
潮流分析计算是电力系统分析课程一个基本而重要的内容，如图1所示，应用PWS做潮流分析，可以直观而形象展示潮流分析的过程和结果。在事例中设置了负荷或发电机出力的箭头调节按钮，可以很直观地演示调节负荷或发电机出力，来观察潮流变化情况。在线路和变压器上可以添加饼图，可实时了解它们负载率的变化。母线电压既可以用有名值表示，也可用标幺值表示，电压相角也可很方便地表示出来。有功、无功潮流方向在图1中很清楚地显示出来，这样就容易把握有功、无功流动的内在规律。当线路负载等于自然功率（SIL）时，线路的电压特性曲线是水平的，线路无功网损为0；如果负荷大于SIL，线路消耗无功，负荷电压幅值低于送端电压值；相反，负荷小于SIL，线路发出无功，负荷的电压幅值大于送端电压值。线路、变压器、负荷、补偿等都可以设置断路器，实现这些设备可视化的投退，并可实时查看随之变化的电压、电网潮流转移等全面的综合信息。PWS可视化分析使这些原本抽象枯燥的理论概念一目了然。
2.电力系统最优潮流可视化分析
电力系统最优潮流OPF（Optimal Power Flow），本质上是求解一个大型的非线性（Linear Programme，简称LP）规划问题。目的就是当系统的结构参数及负荷情况给定时，在满足系统各种约束条件下，通过调节控制变量使指定的目标函数值达到最小。PWS中OPF就是将OPF计算和LMP（Locational Marginal Price，节点边际电价）计算结合，考虑输电系统的各种约束，边缘成本局部化，是结合了电力市场知识的LP问题。通过线性规划计算，按照最低成本的目标函数对机组MW作最优分配，并计算出各节点电价LMP，用来指导市场交易。
仿真中，用户可以通过改变机组有功出力和相角变换器来进行控制。发电机总成本，为LP OPF关注的目标函数，最终希望经过求解可以实现机组总成本为最小。PWS中发电机的费用模型有两种可根据需要选择，模型一是立方模型，发电机费用模型函数为：
模型二是分段线性模型，发电机边际费用模型。发电机的费用模型函数可由图2所示。
这两种费用模型在PWS都可容易实现，应用PWS建立基本潮流模型后，再进行LP OPF分析。（1）确定LP OPF>OPF Areas（或者Super Area）>AGC Status设置于“OPF”。（2）确定发电机模型为非“none”，LP OPF>OPF Generators>cost model设置于“分段”或者“立方”状态。（3）每次求新解，点击LP OPF>Primal LP，即可得到机组最优分配的MW，以及各节点的LMP。
3.电网模拟故障可视化分析
PWS包含一个完善的能够全面分析单相或三相短路的自动短路分析仿真器。短路类型包括：单相对地短路、相间短路、两相对地短路和三相短路。通常，短路分析可由Run Mode 进入Tools/Fault Analysis 或从Run Mode工具条进入。在相应对话框中可精确指定短路点在某回线路的具体位置。在单线图中配以GIS背景图，辅助以天气情况，可对不同季节最易出故障的线路、最易出故障的区段，有针对性地仿真。可以模拟一段时间内系统的故障变化，反映一天或更长时间的故障变化所引起的发电机出力以及线路潮流的变化过程，逼真地反映实际的物理系统，便于理解电力系统的故障发展情况。图3展示了母线三相短路的情况。单线图中直接可看到短路分析中计算出的电压和电流。当然分析结果同时保存在Fault Data 页中以供查询。
4.无功补偿及电压调整的可视化分析
无功补偿、电压调整是电力系统紧密相关的一对概念。无功补偿有并联电抗器、电容器和并联电容器，它们的作用和应用场合各不相同，初学者较难掌握。并联电抗器和电容器用在中等和长线路上来提高线路负载能力和维持电压在额定值附近。并联电抗补偿提高传输线电压调整，在轻载情况下，吸收无功并降低轻载情况下的过电压。它同样可以降低由操作和雷电引起的暂态过电压。然而，在重载的情况下，如不退出，并联电抗器会降低线路负载能力。串联电容器用来提高长线路的负载能力。其作用是降低线路和电容器组串联的网络串联阻抗，以降低线路的电压降和提高静态稳定极限。并联电容器是无功电源，提供电压支撑。
图4是一个实际电网的等值模型，包含了上述几种补偿的典型情况。使用箭头按钮调节负荷、无功补偿大小来观察母线电压和线路无功消耗的情况，以及无功传输对线损的影响。这样可以更直观形象且更深刻地理解“无功补偿应按全面规划、合理布局、分层分区补偿、就地平衡的原则确定最优补偿容量和分布方式”的规程规定。
5.静态安全分析的可视化分析
静态安全分析是“电力系统分析”课程中又一核心而综合的概念。它根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件及给定的切除方案，确定切除某些元件是否危及系统的安全。通过静态安全分析，可以快速检查指定区域中每一个元件故障后系统状态，指出系统运行的薄弱环节，为电网运行、规划提供依据。
PWS静态安全分析计算实际上是进行多个潮流方案计算，主要使用全牛顿法或者使用直流负荷潮流算法来分析每一次事故，主要功能和特点可概括为以下几个方面。
（1）可选择进行全网，某区域网或某电压等级网的N-1计算，以及对指定切除方案的计算。
（2）切除方案信息的给定简单、方便、灵活，一个方案可以是传输线、变压器、发电机或负荷中的某个元件，也可是其中多个元件的任意组合。
（3）以潮流计算为基础，其基本数据包括所基于潮流的全部数据和发电机及其调速器的部分数据。
（4）结果输出的内容和形式多种多样。既可分别输出每个切除方案的多种信息（如各种物理量的越限信息等），也可对所有切除方案作各种形式的统计（如可按一个物理量、一个范围、一条母线、一回线路或一台变压器）输出。
三、结束语
引进大型电力系统可视化软件PWS，使电力系统分析课程的许多概念讲解起来更直观、形象、生动，易于理解、记忆，激发了学生的学习积极性。通过演示构造实际复杂大型电力系统，更有助于牢固建立电力系统整体的概念，使学生接触到实际电网运行方面的知识，更好地适应社会发展需要。
参考文献：
[1]J.Duncan Glover,Mulukutla S Sarma.Power System Analysis and Design[M].Thomson-Engineering,2001.
[2]覃惠玲,张菁,MARK Laufenberg.Power World功能在电力系统中的应用[J].广西电力,2009,(5):12-15.
（责任编辑：沈清）
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