電力系統自動化實驗平臺的教學應用

張明銳， 林顯琦

(同濟大學 電氣工程系， 上海 201804)

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電力系統自動化實驗平臺的教學應用

張明銳， 林顯琦

(同濟大學 電氣工程系， 上海 201804)

電力系統自動化實驗平臺圍繞“電力系統自動化”課程進行實驗，應用一期工程進行輸電線路模擬和斷路器實驗，主要應用二期工程進行負荷計算和功率因數補償實驗，基于監控平臺進行遠動實驗。實驗以學生自主學習、操作為主，教學人員講解、指導為輔，充分發揮實驗平臺的教學價值。學生通過該平臺獲取綜合實踐的機會，實現理論與實踐的相結合，使得對下一步的深造和就業有更深入的認識。經歷四屆本碩學生的教學實踐證明，實驗項目內容具有科學性和先進性，符合學科發展的特點，能夠滿足培養學生綜合實踐能力的需要; 平臺也為教師和研究生提供了科研工作服務，鼓勵教師和研究生參與的積極性，進一步發掘實驗平臺的功能，開發出更多具有創新性的實驗，推動教學實驗的改革。

電力系統自動化； 實驗平臺； 實驗內容； 教學應用

0 引 言

我校電氣工程系2010屆教學計劃修訂中增加了“課程綜合設計環節”，擬圍繞“電力系統與牽引”和“電機電器與電力電子”兩個學科方向開設為期兩周的綜合課程設計。原有一期工程“電力系統綜合實驗平臺”作為一個綜合性實驗平臺，模擬了電力系統中的低壓配電系統，能夠完成“電力系統微機遠動技術”“工廠供電”“電力系統繼電保護”等課程的演示實驗功能。二期電力系統自動化實驗平臺，為達到讓每個同學都能動手的目標，增加了更多的終端和更豐富的負載設備。其作為課程設計平臺，以綜合實驗平臺為基礎，充分利用現有資源，以“電力系統自動化”課程設計為龍頭，將電氣工程系電力系統方向的主要專業課程“電力工程”、“電力系統繼電保護”、“電力系統遠動技術”、“電氣控制技術”等的核心實驗內容進行充分整合，使學生通過一系列豐富的實驗，對電力系統的自動化專業的主要內容有更充分的認識，并具備較強的實踐動手能力，甚至部分科研開發能力，提高學生的實際操作能力和創新思維能力。

1 實驗平臺

1.1 實驗平臺設計及布局

整個實驗平臺的接線圖如圖1所示，圖中上半部分為電力系統綜合實驗平臺一次回路接線圖，即一期工程，圖中下半部分虛線框內圖為電力系統自動化實驗平臺接線圖，即二期工程。實驗平臺平面設計圖如圖2，電力系統功能柜在綜合實驗平臺電壓0.38 kV出線側，包括進線柜、電阻負載柜、電動機負荷柜、電抗柜、電容補償柜，屏面布置見圖3。實驗平臺對電力系統中基本元器件和負荷進行模擬實驗，與電力系統供變電實驗相結合，建立一個完整的電力系統模擬實驗平臺。

各電壓柜用低壓斷路器控制投切，分閘、合閘按鈕用于就地控制，電流表、電壓表顯示三相電流、電壓。電壓柜配有RS-485通訊接口的智能配電儀表，用于采集配電信息和斷路器控制，通過485總線與遠程監控系統服務器進行數據傳輸，以此集成到監控平臺中。

1.2 監控實驗平臺的實現

考慮到電壓柜所在實驗室面積限制以及實驗安全，監控實驗平臺放在隔壁實驗室中，對電壓柜進行遠程監控。監控系統的主要任務是對電力系統柜的運行進行監視和操作控制，協調整個系統的運行工況，并能提供學生動手實驗的平臺，達到教學演示和學生自主學習的目標。

鑒于系統開放性以及現場設備分布情況，監控系統采用分層分布式結構，實驗平臺監控結構圖如圖4所示。監控室服務器通過RS-485通訊網絡與現場智能配電儀表鏈接，工作站通過交換機遠程訪問服務器數據庫。監控管理工作站和服務器采用抗干擾性強的工業控制計算機，各功能柜采用智能儀表進行電量監測，完成對線路、負荷的當地監測。用戶可在機房觀察儀表上顯示的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率、功率因數等數據，對電壓柜采取相應的就地分合閘操作，將“就地/遠方”轉換開關轉到遠方方向，可在監控系統上進行相應的遠程分合閘操作。

