智能微電網(wǎng)并網(wǎng)控制虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建與實踐

吳必瑞，韓 梁

(寧德師范學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建 寧德 352100)

在新工科和工程教育認(rèn)證背景下，高校實踐教學(xué)所占比例提高，實驗室建設(shè)起重要作用.近年來運用虛擬仿真技術(shù)逐漸成為各大高校實驗室建設(shè)的發(fā)展方向之一.虛擬仿真實驗教學(xué)體系是將虛擬仿真技術(shù)和計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合.虛擬仿真實驗教學(xué)體系是將虛擬仿真技術(shù)和計算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，對現(xiàn)有實踐教學(xué)模式進(jìn)行改革，不僅有利于促進(jìn)教學(xué)資源的科學(xué)規(guī)劃和持續(xù)發(fā)展[1]，解決教學(xué)資源不足的問題，同時通過建立虛擬仿真實驗教學(xué)環(huán)境，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高教學(xué)質(zhì)量[2].由于微電網(wǎng)并網(wǎng)控制設(shè)備電壓高、電流大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電氣設(shè)備種類繁多、價格昂貴且維護(hù)費用高等特點，故在高校實驗室建智能微電網(wǎng)并網(wǎng)實驗室不太符合實際[3].通過虛擬仿真實驗平臺，學(xué)生不僅可以反復(fù)進(jìn)行不同工況的電氣設(shè)備投切、運行設(shè)計，還可以身臨其境進(jìn)行微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計，避免因設(shè)計錯誤造成的高成本消耗以及無法挽回的問題，解決了高危、高成本、高消耗的問題[4-6].該仿真平臺逼真呈現(xiàn)微電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電、儲能、電能質(zhì)量與能量的優(yōu)化控制等虛擬實驗場景，如光伏變流器的并網(wǎng)、微電網(wǎng)中的電壓控制、短路保護(hù)等.通過該仿真實驗可提高學(xué)生的感性認(rèn)知度，有利于學(xué)生對理論的理解和創(chuàng)新能力的提高.結(jié)合寧德師范學(xué)院在電氣工程學(xué)科智能微電網(wǎng)并網(wǎng)控制虛擬仿真實驗室建設(shè)方面的內(nèi)容，希望能夠為同類院校、在電氣工程學(xué)科構(gòu)建該實踐教學(xué)體系方面提供借鑒.

1 智能微電網(wǎng)并網(wǎng)控制虛擬仿真實驗教學(xué)必要性分析及內(nèi)容

1.1 虛擬仿真實驗教學(xué)必要性

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng).微電網(wǎng)旨在實現(xiàn)分布式電源的高效靈活的應(yīng)用，解決形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題.利用微電網(wǎng)并網(wǎng)控制能實現(xiàn)分布式電源與可再生能源的并網(wǎng)接入，實現(xiàn)多種能源對負(fù)荷可靠供給.

結(jié)合微電網(wǎng)并網(wǎng)控制以及“新工科”對于人才培養(yǎng)的要求，充分考慮微電網(wǎng)技術(shù)待點，以微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、能量管理、運行控制為主線，構(gòu)建了“智能微電網(wǎng)運行控制虛擬仿真實驗”平臺.一方面，分布式電源、微電網(wǎng)并網(wǎng)控制是智能電網(wǎng)信息工程和電氣工程及其自動化專業(yè)前沿知識，也是本科生必不可少的實踐環(huán)節(jié)；另一方面，微電網(wǎng)并網(wǎng)與控制實驗的綜合性強(qiáng)，危險系數(shù)高，我?，F(xiàn)有的實驗條件難以進(jìn)行現(xiàn)場試驗，為了將新能源發(fā)電技術(shù)、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析、電力系統(tǒng)暫態(tài)分析、電力電子技術(shù)、控制理論等內(nèi)容有機(jī)地結(jié)合起來，通過虛擬仿真試驗，幫助學(xué)生理解和掌握微電網(wǎng)并網(wǎng)控制的理論、技術(shù)和實驗操作的關(guān)鍵步驟以及測量和控制的相關(guān)參數(shù).

1.2 實驗內(nèi)容

該系統(tǒng)采用3D 技術(shù)構(gòu)建實驗教學(xué)環(huán)境，包括終端控制、直流負(fù)荷管理屏柜、分布式能源接入屏柜、儲能與穩(wěn)定控制屏柜、接入與能量管理屏柜、風(fēng)力單元、光伏單元等.實現(xiàn)3D 場景模擬，包括3D 場景建模及光影效果處理，電氣柜前面板及背面的元器件需要簡化或只使用貼圖.通過該仿真實驗可開展操作模擬，檢查、設(shè)備上電、直流母線上電、保護(hù)節(jié)點開關(guān)初始操作，實現(xiàn)運行效果模擬仿真.智能微電網(wǎng)運行控制虛擬仿真系統(tǒng)控制界面如圖1所示.

圖1 智能微電網(wǎng)運行控制虛擬仿真界面

2 虛擬仿真系統(tǒng)架構(gòu)模式

智能微電網(wǎng)并網(wǎng)控制虛擬仿真實驗教學(xué)平臺架構(gòu)如圖2 所示，采用分層架構(gòu)模式，方便學(xué)生通過瀏覽器遠(yuǎn)程進(jìn)行登錄實驗.教師可通過虛擬仿真實驗平臺管理和查看學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)記錄和實驗報告，實時跟蹤學(xué)生實驗進(jìn)度與完成情況.

