智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

摘要：智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)依托虛擬通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)共享，滿足電氣工程類及相關(guān)專業(yè)本科、研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研工作，最大程度發(fā)揮虛擬仿真高危、大電壓、高成本、高消耗等智能電網(wǎng)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象的功能，實(shí)現(xiàn)多層次、立體化、虛實(shí)結(jié)合的多學(xué)科交叉融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；虛擬仿真；網(wǎng)絡(luò)共享；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.423#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號(hào)：1007-0079（2014）17-0094-02

智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在虛擬通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在江蘇省智能電網(wǎng)信息工程綜合訓(xùn)練中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，充分依托校企合作實(shí)驗(yàn)資源與經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)成三個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)：一是可再生能源并網(wǎng)控制虛擬仿真平臺(tái)；二是微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真平臺(tái)；三是電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真平臺(tái)?？蓪?shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)通信、可再生能源發(fā)電、分布式電源協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)智能調(diào)度、電動(dòng)汽車監(jiān)控等智能電網(wǎng)領(lǐng)域的虛擬仿真與實(shí)體交互實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)可仿真具有高危、大電壓、高成本、高消耗等特點(diǎn)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)。[1，2]

一、智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)開發(fā)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基于PSCAD電力仿真軟件搭建虛擬電力網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)，[3]基于MATLAB編寫虛擬通信網(wǎng)協(xié)議及控制策略，基于虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)、可再生能源、智能用電系統(tǒng)之間的信息傳輸，完成該平臺(tái)內(nèi)各子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真，并通過實(shí)體網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享，如圖1所示。其中，能量流基于虛擬電力網(wǎng)傳輸及交互，信息流基于虛擬電力專網(wǎng)傳輸及交互，整個(gè)智能電網(wǎng)虛擬仿真平臺(tái)可通過實(shí)體網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源共享。

1.可再生能源并網(wǎng)控制虛擬仿真平臺(tái)

可再生能源并網(wǎng)控制虛擬仿真平臺(tái)由可再生能源模塊、智能用電系統(tǒng)及智能電網(wǎng)模型、信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成，智能電網(wǎng)負(fù)荷潮流信息經(jīng)信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集傳輸給互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)研究?；谠撈脚_(tái)可開展以下課程實(shí)驗(yàn)：風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)、光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)、信息采集技術(shù)、互動(dòng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)及相關(guān)軟件開發(fā)等，培養(yǎng)學(xué)生在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等方面的技能。

2.微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由可再生能源模塊、智能用電系統(tǒng)、微電網(wǎng)、信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成，與傳統(tǒng)能源隔離，微電網(wǎng)虛擬運(yùn)行控制子系統(tǒng)由可再生能源供電，形成微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，圖1給出該微電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)。基于該平臺(tái)可開展以下課程實(shí)驗(yàn)：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、以太網(wǎng)通信技術(shù)、智能電表技術(shù)、微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)等，培養(yǎng)學(xué)生在微電網(wǎng)運(yùn)行控制方面的技能。

3.電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由虛擬智能電網(wǎng)、智能用電系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成，規(guī)?；妱?dòng)汽車既可作為負(fù)載從電網(wǎng)吸收能量，亦可作為移動(dòng)儲(chǔ)能單元給電網(wǎng)供電，另外電動(dòng)汽車可單獨(dú)為智能家庭和智能樓宇緊急供電。該平臺(tái)的建立需要通過信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和互動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互，保證互動(dòng)過程合理有序進(jìn)行，達(dá)到使智能配電網(wǎng)負(fù)荷曲線平滑、智能家庭/樓宇不間斷供電等目的，減小峰谷差、提高電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、數(shù)據(jù)收集分析、互動(dòng)交流、成果展示等功能?；谠撈脚_(tái)可開展以下課程實(shí)驗(yàn)：電動(dòng)汽車充放電逆變整流技術(shù)、電動(dòng)汽車BMS技術(shù)、智能電器用電、配電網(wǎng)負(fù)荷潮流計(jì)算、電動(dòng)汽車有序充放電、海量信息處理技術(shù)等，培養(yǎng)學(xué)生在電動(dòng)汽車充放電、智能電網(wǎng)潮流計(jì)算、智能電器用電等方面的技能。

二、智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及功能效果

智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可開展的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1#8194；可開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及類型

序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)類型

一可再生能源并網(wǎng)控制虛擬仿真可再生能源發(fā)電設(shè)備仿真建模；電力電子功率變換器仿真建模；逆變器并網(wǎng)建模仿真；并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析等?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)

二微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真虛擬元件通過網(wǎng)絡(luò)接入微電網(wǎng)仿真分析；微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行仿真分析；微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性分析與控制。綜合實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新

三電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真電動(dòng)汽車多時(shí)空尺度充電特性分析；充換電設(shè)施與電網(wǎng)互動(dòng)機(jī)理分析，建立電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的快速可靠通信連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。綜合實(shí)驗(yàn)、科研創(chuàng)新

