張明銳， 林顯琦

(同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系， 上海 201804)

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電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用

張明銳， 林顯琦

(同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系， 上海 201804)

電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圍繞“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用一期工程進(jìn)行輸電線路模擬和斷路器實(shí)驗(yàn)，主要應(yīng)用二期工程進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算和功率因數(shù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，基于監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)、操作為主，教學(xué)人員講解、指導(dǎo)為輔，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)價(jià)值。學(xué)生通過(guò)該平臺(tái)獲取綜合實(shí)踐的機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的相結(jié)合，使得對(duì)下一步的深造和就業(yè)有更深入的認(rèn)識(shí)。經(jīng)歷四屆本碩學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐證明，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容具有科學(xué)性和先進(jìn)性，符合學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)，能夠滿足培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的需要; 平臺(tái)也為教師和研究生提供了科研工作服務(wù)，鼓勵(lì)教師和研究生參與的積極性，進(jìn)一步發(fā)掘?qū)嶒?yàn)平臺(tái)的功能，開(kāi)發(fā)出更多具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革。

電力系統(tǒng)自動(dòng)化； 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容； 教學(xué)應(yīng)用

0 引 言

我校電氣工程系2010屆教學(xué)計(jì)劃修訂中增加了“課程綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)”，擬圍繞“電力系統(tǒng)與牽引”和“電機(jī)電器與電力電子”兩個(gè)學(xué)科方向開(kāi)設(shè)為期兩周的綜合課程設(shè)計(jì)。原有一期工程“電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”作為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了電力系統(tǒng)中的低壓配電系統(tǒng)，能夠完成“電力系統(tǒng)微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)”“工廠供電”“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”等課程的演示實(shí)驗(yàn)功能。二期電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為達(dá)到讓每個(gè)同學(xué)都能動(dòng)手的目標(biāo)，增加了更多的終端和更豐富的負(fù)載設(shè)備。其作為課程設(shè)計(jì)平臺(tái)，以綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有資源，以“電力系統(tǒng)自動(dòng)化”課程設(shè)計(jì)為龍頭，將電氣工程系電力系統(tǒng)方向的主要專業(yè)課程“電力工程”、“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”、“電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)”、“電氣控制技術(shù)”等的核心實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行充分整合，使學(xué)生通過(guò)一系列豐富的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化專業(yè)的主要內(nèi)容有更充分的認(rèn)識(shí)，并具備較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力，甚至部分科研開(kāi)發(fā)能力，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新思維能力。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及布局

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接線圖如圖1所示，圖中上半部分為電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一次回路接線圖，即一期工程，圖中下半部分虛線框內(nèi)圖為電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖，即二期工程。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)平面設(shè)計(jì)圖如圖2，電力系統(tǒng)功能柜在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電壓0.38 kV出線側(cè)，包括進(jìn)線柜、電阻負(fù)載柜、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷柜、電抗柜、電容補(bǔ)償柜，屏面布置見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電力系統(tǒng)中基本元器件和負(fù)荷進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，與電力系統(tǒng)供變電實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建立一個(gè)完整的電力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

各電壓柜用低壓斷路器控制投切，分閘、合閘按鈕用于就地控制，電流表、電壓表顯示三相電流、電壓。電壓柜配有RS-485通訊接口的智能配電儀表，用于采集配電信息和斷路器控制，通過(guò)485總線與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以此集成到監(jiān)控平臺(tái)中。

1.2 監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

考慮到電壓柜所在實(shí)驗(yàn)室面積限制以及實(shí)驗(yàn)安全，監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)放在隔壁實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)電壓柜進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)電力系統(tǒng)柜的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和操作控制，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，并能提供學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，達(dá)到教學(xué)演示和學(xué)生自主學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

鑒于系統(tǒng)開(kāi)放性以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布情況，監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。監(jiān)控室服務(wù)器通過(guò)RS-485通訊網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)智能配電儀表鏈接，工作站通過(guò)交換機(jī)遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控管理工作站和服務(wù)器采用抗干擾性強(qiáng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，各功能柜采用智能儀表進(jìn)行電量監(jiān)測(cè)，完成對(duì)線路、負(fù)荷的當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)。用戶可在機(jī)房觀察儀表上顯示的電壓、電流、頻率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)電壓柜采取相應(yīng)的就地分合閘操作，將“就地/遠(yuǎn)方”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)方方向，可在監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程分合閘操作。

圖2 平面布置圖(m)

監(jiān)控界面由INTOUCH組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，INTOUCH的人機(jī)界面是由一系列的窗口組成的，監(jiān)控界面主要包括實(shí)時(shí)信息監(jiān)控、實(shí)時(shí)告警和事件記錄等。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控界面主要包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屏幕圖、監(jiān)控系統(tǒng)圖、實(shí)時(shí)電壓數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)功率曲線圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總表、歷史電流曲線圖、歷史功率曲線圖、電流棒圖等。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)屏幕圖窗口模擬了低壓柜屏面，生動(dòng)直觀的顯示平臺(tái)運(yùn)行工況，并能顯示電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，觀察斷路器分合閘狀態(tài)并可進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，如圖5所示。電流棒圖窗口用柱形圖顯示每個(gè)電壓柜的各相電流，并加入電流越線報(bào)警功能。INTOUCH組態(tài)軟件功能強(qiáng)大、組態(tài)方便、生動(dòng)直觀，既能讓工作人員快速設(shè)計(jì)所需監(jiān)控系統(tǒng)界面，也使學(xué)生較容易理解監(jiān)控方案和操作步驟。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用

