电力系统综合实验模型设计

董继民

(西安交通大学电气工程学院， 西安 710049)

电力系统综合实验模型设计

董继民

(西安交通大学电气工程学院， 西安 710049)

为强化电力系统综合实验，设计了电力系统大型综合实验模型。模型主系统由无穷大系统和多台发电机、变压器、线路、负荷、及短路故障设备组成，真实模拟电力系统多种结构模式下的正常、异常及故障状态；监控系统对主系统所有设备进行实时同步测量、控制、录波和图模显示；微机高频保护、馈线保护及变压器保护，完成系统故障时的保护功能。模型集多项实验内容与一体，提高了学生的工程实践及创新能力。

电力系统； 动态模拟； 广域同步测量； 综合实验； 模型设计

《电力系统综合实验课程》是电力工程系本科生在完成了基本理论与专业课程后开设的内容，实验融合了《电力系统分析》、《电力系统继电保护原理》、《电力系统主设备》、《电力系统自动装置》及《电力系统自动化》等多门课程内容，是学生毕业前重要的实践锻炼。但随着互联大电网的迅速发展，特别是数字化电站[1]的建设及广域动态同步测控技术[2]的发展，互联电网已基本形成运行、控制、保护、调度一体化的智能电网[3]。电力系统综合实验原有的实验模型与内容已难以适应新的发展需要，适时研究并设计电力系统复杂的大型综合实验模型，全面而真实地反映现代电力生产、传输、分配、使用及高度的测量、控制、调度、保护智能化过程，对提高本科生的工程实践、新技术应用及综合创新能力非常必要。清华大学[4]和华中科技大学[5～7]在实验室建设与教学内容方面进行了有效的改革与实践。

本文基于西安交通大学动模实验室模拟设备及广域同步测量技术应用，设计了电力系统大型综合实验模型，并进行了实践。模型主系统由无穷大系统和多台发电机、变压器、线路、负荷、及短路故障设备组成，真实模拟电力系统多种结构模式下的正常、异常及故障状态；监控系统由设备层、间隔层和集控层构成，对主系统所有设备进行实时同步测量、控制、录波和图模显示；保护配置有微机高频保护、馈线保护及变压器保护，完成系统故障时的保护功能。模型集电力系统运行、测控、故障、稳定、保护等多项内容于一体，既反映每个实验的独立个性，也体现个性与整体的相互作用，提高了学生的工程实践及创新能力，同时培养了学生严谨的工作态度。

1 电力系统大型综合实验建模方法

电力系统大型综合实验建模的理论基础是模拟理论。模拟理论也称为相似理论，它是研究相似现象的共性及判断现象间存在相似的方法。实际上它是根据系统实际状况，设置一定的比例尺，建立模型，然后进行模型实验，最后经过分析将实验结果推广到实际系统的理论依据[8]。

电力系统大型综合实验物理建模就是根据模拟理论，针对实际电力系统的发电、配电、输电、用电情况，按照相似定律，选取一定的功率、电压、阻抗比列尺，采用小型同步发电机组、变压器、输电线路、各种电机及电阻等负荷构成其相应的发电、配电、输电、用电大型设备的物理模型；采用数学模拟方法建立原动机调速系统和发电机励磁系统模型；然后将所有模型设备按照实际系统的接线方式连接，再按各自比例尺，调整整个模型系统参数，使其与原型系统参数的标幺值相等或运动轨迹相似，再调整模型内时间常数使其与实际系统时间常数相等，最后进行模型实验，全面而真实地模拟出实际系统的整个动态过程和特性。如对同步发电机模拟，同步电抗Xd采用标幺值相等法物理模拟，机组惯性时间常数Tj采用调节发电机上的飞轮片多少与实际系统相等，励磁绕组时间常数Td0等以励磁调节系统中的负电阻器和相关调节反馈参数的调整来保证与实际系统时间常数相等。因此，电力系统动态物理模拟实验具有与实际系统实验相同的功能特点。

2 电力系统大型综合实验模型设计

2.1 主系统模型设计及保护配置

主系统模型设计参照西部某地区电网构架，并进行了多功能方案优化。按照无穷大、多机、环网、辐射式电网及不同的负荷情况下的灵活运行模式设计；同时考虑在实际系统运行中可能在不同的地点，发生不同的故障及保护情况，设置了不同的故障发生点、不同的故障类型及配置了不同的保护装置，其主系统一次接线与故障设置和保护配置如图1所示(图中采用西安交通大学电力系统动模实验室设备编号)。

