有源配电网保护与控制实验平台建设及应用

仉志华， 冯兴田， 韩美玉， 薛永端

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛， 266580)

有源配电网保护与控制实验平台建设及应用

仉志华， 冯兴田， 韩美玉， 薛永端

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛， 266580)

本文基于既有的电力系统自动化实验装置，提出了一种面向有源配电网保护与控制的实验平台构建方案；详细介绍了一次与二次系统的构成，分析了既有课程实验的优化整合与新开课程实验的模块化设计，同时兼顾了既有课程与新开课程的实验要求，能够满足不同层次学生实验需要，该实验平台充分体现了前瞻性、继承性与综合创新性特点，实践效果明显。

有源配电网；分布式发电；电力系统自动化；实验平台

0 引言

随着能源危机和环境问题的日益突出，可再生能源发电技术发展迅速，且大多数分布式电源都是通过配电网接入系统，使得传统的潮流和短路电流单向流动的无源网络，变为两者双向的有源网络，原有的保护与控制方法将不能适用，围绕有源配电网的保护与控制方法的研究已成为业界研究的热点[1-3]。很多高校电气工程及其自动化专业的新版本科教学大纲中都增设了新能源发电、微电网保护与控制、智能电网技术以及配电网及其自动化等相关课程，确保理论教学内容紧跟实际应用的发展；有些高校已围绕有源配电网保护与控制建设了相关的专业实验室，但主要用于科研，难以兼顾本科生实验教学需要[4-7]。

本文基于电力系统自动化实验平台，提出了有源配电网保护与控制实验系统实现方案，介绍了一次系统构成与二次系统接口，重点涉及到实验项目优化整合以及创新型和综合型实验项目的开发。实践证明，该实验平台有助于本科生各方面能力的培养，并能够满足不同层次学生实验的需求。

1 实验平台的硬件构成

1) 一次系统构成

该实验平台的一次系统单线图如图1所示，主要包括同步发电机、模拟负载、双回输电等效线路与系统连接的自耦变压器四大部分。

图1 有源配电网实验平台一次系统单线图

额定功率为2 kW的同步发电机由直流电动机作为原动机驱动，并通过隔离变压器T和开关QF0接入系统母线BUS1；该环节的二次系统通过TA0和TV0获取电流和电压，实现功能包括发电机转速控制、励磁控制、准同期并网控制以及发电机保护等，既可手动调节也可自动执行，此同步发电机系统可等效为分布式电源。同时，我校正在建设光伏发电及其并网控制实验室，将来可将其接入该实验平台，增加分布式电源的类型。

模拟负载通过BUS1接入系统，由多个带载的异步电动机进行等效，每台电机的输出有功和无功功率均可灵活调整，且每台电动机均可由QF8-QF10独立投切控制。同时，还设置了大功率电阻箱，作为静止等效负荷。

双回输电线路由分段电抗XL1-XL4等值，能够模拟多个位置上设置不同类型故障；线路侧装设电流互感器TA1-TA4与TA6，分别同QF1-QF4与QF6相对应，为既有保护以及新型继电保护的开发实验奠定基础；QF5用于模拟改变系统运行方式；依靠两侧母线上的TV1和TV2获取电压，用于计算功率等相关保护信息。

整个实验平台通过自耦变压器AT与市电(即视为无限大容量供电系统)相连接，QF7为公共连接点即PCC点处的开关，并通过TA7和TV2可得到实验平台与系统之间实时交换功率的大小。

2) 二次系统构成

既有的励磁控制、转速控制、准同期、重合闸、线路保护等功能，依然在原有的保护与控制系统上实现；为满足有源配电网保护与控制系统的实现，专门设计了新的二次系统平台，并与原二次系统相互独立，以确保系统实现的灵活性。