1.可再生能源并網(wǎng)控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。采用PSCAD軟件、MATLAB軟件、3DSMAX開發(fā)平臺(tái)以及VR-Platform虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，[4]對(duì)風(fēng)能、光伏、微型燃?xì)廨啓C(jī)等可再生能源發(fā)電設(shè)備進(jìn)行虛擬建模，實(shí)驗(yàn)仿真可再生能源逆變器并網(wǎng)工作過程，分析并網(wǎng)控制系統(tǒng)的安全性、靈活性、可調(diào)度性，研究可再生能源接入對(duì)電網(wǎng)諧波、系統(tǒng)壓降作用及其與電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。

（2）實(shí)驗(yàn)功能及效果。模擬大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，突破了傳統(tǒng)的二維顯示的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)模式和分析方法，增加了對(duì)風(fēng)電機(jī)組模型和運(yùn)行特性的感知性與真實(shí)性，便于學(xué)生更好地掌握風(fēng)力機(jī)運(yùn)行原理與風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理；開發(fā)了光伏發(fā)電逆變器虛擬實(shí)現(xiàn)模型，便于學(xué)生更好地掌握光伏發(fā)電工作原理；在虛擬通信網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)基礎(chǔ)上，采用Cyber Maker和VR-Platform作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，模擬可再生能源拓展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

2.微電網(wǎng)運(yùn)行控制虛擬仿真

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。構(gòu)建微電網(wǎng)中光伏機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能元件、燃料電池裝置、電動(dòng)汽車、保護(hù)信號(hào)和開關(guān)狀態(tài)等虛擬元件，模擬虛擬元件通過網(wǎng)絡(luò)接入微電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程，仿真分析微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)運(yùn)行的潮流分析及其動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性，掌握適用于微電網(wǎng)分布式發(fā)電逆變接口系統(tǒng)技術(shù)、在線網(wǎng)絡(luò)支撐控制技術(shù)、多類型機(jī)組并聯(lián)技術(shù)等研究，探索微電網(wǎng)運(yùn)行頻率控制、電壓控制策略。

（2）實(shí)驗(yàn)功能及效果。拓展微電網(wǎng)并網(wǎng)及孤島運(yùn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)范圍、豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，開拓學(xué)生視野、提升知識(shí)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力；完成包括帶方向過流及負(fù)序保護(hù)、欠/過電壓、欠/過頻率保護(hù)等，完成并網(wǎng)點(diǎn)遙測(cè)、遙信、遙控等，使學(xué)生掌握微電源孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行模型、原理等；實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)負(fù)荷潮流計(jì)算方法、節(jié)點(diǎn)配置方法、協(xié)調(diào)控制策略，使學(xué)生掌握儲(chǔ)能對(duì)微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用機(jī)理與控制方法、分布式儲(chǔ)能的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法等。

3.電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。探索電動(dòng)汽車充放電特性、充換電設(shè)施與電網(wǎng)互動(dòng)機(jī)理與規(guī)律，分析電動(dòng)汽車和分布式可再生能源互補(bǔ)消納的理論和方法、電動(dòng)汽車對(duì)供電充裕性的影響機(jī)理及接入后電力系統(tǒng)規(guī)劃/調(diào)度的理論和方法、配電系統(tǒng)保護(hù)/控制的理論和方法等，研究電動(dòng)汽車與智能家庭、智能樓宇的互動(dòng)技術(shù)，用電信息采集、雙向互動(dòng)服務(wù)、小區(qū)配電自動(dòng)化、電動(dòng)汽車有序充電、分布式電源運(yùn)行控制、智能家居等技術(shù)。

（2）實(shí)驗(yàn)功能及效果。開發(fā)了電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，包括V2G、V2B、V2H等，可使學(xué)生掌握配電網(wǎng)潮流計(jì)算、電力系統(tǒng)保護(hù)、電壓和頻率穩(wěn)定、信息處理、通信工程、控制策略分析等知識(shí)；實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車充放電的負(fù)荷特性預(yù)測(cè)仿真方法；實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車SOC、電動(dòng)汽車及充電樁等位置信息、電網(wǎng)負(fù)荷潮流等不同量之間信息融合及海量信息處理技術(shù)。

三、結(jié)論

智能電網(wǎng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可開展可再生能源虛擬發(fā)電并網(wǎng)、微電網(wǎng)虛擬運(yùn)行控制、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，依托虛擬通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)共享，滿足電氣工程類及相關(guān)專業(yè)本科、研究生實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)高校、境外高校及相關(guān)行業(yè)間資源共享與輻射，最大程度發(fā)揮該平臺(tái)虛擬仿真高危、大電壓、高成本、高消耗等智能電網(wǎng)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象的功能。發(fā)揮了南京郵電大學(xué)大信息領(lǐng)域的學(xué)科優(yōu)勢(shì)，合理開展?jié)M足多種應(yīng)用對(duì)象需求的多層次、立體化、虛實(shí)結(jié)合的多學(xué)科交叉融合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究。

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（責(zé)任編輯：孫晴）