PWS在电气工程专业毕业设计中的应用

摘要：以Power World Simulator在电网规划设计方面的应用为例，阐述了将该软件包应用于电气工程专业毕业设计的具体实践。

关键词：PWS；毕业设计；电网规划

作者简介：王颖（1980-），女，河南商丘人，中国计量学院机电工程学院，讲师。（浙江杭州310018）

中图分类号：G642.477     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）06-0100-02

中国计量学院电气工程及其自动化专业中电力系统类的毕业设计一直向着新颖、实用的方向不断调整选题、推陈出新。作为软件类的电力系统仿真题目一直受到广大学生的青睐，这就对仿真工具提出了“界面友好”、“方便实用”等要求，更重要的是，仿真软件的运行结果一定要在行业内有较高的认可度。

Power World Simulator（PWS，电力世界仿真器）软件是美国伊利诺亚大学开发的一款面向对象的电力系统可视化软件包。PWS具有潮流功能模块、事故分析模块、灵敏度分析模块、最优潮流分析模块、故障分析模块。

将PWS仿真软件引入毕业设计环节，顺应了教学需求。经过几年的教学实践，该软件受到了一线教师和学生的广泛认可。笔者所指导的采用该软件进行的毕业设计曾经连续两届被评为本校本科学生“优秀毕业论文”。

在毕业设计环节，应用PWS可以进行有关电压调整、静态安全分析等方面的课题研究。本文将主要就PWS在电网规划设计方面的应用做详细介绍，在此，所用到的主要是潮流功能模块和事故分析模块。

一、PWS简介[1]

PWS是一个电力系统仿真软件包，建构在对用户良好交互性的基础上。它的核心是一个功能强大的潮流计算软件，可以有效求解多达100000个节点的系统[2-3]。这使得电力世界仿真器作为一个独立的潮流分析软件包十分有用。与其他同类商业应用软件不同，PWS允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。在PWS中，输电线路的通断、变压器或发电机的增加以及联络线功率的交换，一切仅需点击鼠标即可完成。此外，图形和动画演示的广泛使用增强了用户对系统特性、存在问题和限制条件的理解以及方便修改。

PWS提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样，它可以图形化地显示负荷、发电量和联络功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行条件的变化。这项功能在解决电网扩建引起的网络结构变化之类问题时十分有用。

除了上述特点，PWS以其一体化的经济调度、联络功率交易经济性分析、功率传输分配因子（PTDF）计算和突发事故的强大分析能力为特色，所有这一切都可以通过一个简单易用的界面来实现。

二、PWS应用实例

1.设计任务与要求

某铝材公司ABC将在城市北部建一座新工厂。该工厂的负荷峰值预计将会达到48MW，10Mvar。然而，城北的电网较为薄弱。为满足该工厂的新增负荷，在该厂处需新建一所变电站。新的变电站适合安装138/69kV等级的变压器。此外，工厂要求至少接入两回线。现在的任务是保证在峰值负荷情况下，工厂的新增负荷接入后，城市北郊的输电网可以在正常和发生偶然事故时稳定运行。新增变电站不仅能满足工厂的用电需求，还可以使北部电网得到加强。新增变电站的地理位置与城市电网中邻近母线之间的距离已给定。

具体的研究内容是铝材工厂的新负荷接入后，使得系统能保证在正常状态和偶然事故时的正常运行，提出最合理的方案。系统安全运行要求线路和变压器负荷不得超过额定值，且母线电压水平保持在额定值的95%至106%间。母线间的相对位置和相关设备的价格也已知。

设计要求：

（1）利用PWS对该城市电网建模。演示初始潮流已确定在不接入铝材公司负荷的情况下的系统中运行。要求所有线路潮流和母线电压在限度以内。

（2）对原电网考虑任一条输电线路或变压器故障的影响，进行事故分析。

（3）母线间的相对位置和输电线参数及相关设备的价格已知。确定铝材工厂新负荷接入后能保证系统基本运行和抵御偶然事故的最经济的设计方案。改造总费用定义为建设成本减去未来五年内因降低系统损耗而所节省的花费[4]。

2.仿真建模

根据任务要求，利用PWS建立仿真模型，并进行初步潮流计算。计算结果显示在图1。

潮流结果显示，原始的城市电网各处母线及线路的运行情况均正常，无任何电气参数越限。

3.对原始电网进行预想事故分析

选择Option/Tools-Contingency Analysis的任一条输电线或变压器故障选项进行自动事故分析。

结果显示：

（1）若断开RAY69-FERNA69线路，就会出现两个越限情况，见图2：节点FERNA69的电压过低和节点DEMAR69和BLT69间的输电线路过载。

（2）若断开RAY69-RAY138线路则会出现一个越限情况，即节点DEMAR69和BLT69间的输电线路过载。

说明原始电网虽然正常运行时潮流不越限，但是其背后却隐藏着薄弱环节，通过预想事故分析仿真即可暴露其缺陷。

对此，提出了相应的解决方案：对于电压过低现象的解决办法是选择利用无功补偿设备来调压。

从图2中，可以看到母线FERNA69电压过低，为额定值的94%。因这条母线上已经并联了无功电源――补偿电容，故只需增大母线FERNA69的并联电容无功输出值即可达到要求。补偿的容量可以通过“试错法”得到。