我校电气专业学生，在大二期间就学习了基于51系列单片机开设的“微机控制技术”、“功率接口”等相关课程，具有一定的单片机软硬件基础；考虑到知识的继承性，本实验平台的二次系统基于AT89C52单片机开发，整体结构框图如图2所示。为满足实验需要，本系统设计了6路模拟量输入通道(其中有2路电压信号与4路电流信号)，经电压变换环节将一次系统经TV 、TA传送过来的电压和电流信号转换为5 V以内的交流电压信号；利用二阶模拟低通滤波器将故障过程中出现的暂态信号滤除，防止其对继电器保护带来影响；基于电阻网络构成信号调理电路，可将交流5 V信号变为直流信号，以满足单向ADC实现交流采样的要求；采样保持器(S/H)与多路转换开关(MUX)相配合，实现多路信号共用模数转换芯片(ADC)均控制，以提高整个系统实现的经济性；本系统设置了4路开关量输出回路，均经过光电耦合实现强弱电隔离，以提高系统的抗干扰能力。

本实验平台提供了开放的实验环境，学生根据不同的实验内容和实验要求，通过熟悉硬件实验平台，在软件环境下编程实现相应的实验功能并进行在线调试与功能测试，一方面激发学生的学习兴趣，另一方面能够满足学有余力的学生进行创新性和综合性实验的需求，具有较强的灵活性。

图2 实验平台二次系统框架

2 实验内容

考虑到实验内容的继承性与前瞻性，在实验平台上开设的实验内容主要包括如下两个方面：

1)既有实验项目的整合优化及模块化

结合原有实验平台与实验内容设置，按照新版教学大纲的实验学时安排，将既有实验项目有效整合与分层次优化，总体上将该部分实验内容分为三大模块，各模块开设实验项目及涉及的相关理论课程与如表1所示。

表1 既有实验项目内容

2)创新性和综合性实验项目的设计与开发

结合电力系统及其自动化专业理论课程规划与学科发展，着重对创新性与综合性实验内容进行模块化设计与开发，具体实验项目如表2所示。

表2 创新性和综合性实验项目

将优化之后的既有实验项目与新开发的创新性实验内容进行有效融合，按照课程理论内容体系和学生的不同需求，分为必做实验和选做实验两类。必做实验为课程基础内容服务，选做实验主要为学生开展创新性和综合性实验提供平台；普适教育的学生以必做内容为主，选做内容为辅；卓越工程师班的学生在完成必做内容的基础上，加大对选做内容数量和质量的要求，充分锻炼其创新和实践意识，真正提高学生的自主学习和实际动手能力，为更好地满足卓越工程师培养目标夯实基础。除此以外，该实验平台也为教师科研提供一定的实验环境。

3 实验特色

为满足学科发展，有些高校建设了有源配电网静态模拟实验系统、微电网保护与控制实验室、分布式发电并网保护与控制实验室等，但目前这些设施主要用于科研，难以向本科生广泛开放。本文介绍的实验平台则主要面向本科生，具有如下几个方面的特点。

(1)创新性。为深入贯彻我校本科教育培养新体系，需要在原有基础的前提下，探索创新性实验教学内容和实验手段；通过原有的电力系统自动化实验平台进行一次以及二次系统功效扩展，为学生提供良好的开放式实验基础平台，有效提升学生自主学习以及分析和解决问题的能力。

(2)前瞻性。实验装置的开发与实验内容的设置，紧密跟踪学科发展方向和研究热点，与实际工程需求相结合，真正做到理论联系实际，激发学生的学习兴趣；课题组成员先后承担了国家自然基金项目、国家863重大项目子课题等，积累了丰富的现场经验，将相关内容引入到该实验平台的实验教学中，实现了产学研有机结合。

(3)综合性。在实验平台上，对既有的实验项目进行整合与调整，更好地满足传统常规实验要求；在此基础上，通过对一二次系统进行改造，为后续新开课程的实验开设创造条件。通过对实验平台进行开发改造，分层次设置实验内容，能够满足普适教育与精英教育的需要，为卓越工程师班以及国际班学生开设实验也奠定基础；除此以外，为有效提高实验设备的利用率，开发过程中也适当考虑研究生及相关教师的科研需要。

