电力系统自动化实验平台的教学应用

张明锐， 林显琦

(同济大学 电气工程系， 上海 201804)



电力系统自动化实验平台的教学应用

张明锐， 林显琦

(同济大学 电气工程系， 上海 201804)

电力系统自动化实验平台围绕“电力系统自动化”课程进行实验，应用一期工程进行输电线路模拟和断路器实验，主要应用二期工程进行负荷计算和功率因数补偿实验，基于监控平台进行远动实验。实验以学生自主学习、操作为主，教学人员讲解、指导为辅，充分发挥实验平台的教学价值。学生通过该平台获取综合实践的机会，实现理论与实践的相结合，使得对下一步的深造和就业有更深入的认识。经历四届本硕学生的教学实践证明，实验项目内容具有科学性和先进性，符合学科发展的特点，能够满足培养学生综合实践能力的需要; 平台也为教师和研究生提供了科研工作服务，鼓励教师和研究生参与的积极性，进一步发掘实验平台的功能，开发出更多具有创新性的实验，推动教学实验的改革。

电力系统自动化； 实验平台； 实验内容； 教学应用

0 引 言

我校电气工程系2010届教学计划修订中增加了“课程综合设计环节”，拟围绕“电力系统与牵引”和“电机电器与电力电子”两个学科方向开设为期两周的综合课程设计。原有一期工程“电力系统综合实验平台”作为一个综合性实验平台，模拟了电力系统中的低压配电系统，能够完成“电力系统微机远动技术”“工厂供电”“电力系统继电保护”等课程的演示实验功能。二期电力系统自动化实验平台，为达到让每个同学都能动手的目标，增加了更多的终端和更丰富的负载设备。其作为课程设计平台，以综合实验平台为基础，充分利用现有资源，以“电力系统自动化”课程设计为龙头，将电气工程系电力系统方向的主要专业课程“电力工程”、“电力系统继电保护”、“电力系统远动技术”、“电气控制技术”等的核心实验内容进行充分整合，使学生通过一系列丰富的实验，对电力系统的自动化专业的主要内容有更充分的认识，并具备较强的实践动手能力，甚至部分科研开发能力，提高学生的实际操作能力和创新思维能力。

1 实验平台

1.1 实验平台设计及布局

整个实验平台的接线图如图1所示，图中上半部分为电力系统综合实验平台一次回路接线图，即一期工程，图中下半部分虚线框内图为电力系统自动化实验平台接线图，即二期工程。实验平台平面设计图如图2，电力系统功能柜在综合实验平台电压0.38 kV出线侧，包括进线柜、电阻负载柜、电动机负荷柜、电抗柜、电容补偿柜，屏面布置见图3。实验平台对电力系统中基本元器件和负荷进行模拟实验，与电力系统供变电实验相结合，建立一个完整的电力系统模拟实验平台。

各电压柜用低压断路器控制投切，分闸、合闸按钮用于就地控制，电流表、电压表显示三相电流、电压。电压柜配有RS-485通讯接口的智能配电仪表，用于采集配电信息和断路器控制，通过485总线与远程监控系统服务器进行数据传输，以此集成到监控平台中。

1.2 监控实验平台的实现

考虑到电压柜所在实验室面积限制以及实验安全，监控实验平台放在隔壁实验室中，对电压柜进行远程监控。监控系统的主要任务是对电力系统柜的运行进行监视和操作控制，协调整个系统的运行工况，并能提供学生动手实验的平台，达到教学演示和学生自主学习的目标。

鉴于系统开放性以及现场设备分布情况，监控系统采用分层分布式结构，实验平台监控结构图如图4所示。监控室服务器通过RS-485通讯网络与现场智能配电仪表链接，工作站通过交换机远程访问服务器数据库。监控管理工作站和服务器采用抗干扰性强的工业控制计算机，各功能柜采用智能仪表进行电量监测，完成对线路、负荷的当地监测。用户可在机房观察仪表上显示的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等数据，对电压柜采取相应的就地分合闸操作，将“就地/远方”转换开关转到远方方向，可在监控系统上进行相应的远程分合闸操作。

图2 平面布置图(m)

监控界面由INTOUCH组态软件设计，INTOUCH的人机界面是由一系列的窗口组成的，监控界面主要包括实时信息监控、实时告警和事件记录等。本实验平台监控界面主要包括实验平台屏幕图、监控系统图、实时电压数据、实时电流数据、实时功率曲线图、实时数据总表、历史电流曲线图、历史功率曲线图、电流棒图等。实验平台屏幕图窗口模拟了低压柜屏面，生动直观的显示平台运行工况，并能显示电压、电流、功率等数据，观察断路器分合闸状态并可进行远程操控，如图5所示。电流棒图窗口用柱形图显示每个电压柜的各相电流，并加入电流越线报警功能。INTOUCH组态软件功能强大、组态方便、生动直观，既能让工作人员快速设计所需监控系统界面，也使学生较容易理解监控方案和操作步骤。

2 实验平台教学应用

2.1 平台的功能

实验平台进线柜采用一面独立控制柜，其他功能柜采用单独一面低压柜，所有工作电源直接取380V电源，实验平台各功能柜的功能如图6所示。

监控终端对实验平台中的电动机、电感、电阻、电容等低压负荷以及母线进行“三遥”功能监控，即电气量的遥测、开关状态遥信和遥控功能，监控平台的具体功能如图7所示。

2.2 实验内容

实验平台结合“工厂供电”和“电力系统调度自动化”两门课程开展以下实验课程：

(1) 输电线路模拟和断路器实验。本实验应用一期工程的七组实验柜对10 kV配电线路进行模拟，实验由380 V进线柜进电，经升压变压器升压至10 kV，经传输线路柜对实际输电情况进行模拟，最终经降压变压器降压至380 V，供后续实验使用。

