電力系統自動化新型實驗系統開發與建設

張利宏　李秀　彭偉

摘要 電力系統自動化是電氣工程及其自動化專業的最后一門專業課程，特點是涵蓋的基礎學科多，知識點比較多。由于電力系統的特殊性，學生在實際裝置上操作較少，對書中講授的裝置的原理及現象理解比較抽象。結合華中科技大學的先進實驗設備WDT-ⅢC、PS-7G和加拿大RTDS實驗設備，提出一套課程改革的方案和設想，將教學過程中的理論與綜合實驗、實時仿真系統結合起來。

關鍵詞 電力系統自動化；實驗教學；RTDS仿真

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0036-04

電力系統自動化是內蒙古工業大學電力學院本科生的必修課，共48學時，課程內容包括同步發電機自動并列、同步發電機勵磁自動控制系統的靜動態特性、電力系統頻率及用功功率的自動調節以及自動低頻減載及其他安全自動控制裝置四個部分。與電力系統分析不同的是，本課程主要側重講授電力系統運行設備在自動控制時所遵循的規律。在多年的教學中，學生的反饋是很難將各種裝置的原理、結構和功能有效結合起來形成完整的體系，特別是勵磁自動控制系統中一些抽象的指標，如動態指標、調差率、強勵勵磁電流最大值、欠勵限制器的作用以及不同運行方式電壓質量、無功負荷平衡等。若能將理論用實驗平臺便捷顯示出來，就將抽象的問題簡單化了，學生可以看到各種實驗結果，從而使教學收到良好效果。

此外，內蒙古工業大學現在使用的華中科技大學WDT-ⅢC電力系統綜合自動化實驗臺和加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的實時數字仿真器RTDS是目前我國最先進的實驗設備，學生可以認識設備，對裝置進行實驗操作，動手搭建仿真模型，分析仿真結果。這是提高課程質量的關鍵所在。

1 綜合實驗室基本實驗項目改革

結合電氣工程領域培養方案，課程組根據現有教學情況，實驗臺配有控制柜測試孔，便于實驗教學。除了設有常規的控制裝置，均設有并網、調壓、調速的手動方式，便于學生更深層次地了解微機控制方式。根據課程及實驗大綱要求，內蒙古工業大學電力學院現開設的實驗項目如表1所示。

隨著電力系統技術的不斷更新和新型實驗設備的發展，目前的實驗已不能滿足迅速發展的電力系統學科的需求，在新的課程大綱的改編中擬增加實驗項目及內容，如表2所示。

2 綜合實驗室新型開放性實驗的開發與建設

WDT-ⅢC電力系統綜合自動化實驗臺和PS-7G型電力系統微機監控實驗系統，是目前最先進的電力系統綜合實驗設備。PS-7G實驗裝置是高度自動化、開放式多機電力網綜合實驗系統，配置微機監控系統，現場實現電力系統的“四遙”功能。這是新實驗課程體系開放式實驗平臺，基于這樣好的實驗平臺，可以開發綜合性、設計性、拓展性的實驗項目，培養學生創新能力和分析解決問題的能力。

“PS-7G型電力系統微機監控實驗臺”是將7臺“WDT—ⅢC（或WDT-Ⅳ）電力系統綜合自動化實驗臺”的發電機組及其控制設備作為各個電源單元組成一個環網，如圖1所示。

本系統模擬了7臺發電機，分別通過電纜引接到電力主網的母線上，無窮大電源接在W-G母線上，由市電380V經20 kVA自耦調壓器接至母線MG上，負荷分別聯接至MC、MD母線上。而MD母線經聯絡變壓器TT與線路MF母線相聯，形成一個靈活可變的電力一次系統。

PS-7G系統模擬了500 kV電壓等級電力網絡，MD母線電壓等級為220 kV，7臺發電機組模擬容量為600 MW，無窮大電源短路容量為6000 MVA。

A站（G-A）和B站（G-B）經過母聯QFB相連接并通過雙回400 km長距離線路將功率輸送入MG母線聯接的無窮大系統，在距離100 km的中間站的母線MF經變壓器TT與220 kv母線MD相聯，C站通過一段100 km短距離線路與B站相聯，另一端通過母聯斷路器QFG與E站相聯，并且設有地方負荷。E站經200 km輸電線路通過母聯斷路器QFG、QFK與母線MG相聯。

此環形電力網共有7個節點，分別為如圖1所示7條母線。通過改變運行方式、投切線路，如將電力網變成一個輻射形網絡，則通過切除XL_C線路實現，如圖2所示；如將電力網變成T型網絡，則切除XL_F線路，如圖3所示。

在設計不同的網絡結構前提下，針對XL_B線路的三相故障，可以進行暫態故障計算分析，如圖4所示。此時當線路XLB故障時，兩端的線路開關QF_C、QF_F會跳開，切除故障線路。

通過該監測平臺，可方便實現電力系統的“四遙”功能，即可以通過遠程改變發電機輸出功率改變系統潮流分布，也可以通過改變網絡聯接結構、調整無窮大系統調壓器來改變電力網潮流分系統模型進行分析。綜合實驗平臺項目開發如表3所示。

3 實時仿真系統FITDS電力系統自動化實驗的開發

電力系統自動化課程中“電力系統的調頻和調功”“勵磁自動控制系統的動態特性中數學模型的傳遞函數”“勵磁系統的動態穩定性”等內容抽象且結合不緊密，即使有實驗設備，有些實驗也無法完成。結合培養人才計劃，內蒙古工業大學電力學院新進加拿大RTDS全套實驗設備，設計并布置RTDS仿真課外設計作業，使學生在搭建模型過程中學會draft建模、運行runtime控制模塊，進行指令操作。這樣將理論和實踐緊密地結合起來，并更好地了解裝置的組成和工作原理，甚至一部分學生可以運用控制理論搭建模型，并分析研究預期仿真結果，對提高學生將理論應用于實際中的動手能力和教師教學科研能力都有積極作用。

針對電力系統自動化課程大綱要求，擬增加的開放性仿真實驗如表4所示。

4 結束語

通過使用WDT-ⅢC電力系統綜合自動化實驗臺和PS-7G型電力系統微機監控實驗系統，以及實時仿真系統RTDS，深化了電力系統自動化的教學內容，給學生提供了進行基礎課程學習、專業課程設計、綜合實驗開發的寬廣的平臺，也使得學生對電力系統自動化、電力系統調度自動化運行及調試實驗有了一個初步的認識，為內蒙古工業大學電力學院培養寬口徑的專業技術人員做出貢獻。