智能電網(wǎng)學科實驗資源建設的研究與實踐

顧亦然　付蓉　王乃艷　朱松豪

摘 要：以產(chǎn)學研聯(lián)合方式建設虛實結(jié)合、集成開放的智能電網(wǎng)實驗資源，能夠培養(yǎng)出勝任新技術(shù)研究開發(fā)、新成果轉(zhuǎn)化、新產(chǎn)品推廣和企業(yè)新技術(shù)改造等工作的基礎扎實、素質(zhì)全面、工程實踐能力強并具有較強創(chuàng)新能力的應用型、復合型高層次工程技術(shù)和工程管理人才，并能將“智能電網(wǎng)與控制技術(shù)”建成省級優(yōu)勢特色學科。

關鍵詞：智能電網(wǎng)；實驗室建設；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9132（2016）13-0256-232

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.13.092

智能電網(wǎng)學科實驗資源的建設主要是構(gòu)架融智能電網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡控制技術(shù)、通訊技術(shù)于一體，進行智能電網(wǎng)領域相關教學與關鍵技術(shù)研究的實驗與實踐資源建設，提高實驗資源的科研水平，大力推進成果提升、關鍵技術(shù)攻關和成果轉(zhuǎn)化。

一、智能電網(wǎng)實驗平臺資源建設

智能電網(wǎng)實驗資源包含大量分布式可調(diào)節(jié)設備（如光伏發(fā)電、風電機組、同步發(fā)電機組、燃料電池、儲能、柔性負荷等多類型分布式單元）和多種結(jié)構(gòu)形式電網(wǎng)線路。由于智能配電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模大，分布式設備容量小、數(shù)量多、地域分散等特征，單一的集中控制模式或分散控制模式均難以適應有源配電網(wǎng)的特征需求。因此，智能電網(wǎng)研究生實驗資源的整體控制結(jié)構(gòu)擬采用“上層集中協(xié)調(diào)、下層分布式協(xié)同”的控制框架。在此控制框架下，電網(wǎng)被劃分成若干分布式設備群或控制區(qū)域。電網(wǎng)集中控制中心負責集中協(xié)調(diào)各分布式設備群或區(qū)域，而在分布式設備群或區(qū)域內(nèi)部則通過協(xié)調(diào)各分布式可調(diào)單元來完成集控中心下達的任務。

集成化智能電網(wǎng)半實物仿真實驗環(huán)境建設主要包括：（1）電網(wǎng)安全運行與控制監(jiān)視屏區(qū)、模擬電網(wǎng)動態(tài)仿真運行以及模擬電網(wǎng)管理與控制區(qū)。其中，監(jiān)視屏區(qū)主要用于顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)和控制效果。（2）模擬電網(wǎng)動態(tài)運行區(qū)包含虛擬配電網(wǎng)系統(tǒng)和部分實際物理設備（如儲能、光伏單元等），兩者通過功放接口設備實現(xiàn)“虛實互聯(lián)”，可用于模擬有源配電網(wǎng)管理與控制區(qū)域包含集控中心、區(qū)域控制中心和數(shù)據(jù)存儲與分析。

二、智能電網(wǎng)實驗課題資源建設

實驗課題資源的建設是學科實驗室的一個軟核心。豐富和有創(chuàng)意的實驗課題既能實現(xiàn)研究生課內(nèi)外教學與實踐活動的統(tǒng)一，也可滿足綜合實驗與科研實驗的統(tǒng)一。智能電網(wǎng)實驗室充分依托校企合作實驗資源與經(jīng)驗，集成化建設智能電網(wǎng)實驗資源，主要包括上層系統(tǒng)集中控制、中層區(qū)域分布式控制和底層可調(diào)單元控制的協(xié)調(diào)運行。