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

智能微電網(wǎng)運行控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)依托于開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺開放運行，二者能實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫對接，保證用戶通過瀏覽器訪問該系統(tǒng).通過平臺提供的面向用戶的智能指導(dǎo)、實驗內(nèi)容的自動批改，盡可能幫助用戶提升開放服務(wù)效果.開放式虛擬仿真實驗教學(xué)管理平臺集多媒體技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體，采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)開發(fā)模式.該虛擬實驗教學(xué)管理平臺將實物仿真、創(chuàng)新設(shè)計、智能指導(dǎo)、虛擬實驗結(jié)果、實驗數(shù)據(jù)自動批改以及教學(xué)管理進(jìn)行有機(jī)的融合，是一款界面友好、交互性和可擴(kuò)展性好的平臺軟件.

3 實驗內(nèi)容及考核要求

本項目在360°全景拍攝的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了以實際微電網(wǎng)為參照的虛擬場景，運用三維建模、動畫等技術(shù)手段，高度仿真了微電網(wǎng)的運行環(huán)境，使實驗場景和實驗對象更直觀形象.學(xué)生可以通過鼠標(biāo)“點擊”“拖曳”和鍵盤操作實現(xiàn)虛擬仿真實驗中各步操作，如同親臨實境，感受互動.

3.1 實驗內(nèi)容

1) 系統(tǒng)開啟前請先檢查設(shè)備是否完好，接線是否牢固可靠，然后開啟系統(tǒng)電源.開啟微電網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件和將微電網(wǎng)儲能與穩(wěn)定控制單元前面板，對微電網(wǎng)的直流母線進(jìn)行上電.所有機(jī)柜面板的保護(hù)節(jié)點操作開關(guān)均置于“遠(yuǎn)方”狀態(tài)，并將微電網(wǎng)前面板的“并網(wǎng)接入”斷路器置于合位.

2) 點擊光伏單元保護(hù)開關(guān)節(jié)點，點擊“合閘”按鈕，將光伏并網(wǎng)控制器接入微電網(wǎng)母線中.通過電池板或光伏模擬器向光伏控制器輸入直流電，點擊風(fēng)力單元保護(hù)開關(guān)節(jié)點，點擊“合閘”按鈕，將風(fēng)力發(fā)電單元接入到微電網(wǎng)直流母線中.

3) 點擊直流I 級(或II 級)負(fù)荷保護(hù)開關(guān)節(jié)點，點擊“合閘”按鈕，即將直流I 級(或II 級)負(fù)荷投入微電網(wǎng)母線中.點擊左側(cè)“交流負(fù)荷開關(guān)”按鈕，可以監(jiān)控各子負(fù)荷的運行狀態(tài)和負(fù)荷單元的電力參數(shù)信息.

4) 在主界面上點擊“模式設(shè)置”按鈕，可對微電網(wǎng)模式進(jìn)行設(shè)置.實驗結(jié)束后，首先對交流I 級和II級負(fù)荷開關(guān)節(jié)點進(jìn)行分閘，然后對交流總負(fù)荷進(jìn)行分閘.在“風(fēng)力發(fā)電頁面”將電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，并對其進(jìn)行分閘，將光伏模擬器或者光伏板的模擬光源進(jìn)行關(guān)閉，并將光伏單元的開關(guān)節(jié)點進(jìn)行分閘；將電網(wǎng)連接的開關(guān)節(jié)點進(jìn)行分閘，然后關(guān)閉微電網(wǎng)儲能與穩(wěn)定控制單元的空開，最后依次關(guān)閉微電網(wǎng)接入與能量管理單元管理柜、微電網(wǎng)儲能與穩(wěn)定控制單元、微電網(wǎng)分布式能源接入單元、微電網(wǎng)交直流負(fù)荷管理單元、微電網(wǎng)監(jiān)控平臺的輔助電源開關(guān).

3.2 考核要求

實驗項目從實驗認(rèn)知、實驗操作、數(shù)據(jù)記錄分析、實驗報告、思考題等方面綜合考察學(xué)生對實驗內(nèi)容的掌握程度，判斷是否達(dá)到實驗?zāi)康?，并根?jù)各項考核內(nèi)容權(quán)重給出成績.本實驗整體考核要求及各項比例見表1，實驗操作評分細(xì)則、實驗操作、實驗報告、思考題三項內(nèi)容加權(quán)平均分即為本實驗課程的最終成績.

表1 虛擬仿真實驗考核要求

4 結(jié)語

介紹的虛擬仿真平臺具有開放運行與共享服務(wù)特點，有助于節(jié)約實驗設(shè)備開支.學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)登陸虛擬仿真實驗平臺進(jìn)行自主上機(jī)操作練習(xí)操作和實驗，也可以根據(jù)實驗室統(tǒng)一安排進(jìn)行實驗.通過此虛擬仿真項目的訓(xùn)練，有助于促進(jìn)學(xué)生對微電網(wǎng)基礎(chǔ)知識的認(rèn)識，有效地解決了實驗教學(xué)中存在的高危、高成本、高消耗、不可逆等一系列問題.