论文部分内容阅读
摘要：Labview是测量领域的图形化编程软件，将其应用到“电力系统分析”课程教学中，可将传统教学中繁琐的公式用更为形象的图形、波形和向量图来表示。主要从复数功率、传输线模型来说明Labview仿真在教学中的优点，通过改变输入，可以看到不同参数对电力系统的影响。
关键词：Labview；电力系统分析；仿真
作者简介：徐相波（1977-），男，江苏常州人，冀北电力职业技术学院电气工程系，讲师；徐超（1978-），女，黑龙江嫩江人，冀北电力职业技术学院电气工程系，讲师。（河北?保定?071051）
中图分类号：G712?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）21-0079-02
“电力系统分析”在电气专业中属于一门较为传统的课程，教学方式多以教材为主，较为偏重理论的分析和例题计算。而在实际情况中，电力系统是一个十分复杂、庞大的系统，而随着近年来超高压和特高压输电技术的推广，新的科技发展给其带来了较大的变化。仅靠传统的教学方式是不够的，静态的PPT演示和计算辅助程序起到的作用有限，也有采用PowerWorld来做动态潮流演示的，但需要学生有较好的基础和较强的理解能力。[1-4]
从高职教育的特点来看，学生的普遍素质不高，对于系统的整体运行没有基本的概念，甚至对电压电流波形都不甚清楚。因此面对这样的教学对象，通常的数学推导计算辅助手段不能起到较好的作用。当前有许多具有图形显示功能的软件，但是具有编写简单，且能显示各种图形以及波形功能的软件并不多，其中Labview是比较突出的。本文采用此软件来编写电力系统分析教学辅助仿真程序。通过数字、电气量波形和向量图的显示，学生们可以更清楚地感受到有功功率传输和无功功率补偿的意义，而不是只能通过复杂的公式来体会电力系统的各种现象。
Labview软件除了具有强大的波形显示能力外，在配置上数字信号转换卡后，还可以直接测量外部电气信号来辅助教学，对电力系统教学也能起到较好的帮助。除此之外，如果使用CGI、Active X和Java等方式，还可以使学生在远端与服务器端的Labview程序进行通讯，因此使用Labview来进行电力系统教学仿真有较大的提升空间。本文通过其编写电力系统分析课程的仿真课件，主要从复数功率和输电线路等值模型两个项目来体现其教学辅助功能，而后续还会加上故障分析、潮流分析、标幺值转换等内容。[5]
一、程序主框架
图1是主程序的界面，主要分为两个部分：左边是提供学习的互动式部分，右边则提出相关问题供学生们思考并检验其学习成果。使用程序者只需要按下相关按钮就可以进入相对应的子程序，使用十分简单。图2是主程序对应的后面板，通过一个循环结构，可以从主界面切换到复功率的子界面，其中使用的是Labview软件中的事件结构，可以有效地在主界面和子界面之间进行切换。通过主界面上按钮和子界面上的按钮来实现程序的转换功能。
二、复功率
复数功率计算子程序的显示面板可以同时执行两个复数功率计算，分别显示在面板的上下两个部分。面板的左边是电压电流大小（RMS值）及角度的输入，中间的波形图则对应电压电流波形，右边是复数功率计算的过程，先将电压变成相量方式表示，电流则变为电压相量的共轭值，这两个参数相乘就可以得到复数功率，接着就可以显示复数功率的两个分量P和Q。上下两个复数功率的相加和相减也显示在界面上，这样可以使学生了解实部和虚部的基本概念。图3是该界面的一个运行实例，分别输入两组相量，一组为电压10，角度30，电流5，角度60；一组为电压20，角度60，电流5，角度30。从图中可以看出复功率的不同表示和简单计算。图4为复数功率计算程序的后面板，图中左边为电压电流输入点，其值可以直接输出到相量输出表示点中（因为需要取共轭，电流相量角度要取负号）。该程序框图没有采用子程序来计算，显得较为凌乱。而图5采用子程序来处理，就显得比较简洁。子程序越多，简化效果越好。
三、输电线路等值模型
输电线路等值电路的界面中，使用时需要输入线路参数比如每公里电阻、电感、电容大小以及线路长度，另外还需要提供负载状态如负荷侧电压、功率因数、视在功率等。该程序可以计算出线路首端电压、电流、有功功率、无功功率、线路损失、电压损失率。如果是中、长线路，还可以计算出输电线路的[ABCD]参数。
