電力系統綜合自動化實驗臺及其教學應用

摘要：介紹了電力系統綜合自動化實驗臺的主要功能、特點及其在教學、科研和創新性實驗等方面的應用。該實驗裝置操作方便、功能強大、開放性好，為電力系統專業的學生和教師提供了豐富的教學和科研手段。

關鍵詞：綜合自動化實驗臺；教學；實驗；科研

作者簡介：陳璟華（1974-），女，江西新余人，廣東工業大學自動化學院，副教授；陳少華（1954-），女，廣東揭陽人，廣東工業大學自動化學院，教授。（廣東#8194;廣州#8194;510090）

基金項目：本文系廣東省大學生創新實驗資助項目（1184510025）、廣東工業大學校級精品課程《電力系統分析》資助項目（406096043）、高教研究基金項目（2010D06）、“電氣與控制廣東省實驗教學示范中心”實驗教學改革項目、2010年度廣東工業大學教育教學改革項目（2010Y002）的研究成果。

中圖分類號：G642.423#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻標識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2012）01-0093-02

電力系統是一個大規模、時變的復雜系統，在國民經濟中起著非常重要的作用。電力系統數字仿真也已成為電力系統研究、規劃、運行、設計和教學等各方面不可或缺的工具，特別是電力系統新技術的開發研究、新裝置的設計和參數的確定更是需要通過仿真來確認。[1]但是在電力教學中采用數字仿真手段來研究電力系統的各種理論，存在的主要問題是物理概念不夠直觀，學生只能通過仿真曲線和實驗數據來認知現象和理論，難于培養對電力系統運行的感性認識。[2]

WDT-Ⅲ型電力系統綜合自動化試驗臺是為了適應現代化電力系統對寬口徑、復合型高級技術人才的需要而研制的電力類專業新型教學實驗系統。該實驗臺把真實的電力系統縮小到實驗室中，是真實電力系統的縮影，方便學生直接觀察各種現象的物理過程，便于學生獲得明確的物理概念。[3]

一、電力系統綜合自動化試驗臺的技術特點

在廣東工業大學投入使用的WDT-Ⅲ電力系統綜合自動化實驗臺是由華中科技大學電力自動化技術研究所開發的一項高科技產品。該實驗臺主要由模擬發電機、模擬變壓器、模擬輸電線路、模擬負荷和調節、控制、測量、保護等模擬裝置組成，可以模擬電力系統各種實時運行狀態，反映電力系統的動態特性，幫助學生把課本上學到的知識和實際系統對應起來，另外可以幫助學生熟悉電力系統的結構、特點及各種設備的操作，提高學生分析問題和解決問題的能力。該套實驗裝置的外形如圖1所示。

為了使操作方便，實驗臺采取發電機通過輸電線路與無窮大系統聯接，構成“單機—無窮大”系統的工作方式，而這無窮大系統由市電承擔，很容易實現。另外，考慮到模型操作的靈活和方便，在設計中，設計者增加了與外部聯接的接口，在一定程度上擴大了其使用功能。其次，在接口設計中，實驗臺采用了通用的接口標準，可為電力系統新產品（如繼電保護，控制調節裝置等）進行初步的性能考核實驗。

考慮到面對學生教學的特點，可以通過更改實驗臺的接線和接入專用負載，將發電機組脫離無窮大系統，作為一個獨立的設備工作，這樣不但方便實驗臺的調試和修改，而且可以根據不同課程的需要，完成不同的實驗。

為了增加學生的直觀效果，幫助他們理解，實驗操作臺的操作面板上有模擬接線圖，操作臺的操作按鈕與模擬接線圖中被操作的對象結合起來，并用不同的燈光顏色表示其相應的工作狀態。另外實驗數據可以通過測量儀表和LED數碼顯示，同時可以通過數字存儲示波器，觀測到發電機電壓、系統電壓、勵磁電壓以及準同期時的脈動電壓波形，甚至可以觀測各個晶閘管上的電壓波形以及各種控制的脈沖波形，還可以同時觀測到同步發電機短路時的電流和電壓波形等，這樣便于實驗結果的記錄和對比分析。

二、綜合自動化實驗臺的功能

電力系統是由多臺發電機、變壓器、輸電線路和用電設備等電氣元件組成的一個完整的系統，任何電氣元件缺一不可。[4，5]結合電力系統這個特點，該實驗臺主要可以實現三部分功能：電力系統自動裝置系列實驗、電力系統繼電保護和電力系統穩定分析實驗。其功能結構如圖２所示。

1.電力系統自動裝置系列實驗

（1）同步電機準同期并列實驗。為了加深學生對同步發電機準同期并列操作條件的理解，熟悉準同期并列操作的過程，掌握準同期操作的技能，觀察真實的正弦整步電壓波形、線性整步電壓波形及其與準同期并列條件的對應關系，驗證準同期條件與沖擊電流性質的關系，以及準同期并列條件允許值的大小與條件準備時間長短之間的概率統計關系，學生利用這套實驗裝置可實現：手動準同期實驗；半自動準同期實驗；全自動準同期實驗；不同準同期條件下的并列操作實驗。

