“電力系統(tǒng)自動化”實踐教學(xué)活動設(shè)計

解 大，馮俊淇，劉 東，王西田

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240)

“電力系統(tǒng)自動化”課程具有理論嚴(yán)密、邏輯性強(qiáng)和工程背景廣闊等特點，它綜合了電力系統(tǒng)自動裝置、電力系統(tǒng)通信及調(diào)度自動化及變電站自動化三部分。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠掌握電力系統(tǒng)從單個自動裝置到完整自動化系統(tǒng)的功能、構(gòu)成、原理和實現(xiàn)技術(shù)，并能熟悉計算機(jī)軟、硬件技術(shù)和通信技術(shù)在電力系統(tǒng)自動化中的應(yīng)用［1-3］。

由于實踐教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的實際操作、分析問題和解決問題的能力方面起著極其重要的作用，因此我們教學(xué)團(tuán)隊始終堅持高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求設(shè)計和開展教學(xué)實踐活動，幫助學(xué)生樹立嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實際的工程觀點，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)分析歸納能力和強(qiáng)弱電結(jié)合的創(chuàng)新思維能力［4，5］。

1 實踐教學(xué)活動的設(shè)計思想

近幾年來，我?！半娏ο到y(tǒng)自動化”課程教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合現(xiàn)在電力自動化發(fā)展的趨勢，經(jīng)過認(rèn)真調(diào)研和考察，對該課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行更新，以系統(tǒng)性、綜合性、設(shè)計性和開放性為主要特點，采用了如下設(shè)計思想。

1.1 實驗教學(xué)設(shè)計

我們的實驗教學(xué)設(shè)計，考慮電力系統(tǒng)自動化各個典型環(huán)節(jié)涵蓋了發(fā)電、變電、輸電和電網(wǎng)監(jiān)控等各個方面，使學(xué)生可以通過實驗體系全面輔助電力系統(tǒng)自動化理論課程的學(xué)習(xí)。比如:我們與企業(yè)合作研制的TQDZ-II電力系統(tǒng)自動化綜合實驗臺涵蓋了電力系統(tǒng)發(fā)、變、輸、配和用各個環(huán)節(jié);施耐德公司的PowerLogic配電監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了電網(wǎng)監(jiān)控和調(diào)度等環(huán)節(jié);教師科研成果轉(zhuǎn)化的RTDS仿真系統(tǒng)涵蓋了變電站自動化等環(huán)節(jié)。上述的三方面互相結(jié)合，覆蓋了電力系統(tǒng)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，學(xué)生能在這套平臺上系統(tǒng)掌握整個電力系統(tǒng)涉及的主要知識。

1.2 綜合實驗平臺建設(shè)

近年來，為了加強(qiáng)該課程的實驗建設(shè)，我們通過校企聯(lián)合和教師科研成果轉(zhuǎn)化等形式搭建了一個綜合的實驗平臺。

1)TQDZ-II“4+1”典型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

我們同長沙同慶電氣公司聯(lián)合，共建電力系統(tǒng)自動化實驗室。該實驗室采用典型的“4+1”方案組建電力系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括4臺TQDZ-II電力系統(tǒng)自動化綜合實驗臺，1臺組態(tài)監(jiān)控屏。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，設(shè)計接近于電力現(xiàn)場，與現(xiàn)實實踐緊密聯(lián)系。單機(jī)系統(tǒng)可以做準(zhǔn)同期并列和發(fā)電機(jī)勵磁等實驗。4臺機(jī)組聯(lián)網(wǎng)可以進(jìn)行調(diào)度自動化實驗，同時還可以作為“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”、“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”和“電網(wǎng)監(jiān)控及調(diào)度自動化”等課程的實驗教學(xué)平臺，也可作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和教師科研項目的基礎(chǔ)硬件開發(fā)平臺。

2)配電監(jiān)控系統(tǒng)組建

我們采用施耐德公司的現(xiàn)場配電產(chǎn)品組建了一套PowerLogic 0.4kV低壓配電一次系統(tǒng).該系統(tǒng)采用典型的單母分段結(jié)構(gòu)，2路進(jìn)線，10路出線，并由現(xiàn)場監(jiān)控單元PM850、PM810和智能框架斷路器MT對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控;同時采用C5監(jiān)控系統(tǒng)與其進(jìn)行組態(tài)，完成電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)實驗。在該平臺上，學(xué)生使用的均為先進(jìn)的現(xiàn)場設(shè)備，能夠更系統(tǒng)更真實的學(xué)習(xí)到前沿的專業(yè)知識。

3)變電站仿真系統(tǒng)組建

我們?yōu)榱四茏寣W(xué)生能在校內(nèi)直接學(xué)習(xí)變電站的結(jié)構(gòu)和日常運行管理知識，自行設(shè)計開發(fā)了一套RTDS變電站仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅包括變電站的一次設(shè)備及其操作機(jī)構(gòu)、交直流系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動裝置和綜合自動化系統(tǒng)的詳細(xì)模型，而且也考慮了變電站仿真詳細(xì)模型對電網(wǎng)仿真抽象模型的影響［6，7］。該系統(tǒng)以現(xiàn)實變電站為原型，包括 10kV，35kV和110kV三個電壓等級。