图6是等值线路的后面板程序，短、中和长线路三种模型的计算分别放在面板的上、中、下位置。首先，由前面板输入的RLC参数根据阻抗子程序计算出每公里的Z和Y，再根据不同长度线路模型的计算方法求出对应的[ABCD]。其中短线路中B=Z，其他A、C、D都为0。一般情况下在计算短输电线路的时候也不使用[ABCD]参数。但是可以使用同一个子程序来计算三个不同的模型。计算得到的参数和负荷的数据作为电压损失子程序的输入，就可以得到首端电压、电流、有功功率、无功功率、线损和电压损失等结果。
图7是阻抗子程序的面板，主要功能是将L和C乘以2πf，输出时每公里的阻抗和容抗。图8是电压损失率子程序的面板，输入的负载参数首先由一个负载子程序来计算出负载有功功率、负荷电流和电压，输出为一个包括负荷端电压和电流的矩阵，该矩阵和参数[ABCD]相乘就可以得到首端电压和电流，由此再可得到首端有功功率和无功功率，而线损只需要用首端功率减去末端功率就可以得到。当矩阵元素为复数时，需要使用复数矩阵计算公式。而电压损失可由公式（1）计算得出，其中A为参数[ABCD]的A。
（1）
四、总结语
本文介绍了通过Labview实现的电力系统教学辅助仿真软件，其包括复数功率和输电线路等值电路等“电力系统分析”课程中的若干主要内容。该辅助软件可使学生通过输入不同的计算参数，得到感观的输出结果，用数值、波形或者相量来显示。软件使用简单，学生可更清楚地将理论和实际系统相结合，抛开繁复的公式，对电力系统有一个更为简单清晰的了解。从实际教学效果来看，该软件适合作为辅助教学工具来提高“电力系统分析”课程的理论教学效果，未来除了加入更多内容外，还可以向远程辅助教学发展。
参考文献：
[1]陈红坤,韩华玲,向铁元.关于《电力系统分析》课程教学的改革策略[C].第6届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(上册),2009.
[2]李芳,胡斌,皮薇薇.基于工作过程的“电力系统分析”课程开发与研究[J].中国电力教育,2010,(33):118-119.
[3]吴振升,黄梅,徐丽杰.高级电力系统分析课程教学方式的研究[J].中国电力教育,2004,(21):92-94.
[4]郭振威,黄肇,袁旭龙,等.PowerWorld Simulation在电力系统分析教学中的应用[J].中国电力教育,2011,(3):181-182.
[5]陈树学,刘萱.Labview 宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.
（责任编辑：刘辉）
关键词：Labview；电力系统分析；仿真
作者简介：徐相波（1977-），男，江苏常州人，冀北电力职业技术学院电气工程系，讲师；徐超（1978-），女，黑龙江嫩江人，冀北电力职业技术学院电气工程系，讲师。（河北?保定?071051）
中图分类号：G712?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）21-0079-02
“电力系统分析”在电气专业中属于一门较为传统的课程，教学方式多以教材为主，较为偏重理论的分析和例题计算。而在实际情况中，电力系统是一个十分复杂、庞大的系统，而随着近年来超高压和特高压输电技术的推广，新的科技发展给其带来了较大的变化。仅靠传统的教学方式是不够的，静态的PPT演示和计算辅助程序起到的作用有限，也有采用PowerWorld来做动态潮流演示的，但需要学生有较好的基础和较强的理解能力。[1-4]
从高职教育的特点来看，学生的普遍素质不高，对于系统的整体运行没有基本的概念，甚至对电压电流波形都不甚清楚。因此面对这样的教学对象，通常的数学推导计算辅助手段不能起到较好的作用。当前有许多具有图形显示功能的软件，但是具有编写简单，且能显示各种图形以及波形功能的软件并不多，其中Labview是比较突出的。本文采用此软件来编写电力系统分析教学辅助仿真程序。通过数字、电气量波形和向量图的显示，学生们可以更清楚地感受到有功功率传输和无功功率补偿的意义，而不是只能通过复杂的公式来体会电力系统的各种现象。
Labview软件除了具有强大的波形显示能力外，在配置上数字信号转换卡后，还可以直接测量外部电气信号来辅助教学，对电力系统教学也能起到较好的帮助。除此之外，如果使用CGI、Active X和Java等方式，还可以使学生在远端与服务器端的Labview程序进行通讯，因此使用Labview来进行电力系统教学仿真有较大的提升空间。本文通过其编写电力系统分析课程的仿真课件，主要从复数功率和输电线路等值模型两个项目来体现其教学辅助功能，而后续还会加上故障分析、潮流分析、标幺值转换等内容。[5]
