電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)踐體系構(gòu)建

電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論體系構(gòu)建〔〕:

摘要：基于半實(shí)物仿真和實(shí)物仿真技術(shù)，建成了電力系統(tǒng)方向?qū)I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)平臺，涵蓋多門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，學(xué)習(xí)和研究發(fā)電廠和電網(wǎng)運(yùn)行、控制和繼電保護(hù)等相關(guān)技術(shù)提供了一個綜合、研究、創(chuàng)新、開放的平臺，并構(gòu)建了電力系統(tǒng)多層次專業(yè)綜合理論教學(xué)體系，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合理論才能和創(chuàng)新才能創(chuàng)造了良好的條件。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；繼電保護(hù)；電力系統(tǒng)自動化；理論教學(xué)體系

本文引用格式：邵霞，等.電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論體系構(gòu)建[J].教育現(xiàn)代化,2022,7(53):4-7.

ExperimentalDesignandPracticeSystemConstructionofPowerSystemProfessionalExperimentPlatform

SHAOXia,PENGHong-hai,LIYong,WANGNa

〔CollegeofElectricalandInformationEngineeringHunanUniversity,ChangshaHunan〕

Abstract:Basedonthesemi-physicalsimulationandphysicalsimulationtechnologies,thepowersystemprofessionalprehensiveexperimentalplatformisestablished.Itcoversseveralprofessionalexperimentalcourses,andprovidesaprehensive,research,innovativeandopenplatformforthestudentstoestablishtheoverallconceptofthepowersystem,tostudyandresearchthetechnologiesofpowerplantsandpowergridsoperation,controlandrelayprotection,etc.Themulti-levelprofessionalprehensivepracticalteachingsystemisalsoconstructed,whichcreatesfavorableconditionsforcultivatingstudents"prehensivepracticalabilityandinnovationability.

Keywords:Powersystem;Relayprotection;Powersystemautomation;Practicalteachingsystem

一引言

專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)是工科專業(yè)課程教學(xué)體系的重要組成局部，是培養(yǎng)學(xué)生綜合理論才能和創(chuàng)新才能的切入點(diǎn)[1-3]。湖南大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)的電力系統(tǒng)方向設(shè)置有"電力系統(tǒng)繼電保護(hù)";、"電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)";、"電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)";等多門專業(yè)課程，假設(shè)根據(jù)各課程分別建立專業(yè)實(shí)驗(yàn)室必然造成實(shí)驗(yàn)室功能單一、經(jīng)費(fèi)投入高、占地面積大、利用率低，因此我們基于半實(shí)物仿真和實(shí)物仿真技術(shù)【4】，利用電力系統(tǒng)自動化及多功能繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建成了一室多功能、效勞于多門專業(yè)課程的電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺，有助于學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，理解發(fā)電廠及電網(wǎng)的運(yùn)行，繼電保護(hù)以及電力系統(tǒng)自動化等相關(guān)知識，同時為本科生創(chuàng)新研究、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等多個理論教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)造了良好條件。

二電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺的構(gòu)成及功能

電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺分為兩大局部：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)局部和電力系統(tǒng)自動化局部〔簡稱為電自局部〕，平臺主要構(gòu)成及功能見圖1。

〔一〕電力系統(tǒng)繼電保護(hù)局部

繼電保護(hù)局部基于半實(shí)物仿真方法構(gòu)建，一次系統(tǒng)模型采用數(shù)字仿真，二次信號〔含二次電壓信號、二次電流信號和開關(guān)量信號〕那么為真實(shí)的物理信號，繼電保護(hù)和變電站綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備為真實(shí)的物理設(shè)備。通過將數(shù)字仿真和物理模擬的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造了一個靈敏方便、效果逼真的繼電保護(hù)及變電站綜自運(yùn)行環(huán)境。

1.微機(jī)型繼電保護(hù)試驗(yàn)測試儀

采用微機(jī)型繼電保護(hù)試驗(yàn)測試儀〔以下簡稱為測試儀〕作為信號源，輸出幅值、相位均靈敏可調(diào)的電流和電壓信號，可接入繼電保護(hù)設(shè)備輸出的開關(guān)量信號，并輸出模擬斷路器分合狀態(tài)的開關(guān)量信號；測試儀還具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，多套測試儀聯(lián)網(wǎng)后可構(gòu)成模擬變電站或模擬電網(wǎng)的二次信號系統(tǒng)。利用測試儀對繼電保護(hù)裝置進(jìn)展測試與電力系統(tǒng)工程實(shí)際的實(shí)驗(yàn)方法完全一樣。

