呼夢穎，段建東，姬軍鵬，王 倩，劉 普，王海燕

（西安理工大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710048）

智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，自2009年以來發(fā)展迅速，對人才的需求十分迫切[1-2]。2010年教育部設(shè)置了“智能電網(wǎng)信息工程”新專業(yè)，旨在培養(yǎng)符合智能電網(wǎng)發(fā)展的高素質(zhì)人才。

智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)旨在培養(yǎng)掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識和必備的智能電網(wǎng)專業(yè)知識，能在網(wǎng)絡(luò)化、信息化智能電網(wǎng)領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)、研發(fā)、運(yùn)行維護(hù)與管理的復(fù)合型人才[3-4]。該專業(yè)工程性強(qiáng)，是一門涉及電力和信息技術(shù)的多學(xué)科交叉專業(yè)，這要求智能電網(wǎng)背景下構(gòu)建的智能配用電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室不僅包含靈活、可重構(gòu)的電力網(wǎng)，還需要安全開放的通信網(wǎng)[5]，使信息化更加突出，智能化程度更高。

目前，涉及智能配用電網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究取得了一些成果[6-7]，然而現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置大部分著重于電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行，以及新能源發(fā)電、并網(wǎng)，主要覆蓋電力系統(tǒng)自動化、繼電保護(hù)、新能源發(fā)電等課程知識，缺少完整的、信息化和智能化程度較高的電力網(wǎng)信息通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)踐內(nèi)容，難以實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識的交叉融合以及培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

本文針對智能電網(wǎng)信息工程的學(xué)科知識交叉性和新興專業(yè)特色，在電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了信息采集、通信、監(jiān)控等智能化單元，構(gòu)建了工業(yè)級智能配用電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突顯該專業(yè)的“信息工程”思想；并設(shè)計(jì)了專業(yè)基礎(chǔ)、綜合設(shè)計(jì)、探索創(chuàng)新不同層次的實(shí)驗(yàn)方案，開展了學(xué)生競賽和創(chuàng)新活動，取得了一系列創(chuàng)新成果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 構(gòu)建思路

（1）工業(yè)級。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)嚴(yán)格按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，所有設(shè)備采用工業(yè)級的智能電網(wǎng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的微機(jī)型裝置，以及一些小型的可以再現(xiàn)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況的一次設(shè)備，使學(xué)生通過對工業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的學(xué)習(xí)，直觀地理解智能電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行原理，具有較強(qiáng)的操縱和調(diào)試智能電網(wǎng)運(yùn)行和處理現(xiàn)場問題能力。

（2）小而全。2 臺發(fā)電機(jī)組和1 個無窮大電源組成了一個小型雙機(jī)環(huán)網(wǎng)，并配備繼電保護(hù)裝置、智能電表裝置和監(jiān)控站，實(shí)現(xiàn)豐富、全面的繼電保護(hù)、并網(wǎng)、信息通信、故障錄波與監(jiān)控等功能。

（3）融合性?？紤]智能電網(wǎng)信息工程的多學(xué)科交叉性，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將傳統(tǒng)電力和現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合[8]，將電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、信息通信與監(jiān)控、信息安全等多學(xué)科的多種技術(shù)手段融合于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

（4）新技術(shù)。在電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的基礎(chǔ)上，引入信息、通信、監(jiān)控、智能化等新技術(shù)和新方法，構(gòu)建信息化和智能化的智能配用電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用典型的發(fā)-變-輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，配置微機(jī)自動控制裝置、微機(jī)繼電保護(hù)裝置、智能電表裝置、數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)控站。

1.2.1 發(fā)-變-輸電力網(wǎng)

發(fā)-變-輸電力網(wǎng)的結(jié)構(gòu)見圖1。2 臺發(fā)電機(jī)G 模擬發(fā)電廠，從發(fā)電機(jī)的出口母線引電纜連接到變壓器實(shí)驗(yàn)臺上，模擬無窮大電源由市電380 V 經(jīng)自耦調(diào)壓器接至母線Ⅱ上。發(fā)電機(jī)組和無窮大電源通過3 條母線和4 條模擬輸電線路組成雙機(jī)環(huán)形電力網(wǎng)。每臺發(fā)電機(jī)組模擬300 MW 及以上機(jī)組，輸電線路模擬電壓為110 kV 及以上線路，模擬輸電線路長度大于100 km。該部分配備了模擬故障和繼電保護(hù)裝置，可完成繼電保護(hù)、并網(wǎng)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

圖1 發(fā)-變-輸電力網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)的一次部分采用搭積木式靈活組建，二次部分采用微機(jī)組態(tài)軟件的方式構(gòu)建。所有裝置全部采用工業(yè)品，裝置面板設(shè)有測試孔，學(xué)生在工業(yè)產(chǎn)品上可深度實(shí)踐，提高學(xué)生的參與度，培養(yǎng)學(xué)生解決智能電網(wǎng)現(xiàn)場問題的實(shí)踐能力。