圖2 平面布置圖(m)

監控界面由INTOUCH組態軟件設計，INTOUCH的人機界面是由一系列的窗口組成的，監控界面主要包括實時信息監控、實時告警和事件記錄等。本實驗平臺監控界面主要包括實驗平臺屏幕圖、監控系統圖、實時電壓數據、實時電流數據、實時功率曲線圖、實時數據總表、歷史電流曲線圖、歷史功率曲線圖、電流棒圖等。實驗平臺屏幕圖窗口模擬了低壓柜屏面，生動直觀的顯示平臺運行工況，并能顯示電壓、電流、功率等數據，觀察斷路器分合閘狀態并可進行遠程操控，如圖5所示。電流棒圖窗口用柱形圖顯示每個電壓柜的各相電流，并加入電流越線報警功能。INTOUCH組態軟件功能強大、組態方便、生動直觀，既能讓工作人員快速設計所需監控系統界面，也使學生較容易理解監控方案和操作步驟。

2 實驗平臺教學應用

2.1 平臺的功能

實驗平臺進線柜采用一面獨立控制柜，其他功能柜采用單獨一面低壓柜，所有工作電源直接取380V電源，實驗平臺各功能柜的功能如圖6所示。

監控終端對實驗平臺中的電動機、電感、電阻、電容等低壓負荷以及母線進行“三遙”功能監控，即電氣量的遙測、開關狀態遙信和遙控功能，監控平臺的具體功能如圖7所示。

2.2 實驗內容

實驗平臺結合“工廠供電”和“電力系統調度自動化”兩門課程開展以下實驗課程：

(1) 輸電線路模擬和斷路器實驗。本實驗應用一期工程的七組實驗柜對10 kV配電線路進行模擬，實驗由380 V進線柜進電，經升壓變壓器升壓至10 kV，經傳輸線路柜對實際輸電情況進行模擬，最終經降壓變壓器降壓至380 V，供后續實驗使用。

輸電線路柜可以切換不同型號的電線，學生通過兩邊變壓器柜上的智能儀表觀測不同輸電線路參數對輸電的影響。10 kV開關柜用于模擬10 kV斷路器的投切，學生通過親身操作體驗，提高動手能力，以及對現場情況的應變能力。

(2) 負荷計算。本實驗基于一期工程，應用二期工程的進線柜、電阻柜、電機柜和電抗柜完成。實驗由一期工程提供380 V三相交流電壓，經進線柜取電，通過電阻柜、電機柜和電抗柜接入不同的負荷實現功率的變化，學生通過智能儀表隔時讀取功率數值，繪制負荷曲線圖，進行相關功率計算。

負荷計算相關概念：全年中有代表性的最大負荷班的0.5 h最大負荷,年最大負荷Pm；電力負荷在全年時間內平均耗用的功率,年平均負荷Pav；負荷系數，又稱負荷曲線填充系數、負荷波動系數、負荷率等，α=Pav/Pm；年最大負荷利用小時數Tmax,假設電力負荷按年最大負荷Pm持續運行時，在此時間內電力負荷所耗用的電能恰與電力負荷全年實際耗用的電能相同，Tmax=Wa/Pm。

(3) 功率因數補償。本實驗基于一期工程，應用二期工程的進線柜、電阻柜、電抗柜和補償柜完成。實驗由一期工程提供380 V三相交流電壓，經進線柜取電，接入電阻柜設定額定功率因數，切換電抗柜接入不同電抗，改變功率因數，開啟補償柜進行功率因數自動補償。

只接入電阻柜時從補償柜的智能儀表可以觀測功率因數為1，電抗柜分為三組，依次接入使得功率因數逐級下降，當功率因數低于設定值時，補償柜工作，并且逐級提升功率因數至設定值。學生通過實驗學習功率因數補償的基本原理和工作過程，對實際系統中功率因數調節有初步認識。