2.多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置

裝置中集成了多種數(shù)字式繼電器、10~35kV線路微機(jī)保護(hù)、110kV線路微機(jī)保護(hù)、變壓器微機(jī)主保護(hù)、變壓器微機(jī)后備保護(hù)、電容器微機(jī)保護(hù)、電動機(jī)微機(jī)保護(hù)等多種保護(hù)測控功能，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將其靈敏配置成相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。

3.主控制平臺

主控制平臺包括繼電保護(hù)特性測試子系統(tǒng)和電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)，利用PC機(jī)和相應(yīng)的測試儀控制軟件實(shí)現(xiàn)。利用電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)可進(jìn)展電力網(wǎng)靈敏組態(tài)、實(shí)時潮流分析計(jì)算，可任意設(shè)置故障點(diǎn)和短路故障類型，以及設(shè)置金屬性/經(jīng)過渡電阻短路故障情況，進(jìn)展短路故障分析計(jì)算，并控制測試儀實(shí)時輸出設(shè)定選配點(diǎn)在正常運(yùn)行和故障情況下的二次電流、電壓信號。

4.變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)

基于CENTRA2000電力系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺進(jìn)展組態(tài)，構(gòu)成變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。變電站綜自監(jiān)控主機(jī)與多臺多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置通信，實(shí)現(xiàn)變電站遙測、遙信、遙控、故障信息上傳等變電站綜自功能。

〔二〕電力系統(tǒng)自動化局部

電自局部采用實(shí)物物理模擬，由一次局部〔發(fā)電機(jī)組、模擬輸電線路、無窮大系統(tǒng)、模擬互感器、三相模擬負(fù)載箱〕、二次局部〔機(jī)組控制屏〕、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏和電力系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)〔基于CENTRA2000平臺組態(tài)構(gòu)建〕組成。模擬發(fā)電機(jī)組由三相模擬同步發(fā)電機(jī)和同軸的直流電動機(jī)〔用來模擬原動機(jī)〕組成，模擬輸電線路用電抗器模擬，無窮大系統(tǒng)用三相調(diào)壓器連接到系統(tǒng)模擬，三相負(fù)載箱用白熾燈組模擬，在輸電線路模型中可以設(shè)置瞬時性/永久性三相短路和兩相短路故障。在機(jī)組控制屏中安裝有微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)準(zhǔn)同期裝置，以及發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的其他器件，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的勵磁調(diào)節(jié)、調(diào)速及系統(tǒng)并列功能，為發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)和發(fā)電廠自動化提供條件。微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)準(zhǔn)同期裝置不僅具備現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的功能，而且可記錄機(jī)組控制的各種工況，便于學(xué)生理解電力系統(tǒng)各種正常、非正常及故障狀況下的運(yùn)行參數(shù)，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏上提供模擬線路、變壓器、模擬斷路器、隔分開關(guān)、電容器等，可將外部的多臺發(fā)電機(jī)組、負(fù)載、無窮大系統(tǒng)接入屏上的輸變電網(wǎng)絡(luò)，從而形成多機(jī)電力系統(tǒng)，并采用RTU裝置實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)綜合測控。

三實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺可以開展多門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下。

〔一〕電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對繼電器動作原理的理解，強(qiáng)化學(xué)生的繼電保護(hù)整定計(jì)算才能，加深學(xué)生對繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的系統(tǒng)化認(rèn)知。

1.繼電器特性實(shí)驗(yàn)

由繼電保護(hù)特性測試子系統(tǒng)控制測試儀發(fā)出電流/電壓信號，接入電流繼、電壓繼、功率方向繼、阻抗繼、差動繼電器等，并將繼電器動作接點(diǎn)接至測試儀開入，實(shí)現(xiàn)對繼電器特性的測試。

2.成組繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)

