2019大规模电力系统调度虚拟仿真实验

大规模电力系统调度是电力系统安全经济运行的重要基石，是满足人民对美好生活向往的重要支撑。电能是国民经济发展的重要能量来源，一旦发生事故则会造成灾难性后果。2019年8月9日下午5点，英国发生大规模停电事故，有100万人受到停电影响；2019年7月13日下午7点，美国纽约突发大面积停电，导致核心金融CBD区陷入一片黑暗。我国电网规模居世界第一，是全球安全运行水平最高最先进的电网，大规模电力系统分析和调度，是电力系统安全经济运行的重要基石。

电力系统调度涉及电气工程专业的核心主干课程《电力系统基础》，教学和实验中具有“调度对象难以实物化”“调度过程难以实物化”“调度效果难以实物化”的特点。构建电力系统调度虚拟仿真系统，将现实中有巨大人身安全风险和巨大生产安全风险的电力系统调度实验移植到了电脑里，将不易展现效果的复杂调度过程变得可重复、可分析、可探索。因此，针对大规模电力系统调度教学重点和难点，开展数字建模和虚拟构建、再现和过程，构建电力系统调度虚拟实验，具有非常重要的意义。

本项目内容源于工程实际和科研前沿，经过精心设计，构建出“理论方法教学+虚拟实物仿真+工程实际操作”实验体系，目的是让学生通过“理论方法教学”夯实调度知识，通过“虚拟实物仿真”加强系统感知和知识理解，最终在虚拟真实环境下进行“工程实际操作”提升操作技能和培养创新能力。

通过本虚拟仿真实验，学生可掌握以下知识：

（1）全面感知电力系统中发电厂、输电线路、变电站等重要设备，并对设备出厂参数进行转换计算以满足调度要求；

（2）全面掌握电力系统潮流计算基础理论，从发电侧、输电侧、变电侧全方位理解潮流计算的具体应用场景；

（3）深刻理解正常状态下电网电压调整策略，把控无功电压耦合特性和局部调整特性，具备工程实际电压调整能力；

（4）深刻理解正常状态电网有功调度策略，把控有功耦合特性和全局调整特性，具备工程实际有功调度能力。

（5）深刻理解异常状态电网故障处置策略，具备工程实际故障处置能力，探究最优故障处置策略。

大规模电力系统调度虚拟仿真实验项目，有两个关键词：大规模电力系统和虚拟仿真。项目将现实中高电压大电流危险环境下的发电机、变电站等电力装备进行数字建模，可以对抽象的电力系统调度过程进行量化“虚拟调度”，数字化重现调度效果的真实面貌，最终能够将复杂的调度过程以虚拟形象方式展现。学生基于真实江苏电网数据开展实验，面向实际调度的真实操作环境开展实际操作，从电力系统认知到常规调度到故障处置，全面提升对电力系统调度的宏观把控，全面提升学生的工程操作水平和创新能力。

本项目针对电力系统调度实验教学内容复杂且抽象的特征，提出“理论方法教学+虚拟实物仿真+工程实际操作”的实验设计原则，以江苏电网实际数据为蓝本，通过VR仿真技术建构了一个完整的电网调度环境，学生可身临其境般地沉浸在该环境中，体验和认知电网的运行与控制。整个实验分为全面感知模式、基础训练模式和综合设计模式。实验的设计是以电力系统感知为开始（全面感知），学生根据掌握的知识学习和分析调度策略（基础训练），对紧急故障进行正确处置（综合设计），反思调度安全性和经济性的多目标要求，进而对调度策略的合理性、正确性进行验证。

1. 专业与年级要求

本实验项目面向高等学校电气工程及自动化相关专业的学生。相关实验步骤可拓展至发电厂电气继电保护等方向课程的学习。

项目对应的核心知识点与《电能系统基础》课程直接关联，也适用于《电力系统暂态分析》、《发电厂电气原理》、《电力系统暂态分析》、《电机学》等课程的相关知识、能力要求的培养。通常安排在本科2-3年级学习。

2. 基本知识和能力要求

本实验项目要求学生的先修课程包括《电路》、《自动控制原理》、《电力系统继电保护》和《电力系统自动装置原理》及其他基础课程，学生需要具备电力系统的相关基础理论知识并有一定的电气实验操作基础。具体包括：

（1） 学生需掌握电力系统发电机、变压器、线路的稳态模型；

（2） 学生需掌握牛顿拉夫逊法的极坐标潮流模型和算法；

（3） 学生需掌握电力系统电压调整策略，包括发电机调压、变电站分接头调压、无功补偿调压等知识；

（4） 学生需掌握电力系统调频知识，包括发电机增减出力、变电站切负荷等知识；

（5） 学生需具备线路输送极限功率、故障电流工程计算、电力系统暂态稳定等基础知识；

（6） 学生对电力系统优化运行有一定的综合分析和优化能力。

本虚拟仿真项目采用多层次考核对学生实验效果进行评价，由预习考核、实验操作考核和实验报告等三部分组成。

（1）预习考核——预习考核是在学生掌握相关知识背景之后、正式进行大规模电力系统调度实验之前进行的。本环节考核的目的是判断学生是否有足够的知识储备进行大规模电力系统调度实验，从而保证虚拟仿真实验的效果。本环节考核以选择题为主，采用五道选择题，每题2分，进行正式实验，满分10分。

（2）实验操作考核——实验操作考核判断学生是否按照实验引导和标准流程进行实验，是否对实验过程、结果和意义有着清晰的认识、能 够得到准确的实验结论，采用过程考核和测试考核相结合的方式。过程考核通过记录学生每一步的操作及方案，测试考核通过对实验过程和结果进行出题考察学生对实验以及操作之后结果的掌握程度。

（3）实验报告——本环节考核要求学生在完成实验后对于系统认知和潮流计算、电网调度、故障处置三个环节分别提交实验报告，要求记录每一步的操作及结果以及评价，并撰写实验总结、规律分析和实验感想。主要考核学生是否真正掌握电力系统调度三个环节的相关知识，通过最终的实验记录和感想总结考察学生的掌握程度，并对整个实验进行打分。实验规律总结占15分，由实验老师打分。实验感想和总结15分，由实验老师打分。