1.3 基礎(chǔ)實踐和設(shè)計創(chuàng)新相結(jié)合

整個實驗體系在設(shè)計時分為基礎(chǔ)實踐和設(shè)計創(chuàng)新兩個層次，即包括演示型、驗證型的基本型實驗，也包括在基礎(chǔ)實踐之上進(jìn)一步補充和拓展的創(chuàng)新型實驗。比如:“同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行實驗”和“”同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器實驗”就屬于基礎(chǔ)驗證性實驗［8］。學(xué)生通過實驗掌握準(zhǔn)同期并列條件及過程、勵磁調(diào)節(jié)裝置的基本控制方式等重要知識點，使其受到基礎(chǔ)知識、基本原理、基本方法和基本操作等技能的系統(tǒng)訓(xùn)練。又如“建立電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及認(rèn)識系統(tǒng)通信特性”和“使用電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遙測及遙信”實驗中的部分內(nèi)容就屬于設(shè)計創(chuàng)新型實驗。學(xué)生在掌握基本設(shè)備的使用操作之后，要根據(jù)設(shè)計要求，通過后臺組態(tài)系統(tǒng)自行設(shè)計和組態(tài)一個監(jiān)控系統(tǒng)原型，并調(diào)試運行。

1.4 以開放實驗平臺增加學(xué)生實踐機(jī)會

本課程實驗教材內(nèi)容豐富，課程本身進(jìn)行的實驗僅占實驗教材的一部分，其它內(nèi)容學(xué)生可以根據(jù)自己的需要自行到實驗室進(jìn)行學(xué)習(xí)實踐。另外，RTDS變電站仿真系統(tǒng)具有非常豐富的實驗題庫，本課程組在開發(fā)RTDS變電站仿真系統(tǒng)時，采用了客戶機(jī)/服務(wù)器模式，通過ADO技術(shù)進(jìn)行對數(shù)據(jù)庫的連接。網(wǎng)絡(luò)通訊部分則采用WinSock技術(shù)，程序分為教師機(jī)和學(xué)員機(jī)，分別進(jìn)行打包。其中數(shù)據(jù)庫和教師機(jī)程序在服務(wù)器上，客戶機(jī)程序可以通過該網(wǎng)站進(jìn)行下載，配置使用非常方便。學(xué)生可以不在實驗機(jī)房就能登錄系統(tǒng)進(jìn)行操作，為其提供一個開放的實踐平臺。

2 實踐教學(xué)活動效果

該課程的實驗內(nèi)容均在我校電氣工程實驗中心進(jìn)行，實驗條件較好。其中，同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行實驗和同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器實驗在TQDZ-II型電力系統(tǒng)自動化綜合實驗臺上進(jìn)行，3-4人一組;建立電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及認(rèn)識系統(tǒng)通信特性，使用電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遙測及遙信實驗在施耐德電氣配電監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行，2人一組;線路的正常操作和線路故障處理實驗在變電站仿真系統(tǒng)上進(jìn)行，1-2人一組。

教學(xué)團(tuán)隊對原有的實驗報告要求進(jìn)行改進(jìn)，增加了實驗數(shù)據(jù)分析和思考題評分的分量，督促學(xué)生對重點問題和實驗現(xiàn)象進(jìn)行思考分析，提高了學(xué)生歸納、整理、分析實驗結(jié)果和撰寫報告的能力。

教學(xué)實踐表明，這種方法不僅可以起到加強(qiáng)理論教育的目的，并且將電力系統(tǒng)自動化的理論和教學(xué)實踐相結(jié)合，積極探索學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，可以縮短學(xué)校與電力自動化實際現(xiàn)場的差別。大力進(jìn)行實驗教學(xué)的改革，重視實驗教學(xué)在教學(xué)體系中的重要性，開發(fā)新的實驗平臺。

3 結(jié)語

通過對“電力系統(tǒng)自動化”課程實踐教學(xué)的不斷探索和改革，我?！半娏ο到y(tǒng)自動化”課程2009年被評為校級精品課程，2011年被評為上海市教委重點課程和“985”三期優(yōu)質(zhì)課程。

本課程采用我校編寫的教材［1］。該教材被納入“十一五”和“十二五”國家規(guī)劃教材，2009年獲得我校第十二屆精品教材特等獎，2011年度獲得我校第十三屆優(yōu)秀教材二等獎。

在“電力系統(tǒng)自動化”課程實驗教學(xué)中，我校教學(xué)團(tuán)隊結(jié)合課程需要，自行開發(fā)設(shè)計了C5電力監(jiān)控實驗平臺和變電站仿真實驗系統(tǒng)，以及電力系統(tǒng)自動裝置綜合實驗臺，于2008年被評為我校優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎，上海市優(yōu)秀教學(xué)成果三等獎。

［1］楊冠城，解大.電力系統(tǒng)自動裝置原理［M］第4版.北京:中國電力出版社，2007.

［2］劉東，張沛超，李曉露.面向?qū)ο蟮碾娏ο到y(tǒng)自動化［M］.北京:中國電力出版社，2009.

［3］解大，顧羽潔，劉東，王西田，楊鏡非，姜建民，許少倫，鄭祖平.“電力系統(tǒng)自動化”精品課程建設(shè)［J］.上海:實驗室研究與探索，2012，04:136-140.

［4］張艷麗，武俊麗，吳桂云，王越男.“電力工程”課程教學(xué)改革探索［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，03:13-15.

［5］張曉花等.從實踐教學(xué)談“電力系統(tǒng)自動化”課程的改革［J］.上海:實驗室研究與探索，2012，07:355-357+360.

［6］解大，姜建民，許少倫，孟凡青.基于變電站仿真系統(tǒng)的實驗教學(xué)改革［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，06:62-63+68.

［7］孫靜，周元鈞，張磊.基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真平臺［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，04:57-59.

［8］田建設(shè)，周鑫，朱鋒.發(fā)電機(jī)勵磁控制教學(xué)實驗平臺的研制［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，04:81-84.

［9］王穎，李梅，郭永洪.我校電力系統(tǒng)類課程教學(xué)實踐的思考［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，04:64-65+90.