电力系统自动化新型实验系统开发与建设

张利宏　李秀　彭伟

摘要 电力系统自动化是电气工程及其自动化专业的最后一门专业课程，特点是涵盖的基础学科多，知识点比较多。由于电力系统的特殊性，学生在实际装置上操作较少，对书中讲授的装置的原理及现象理解比较抽象。结合华中科技大学的先进实验设备WDT-ⅢC、PS-7G和加拿大RTDS实验设备，提出一套课程改革的方案和设想，将教学过程中的理论与综合实验、实时仿真系统结合起来。

关键词 电力系统自动化；实验教学；RTDS仿真

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）08-0036-04

电力系统自动化是内蒙古工业大学电力学院本科生的必修课，共48学时，课程内容包括同步发电机自动并列、同步发电机励磁自动控制系统的静动态特性、电力系统频率及用功功率的自动调节以及自动低频减载及其他安全自动控制装置四个部分。与电力系统分析不同的是，本课程主要侧重讲授电力系统运行设备在自动控制时所遵循的规律。在多年的教学中，学生的反馈是很难将各种装置的原理、结构和功能有效结合起来形成完整的体系，特别是励磁自动控制系统中一些抽象的指标，如动态指标、调差率、强励励磁电流最大值、欠励限制器的作用以及不同运行方式电压质量、无功负荷平衡等。若能将理论用实验平台便捷显示出来，就将抽象的问题简单化了，学生可以看到各种实验结果，从而使教学收到良好效果。

此外，内蒙古工业大学现在使用的华中科技大学WDT-ⅢC电力系统综合自动化实验台和加拿大曼巴托尼直流研究中心推出的实时数字仿真器RTDS是目前我国最先进的实验设备，学生可以认识设备，对装置进行实验操作，动手搭建仿真模型，分析仿真结果。这是提高课程质量的关键所在。

1 综合实验室基本实验项目改革

结合电气工程领域培养方案，课程组根据现有教学情况，实验台配有控制柜测试孔，便于实验教学。除了设有常规的控制装置，均设有并网、调压、调速的手动方式，便于学生更深层次地了解微机控制方式。根据课程及实验大纲要求，内蒙古工业大学电力学院现开设的实验项目如表1所示。

随着电力系统技术的不断更新和新型实验设备的发展，目前的实验已不能满足迅速发展的电力系统学科的需求，在新的课程大纲的改编中拟增加实验项目及内容，如表2所示。

2 综合实验室新型开放性实验的开发与建设

WDT-ⅢC电力系统综合自动化实验台和PS-7G型电力系统微机监控实验系统，是目前最先进的电力系统综合实验设备。PS-7G实验装置是高度自动化、开放式多机电力网综合实验系统，配置微机监控系统，现场实现电力系统的“四遥”功能。这是新实验课程体系开放式实验平台，基于这样好的实验平台，可以开发综合性、设计性、拓展性的实验项目，培养学生创新能力和分析解决问题的能力。

“PS-7G型电力系统微机监控实验台”是将7台“WDT—ⅢC（或WDT-Ⅳ）电力系统综合自动化实验台”的发电机组及其控制设备作为各个电源单元组成一个环网，如图1所示。

本系统模拟了7台发电机，分别通过电缆引接到电力主网的母线上，无穷大电源接在W-G母线上，由市电380V经20 kVA自耦调压器接至母线MG上，负荷分别联接至MC、MD母线上。而MD母线经联络变压器TT与线路MF母线相联，形成一个灵活可变的电力一次系统。

PS-7G系统模拟了500 kV电压等级电力网络，MD母线电压等级为220 kV，7台发电机组模拟容量为600 MW，无穷大电源短路容量为6000 MVA。

A站（G-A）和B站（G-B）经过母联QFB相连接并通过双回400 km长距离线路将功率输送入MG母线联接的无穷大系统，在距离100 km的中间站的母线MF经变压器TT与220 kv母线MD相联，C站通过一段100 km短距离线路与B站相联，另一端通过母联断路器QFG与E站相联，并且设有地方负荷。E站经200 km输电线路通过母联断路器QFG、QFK与母线MG相联。

此环形电力网共有7个节点，分别为如图1所示7条母线。通过改变运行方式、投切线路，如将电力网变成一个辐射形网络，则通过切除XL_C线路实现，如图2所示；如将电力网变成T型网络，则切除XL_F线路，如图3所示。

在设计不同的网络结构前提下，针对XL_B线路的三相故障，可以进行暂态故障计算分析，如图4所示。此时当线路XLB故障时，两端的线路开关QF_C、QF_F会跳开，切除故障线路。

通过该监测平台，可方便实现电力系统的“四遥”功能，即可以通过远程改变发电机输出功率改变系统潮流分布，也可以通过改变网络联接结构、调整无穷大系统调压器来改变电力网潮流分系统模型进行分析。综合实验平台项目开发如表3所示。

3 实时仿真系统FITDS电力系统自动化实验的开发

电力系统自动化课程中“电力系统的调频和调功”“励磁自动控制系统的动态特性中数学模型的传递函数”“励磁系统的动态稳定性”等内容抽象且结合不紧密，即使有实验设备，有些实验也无法完成。结合培养人才计划，内蒙古工业大学电力学院新进加拿大RTDS全套实验设备，设计并布置RTDS仿真课外设计作业，使学生在搭建模型过程中学会draft建模、运行runtime控制模块，进行指令操作。这样将理论和实践紧密地结合起来，并更好地了解装置的组成和工作原理，甚至一部分学生可以运用控制理论搭建模型，并分析研究预期仿真结果，对提高学生将理论应用于实际中的动手能力和教师教学科研能力都有积极作用。

针对电力系统自动化课程大纲要求，拟增加的开放性仿真实验如表4所示。

4 结束语

通过使用WDT-ⅢC电力系统综合自动化实验台和PS-7G型电力系统微机监控实验系统，以及实时仿真系统RTDS，深化了电力系统自动化的教学内容，给学生提供了进行基础课程学习、专业课程设计、综合实验开发的宽广的平台，也使得学生对电力系统自动化、电力系统调度自动化运行及调试实验有了一个初步的认识，为内蒙古工业大学电力学院培养宽口径的专业技术人员做出贡献。