智能電網(wǎng)學(xué)科實驗資源建設(shè)的研究與實踐

顧亦然，付蓉，王乃艷，朱松豪

（南京郵電大學(xué)，江蘇南京210023）

智能電網(wǎng)學(xué)科實驗資源建設(shè)的研究與實踐

顧亦然，付蓉，王乃艷，朱松豪

（南京郵電大學(xué)，江蘇南京210023）

以產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合方式建設(shè)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(chǔ)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(yīng)用型、復(fù)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(xué)科。

智能電網(wǎng)；實驗室建設(shè)；人才培養(yǎng)

智能電網(wǎng)學(xué)科實驗資源的建設(shè)主要是構(gòu)架融智能電網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、通訊技術(shù)于一體，進行智能電網(wǎng)領(lǐng)域相關(guān)教學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)研究的實驗與實踐資源建設(shè)，提高實驗資源的科研水平，大力推進成果提升、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化。

一、智能電網(wǎng)實驗平臺資源建設(shè)

智能電網(wǎng)實驗資源包含大量分布式可調(diào)節(jié)設(shè)備（如光伏發(fā)電、風(fēng)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(shè)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(yīng)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(shè)備群或控制區(qū)域。電網(wǎng)集中控制中心負責(zé)集中協(xié)調(diào)各分布式設(shè)備群或區(qū)域，而在分布式設(shè)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(wù)。

集成化智能電網(wǎng)半實物仿真實驗環(huán)境建設(shè)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(shè)備（如儲能、光伏單元等），兩者通過功放接口設(shè)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(shè)

實驗課題資源的建設(shè)是學(xué)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(xué)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(shè)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(luò)故障后網(wǎng)架重構(gòu)；智能變電站實時監(jiān)控研究；復(fù)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(shè)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(luò)產(chǎn)生的丟包）等特征的狀態(tài)估計方法。在負荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測支撐下，研究電網(wǎng)多目標(biāo)、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(chǔ)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(wù)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(guān)實驗課題，依托現(xiàn)有產(chǎn)學(xué)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(fēng)電機組、儲能等）以及FACTS裝置的控制系統(tǒng)設(shè)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(guān)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(shè)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(luò)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(guān)領(lǐng)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(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)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(luò)，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(shè)基于“實踐教學(xué)社會化、企業(yè)化”的理念，利用自身學(xué)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(xué)生實踐素質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)參與實驗實踐活動，強化學(xué)生工程實踐能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)，提升學(xué)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(chǔ)，增強了學(xué)校服務(wù)于江蘇以及區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的綜合實力。

［1］付蓉，郭前崗，王瑾.電力電子與新能源發(fā)電方向課程體系的構(gòu)建與實踐[J].中國電力教育，2009（8）：86-87.

［2］楊軍，龔慶武，呂艷萍，丁濤.智能電網(wǎng)背景下繼電保護實驗課程體系[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，中國電力教育，2013（1）：73-75.

［3］高輝，王乃艷.智能電網(wǎng)虛擬仿真實驗教學(xué)探討[J].中國電力教育，2014（17）：94-95.

The Research and Practice of Experimental Teaching Resources Construction of Smart Grid

GU Yi-ran,FU Rong,WANG Nai-yan,ZHU Song-hao
（Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing Jiangsu,210023,China）

Constructing actual,open and integrated smart grid based on the combination of theory and practice can cultivate comprehensive,strong capability of practice,innovative engineering talents and program management talents who are qualified for research and development of new technology,the promotion of new product and technique reconstruction of factories.And“Smart Grid and Control Technology”could be constructed into a characteristic discipline of Jiangsu Province.

Smart Grid;lab construction;talent cultivation

G64

A

1673-9132（2016）13-0256-232

10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.13.092

[責(zé)任編輯張宇]

顧亦然（1972-），女，漢族，博士，教授，研究方向：信息教育。付蓉（1974-），女，漢族，博士，教授，研究方向：電氣教育。王乃艷（1985-），女，漢族，碩士，研究方向：教育管理。朱松豪（1970-），男，漢族，博士，副教授，研究方向：自動控制。

課題項目：本文系江蘇省教學(xué)改革研究項目（項目編號：46888LX14378，JGLX15_054,JGLX15_055）和南京郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項目（項目編號：JG00514JX56）的研究成果。