（一）上層系統(tǒng)級集中控制的實驗課題

智能電網(wǎng)實驗室上層系統(tǒng)可進行電網(wǎng)運行分析和動態(tài)仿真；電網(wǎng)集中式狀態(tài)估計；電網(wǎng)集中優(yōu)化協(xié)調(diào)調(diào)度；網(wǎng)絡故障后網(wǎng)架重構(gòu)；智能變電站實時監(jiān)控研究；復雜電網(wǎng)的控制策略等。根據(jù)智能電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征，研究包含多種量測設備（PMU、RTU、SCADA）的布點優(yōu)化方法，以及研究量測數(shù)據(jù)具有多時空尺度、不完備性（如通信網(wǎng)絡產(chǎn)生的丟包）等特征的狀態(tài)估計方法。在負荷預測和發(fā)電預測支撐下，研究電網(wǎng)多目標、多約束情況下的有功、無功優(yōu)化調(diào)度策略。

（二）中層區(qū)域級分布式控制的實驗課題

與傳統(tǒng)的集中式運行與控制不同，分布式運行與控制是通過區(qū)域間協(xié)調(diào)變量相互通信交換信息，最終進行全系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)估計與運行控制。實驗室可模擬常見的信息不確定性因素（如延時、丟包等），分析電力通信信號傳輸。在各子區(qū)域狀態(tài)估計基礎上，通過區(qū)域間協(xié)調(diào)變量相互通信交換信息，最終估計出全系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，在各區(qū)域之間能夠進行相互通信。研究分布式協(xié)同控制，將多個相互依賴的可調(diào)節(jié)單元有機地組織起來，以共同完成某一任務的分布式控制策略。

（三）底層可調(diào)節(jié)單元控制的實驗課題

在電網(wǎng)底層，智能電網(wǎng)實驗室主要開展電力電子逆變器控制等相關實驗課題，依托現(xiàn)有產(chǎn)學研模式下研制的500kV光伏逆變器裝置等，進一步開展分布式電源（光伏、風電機組、儲能等）以及FACTS裝置的控制系統(tǒng)設計研究工作；研究發(fā)電機組的調(diào)速與調(diào)壓控制的相關問題，搭建控制系統(tǒng)進行實現(xiàn)物理電力電子變換器控制，以及硬件在環(huán)測試等功能。

可見，通過建設智能電網(wǎng)實驗資源，可以開展可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、微電網(wǎng)運行控制、綜合負荷與電網(wǎng)互動等智能電網(wǎng)方面的多項實驗課題，實現(xiàn)電力網(wǎng)絡信息通信技術(shù)、可再生能源發(fā)電技術(shù)、分布式電源協(xié)調(diào)控制技術(shù)、微電網(wǎng)智能調(diào)度技術(shù)、柔性負荷監(jiān)控技術(shù)等智能電網(wǎng)相關領域的虛擬仿真與實體交互實驗等。同時，依托虛擬通信網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)絡教學共享，最大限度發(fā)揮該平臺仿真高危、大電壓、高成本、高消耗等智能電網(wǎng)系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實對象的功能。利用PSCAD、RTLAB等軟件，仿真電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變配電、用電全過程，結(jié)合實體元件和虛擬通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)虛實結(jié)合的智能電網(wǎng)中能量流與信息流的交互。

綜上所述，智能電網(wǎng)實驗室建設基于“實踐教學社會化、企業(yè)化”的理念，利用自身學科優(yōu)勢，依托省部級重點實驗室、工程項目研究中心等各類科研平臺，全方位、多層面利用社會資源提高學生實踐素質(zhì)，引導學生系統(tǒng)參與實驗實踐活動，強化學生工程實踐能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)，提升學生的實踐能力與創(chuàng)新精神。這樣就為智能電網(wǎng)專業(yè)人才培養(yǎng)、開展高層次高水平的科研活動、展現(xiàn)高水平智能電網(wǎng)科研成果提供了更加堅實的基礎，增強了學校服務于江蘇以及區(qū)域經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的綜合實力。