電力系統(tǒng)自動化新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)

張利宏　李秀　彭偉

摘要 電力系統(tǒng)自動化是電氣工程及其自動化專業(yè)的最后一門專業(yè)課程，特點(diǎn)是涵蓋的基礎(chǔ)學(xué)科多，知識點(diǎn)比較多。由于電力系統(tǒng)的特殊性，學(xué)生在實(shí)際裝置上操作較少，對書中講授的裝置的原理及現(xiàn)象理解比較抽象。結(jié)合華中科技大學(xué)的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備WDT-ⅢC、PS-7G和加拿大RTDS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，提出一套課程改革的方案和設(shè)想，將教學(xué)過程中的理論與綜合實(shí)驗(yàn)、實(shí)時仿真系統(tǒng)結(jié)合起來。

關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)自動化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；RTDS仿真

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0036-04

電力系統(tǒng)自動化是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院本科生的必修課，共48學(xué)時，課程內(nèi)容包括同步發(fā)電機(jī)自動并列、同步發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)的靜動態(tài)特性、電力系統(tǒng)頻率及用功功率的自動調(diào)節(jié)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(tǒng)分析不同的是，本課程主要側(cè)重講授電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備在自動控制時所遵循的規(guī)律。在多年的教學(xué)中，學(xué)生的反饋是很難將各種裝置的原理、結(jié)構(gòu)和功能有效結(jié)合起來形成完整的體系，特別是勵磁自動控制系統(tǒng)中一些抽象的指標(biāo)，如動態(tài)指標(biāo)、調(diào)差率、強(qiáng)勵勵磁電流最大值、欠勵限制器的作用以及不同運(yùn)行方式電壓質(zhì)量、無功負(fù)荷平衡等。若能將理論用實(shí)驗(yàn)平臺便捷顯示出來，就將抽象的問題簡單化了，學(xué)生可以看到各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而使教學(xué)收到良好效果。

此外，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)現(xiàn)在使用的華中科技大學(xué)WDT-ⅢC電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)臺和加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的實(shí)時數(shù)字仿真器RTDS是目前我國最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生可以認(rèn)識設(shè)備，對裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，動手搭建仿真模型，分析仿真結(jié)果。這是提高課程質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

1 綜合實(shí)驗(yàn)室基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革

結(jié)合電氣工程領(lǐng)域培養(yǎng)方案，課程組根據(jù)現(xiàn)有教學(xué)情況，實(shí)驗(yàn)臺配有控制柜測試孔，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。除了設(shè)有常規(guī)的控制裝置，均設(shè)有并網(wǎng)、調(diào)壓、調(diào)速的手動方式，便于學(xué)生更深層次地了解微機(jī)控制方式。根據(jù)課程及實(shí)驗(yàn)大綱要求，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院現(xiàn)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的不斷更新和新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展，目前的實(shí)驗(yàn)已不能滿足迅速發(fā)展的電力系統(tǒng)學(xué)科的需求，在新的課程大綱的改編中擬增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，如表2所示。

2 綜合實(shí)驗(yàn)室新型開放性實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與建設(shè)

WDT-ⅢC電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)臺和PS-7G型電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是目前最先進(jìn)的電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備。PS-7G實(shí)驗(yàn)裝置是高度自動化、開放式多機(jī)電力網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，配置微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的“四遙”功能。這是新實(shí)驗(yàn)課程體系開放式實(shí)驗(yàn)平臺，基于這樣好的實(shí)驗(yàn)平臺，可以開發(fā)綜合性、設(shè)計(jì)性、拓展性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力。

“PS-7G型電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)臺”是將7臺“WDT—ⅢC（或WDT-Ⅳ）電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)臺”的發(fā)電機(jī)組及其控制設(shè)備作為各個電源單元組成一個環(huán)網(wǎng)，如圖1所示。