1.2.2 智能電表及通信系統(tǒng)

在發(fā)-變-輸電力網(wǎng)上，設(shè)計(jì)了安全、開放的智能電表及通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能電表及通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中發(fā)電機(jī)側(cè)安裝了三相雙向電度表和多功能儀表，用于計(jì)量發(fā)電機(jī)的用電量、發(fā)電量，以及電壓、電流、勵磁電壓、勵磁電流、功率等數(shù)據(jù)；線路側(cè)配置了多功能儀表，用于測量線路電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)；系統(tǒng)側(cè)（QF10 處）安裝了三相雙向電度表，用于計(jì)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體發(fā)電和用電量數(shù)據(jù)；發(fā)電機(jī)安裝XJCW-900 無線溫度傳感器，用于監(jiān)測其溫度。

智能電表和微機(jī)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)通過電力線載波通信、485 通信方式、遠(yuǎn)紅外通信和無線通信[9]4 種不同的通信方式，采集至數(shù)據(jù)采集終端（IED），IED經(jīng)過IEC61850 規(guī)約轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控站軟件的連接，體現(xiàn)出遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)抄表（無人抄表管理）。

智能電表及通信系統(tǒng)中的電度表采用3 種不同類型的智能電表，采用了多種通信方式[9-10]，基本涵蓋了智能電網(wǎng)中使用的大部分先進(jìn)的信息技術(shù)，幫助學(xué)生掌握目前智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中采用的豐富、全面的信息采集與通信技術(shù)。

1.2.3 監(jiān)控站

由自動化軟件系統(tǒng)組成高速以太網(wǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，包含監(jiān)控軟件、工程師站和故障錄波軟件[11-12]。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，學(xué)生在監(jiān)控站可對全站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、測量、調(diào)控、管理和記錄，及時掌握電網(wǎng)運(yùn)行情況，深入理解遠(yuǎn)方監(jiān)控和無人抄表管理的運(yùn)行機(jī)制。系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖4 微機(jī)線路保護(hù)監(jiān)控界面

以微機(jī)線路保護(hù)為例，監(jiān)控界面如圖4 所示。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，學(xué)生通過繼電保護(hù)工程師站和錄波分析軟件實(shí)時收集運(yùn)行和故障信息，通過對故障信息的綜合分析，為事故處理、故障定位、計(jì)算整定和保護(hù)控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、智能電網(wǎng)通信技術(shù)、智能電網(wǎng)信息與安全等專業(yè)課程和綜合實(shí)踐，設(shè)計(jì)了突出智能電網(wǎng)新技術(shù)和新要求的實(shí)驗(yàn)方案[13]，包括專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、開放綜合實(shí)驗(yàn)、探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等不同層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

智能配用電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既能進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行各類智能電網(wǎng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，還為探索創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了平臺，供學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、開放調(diào)試和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。工業(yè)級的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，再結(jié)合當(dāng)前智能電網(wǎng)發(fā)展形勢及未來發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以及綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生不同層面的需求提供全方位的軟、硬件條件。

表1 不同層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3 應(yīng)用效果

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已在智能電網(wǎng)通信技術(shù)、電力系統(tǒng)自動化、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)等專業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用，引入先進(jìn)的智能電表、通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，拓寬學(xué)生的知識面。多層次實(shí)驗(yàn)課程的開設(shè)使學(xué)生鞏固了基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力，激發(fā)探索熱情，增強(qiáng)實(shí)踐創(chuàng)新能力。

（2）創(chuàng)新應(yīng)用。已有不少電氣和電網(wǎng)類專業(yè)的學(xué)生在教師指導(dǎo)下，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。已獲批大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目20 余項(xiàng)，部分項(xiàng)目見表 2。已多次獲得全國電子設(shè)計(jì)競賽國家一等獎、陜西省TI 杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽。

表2 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目部分成果

以學(xué)生為主要完成人的部分專利成果見表3。

（3）開放共享。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為我校大型儀器共享設(shè)備，面向校內(nèi)外全面開放，校內(nèi)外其他專業(yè)可利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開放性資源進(jìn)行教學(xué)和創(chuàng)新、科研活動，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的高效使用和開放共享。

表3 以學(xué)生為主要完成人的部分授權(quán)專利

4 結(jié)語

智能電網(wǎng)信息工程是一門戰(zhàn)略新興本科專業(yè)，涉及多門學(xué)科的融合，本文在發(fā)-變-輸電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的包含智能電表信息采集、通信和監(jiān)控站的智能配用電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，突顯信息化和智能化。基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專業(yè)基礎(chǔ)、綜合設(shè)計(jì)，探索創(chuàng)新不同層次的實(shí)驗(yàn)方案，既保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。開展了學(xué)生競賽和科技創(chuàng)新活動，取得了一系列創(chuàng)新成果。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的方案和應(yīng)用實(shí)踐具有較強(qiáng)的推廣性和示范性，對高校針對智能電網(wǎng)信息工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有借鑒意義。