电力工程综合实验系统的建设与实践研究

摘要：根据学校的办学目标定位，介绍了电力工程综合实验系统建设的目标与思路；总结了该实验系统的主要组成及功能技术要求，并给出了三种典型的实验方案，以及实验系统的特色所在。运行实践表明该系统综合性好、运行灵活，可以提高专业实验的教学质量和水平。

关键词：电力工程；实验系统；功能技术；实验方案

作者简介：温步瀛（1967-），男，福建永泰人，福州大学教务处副处长，教授。（福建福州350108）

中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）09-0073-02

福州大学（以下统称“我校”）作为“211”重点建设的学校之一，2010年被列入教育部卓越工程师教育改革首批试点学校，在新形势下对电力工程专业方向的人才培养提出了更高的要求：工程人才的培养需要“回归工程”，需要加强实践能力的培养。通过加强专业实验系统建设，加强学生的实践训练能力，以适应当前社会对电力工程专业方向人才培养的要求。下面笔者对电力工程综合实验系统建设与运行实践过程中的一些经验和体会进行简要介绍。

一、建设目标和思路

根据“从我校工程应用型人才培养目标定位出发，强化实践能力的培养，是保证我校人才培养的特色和质量的关键”和“提高学生的综合应用所学知识的能力”等办学思路与培养计划要求、以及社会对理论知识面广博和工程应用能力强的人才培养需求出发，制订电力工程实验室建设目标与方案。

电力工程综合实验建设目标是满足电力工程基础、发电厂电气部分、电力系统稳态和暂态等电力专业主干课程的实验教学基本要求。实验系统要能适应电力工程专业方向学生的教学要求，可开出一定比例的设计性、综合性实验项目，以提高专业训练水平。目前可以开出的主要综合性实验项目为：电力系统开停机实验、电力系统运行方式实验、负荷调整实验、潮流分析实验、电力系统有功平衡与频率调整实验、电力系统无功平衡与电压调整实验、电力系统静态和暂态稳定性实验等。上述实验为电力工程专业方向学生所必须经历的实验内容，可使学生能巩固和加深对专业基础理论知识的理解，提高学生的动手能力，培养学生的工程应用能力和创新能力。

二、系统的主要组成及功能技术要求

本实验系统由模拟五个发电厂、若干条线路和市电电网联结而成的一个系统、并由一个监控台实施调度和监控的综合实验系统，电气一次接线如图1所示。

1.模拟发电厂及其相关的自动调节单元

模拟发电厂共有五个，每个发电厂是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kVA，VN=400V，nN=1500r.p.m）和直流电动机（PN=2.2kW，VN=220V）以及测速装置组成。操作系统是由输电线路单元、微机线路保护单元、微机调速单元、微机励磁调节单元、微机同期单元和仪表测量及短路故障模拟单元等组成。

输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗。微机线路保护单元具有过流选相跳闸、自动重合闸功能，有利于实验分析。微机调速单元具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能，能最大限度地满足灵活多变的实验需要。微机励磁调节单元具有它励、自并励两种方式选择，控制方式有恒UF、恒IL、恒α、恒Q等四种。微机准同期控制单元能按恒定越前时间原理工作，可选择全自动准同期合闸、半自动准同期合闸等功能，可测定断路器的开关时间和测定合闸误差角等功能，可测定越前时间和越前角度，输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。实验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出，同时可以通过数字存贮示波器观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，也可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，同时可观测到同步发电机短路时的电流、电压波形等。

2.调度监控台

综合实验系统有一台相当于实际电力系统调度通信中心的电力系统微机调度监控台，六条不同长短的输电线路和三组可改变功率大小的负荷等组成。整个一次系统构成一个可变的多机环型电力网络，便于进行理论计算和实验分析。

综合实验系统中的计算机监控系统是多目标、多参数、多功能的实时系统，为了使监控系统具有良好的开放性，采用了分层分布式系统配置。上位机和现地控制单元（LCU）之间采用RS-485通讯网络结构，并且通过通讯网络与各开关站的智能仪表、控制执行单元（PLC）相联，可通过局域网与远方调度通讯。监控管理上位机采用抗干扰性强的工业控制计算机，各电站的LCU采用具有监控功能的微机励磁系统对机组完成现地监控，各开关站的电量监测采用具有数据处理功能的智能仪表对线路、负荷完成现地监测，并通过高可靠性的PLC对各开关进行监控和负荷调节，且具有过载报警功能。

该监控台是一个开放式系统，能将多个模拟发电厂平接成一个大的电力系统，并配置微机监控系统实现电力系统综合自动化的遥测、遥信、遥控、遥调等功能，使它能够反映现代电能的生产、传输、分配和使用的全过程。