本系統(tǒng)模擬了7臺發(fā)電機(jī)，分別通過電纜引接到電力主網(wǎng)的母線上，無窮大電源接在W-G母線上，由市電380V經(jīng)20 kVA自耦調(diào)壓器接至母線MG上，負(fù)荷分別聯(lián)接至MC、MD母線上。而MD母線經(jīng)聯(lián)絡(luò)變壓器TT與線路MF母線相聯(lián)，形成一個靈活可變的電力一次系統(tǒng)。

PS-7G系統(tǒng)模擬了500 kV電壓等級電力網(wǎng)絡(luò)，MD母線電壓等級為220 kV，7臺發(fā)電機(jī)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(jīng)過母聯(lián)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(lián)接的無窮大系統(tǒng)，在距離100 km的中間站的母線MF經(jīng)變壓器TT與220 kv母線MD相聯(lián)，C站通過一段100 km短距離線路與B站相聯(lián)，另一端通過母聯(lián)斷路器QFG與E站相聯(lián)，并且設(shè)有地方負(fù)荷。E站經(jīng)200 km輸電線路通過母聯(lián)斷路器QFG、QFK與母線MG相聯(lián)。

此環(huán)形電力網(wǎng)共有7個節(jié)點(diǎn)，分別為如圖1所示7條母線。通過改變運(yùn)行方式、投切線路，如將電力網(wǎng)變成一個輻射形網(wǎng)絡(luò)，則通過切除XL_C線路實(shí)現(xiàn)，如圖2所示；如將電力網(wǎng)變成T型網(wǎng)絡(luò)，則切除XL_F線路，如圖3所示。

在設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)前提下，針對XL_B線路的三相故障，可以進(jìn)行暫態(tài)故障計(jì)算分析，如圖4所示。此時當(dāng)線路XLB故障時，兩端的線路開關(guān)QF_C、QF_F會跳開，切除故障線路。

通過該監(jiān)測平臺，可方便實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的“四遙”功能，即可以通過遠(yuǎn)程改變發(fā)電機(jī)輸出功率改變系統(tǒng)潮流分布，也可以通過改變網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接結(jié)構(gòu)、調(diào)整無窮大系統(tǒng)調(diào)壓器來改變電力網(wǎng)潮流分系統(tǒng)模型進(jìn)行分析。綜合實(shí)驗(yàn)平臺項(xiàng)目開發(fā)如表3所示。

3 實(shí)時仿真系統(tǒng)FITDS電力系統(tǒng)自動化實(shí)驗(yàn)的開發(fā)

電力系統(tǒng)自動化課程中“電力系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)功”“勵磁自動控制系統(tǒng)的動態(tài)特性中數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)”“勵磁系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性”等內(nèi)容抽象且結(jié)合不緊密，即使有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，有些實(shí)驗(yàn)也無法完成。結(jié)合培養(yǎng)人才計(jì)劃，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院新進(jìn)加拿大RTDS全套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并布置RTDS仿真課外設(shè)計(jì)作業(yè)，使學(xué)生在搭建模型過程中學(xué)會draft建模、運(yùn)行runtime控制模塊，進(jìn)行指令操作。這樣將理論和實(shí)踐緊密地結(jié)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(xué)生可以運(yùn)用控制理論搭建模型，并分析研究預(yù)期仿真結(jié)果，對提高學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)際中的動手能力和教師教學(xué)科研能力都有積極作用。

針對電力系統(tǒng)自動化課程大綱要求，擬增加的開放性仿真實(shí)驗(yàn)如表4所示。

4 結(jié)束語

通過使用WDT-ⅢC電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)臺和PS-7G型電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以及實(shí)時仿真系統(tǒng)RTDS，深化了電力系統(tǒng)自動化的教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生提供了進(jìn)行基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)、專業(yè)課程設(shè)計(jì)、綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)的寬廣的平臺，也使得學(xué)生對電力系統(tǒng)自動化、電力系統(tǒng)調(diào)度自動化運(yùn)行及調(diào)試實(shí)驗(yàn)有了一個初步的認(rèn)識，為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院培養(yǎng)寬口徑的專業(yè)技術(shù)人員做出貢獻(xiàn)。