2.1 平臺(tái)的功能

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)線柜采用一面獨(dú)立控制柜，其他功能柜采用單獨(dú)一面低壓柜，所有工作電源直接取380V電源，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各功能柜的功能如圖6所示。

監(jiān)控終端對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的電動(dòng)機(jī)、電感、電阻、電容等低壓負(fù)荷以及母線進(jìn)行“三遙”功能監(jiān)控，即電氣量的遙測(cè)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)遙信和遙控功能，監(jiān)控平臺(tái)的具體功能如圖7所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合“工廠供電”和“電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化”兩門(mén)課程開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)課程：

(1) 輸電線路模擬和斷路器實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用一期工程的七組實(shí)驗(yàn)柜對(duì)10 kV配電線路進(jìn)行模擬，實(shí)驗(yàn)由380 V進(jìn)線柜進(jìn)電，經(jīng)升壓變壓器升壓至10 kV，經(jīng)傳輸線路柜對(duì)實(shí)際輸電情況進(jìn)行模擬，最終經(jīng)降壓變壓器降壓至380 V，供后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。

輸電線路柜可以切換不同型號(hào)的電線，學(xué)生通過(guò)兩邊變壓器柜上的智能儀表觀測(cè)不同輸電線路參數(shù)對(duì)輸電的影響。10 kV開(kāi)關(guān)柜用于模擬10 kV斷路器的投切，學(xué)生通過(guò)親身操作體驗(yàn)，提高動(dòng)手能力，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的應(yīng)變能力。

(2) 負(fù)荷計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)基于一期工程，應(yīng)用二期工程的進(jìn)線柜、電阻柜、電機(jī)柜和電抗柜完成。實(shí)驗(yàn)由一期工程提供380 V三相交流電壓，經(jīng)進(jìn)線柜取電，通過(guò)電阻柜、電機(jī)柜和電抗柜接入不同的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)功率的變化，學(xué)生通過(guò)智能儀表隔時(shí)讀取功率數(shù)值，繪制負(fù)荷曲線圖，進(jìn)行相關(guān)功率計(jì)算。

負(fù)荷計(jì)算相關(guān)概念：全年中有代表性的最大負(fù)荷班的0.5 h最大負(fù)荷,年最大負(fù)荷Pm；電力負(fù)荷在全年時(shí)間內(nèi)平均耗用的功率,年平均負(fù)荷Pav；負(fù)荷系數(shù)，又稱負(fù)荷曲線填充系數(shù)、負(fù)荷波動(dòng)系數(shù)、負(fù)荷率等，α=Pav/Pm；年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)Tmax,假設(shè)電力負(fù)荷按年最大負(fù)荷Pm持續(xù)運(yùn)行時(shí)，在此時(shí)間內(nèi)電力負(fù)荷所耗用的電能恰與電力負(fù)荷全年實(shí)際耗用的電能相同，Tmax=Wa/Pm。

(3) 功率因數(shù)補(bǔ)償。本實(shí)驗(yàn)基于一期工程，應(yīng)用二期工程的進(jìn)線柜、電阻柜、電抗柜和補(bǔ)償柜完成。實(shí)驗(yàn)由一期工程提供380 V三相交流電壓，經(jīng)進(jìn)線柜取電，接入電阻柜設(shè)定額定功率因數(shù)，切換電抗柜接入不同電抗，改變功率因數(shù)，開(kāi)啟補(bǔ)償柜進(jìn)行功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。

只接入電阻柜時(shí)從補(bǔ)償柜的智能儀表可以觀測(cè)功率因數(shù)為1，電抗柜分為三組，依次接入使得功率因數(shù)逐級(jí)下降，當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)償柜工作，并且逐級(jí)提升功率因數(shù)至設(shè)定值。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)幕驹砗凸ぷ鬟^(guò)程，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中功率因數(shù)調(diào)節(jié)有初步認(rèn)識(shí)。

(4) 監(jiān)控平臺(tái)操控。本實(shí)驗(yàn)首先需將各開(kāi)關(guān)柜切換為遠(yuǎn)方控制，監(jiān)控平臺(tái)位于隔壁實(shí)驗(yàn)室。在監(jiān)控平臺(tái)上，首先讓學(xué)生清楚整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和通信方式，了解組態(tài)軟件搭建監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理和方法以及基本的通訊參數(shù)設(shè)置，熟悉監(jiān)控軟件的使用。學(xué)生通過(guò)監(jiān)控軟件觀察智能儀表送來(lái)的電壓、電流和功率測(cè)量信息以及斷路器位置和狀態(tài)信息等，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，了解監(jiān)控軟件報(bào)警系統(tǒng)原理，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行遙控操作實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)控方案，根據(jù)自己的專業(yè)背景在工作站工控機(jī)上編寫(xiě)不同的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