图1 主系统接线、故障设置及保护配置

模型系统计算中首先根据实际系统的电压等级、容量大小，选取实际系统功率基准值为150 MVA，电压基准值为330 kV，折算出实际系统在该基准值下的所有参数标幺值；然后根据实验室设备情况，如两台发电机组的调节容量为6～16 kVA，选取12 kVA为模型系统功率基准值，分别采用不同的电压基准值，如0.6 kV，0.8 kV，1 kV等，分别计算出模型系统所需要的参数在该基准值下的标幺值，再比较实验设备参数调节范围，看那个电压最适合所有设备参数的调整范围，且满足5%以内的工程误差要求，即选取该电压为基准值。如果依然无法满足参数要求，则可改变模型功率基准值，再重新计算，直到满足参数要求为止。选好了模型功率和电压基准值，则调整模型参数和原型参数的标幺值相等，即完成了相应设备的物理模拟。基于上述试探，模型系统采用12 kVA模拟实际系统150 MVA，功率比列尺为12 500。基于该功率比例尺，对不同的电压等级，采用1 kV模拟实际系统330 kV，则电压比例尺为330，阻抗比例尺为8.71；采用800 V模拟实际系统115 kV，电压比尺为143.75，阻抗比尺为1.65。采用上述比例尺，将原型系统参数缩小整定到模型系统中，建立实验模型，并调整相应的时间常数，然后进行实验。

在图1的模型系统中，所有设备与电压等级均为模型系统使用的设备与电压等级。其中，∞为315 kVA变压器，变比为10/0.4 kV，模拟无穷大系统；WT2为315 kVA调压器，输出电压为零到550 V，以灵活调节WBZ2变压器的入口电压；WBZ2为60 kVA模拟变压器，其变比可根据原边和副边匝数调整为0.4/1.05 kV，但不是连续光滑的，WT2正是为改善它的梯级调节而设置，以保证系统侧电压的连续可调性；3#、5#、6#为三台5 kVA同步发电机组及其调速和调压系统，分别模拟三个不同的发电厂出力及其调节特性，其中发电机定子采用双绕组，机端电压可选择220 V或440 V，输出容量可在3～9 kVA之间调节。调速和调压系统采用数学模拟，并可调整其相应的(汽/水轮机，励磁)参数；3FB、5FB、6FB为6 kVA升压变压器，变比为0.22/1.05 kV，短路阻抗可调，模拟发电厂升压变；2FB为9 kVA模拟馈线变压器，变比为1/0.84 kV；XL为线路阻抗，分别模拟不同长度的7条输电线路；DL与FG为断路器，其中DL可实现分相操作，控制其合分就可灵活组成系统的多种运行方式；FB1、FB2为两台6 KVA负荷变压器，FB1变比为0.8/0.4 kV，FB2变比为1/0.4 kV，下接不同的电阻、电机等负荷，完成负荷模拟与调整；K11到K16为第一套故障装置设置的故障点、故障类型及故障总开关，K21到K26为第二套故障装置设置的故障点、故障类型及故障总开关，两套结合可模拟实际系统在不同的地点，发生不同的故障或同一地点发生的转换性故障及跨线故障；GXW1-2为两套GXW-102型微机高频保护装置，采用4个CPU同步工作，配置高频保护、距离保护、零序保护和重合闸功能，完成长距离线路的保护和重合功能；WXB1-3为三套微机馈线保护装置，完成本条馈线的三段式保护；BCH1-2完成变压器的差动保护。

图1中，每个设备都设有测控点，供监控系统采样、控制使用。

2.2 监控系统功能

监控系统基于同步测量技术，实现对无穷大、发电机、负荷、线路、故障与保护等设备的监控，总计120路电压量、120路电流量、以及240路开关量的同步测量和控制。

监控系统按数字电站模式分为设备层、间隔层和集控层三部分，其结构如图2所示。

在图2中，设备层采用高速以太网控制自动化技术EtherCAT(ethernet control automation technology)，实现分布式高速同步I/O功能，即同步采集模型图1中设备的电压、电流、开关状态等信息，且不进行任何数据处理，直接将原始采样数据完整地上传到间隔层设备；间隔层设备采用傅氏算法处理原始采样数据，计算出各采样通道中电压、电流的频率、有效值和相角，包含发电机的功角量，并以工频周期为间隔将计算得到的频率、有效值、相角、开关状态等信息上传至集控层设备；集控层图、模、数一体化工作站以仪表、曲线、指示灯等方式显示相关信息，并实现对发电、配电、输电及负荷设备的控制、调节功能。