三、典型实验方案及特色

1.典型实验方案

由于综合实验系统运行灵活多样，下面介绍“单机―无穷大”、“多机―无穷大”和“多机独立电力系统”三种典型的实验运行方案。

（1）“单机―无穷大”实验运行方案。本运行方案由单个模拟发电厂通过双回线路和市电电网联结而的一个系统。可以让学生认识发电厂各功能组成部分及其作用、掌握发电机组的启停机操作和发电机组的并网与解列操作；熟悉发电机组并列前的转速变化情况和并列后的有功输出变化情况；熟悉发电机组并列前的机端电压变化和并列后的无功输出变化情况；熟悉正常运行状态下各种运行方式的调整操作和观察各种运行状态与运行参数的数值变化范围；分析各种运行方式下发电机组的机端电压变化和有无功输出变化情况；分析当发电机濒临失步时应采取哪些措施才能避免发电机失步；进一步加深理解功率极限的概念，加深对电力系统静态稳定性的理解，体会各种提高功率极限措施的作用；分析不同短路类型对系统稳定性的影响，比较分析短路时短路电流的波形；分析单相自动重合闸提高暂态稳定机理。通过对实验中各种现象的观察和分析，培养理论结合电力系统实际及分析问题的能力。

（2）“多机―无穷大”实验运行方案。本运行方案由多个模拟发电厂通过双回线路和市电电网联结而的一个系统。此方案可以让学生掌握组建复杂电力系统的方法与步骤；熟悉复杂电力系统正常运行状态下各种运行方式的调整操作；熟悉复杂电力系统线路投切与结构变化等各种运行方式的调整操作；掌握配电系统电压调整的方式和措施；熟悉复杂电力系统正常运行状态下的潮流分布情况及复杂电力系统的运行状态监测与微机监控系统；分析配电系统无功补偿与电压调整的措施，对不同调压措施下的母线电压变化进行比较分析；比较分析复杂电力系统正常运行状态下的潮流分布情况；加深认识复杂电力系统的运行状态监测与微机监控系统。

（3）“多机独立电力系统”实验运行方案。本运行方案由多个模拟发电厂、六条不同长短的输电线路和三组可改变功率大小的负荷联结而成的系统，并由微机调度监控台进行监控，但不与市电电网联结。此方案可以让学生进一步加深对安全、合理分配和经济运行进行调度的理解；可以针对电力网的有功功率进行频率调整，针对电力网的无功功率的合理补偿和分配进行电压调整；熟悉电力系统的电压和功率分布情况；掌握电力系统有功功率平衡和频率调整；掌握电力系统无功功率平衡和电压调整；加深理解电力系统综合调度运行意义。

2.实验系统特色

本实验系统是开放式实验平台，有利于提高学生创新思维与动手实践能力，更好地培养出高素质的工程应用人才，主要特色体现在如下几个方面：

（1）反应现代电能生产的全过程。改变以往按课程设计实验的做法，建立一个高度自动化的多机复杂电力系统平台，使它能够反映现代电能的生产、传输、分配和使用的全过程，充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化 。

（2）结构微机化、操作可视化。各控制单元除保留原有的手动调节方式外，均有对应的微机自动方式，其参数可以在线修改。复杂系统由多机电力系统组成，它具备能改变网络结构和系统联络阻抗等功能。发电机的功角和系统稳态及暂态运行参数在多方位能观察到，以提高系统实验的可视化。所有常规监视和操作除在现地进行外，还可以在远方的监控系统上完成，通过画面切换可以显示每台发电机的运行状况；还可以通过鼠标的操作增、减有功或无功功率，实现电力系统的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。

（3）功能综合又灵活、系统开放。各控制单元功能综合又灵活，开出的实验能覆盖大部专业课程的系列教学实验，具有很强的综合性。各模块接口标准化及功能处理分布化，各模块采用标准通讯接口，可方便地接入现场总线网络，具有很好的扩展性；也能作为本专业的认识实习和生产实习基地，可较好地弥补学生在实际电厂中不能动手操作等实习中的不足。

四、小结

本实验系统是综合性的本科教学实验系统，运行方式灵活；可开出的实验项目多，内容丰富，比较接近电力系统生产各主要环节的实际情况，能让学生真实感受到发电、输电、系统运行调度与控制等各方面的生产特点和运行规律；同时可提高学生的综合应用所学知识的能力。经过近两三年的运行情况表明，本系统综合性好，学生学习方便，受益面广，预期的效果明显，提高了专业实验的教学质量和水平。