“電力系統(tǒng)分析”課程的工程化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

黃 肇， 羅隆福， 石賽美

(1．湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082 ) (2．邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系， 湖南 邵陽(yáng) 422004)

0 引言

電力系統(tǒng)是一個(gè)典型、復(fù)雜的大系統(tǒng)，“電力系統(tǒng)分析”課程是電氣類專業(yè)的基礎(chǔ)課，是通往后續(xù)專業(yè)課的橋梁[1]。

“電力系統(tǒng)分析”課程內(nèi)容主要涵蓋電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行、故障情況和穩(wěn)定性分析等相關(guān)理論、分析和計(jì)算。通常，課程的理論教學(xué)部分是由圖1所示的典型的單機(jī)——無(wú)窮大系統(tǒng)所貫穿。而課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分則在圖2所示的相應(yīng)的電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)圖1所示的發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程，能完成電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、故障狀態(tài)以及斷相運(yùn)行時(shí)的相關(guān)操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論緊密聯(lián)系起來(lái)，深化理論知識(shí)。

但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)：①由于學(xué)生的理論知識(shí)比較單一，沒(méi)形成系統(tǒng)化的知識(shí)，并網(wǎng)之前與并網(wǎng)之后需要怎么操作不清楚；②由于學(xué)生很少

圖1 典型的電力系統(tǒng)單線圖

圖2 電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面圖

接觸實(shí)際電力工程，對(duì)真實(shí)電力系統(tǒng)的工程化意識(shí)不強(qiáng)，隨意性較大，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范，容易出現(xiàn)誤操作，這在現(xiàn)實(shí)中的電力系統(tǒng)工程操作上是絕不允許的；③少數(shù)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)前，沒(méi)有充分預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，擔(dān)心安全問(wèn)題，不敢動(dòng)手操作。

為了克服上述缺陷，我們提出一種工程化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式來(lái)加以彌補(bǔ)，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式就是依據(jù)電力系統(tǒng)安全操作規(guī)程，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作步驟，制作安全操作指導(dǎo)說(shuō)明，讓學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)基本要求完成各種操作實(shí)驗(yàn)。

在工程化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中首先詳細(xì)闡述電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)機(jī)操作順序和停機(jī)操作順序。其次講授同期操作應(yīng)有的條件以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的安全事項(xiàng)。然后在電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、斷相實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)的演示性操作。最后按照實(shí)驗(yàn)要求讓學(xué)生完成各種操作實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在課后整理數(shù)據(jù)并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)完成各種操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生完全理解教材的理論知識(shí)，增加感性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)動(dòng)手能力，從中體現(xiàn)工程化的電力系統(tǒng)理論知識(shí)，為培養(yǎng)具有電力行業(yè)特色的應(yīng)用型人才奠定專業(yè)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)操作步驟工程化

電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由發(fā)電機(jī)組、輸電網(wǎng)和無(wú)窮大系統(tǒng)三個(gè)部分組成，在發(fā)電機(jī)出口母線和無(wú)窮大系統(tǒng)電源之間是包含兩臺(tái)變壓器和雙回路線路構(gòu)成的輸電單元，用多個(gè)電抗繞組接成鏈型結(jié)構(gòu)來(lái)模擬，以此模仿長(zhǎng)距離輸電線路。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的規(guī)范操作過(guò)程如圖3所示，包括發(fā)電機(jī)啟動(dòng)—?jiǎng)?lì)磁啟動(dòng)—建立電力網(wǎng)—發(fā)電機(jī)并網(wǎng)—調(diào)整發(fā)電機(jī)的功率等五大步驟，涉及到電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)機(jī)順序和停機(jī)順序這一操作過(guò)程，單項(xiàng)操作步驟都有相應(yīng)的參數(shù)指標(biāo)顯示，當(dāng)對(duì)應(yīng)參數(shù)值達(dá)到其設(shè)備的額定值時(shí)，才能進(jìn)行下一個(gè)步驟，直到單個(gè)實(shí)驗(yàn)完成。

圖3 電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作順序示意圖

在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)遵守以下幾點(diǎn)安全事項(xiàng)：

①在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，絕對(duì)不允許學(xué)生任何部位接觸自耦調(diào)壓器的輸入、輸出接線端子，否則會(huì)造成人體觸電，危及生命安全[2]。②按照實(shí)驗(yàn)要求確定發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)方式和勵(lì)磁方式，習(xí)慣采用微機(jī)控制的發(fā)電機(jī)啟動(dòng)方式和他勵(lì)的勵(lì)磁方式，一旦確定了勵(lì)磁方式，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的后續(xù)操作絕不允許更改勵(lì)磁方式；③依據(jù)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)方式和勵(lì)磁方式確定發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的同期方式，如采用了微機(jī)控制的自動(dòng)的發(fā)電機(jī)啟動(dòng)方式和他勵(lì)的勵(lì)磁方式，應(yīng)確定全自動(dòng)并網(wǎng)的同期方式。一旦確定了同期方式，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的后續(xù)操作也絕不允許更改同期方式；④并網(wǎng)之前，調(diào)整發(fā)電機(jī)的調(diào)速按鈕是調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般不能超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，即1500 r/m；調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁按鈕是調(diào)整發(fā)電機(jī)的出口電壓，不能超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定電壓，即380 V。并網(wǎng)之后，調(diào)整發(fā)電機(jī)的調(diào)速按鈕是調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功功率，不能超過(guò)發(fā)電機(jī)的額定功率，即2 kW；調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁按鈕是調(diào)整發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率；⑤在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，要進(jìn)行停機(jī)操作，停機(jī)操作順序與開(kāi)機(jī)并網(wǎng)順序相反，但必須保證在有功功率和無(wú)功功率為零的前提下切斷并網(wǎng)開(kāi)關(guān)才能操作其他實(shí)驗(yàn)步驟，否則會(huì)引起發(fā)電機(jī)失步，損害設(shè)備；⑥按照電力系統(tǒng)安全規(guī)程，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)具有良好地遵守電力系統(tǒng)操作票流程的素質(zhì)，使學(xué)生具備一定的電力系統(tǒng)工程意識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)安全操作體現(xiàn)工程化知識(shí)