图2 监控系统

3 基于大型综合实验模型的教学实践

电力系统综合实验采用老师指导，学生建模、调试、实验的方式进行。基于主系统模型图1，学生可充分理解电力系统的网架结构、电压等级；通过控制各断路器的闭合，可模拟系统不同的运行方式；通过调整不同的发电机出力或改变其相应的调速系统调差特性，可改变发电机有功的经济分配；通过控制励磁系统调节特性，可改变发电机无功功率的经济分别；通过配置不同的负荷大小，可改变系统潮流；通过设置不同的故障类型、不同的故障持续时间，可分析电力系统的故障状态、振荡情况及稳定过渡过程；通过不同的保护装置功能实验，可理解电力系统计算机保护的算法和现场装置的工作情况。通过监控系统模型图2的工作站，可纵观电力系统的并网、正常运行、负荷调整、潮流分布、系统异常、事故、振荡、稳定、保护等实验的独立特征及对整个系统的影响。

基于主系统模型与监控系统，学生可进行发电机并网及有功功率调整和经济分配实验；电力系统的运行方式调整及潮流分布实验；同步发电机励磁系统及无功分配实验；电力系统多种短路故障分析及故障测距实验；电力系统静态稳定及暂态稳定实验；变压器差动保护实验；微机高频保护、距离保护、零序保护和重合闸实验；辐射式电网三段式微机保护实验；电力系统同步数据测量及调度等多项实验。基于该模型，还可进行电力系统专题研究实验和自动控制装置或保护装置的动模实验，校验其新开发、新设计的装置功能是否能满足实际系统的需要。

4 结语

大型电力系统综合实验模型集系统运行、测量、控制、保护、调度与一体，充分反映了电力系统的特点，它的设计与实践，更新和加强了专业实验内容，改变了实验方法和手段，提高了专业实验教学质量和水平，培养了学生的综合应用与创新能力，同时极大地提高了学生对电力系统复杂性与严谨性的认识，在工程实践中取得了良好的效果。

[1] 何晓英(He Xiaoying).IEC61850数字变电站的建设与发展(Construction and development of IEC61850 digital substation)[J].陕西电力(Shaanxi Electric Power),2006,34(4):7-12.

[2] 徐政,王铁钢(Xu Zheng,Wang Tiegang).电网相量同步动态监测系统(Dynamic synchronization monitoring system of electric net work phasor)[J].仪表技术与传感器(Instrument Technique and Sensor),2005,(10):28-29,34.

[3] 陈树勇,宋书芳，李兰欣,等(Chen Shuyong, Song Shufang，Li Lanxin,etal).智能电网技术综述(Survey on smart grid technology)[J].电网技术(Power System Technology),2009,33(8):1-7.

[4] 孙宏斌,罗力,孙元章,等(Sun Hongbin,Luo Li,Sun Yuanzhang,etal).电力系统动态模拟数字主站系统的建设(Development of digital control centre for power system dynamic simulation laboratory)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2007,19(4):70-75.

[5] 杨德先,易长松,游志成,等(Yang Dexian,Yi Changsong,You Zhicheng,etal).开放式多机电力网综合实验系统的研究(Study on integrated experimental system of open multi-machine power system network)[J].实验室研究与探索(Research and Exploration in Laboratory),2004,23(11):46-47,72.

[6] 杨德先,陆继明,吴彤,等(Yang Dexian, Lu Jiming,Wu Tong,etal).电气工程专业综合实验平台和实验教材建设(Integrated experimental platform and experimental teaching material in electrical engineering specialty)[J].电气电子教学学报(Journal of Electrical & Electronic Education),2007,29(1):64-66.

[7] 焦彦军,张新国,王增平,等(Jiao Yanjun,Zhang Xinguo, Wang Zengping,etal).应用于动态模拟系统的继电保护测试系统的方案设计(A solution of electric protection testing system used in dynamic simulation)[J].电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA),2001,13(3):47-49.

[8] 吴国瑜.电力系统仿真[M].北京:水利电力出版社,2004.

DesignofComprehensiveLaboratoryModelofPowerSystem

DONG Ji-min

(School of Electrical Engineering，Xi'an Jiaotong University， Xi'an 710049， China)

In order to intensify comprehensive experiments of power system，a comprehensive laboratory model for large-scale physical simulation of power system is devised. The primary system of the model which can simulate the normal/abnormal and fault operations in various structural modes of power system is composed of an infinite-bus system, generators, transformers, lines, load points and facilities for short-circuit faults. The secondary (monitoring) system of the model can achieve real-time and synchronous measurement, control, wave recorder and graphic display. The protection system is equipped with microprocessor-based high frequency protections, feeder line protections, and transformer protections. The laboratory model has integrated all the experiment items and therefore can improve the students' abilities in engineering practice and innovation.

power system； dynamic simulation； real-time and synchronous measurement； comprehensive laboratory； model design

2010-01-27；

2010-04-16

TM76

B

1003-8930(2011)05-0157-04

董继民(1960-)，男，学士，工程师，主要从事电力系统运行控制与保护的教学与研究。Email:jimin_dong@163.com