一、程序主框架
图1是主程序的界面，主要分为两个部分：左边是提供学习的互动式部分，右边则提出相关问题供学生们思考并检验其学习成果。使用程序者只需要按下相关按钮就可以进入相对应的子程序，使用十分简单。图2是主程序对应的后面板，通过一个循环结构，可以从主界面切换到复功率的子界面，其中使用的是Labview软件中的事件结构，可以有效地在主界面和子界面之间进行切换。通过主界面上按钮和子界面上的按钮来实现程序的转换功能。
二、复功率
复数功率计算子程序的显示面板可以同时执行两个复数功率计算，分别显示在面板的上下两个部分。面板的左边是电压电流大小（RMS值）及角度的输入，中间的波形图则对应电压电流波形，右边是复数功率计算的过程，先将电压变成相量方式表示，电流则变为电压相量的共轭值，这两个参数相乘就可以得到复数功率，接着就可以显示复数功率的两个分量P和Q。上下两个复数功率的相加和相减也显示在界面上，这样可以使学生了解实部和虚部的基本概念。图3是该界面的一个运行实例，分别输入两组相量，一组为电压10，角度30，电流5，角度60；一组为电压20，角度60，电流5，角度30。从图中可以看出复功率的不同表示和简单计算。图4为复数功率计算程序的后面板，图中左边为电压电流输入点，其值可以直接输出到相量输出表示点中（因为需要取共轭，电流相量角度要取负号）。该程序框图没有采用子程序来计算，显得较为凌乱。而图5采用子程序来处理，就显得比较简洁。子程序越多，简化效果越好。
三、输电线路等值模型
输电线路等值电路的界面中，使用时需要输入线路参数比如每公里电阻、电感、电容大小以及线路长度，另外还需要提供负载状态如负荷侧电压、功率因数、视在功率等。该程序可以计算出线路首端电压、电流、有功功率、无功功率、线路损失、电压损失率。如果是中、长线路，还可以计算出输电线路的[ABCD]参数。
图6是等值线路的后面板程序，短、中和长线路三种模型的计算分别放在面板的上、中、下位置。首先，由前面板输入的RLC参数根据阻抗子程序计算出每公里的Z和Y，再根据不同长度线路模型的计算方法求出对应的[ABCD]。其中短线路中B=Z，其他A、C、D都为0。一般情况下在计算短输电线路的时候也不使用[ABCD]参数。但是可以使用同一个子程序来计算三个不同的模型。计算得到的参数和负荷的数据作为电压损失子程序的输入，就可以得到首端电压、电流、有功功率、无功功率、线损和电压损失等结果。
图7是阻抗子程序的面板，主要功能是将L和C乘以2πf，输出时每公里的阻抗和容抗。图8是电压损失率子程序的面板，输入的负载参数首先由一个负载子程序来计算出负载有功功率、负荷电流和电压，输出为一个包括负荷端电压和电流的矩阵，该矩阵和参数[ABCD]相乘就可以得到首端电压和电流，由此再可得到首端有功功率和无功功率，而线损只需要用首端功率减去末端功率就可以得到。当矩阵元素为复数时，需要使用复数矩阵计算公式。而电压损失可由公式（1）计算得出，其中A为参数[ABCD]的A。
（1）
四、总结语
本文介绍了通过Labview实现的电力系统教学辅助仿真软件，其包括复数功率和输电线路等值电路等“电力系统分析”课程中的若干主要内容。该辅助软件可使学生通过输入不同的计算参数，得到感观的输出结果，用数值、波形或者相量来显示。软件使用简单，学生可更清楚地将理论和实际系统相结合，抛开繁复的公式，对电力系统有一个更为简单清晰的了解。从实际教学效果来看，该软件适合作为辅助教学工具来提高“电力系统分析”课程的理论教学效果，未来除了加入更多内容外，还可以向远程辅助教学发展。
参考文献：
[1]陈红坤,韩华玲,向铁元.关于《电力系统分析》课程教学的改革策略[C].第6届全国高等学校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集(上册),2009.
[2]李芳,胡斌,皮薇薇.基于工作过程的“电力系统分析”课程开发与研究[J].中国电力教育,2010,(33):118-119.
[3]吴振升,黄梅,徐丽杰.高级电力系统分析课程教学方式的研究[J].中国电力教育,2004,(21):92-94.
[4]郭振威,黄肇,袁旭龙,等.PowerWorld Simulation在电力系统分析教学中的应用[J].中国电力教育,2011,(3):181-182.
[5]陈树学,刘萱.Labview 宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.
（责任编辑：刘辉）