输电线路柜可以切换不同型号的电线，学生通过两边变压器柜上的智能仪表观测不同输电线路参数对输电的影响。10 kV开关柜用于模拟10 kV断路器的投切，学生通过亲身操作体验，提高动手能力，以及对现场情况的应变能力。

(2) 负荷计算。本实验基于一期工程，应用二期工程的进线柜、电阻柜、电机柜和电抗柜完成。实验由一期工程提供380 V三相交流电压，经进线柜取电，通过电阻柜、电机柜和电抗柜接入不同的负荷实现功率的变化，学生通过智能仪表隔时读取功率数值，绘制负荷曲线图，进行相关功率计算。

负荷计算相关概念：全年中有代表性的最大负荷班的0.5 h最大负荷,年最大负荷Pm；电力负荷在全年时间内平均耗用的功率,年平均负荷Pav；负荷系数，又称负荷曲线填充系数、负荷波动系数、负荷率等，α=Pav/Pm；年最大负荷利用小时数Tmax,假设电力负荷按年最大负荷Pm持续运行时，在此时间内电力负荷所耗用的电能恰与电力负荷全年实际耗用的电能相同，Tmax=Wa/Pm。

(3) 功率因数补偿。本实验基于一期工程，应用二期工程的进线柜、电阻柜、电抗柜和补偿柜完成。实验由一期工程提供380 V三相交流电压，经进线柜取电，接入电阻柜设定额定功率因数，切换电抗柜接入不同电抗，改变功率因数，开启补偿柜进行功率因数自动补偿。

只接入电阻柜时从补偿柜的智能仪表可以观测功率因数为1，电抗柜分为三组，依次接入使得功率因数逐级下降，当功率因数低于设定值时，补偿柜工作，并且逐级提升功率因数至设定值。学生通过实验学习功率因数补偿的基本原理和工作过程，对实际系统中功率因数调节有初步认识。

(4) 监控平台操控。本实验首先需将各开关柜切换为远方控制，监控平台位于隔壁实验室。在监控平台上，首先让学生清楚整个监控系统的结构和通信方式，了解组态软件搭建监控系统的基本原理和方法以及基本的通讯参数设置，熟悉监控软件的使用。学生通过监控软件观察智能仪表送来的电压、电流和功率测量信息以及断路器位置和状态信息等，查看实时数据和历史数据，了解监控软件报警系统原理，在指导教师的指导下进行遥控操作实验。同时也可以自己动手设计数据监控方案，根据自己的专业背景在工作站工控机上编写不同的程序进行数据通信。

监控系统具有高度的开放性，学生完全可以在实验中提出自己的想法，并配合实验工作人员对监控界面加以改进。进行该实验的同时，学生可以学习到利用InTouch组态软件开发监控界面、智能仪表的使用以及熟悉各种通信协议。通过集中演示实验和学生单独分组动手实验，增加学生参与实验的热情和探索实验的积极性，加强学生对电力系统及其自动化的认识。

2.3 教学特色

实验平台以一种创新模式建设和管理使用，目前我院实验室以院级实验中心的形式建设、管理和运行，该平台的管理权属于实验中心，旨在最大利用实验资源。由于该平台的专业特色强，由实验中心组成的专业教师共同建设。

实验平台的实验设计有以下特色：实验项目内容具有科学性和先进性，符合学科发展的特点，能够满足培养学生综合实践能力的需要；注重综合性、探究性、设计性实验项目的开发及其内涵建设；平台所有实验的设计将充分考虑同学的创新能力培养，发挥同学的探索性与综合能力培养，实验计划的设计更加灵活，不再规定详细的实验步骤、结果，更加注重实验目的与作用，强调实验的过程与方案设计，提高对实验环节的参与活动，对于学生的成绩评定也根据具体的实验采取不同的评定方法。同时，平台也为教师和研究生提供了科研工作服务，鼓励教师和研究生参与的积极性，进一步发掘实验平台的功能，开发出更多具有创新性的实验，推动教学实验的改革。

2.4 教学成果

经过两年的研究和实践，整个实验平台已基本建成，教学应用步入正规。已接纳本科09、10级共180多完成课程实验和设计，为10、11级电力系统及其自动化硕士研究生共7人提供科研平台，提高了不同层次学生的动手实践能力和综合开发水平。

3 结 语

电力系统自动化实验平台充分发挥了实验室一、二期工程的功能和特点，以“工厂供电”和“电力系统调度自动化”两门课程为基础，展开输电线路模拟和断路器实验、负荷计算、功率因数补偿、监控平台操控等实验，加强了课程与实验的联系，增强了学生的动手能力和学习兴趣，突出了我校“实践教育”这一传统特色。通过理论和实践相结合，有利于建立一个开放式、研究性、综合型的专业实验教学体系，增强了学生专业实践能力和综合素质，并为教师和研究生提供了科研平台，对于推动教学改革和学科发展具有重要意义。

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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

张明锐(1971-)，男，甘肃民勤人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为分布式发电与微网、轨道交通牵引供电技术。

Tel:13701858379； E-mail:zmr@tongji.edu.cn

TM 76

A

1006-7167(2015)01-0226-04