電力系統綜合實驗平臺的實驗設計與教學應用

張明銳， 于 猛， 王佳瑩， 朱琴躍

(同濟大學 電氣工程系， 上海 201804)

0 引 言

我校電氣工程系在實踐教學中，設有為期兩周的電力工程課程設計環節，籌建的“電力系統綜合實驗平臺”已經服務了六屆學生，取得了良好的教學效果。

實驗平臺充分利用現有資源，對電力系統方向核心課程的實驗進行了整合，可進行電力工程、電器原理及應用、電力系統遠動技術、電力系統繼電保護和工廠供電等相關課程的實驗。平臺配備了豐富的終端和各類負載設備，可靈活展開實驗設計。不僅為學生提供了進一步認識電氣設備的機會，同時鍛煉了學生設計實驗和動手操作的能力。

1 平臺的布局和功能

1.1 實驗平臺的布局

電力系統綜合實驗平臺接線圖如圖1 所示。一期工程主要實現了低壓配電系統的一次回路模擬，380 V電源依次經過低壓進線開關柜、升壓變壓器、10 kV 高壓開關柜、模擬輸電線路、降壓變壓器至380 V 低壓出線開關柜。二期工程主要模擬各類低壓配電負載，電源引自一期工程的380 V 出線，之后接入各類負載，包括電阻柜、電機柜、電抗柜和補償柜。

圖1 實驗平臺接線圖

實驗平臺一、二期工程分開布置，平面布置如圖2所示。

圖2 平面布置圖( m)

二期工程的配電柜屏面布置如圖3所示。

圖3 配電柜屏面布置方式

實驗平臺對電力系統中基本元器件和各類負荷進行模擬，建立了一個較完整的電力系統綜合實驗平臺。各配電柜采用低壓斷路器控制投切，可以選擇就地和遠方控制。分合閘按鈕用于就地控制，監控與遠動平臺可進行遠動控制。進線開關柜、補償柜和低壓負荷柜都配有智能型多功能儀表，能夠同時測量三相電流、電壓、功率及功率因數等參數，并采用 RS-485 總線與監控服務器通信，實現測量參數的傳輸。

監控實驗平臺對配電柜的運行進行監視和遠程操作控制。監控系統采用分層分布式結構，監控結構圖如圖4 所示。將“就地/遠方”轉換開關轉到遠方方向，即可在監控系統上進行相應的遠程分合閘操作。

圖4 實驗平臺監控圖

1.2 實驗平臺的功能

整個實驗平臺的功能如圖5 所示。其中，監控終端具有“三遙”功能，即可實現電氣量的遙測、開關狀態的遙信和開關的遙控。

圖5 實驗平臺的功能圖

2 實驗設計

實驗平臺可以進行多門相關課程的實驗，包括變電站主接線設計，負荷計算驗證與電氣設備選型，10 kV高壓斷路器的控制回路設計，斷路器就地和遠方分合閘操作，功率因數補償，過流、過壓和欠壓等微機繼電保護實驗，變電站遠動系統的人機界面設計和電能質量分析等實驗。以負荷計算驗證實驗和功率因數補償實驗為例，詳細介紹其實驗過程與教學應用。

實驗前，學生需要掌握實驗相關的理論基礎，并且根據給出的條件進行自主實驗設計，從而鍛煉其查閱資料、自主學習的能力。實驗教學時，首先進行實驗室安全教育與平臺介紹，進行演示實驗，使學生掌握基本的實驗操作。隨后，學生驗證其自主設計的實驗。實驗后，學生需撰寫實驗報告，對實驗進行整理總結，并進行展示答辯。

2.1 負荷計算實驗

本實驗由一期工程提供380 V三相交流電，通過接入電阻柜、電機柜和電抗柜等不同負荷實現功率和功率因數的變化。

實驗前要求學生自行學習相關知識，給出設計計算書，內容包括：① 根據給出的變電所設備和容量清單(見表1)，計算配電總負荷并選擇變壓器、母線和開關型號。② 設計不同的負荷組合，進行負荷計算。