監(jiān)控系統(tǒng)具有高度的開(kāi)放性，學(xué)生完全可以在實(shí)驗(yàn)中提出自己的想法，并配合實(shí)驗(yàn)工作人員對(duì)監(jiān)控界面加以改進(jìn)。進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)到利用InTouch組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控界面、智能儀表的使用以及熟悉各種通信協(xié)議。通過(guò)集中演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生單獨(dú)分組動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，增加學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的熱情和探索實(shí)驗(yàn)的積極性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化的認(rèn)識(shí)。

2.3 教學(xué)特色

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以一種創(chuàng)新模式建設(shè)和管理使用，目前我院實(shí)驗(yàn)室以院級(jí)實(shí)驗(yàn)中心的形式建設(shè)、管理和運(yùn)行，該平臺(tái)的管理權(quán)屬于實(shí)驗(yàn)中心，旨在最大利用實(shí)驗(yàn)資源。由于該平臺(tái)的專業(yè)特色強(qiáng)，由實(shí)驗(yàn)中心組成的專業(yè)教師共同建設(shè)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有以下特色：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容具有科學(xué)性和先進(jìn)性，符合學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)，能夠滿足培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力的需要；注重綜合性、探究性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)及其內(nèi)涵建設(shè)；平臺(tái)所有實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)將充分考慮同學(xué)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，發(fā)揮同學(xué)的探索性與綜合能力培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的設(shè)計(jì)更加靈活，不再規(guī)定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟、結(jié)果，更加注重實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c作用，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程與方案設(shè)計(jì)，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的參與活動(dòng)，對(duì)于學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定也根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)采取不同的評(píng)定方法。同時(shí)，平臺(tái)也為教師和研究生提供了科研工作服務(wù)，鼓勵(lì)教師和研究生參與的積極性，進(jìn)一步發(fā)掘?qū)嶒?yàn)平臺(tái)的功能，開(kāi)發(fā)出更多具有創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改革。

2.4 教學(xué)成果

經(jīng)過(guò)兩年的研究和實(shí)踐，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已基本建成，教學(xué)應(yīng)用步入正規(guī)。已接納本科09、10級(jí)共180多完成課程實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)，為10、11級(jí)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化碩士研究生共7人提供科研平臺(tái)，提高了不同層次學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合開(kāi)發(fā)水平。

3 結(jié) 語(yǔ)

電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)室一、二期工程的功能和特點(diǎn)，以“工廠供電”和“電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化”兩門(mén)課程為基礎(chǔ)，展開(kāi)輸電線路模擬和斷路器實(shí)驗(yàn)、負(fù)荷計(jì)算、功率因數(shù)補(bǔ)償、監(jiān)控平臺(tái)操控等實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)了課程與實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，突出了我?！皩?shí)踐教育”這一傳統(tǒng)特色。通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合，有利于建立一個(gè)開(kāi)放式、研究性、綜合型的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，增強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，并為教師和研究生提供了科研平臺(tái)，對(duì)于推動(dòng)教學(xué)改革和學(xué)科發(fā)展具有重要意義。

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[13] 張 永，王庥林．教學(xué)科研實(shí)驗(yàn)室一體化平臺(tái)建設(shè)的探索[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(2)：120-122.

[14] 姚 娟，姜大剛．高校研究型實(shí)驗(yàn)室管理方式的探索[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2014，17(1)：149-151.

[15] 楊 燕，李 堅(jiān)，李錦春．實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理的探索與實(shí)踐[J]．教育教學(xué)論壇，2014(9)：7-8.

Teaching Application of the Power System Automation Experimental Platform

ZHANGMing-rui，LINXian-qi

(Department of Electrical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China)

The power system automation experimental platform focuses on automation of electric power systems. Transmission line simulation and circuit breaker experiment are the first-stage project. Load calculation and power factor compensation experiment become the second-stage project. Remote experiment is based on the monitoring platform. Experiment is given priority to students’ autonomous learning operation, teaching staff guidance is complementary, teaching value is given fully to the platform. Students increase opportunities for comprehensive practice through the platform, and have a better understanding for the further study and employment. Four years’ undergraduate and postgraduate teaching practice has proved the advancement of the experimental project, and effectiveness to meet the need of cultivating students’ comprehensive abilities. Meanwhile, the experimental platform provides professors and postgraduates the service of scientific research, and encourages initiative in participating in further explore functions of the platform. Thus it promotes innovation in teaching experiments.

power system automation; experimental platform; experimental contents; teaching application

2014-03-03

張明銳(1971-)，男，甘肅民勤人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微網(wǎng)、軌道交通牽引供電技術(shù)。

Tel:13701858379； E-mail:zmr@#edu.cn

TM 76

A

1006-7167(2015)01-0226-04