4.计及安全的新电网经济方案设计

已知条件：输电线路（69kV及138kV）――新输电线路包括固定成本和可变成本。固定成本指购买和安装断路器、继电保护的费用以及改变变电站母线构造所需费用。变压器（138kV/69kV）――变压器价格包括所连断路器、继电保护费用和安装费用。母线成本，等等。因篇幅限制，此处省略具体成本参数。

根据课题要求，为了将新的负荷连入电网，可以设计两种接线方案[5-6]，分别如图3、4所示。

（1）方案1：从GROSS、PETE、DEMAR、FERNA中任取两个69kV等级的母线连接到母线ABC69。

（2）方案2：在母线RAY138与ABC69间添加一台变压器，从GROSS、PETE、DEMAR、FERNA中任取一个69kV等级的母线连接到母线ABC69。

成本计算公式：

改造总价格=新增的建设成本-改造后节约的成本

=新增的建设成本-50×24×365×减少的有功电网损耗

=新增的建设成本-50×8760×减少的有功损耗

5.方案仿真分析及成本计算

（1）根据方案1，经过仿真，发现都不能使系统正常运行，电网出现崩溃。新负荷接入后的新网损为原来的2.58倍。故不采用方案1的接线方式。

（2）根据方案2，以ABC69连接GROSS69和RAY138的接线情况为例：

1）运行潮流演示，潮流功率分布也都在要求范围内，这表示电网能保证日常工作的正常运行。

2）进行预想事故分析，结果显示电网无越限情况，表明该电网能保证偶然事故时的稳定运行。

3）成本计算。查看case summary菜单，可得此时的有功电网损耗为10.41MW，进而计算相应的建造成本：

新增的建设成本=870000+100000+170000×11.9+250000+870000+100000+170000×10+50000+105000×3.2=6299000（美元）

改造总价格=6299000-50×8760×（11.56-10.41）=5795300（美元）

用相同的方法对其余三种接线方式进行仿真及成本计算，得到的改造总价如表1。

6.小结

按方案1进行线路连接，新的负荷加入后，电网会出现崩溃现象。出现此现象的原因是：原来这部分区域的电网较为薄弱，新负荷的接入进一步加重了电网的负担，使得ABC69连接端的电压连续下降。

按方案2进行线路连接，可使输电网达到在基本情况和偶然事故时稳定运行的目标。比较四种方式，发现在负荷接入后，电网运行时产生的新的电网损耗较原来电网损耗的减少量相差无几，故选择方案时，主要考虑建设的成本大小。

经比较，最终选择方案2中的方式①，即母线ABC69连接母线GROSS69和RAY138，变压器容量选为101MVA，改造总价格为5795300美元，电网损耗比原来减少9.9%。同时在预想事故分析时未出现电压降低或线路潮流功率过载现象，原电网也得到了加强。

三、结论

本文主要介绍了Power World在电网规划设计方面的应用，即对原电网进行了潮流分析、预想事故分析，并着重比较了计及安全情况下新负荷接入后的经济方案，制定出最合理的接线方式。

将电力仿真软件PWS引入电气专业的毕业设计环节，经多方反馈，一致认为取得了非常有意义的教学效果。不仅让学生通过实例运行加深对电力系统的认识，而且可以充分发挥其创造力，进一步进行电网的规划设计。希望本文能够对兄弟院校的相关教学提供有效的帮助。

参考文献：

[1]张仰飞,李先允,郝思鹏.可视化软件包Power World Simulator在电力系统教学中的应用[J].中国电力教育,2006,(S1).

[2]廖青华,赵斌.电力系统可视化仿真软件Power World的应用[J].河南机电高等专科学校学报,2008,(6).

[3]王庆红,等.电力系统可视化计算分析平台用户手册[M].广西:电力勘察设计研究院数字电网研究中心,2005.

[4]J.Duncan Glover,Mulukutla.S.Sarma.电力系统分析与设计[M].北京:机械工业出版社,2007.

[5]吕文杰.地区电网最优化规划方案研讨[J].电网技术,1999,(1).

[6]徐海涛.浅议电力系统规划[J].科技资讯,2009,(2).