表1 變電所設備和容量清單

計算時需注意，配電總負荷不是一個恒定值，而是隨時間變化的變量。因為用電設備并非都能達到額定容量，并且各用電設備的工作制也不一樣，有長期、短時和反復短時之分。因此，為設備選型進行的配電總負荷計算，并非簡單地把各用電設備的容量相加。例如可以使用需要系數法，即用設備功率乘以需要系數，求出計算負荷。這種方法簡便易行，應用廣泛，常用于配、變電所的負荷計算。

實驗過程中，通過電阻柜、電機柜和電抗柜接入不同的負荷組合，實現負荷功率的變化。學生可通過智能儀表隔時讀取記錄功率數值，繪制負荷曲線圖。將實際負荷與計算負荷比較，驗證計算結果。同時，觀察不同負荷組合和運行工況下的功率因數變化，為接下來的功率因數補償實驗做準備。

通過本實驗，學生可以增強對負荷計算基本原理的認識，熟悉其一般計算方法，掌握對變壓器、母線和開關的設備選型方法。

2.2 功率因數補償實驗

實驗時接入電阻負荷和電機發電機負荷后再接入不同容量電抗以改變系統功率因數，同時開啟補償柜進行功率因數自動補償。

實驗前的計算書中，要求學生根據所設計的不同負荷組合，計算對應的功率因數，并按照要求完成補償容量的計算。由于電加熱爐和電抗器均有多級投切，故而可以組合出多種工況，如表2 所示。實驗過程中，要求學生觀察實際補償過程，記錄補償前后功率因數的實際值，與計算書進行比較。

實驗操作基本步驟：① 接入電阻柜，通過補償柜的智能儀表可以觀測到功率因數為1 。② 接入電機柜，可以觀測到功率因數會有小幅度下降，驗證電機類

表2 負荷的多種組合工況

感性負載會降低功率因數。③ 逐級接入電抗柜，可以觀測到功率因數進一步下降。當功率因數低于設定值時，補償柜便自動逐級投切，直至將功率因數提升至設定值以上。④ 切除電抗器，此時功率因數由接近1 的數值降低為較小數值。這是由于切除了感性負載，系統處于過補償狀態。隨后，補償柜將自動逐級切除補償電容器直至功率因數滿足設定值。

通過本實驗，學生可以切實感受功率因數補償的基本原理，熟悉其工作過程，加深對實際電力系統中功率因數調節的認識。

3 教學特色與成果

3.1 教學特色

實驗平臺管理權歸學院統一建設的實驗中心所有，從而擴大了平臺的開放性。通過這種創新模式的建設和管理方式，有效提升了實驗資源的利用率。

實驗項目具有綜合性和科學性，符合學科特點，能夠有效培養學生的綜合實踐能力。平臺注重實驗的方案設計和操作過程，鼓勵學生發揮自身的探索能力和創新能力。基于現有設備和實驗基礎，深入發掘平臺的功能，及時更新實驗設備，還能夠開發出更多具有創新性和綜合性的實驗。

3.2 教學成果

經過6年的教學實踐和不斷創新，實驗平臺已為本科共計400多位學生提供課程設計服務，為碩士研究生共18人提供科研服務，提高了不同層次學生的動手能力和實驗開發水平。其真實、具體、形象的教學特點深得師生歡迎。

4 結 語

電力系統綜合實驗平臺綜合了電力系統方向的多門核心課程的實驗內容，充分發掘了現有實驗資源的功能，增強了學生動手實踐的能力，提升了學生對實驗設計的興趣，突出了我校“實踐教育”的特色。實驗平

臺與理論教學相輔相成，有利于建設開放式、研究性、綜合型的專業教學體系，切實增強學生的實踐能力和綜合素質，為培養綜合型的“卓越工程師”打下良好的基礎。