電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，要建立一個(gè)完整地反映電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)室極其困難。但是通過(guò)電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可建立相應(yīng)的物理模擬系統(tǒng)，學(xué)生通過(guò)各種操作實(shí)驗(yàn)可以加深理解電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行與暫態(tài)過(guò)程的基本原理和運(yùn)行特性。在實(shí)驗(yàn)安全操作中體現(xiàn)工程化知識(shí)，樹(shù)立工程化意識(shí)，如同期操作體現(xiàn)同期條件知識(shí)，解列操作體現(xiàn)有關(guān)解列條件的知識(shí)等。

電力系統(tǒng)的控制裝置可保證電能質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并網(wǎng)可保證發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的正確性、可靠性和安全性，當(dāng)電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定后要及時(shí)防止事故繼續(xù)擴(kuò)大的自動(dòng)裝置。發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)并網(wǎng)之后，調(diào)整發(fā)電機(jī)組的出力(PG=2 kW)，完成相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、故障和斷線運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能遇到電力系統(tǒng)穩(wěn)定破壞出現(xiàn)失步振蕩時(shí)，發(fā)電機(jī)和無(wú)窮大系統(tǒng)的電壓表和功率表指針出現(xiàn)搖擺，此時(shí)不要慌張，在失步時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用切機(jī)，應(yīng)立即手動(dòng)切斷并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，再仔細(xì)觀察發(fā)電機(jī)和無(wú)窮大系統(tǒng)的電壓表和功率表的數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的具體情況消除失步振蕩的措施，重新并網(wǎng)，按實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)。

發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)的解列操作，需減小發(fā)電機(jī)的出力，把必須保證發(fā)電機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率降到零時(shí)，手動(dòng)直接斷開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)[3]。如果發(fā)電機(jī)組的出力很大時(shí)，直接斷開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，將使得斷路器觸點(diǎn)產(chǎn)生較強(qiáng)的“拉弧”現(xiàn)象，可能直接損壞斷路器或縮短斷路器的使用壽命，因此要先減小發(fā)電機(jī)的出力，使發(fā)電機(jī)組的P=0，Q=0，然后逆著開(kāi)機(jī)順序操作，直到斷開(kāi)總電源開(kāi)關(guān)才算是單個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目做完。

電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各種操作實(shí)驗(yàn)?zāi)芊从痴鎸?shí)電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，如單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)能等效模擬簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和故障狀態(tài)的各種操作，實(shí)驗(yàn)臺(tái)的規(guī)范操作與真實(shí)電力系統(tǒng)操作的流程一致。學(xué)生必需規(guī)范操作，遵循電力系統(tǒng)安全規(guī)程，逐漸形成現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)實(shí)際工程意識(shí)。

僅用單機(jī)對(duì)無(wú)窮大系統(tǒng)模型來(lái)研究電力系統(tǒng)，不能全面反映電力系統(tǒng)物理特性，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，潮流分布，多臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行等。因此電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由多臺(tái)單機(jī)發(fā)電系統(tǒng)組建成含有4機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)，在原有輸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)前提下，通過(guò)分別改變發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功來(lái)改變潮流的分布；可以通過(guò)投、切負(fù)荷改變電力網(wǎng)潮流的分布；也可以在各種動(dòng)態(tài)負(fù)荷下觀察電力網(wǎng)潮流分布；可以改變輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)觀察電力網(wǎng)的潮流分布。

通過(guò)電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)與理論有機(jī)結(jié)合，加之有效運(yùn)用工程化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生從感性知識(shí)上升為理性知識(shí)，從單純的知識(shí)深化為系統(tǒng)化知識(shí)，并樹(shù)立先進(jìn)的工程意識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

在“電力系統(tǒng)分析”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入工程化教學(xué)模式，目的在于通過(guò)實(shí)驗(yàn)中可以運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)去分析和解決實(shí)際電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)電力系統(tǒng)的工程意識(shí)。因此應(yīng)用工程化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，并在“電力系統(tǒng)分析”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到了有效地實(shí)施，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論，促使理論和實(shí)踐相結(jié)合，使感性認(rèn)識(shí)、工程認(rèn)識(shí)不斷提高和深化，為今后從事的工作打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

[1] 黃肇,羅隆福,羅慶躍.“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)體系的構(gòu)建[J].南京,電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(1):47-48.

[2] 祝淑萍.電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)[M].中國(guó)電力出版社.北京,2007:51-53.

[3] 許正亞.電力系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置[M].中國(guó)水利水電出版社.北京，2006:84.