(4) 監控平臺操控。本實驗首先需將各開關柜切換為遠方控制，監控平臺位于隔壁實驗室。在監控平臺上，首先讓學生清楚整個監控系統的結構和通信方式，了解組態軟件搭建監控系統的基本原理和方法以及基本的通訊參數設置，熟悉監控軟件的使用。學生通過監控軟件觀察智能儀表送來的電壓、電流和功率測量信息以及斷路器位置和狀態信息等，查看實時數據和歷史數據，了解監控軟件報警系統原理，在指導教師的指導下進行遙控操作實驗。同時也可以自己動手設計數據監控方案，根據自己的專業背景在工作站工控機上編寫不同的程序進行數據通信。

監控系統具有高度的開放性，學生完全可以在實驗中提出自己的想法，并配合實驗工作人員對監控界面加以改進。進行該實驗的同時，學生可以學習到利用InTouch組態軟件開發監控界面、智能儀表的使用以及熟悉各種通信協議。通過集中演示實驗和學生單獨分組動手實驗，增加學生參與實驗的熱情和探索實驗的積極性，加強學生對電力系統及其自動化的認識。

2.3 教學特色

實驗平臺以一種創新模式建設和管理使用，目前我院實驗室以院級實驗中心的形式建設、管理和運行，該平臺的管理權屬于實驗中心，旨在最大利用實驗資源。由于該平臺的專業特色強，由實驗中心組成的專業教師共同建設。

實驗平臺的實驗設計有以下特色：實驗項目內容具有科學性和先進性，符合學科發展的特點，能夠滿足培養學生綜合實踐能力的需要；注重綜合性、探究性、設計性實驗項目的開發及其內涵建設；平臺所有實驗的設計將充分考慮同學的創新能力培養，發揮同學的探索性與綜合能力培養，實驗計劃的設計更加靈活，不再規定詳細的實驗步驟、結果，更加注重實驗目的與作用，強調實驗的過程與方案設計，提高對實驗環節的參與活動，對于學生的成績評定也根據具體的實驗采取不同的評定方法。同時，平臺也為教師和研究生提供了科研工作服務，鼓勵教師和研究生參與的積極性，進一步發掘實驗平臺的功能，開發出更多具有創新性的實驗，推動教學實驗的改革。

2.4 教學成果

經過兩年的研究和實踐，整個實驗平臺已基本建成，教學應用步入正規。已接納本科09、10級共180多完成課程實驗和設計，為10、11級電力系統及其自動化碩士研究生共7人提供科研平臺，提高了不同層次學生的動手實踐能力和綜合開發水平。

3 結 語

電力系統自動化實驗平臺充分發揮了實驗室一、二期工程的功能和特點，以“工廠供電”和“電力系統調度自動化”兩門課程為基礎，展開輸電線路模擬和斷路器實驗、負荷計算、功率因數補償、監控平臺操控等實驗，加強了課程與實驗的聯系，增強了學生的動手能力和學習興趣，突出了我校“實踐教育”這一傳統特色。通過理論和實踐相結合，有利于建立一個開放式、研究性、綜合型的專業實驗教學體系，增強了學生專業實踐能力和綜合素質，并為教師和研究生提供了科研平臺，對于推動教學改革和學科發展具有重要意義。

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Teaching Application of the Power System Automation Experimental Platform

ZHANGMing-rui，LINXian-qi

(Department of Electrical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)

The power system automation experimental platform focuses on automation of electric power systems. Transmission line simulation and circuit breaker experiment are the first-stage project. Load calculation and power factor compensation experiment become the second-stage project. Remote experiment is based on the monitoring platform. Experiment is given priority to students’ autonomous learning operation, teaching staff guidance is complementary, teaching value is given fully to the platform. Students increase opportunities for comprehensive practice through the platform, and have a better understanding for the further study and employment. Four years’ undergraduate and postgraduate teaching practice has proved the advancement of the experimental project, and effectiveness to meet the need of cultivating students’ comprehensive abilities. Meanwhile, the experimental platform provides professors and postgraduates the service of scientific research, and encourages initiative in participating in further explore functions of the platform. Thus it promotes innovation in teaching experiments.

power system automation; experimental platform; experimental contents; teaching application

2014-03-03

張明銳(1971-)，男，甘肅民勤人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為分布式發電與微網、軌道交通牽引供電技術。

Tel:13701858379； E-mail:zmr@tongji.edu.cn

TM 76

A

1006-7167(2015)01-0226-04