（2）同步發電機勵磁控制系統實驗。綜合自動化實驗臺裝設了WL-04B 微機勵磁調節器，該套裝置是專為大專院校開設“電力系統自動裝置原理”、“電力系統分析”和“電力工程”等課程的教學實驗而特殊設計的微機型勵磁調節器。其勵磁方式可選擇它勵和自并勵兩種。

2.電力系統繼電保護系列實驗

為了適應電力教學的需要，實驗臺還配備了微機保護裝置，該微機保護裝置采用了高性能的80C196芯片為主體，可以模擬實際系統中繼電保護的動作行為，如：輸電線路的電流、電壓保護，阻抗保護，變壓器保護和發電機保護等。為方便教學，該裝置臺采用數碼管顯示各種信息，使保護的操作簡單、靈活，調試方便，同時裝置具有良好的事情分析功能，包括動作事件記錄，事件順序記錄和保護投退—裝置運行—開入記錄等，方便學生記錄實驗過程和實驗數據。同時，為了加強學生對保護概念的理解，保護裝置的整定值可進行瀏覽和修改。另外，裝置還設置了手動跳、合閘操作，便于緊急事故的處理，以保證設備的安全。

3.電力系統穩定性分析系列實驗

綜合型教學實驗平臺由多機系統組成，并且在實驗臺上通過對短路選擇按鈕的操作可進行單相接地短路，兩相接地短路，兩相相間短路和三相短路共四種短路類型故障的設置，因此使用該自動化裝置實驗臺能開展靜態穩定性和暫態穩定性方面的若干實驗。其中靜穩方面的實驗包括：單機—無窮大系統的靜態穩定性、多機系統的靜態穩定性、無自動勵磁調節時發電機功率特性的測定、采用自動勵磁調節器時功率特性的測定、自動勵磁調節器對靜態穩定性的影響、網絡結構變化對靜態穩定性的影響、發電機電勢不同時對靜態穩定性的影響等實驗。另外采用該裝置臺可開展的暫態穩定方面的實驗包括：短路類型對暫態穩定的影響、提高暫態穩定性的措施、繼電保護的動作時限對暫態穩定影響、強行勵磁對暫態穩定的影響、自動重合閘裝置對暫態穩定的影響等實驗。通過這些實驗，可以加強學生對穩定性概念的理解，提高對電力穩定運行的綜合分析能力。

三、電力綜合自動化實驗臺的主要應用領域

1.電力系統的本科教學

WDT-Ⅲ電力系統綜合自動化實驗臺在廣東工業大學運行的實踐表明，該實驗臺對“電力系統分析”、“繼電保護”和“電力系統自動裝置”等課程教學均有很大的幫助。該系統是一個高度自動化的多機電力系統綜合實驗平臺，不僅能夠反映現代化電能的生產、傳輸、分配和使用的全過程，而且充分體現了現代化電力系統高度自動化、信息化和數字化的特點，為學生的學習提供了一個更為生動的課堂，使得本科教學的效果有了很大的改進。與傳統教學方式相比，融合了電力系統檢測、控制、監視和保護的自動化實驗臺已成為電力系統現代化教學必不可少的工具。

2.開展學生的創新性實驗

綜合自動化實驗臺形成一個逼真的電力系統運行環境，而且對它進行任何操作都不會對實際系統的設備帶來任何影響，因此學員可以放心地進行各種操作，如改變系統網絡結構、調節發電機的有功和無功及設置各種故障，因此可以利用這套裝置開展本科教學的創新性實驗，提高學生創新思維與實踐能力，加強學生分析問題和解決問題的能力。

3.成為科研平臺

綜合化實驗臺一個多機運行的電力系統，每臺發電機組都配有完整的自動控制系統和自動勵磁調節器，具有調差和強勵等功能，且每套自動裝置都有多種控制方式可選擇，運行方式和運行參數可在線修改。另外，裝置中每臺發電機的電流、電壓都留有標準接口，發電機組的調頻和調壓控制也留有接口，因此研究人員可使用這套裝置進行相關的實驗研究和科研開發。

四、結束語

現代科技的高速發展要求高校培養出來的學生不僅具有專業知識，更要有創新能力和綜合實踐能力，電力系統綜合自動化實驗臺正好順應科技發展的潮流。

目前該實驗臺已在廣東工業大學自動化學院投入使用，教學實踐表明：該實驗裝置的使用，不僅促進了學生的創新能力，讓學生綜合運用所學的專業知識進行實驗設計，增強學生的動手能力，加強了理論和實踐的結合，更培養了學生科學嚴謹的工作作風和團結協作的精神，因此該實驗裝置是現代化電力系統教學和科研的必備手段。

參考文獻：

[1]張雨飛，王明春.變電站培訓仿真系統[J].電力系統自動化設備，2001，(12):23-25.

[2]楊德先，陸繼明.電力系統綜合實驗原理與指導[M].北京:機械工業出版社，2004.

[3]楊德先，陸繼明，吳彤，等.電氣工程專業綜合實驗平臺和實驗教材建設[J].電氣電子教學學報，2007，(1):64-66.

[4]何仰贊，溫增銀.電力系統分析[M].武漢:華中科技大學出版社，2001.

[5]王錫凡.現代電力系統分析[M].北京:科學出版社，2003.

（責任編輯：劉麗娜）