基于電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)構(gòu)建一次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，利用測試儀輸出信號模擬系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障下保護(hù)安裝處的運(yùn)行情況，將多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置配置為不同功能的微機(jī)保護(hù)裝置，進(jìn)展成組繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)。以10kV線路成組保護(hù)實(shí)驗(yàn)為例，我們開發(fā)了模擬系統(tǒng)最大、最小及正常運(yùn)行方式實(shí)驗(yàn)、電流速斷保護(hù)實(shí)驗(yàn)、限時電流速斷保護(hù)實(shí)驗(yàn)、定時限過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、反時限過電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、階段式電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行方式對電流保護(hù)的靈敏性影響實(shí)驗(yàn)、階段式電流保護(hù)與自動重合閘配合動作實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)值、動作特性圖、錄波圖等多種方式顯示，有助于學(xué)生全面掌握實(shí)驗(yàn)過程中的信息。通過系統(tǒng)的錄波功能，學(xué)生可觀察故障前、后電流和電壓的波形，保護(hù)/重合閘的動作時間，使學(xué)生理解電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的信號特點(diǎn)，并對電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的動作情況建立客觀真實(shí)的認(rèn)知。

實(shí)驗(yàn)分小組進(jìn)展，學(xué)生"一組一模型";，需要各自根據(jù)模型進(jìn)展整定計(jì)算和校驗(yàn)，便于調(diào)動學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手理論才能。

〔二〕電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)

1.微機(jī)保護(hù)裝置硬件認(rèn)知實(shí)訓(xùn)

基于多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置的硬件平臺，讓學(xué)生認(rèn)識微機(jī)保護(hù)裝置的硬件構(gòu)造，理解根本接線，熟悉微機(jī)保護(hù)裝置的操作。

2.數(shù)字式繼電器特性實(shí)驗(yàn)

利用測試儀產(chǎn)生測試信號，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字式電流/電壓/功率方向/差動/阻抗/反時限電流繼電器特性的測試。

3.微機(jī)保護(hù)裝置性能研究實(shí)驗(yàn)

利用測試儀產(chǎn)生測試信號，實(shí)現(xiàn)對多種微機(jī)保護(hù)裝置的動作性能研究實(shí)驗(yàn)。

〔三〕電力系統(tǒng)自動控制實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生建立對微機(jī)準(zhǔn)同期裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置的工程認(rèn)知，加深對同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列原理、調(diào)速控制方法和勵磁調(diào)節(jié)方式的理解。

1.同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列實(shí)驗(yàn)

包括機(jī)組啟動和建壓實(shí)驗(yàn)、斷路器合閘時間測試、手動準(zhǔn)同期并列、偏離準(zhǔn)同期并列條件合閘實(shí)驗(yàn)、全自動準(zhǔn)同期并列、不同準(zhǔn)同期條件比照實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

2.同步發(fā)電機(jī)調(diào)速實(shí)驗(yàn)

包括發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置階躍試驗(yàn)、原動機(jī)轉(zhuǎn)速自動方式和手動方式下的單機(jī)帶負(fù)荷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、單機(jī)－無窮大系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

3.同步發(fā)電機(jī)勵磁控制實(shí)驗(yàn)

包括發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置階躍試驗(yàn)、不同alpha;角對應(yīng)的勵磁電壓測試、各種調(diào)差特性測試、同步發(fā)電機(jī)起勵方式實(shí)驗(yàn)、伏/赫限制、強(qiáng)勵、欠勵限制、過勵限制實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

〔四〕綜合性實(shí)驗(yàn)

面向工程和電力現(xiàn)場設(shè)計(jì)了多個綜合性實(shí)驗(yàn)工程，使學(xué)生獲得對電力系統(tǒng)的整體認(rèn)識和工程訓(xùn)練。

1.變電站綜合自動化實(shí)驗(yàn)

以110kV/10kV降壓變電站為例，將4臺測試儀分別配置為變電站110kV進(jìn)線、10kV出線、10kV電容器及變壓器高壓側(cè)三相和低壓側(cè)一相的二次信號源，各測試儀和信號控制主機(jī)聯(lián)成通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成變電站二次信號模擬系統(tǒng)；分別將4臺多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置配置為110kV線路保護(hù)、10kV線路保護(hù)、電容器保護(hù)、變壓器主保護(hù)或變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)裝置，并且與變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信。

我們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括變電站進(jìn)出線、變壓器及電容器保護(hù)配置及整定計(jì)算、變電站遙測、遙信和遙控實(shí)驗(yàn)、110kV線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)、10kV線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)、變壓器內(nèi)部故障變壓器主保護(hù)動作實(shí)驗(yàn)、變壓器內(nèi)部故障變壓器后備保護(hù)動作實(shí)驗(yàn)、變壓器外部故障變壓器后備保護(hù)動作實(shí)驗(yàn)、電容器保護(hù)實(shí)驗(yàn)等。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可以結(jié)合保護(hù)動作光字牌、保護(hù)動作報(bào)告、SOE等信息研究分析變電站故障和繼電保護(hù)動作情況，通過實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對微機(jī)保護(hù)裝置和變電站綜合自動化系統(tǒng)的理解，培養(yǎng)學(xué)生處理變電站異常和故障的才能。

2.發(fā)電廠自動化綜合實(shí)驗(yàn)

利用2套發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏模擬雙機(jī)組發(fā)電廠，利用發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、RTU裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)電廠綜合自動化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可完成多臺機(jī)組并列運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、發(fā)電機(jī)組監(jiān)控、發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)組間功率分配、升壓站監(jiān)控及倒閘操作等實(shí)驗(yàn)。

3.區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行及調(diào)度自動化綜合實(shí)驗(yàn)

利用多套發(fā)電機(jī)組、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏、負(fù)載和無窮大系統(tǒng)模擬一個區(qū)域電網(wǎng)，利用發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、RTU裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成電網(wǎng)調(diào)度自動化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可完成四遙實(shí)驗(yàn)、電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)度運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)有功功率平衡和頻率調(diào)整實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)無功功率平衡和電壓調(diào)整實(shí)驗(yàn)、電網(wǎng)運(yùn)行方式變化實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)潮流分析實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造變化對系統(tǒng)潮流影響實(shí)驗(yàn)、負(fù)荷變化對系統(tǒng)潮流影響實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、多機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、故障分析與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)解列及恢復(fù)實(shí)驗(yàn)、分區(qū)調(diào)頻實(shí)驗(yàn)等。

四綜合理論教學(xué)體系的構(gòu)建

基于電力系統(tǒng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)平臺，構(gòu)建了兩實(shí)驗(yàn)、兩設(shè)計(jì)、兩創(chuàng)新的電力系統(tǒng)專業(yè)多層次綜合理論教學(xué)體系，如圖2所示。

兩實(shí)驗(yàn)包括專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。利用各門專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)夯實(shí)學(xué)生的理論根底，訓(xùn)練學(xué)生掌握專業(yè)實(shí)驗(yàn)的根本方法，為綜合理論才能培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)的根底。綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用及運(yùn)行與控制的全過程，涉及眾多的工程問題，學(xué)生需要查找文獻(xiàn)資料并綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程的知識，獨(dú)立分析復(fù)雜工程問題，并獲得有效結(jié)論。一方面幫助學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，另一方面全方位地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生解決電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的才能以及工程工程的方案設(shè)計(jì)才能。兩設(shè)計(jì)包括專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，利用本實(shí)驗(yàn)平臺的綜合性和開放性為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣、電力網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)自動化等方向的專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)課題提供良好的設(shè)計(jì)研究平臺，方便檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)方案的合理性、設(shè)計(jì)成果的正確性，進(jìn)一步強(qiáng)化對學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)才能、獨(dú)立科研實(shí)驗(yàn)才能和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

兩創(chuàng)新主要表達(dá)在兩方面，一是鼓勵學(xué)生應(yīng)用其掌握的知識，結(jié)合自己的興趣和有疑問的工程問題，進(jìn)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自擬實(shí)驗(yàn)步驟、自行組合實(shí)驗(yàn)平臺中的設(shè)備、自構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生首先提交實(shí)驗(yàn)申請和實(shí)驗(yàn)方案，經(jīng)由老師審核通過后，在實(shí)驗(yàn)室安排的時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。二是基于實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)展創(chuàng)新研究，比方利用測試儀作為可控的高精度、大功率的信號源，產(chǎn)生各種實(shí)驗(yàn)信號，或利用實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建模擬的電力系統(tǒng)，用于測試和驗(yàn)證學(xué)生的創(chuàng)新科研成果，并引導(dǎo)學(xué)生將研究的小課題延伸為大學(xué)生業(yè)余的科研課題