4 实验案例

以计划孤岛供电平滑转化实验为例，予以说明其效果。

计划孤岛运行是分布式电源接入系统提高供电可靠性的有效手段。计划孤岛一旦脱网之后，该系统内部的功率往往是不平衡的，电压和频率均会发生较大变化，甚至造成失稳。本实验总体设计思想是通过设计不同负载与分布式电源出力组合，分析不同系统容量下的不平衡功率对于系统稳定性的影响。通过实测数据验证理论分析结果，通过实际波形观察系统运行状态。未实施主动调整措施的前提下，计划孤岛系统内部电压会急剧下降，甚至崩溃，如图3所示。基于故障前孤岛系统接入开关处的功率为参考主动切除负荷，实施平滑转换控制措施之后，计划孤岛系统内部电压能够快速恢复到系统正常运行水平，如图4所示。该实验内容既涉及到不同扰动程度下的系统频率稳定分析、电压稳定分析，还涉及到计划孤岛主动调节措施以及负荷切除快速性对于稳定的影响，后者是未来有源配电网的重要研究内容。因此，此实验案例充分体现了创新性、综合性与前瞻性的特点。

图3 未实施平滑转换控制的计划孤岛系统电压曲线

图4 实施平滑转换控制的计划孤岛系统电压曲线

5 结语

本文对原有的电力系统自动化实验平台进行功效扩展，提出了一种面向有源配电网保护与控制技术的实验平台构建方案；从实验平台的一次与二次系统的构成，到实验内容优化设计，都兼顾既有课程与新开课程的实验要求并满足不同层次学生实验需要；充分体现了前瞻性、继承性、综合性与创新性的特点，实践效果明显，能够很好满足多层次电气专业学生培养的实验要求，为提高学生分析与解决问题的能力、强化动手能力尤其跟踪学科前沿能力提供了灵活的开放实验平台。

[1] 余贻鑫,栾文鹏.智能电网评述[J]. 北京: 中国电机工程学报,2009,28(34):1-8

[2] IEEE Std 1547.2 IEEE Application Guide for IEEE Std 1547,IEEE Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems.2008

[3] 刘一欣, 郭 力, 李霞林, 王成山. 基于实时数字仿真的微电网数模混合仿真实验平台[J]. 北京:电工技术学报.2014,29(2):82-92

[4] 解 大, 顾羽洁, 徐 涛, 艾 芊, 等. 微电网仿真与实验系统-总体设计[J]. 上海：实验室研究与探索. 2011,30(9):74-78

[5] 杨为, 丁 明, 毕 锐, 高 研, 等.微电网实验平台的设计[J]. 合肥：合肥工业大学学报(自然科学版). 2010,33(1):38-41

[6] 刘 霞.含多种分布式电源和储能的微电网控制技术[D] .杭州：浙江大学硕士学位论文.2012,3

[7] 仉志华,康忠健,王艳松. 电力系统线路保护综合实验平台的开发[J].上海：实验室研究与探索. 2009,28(5):41-43

Functional Extension of Power System Automation Experimental Plartform for Protection and Control of Active Distribution Network

ZHANG Zhi-hua, FENG Xing-tian, HAN Mei-yu, XUE Yong-duan

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580 ,China)

The experiment platform for protection and control of active distribution network based on conventional power system automation experimental apparatus is introduced. The primary and secondary hardware system of the experiment platform is analyzed, and the experimental contents are designed, including the optimization of original contents and the modular design of new contents. The new platform could meet the demands of the traditional and new courses, considering different levels of students, which has the characteristics of forward-looking, inheritance, comprehension and innovativeness. The teaching practices prove its effectiveness.

active distribution network； distributed generator； power system automation； experimental platform

2016-04-16;

2016-05- 25

中国石油大学(华东) 校级教学实验技术改革类重点项目(SY-A201409，SY-B201423)

仉志华(1977-)，男，博士，副教授，主要从事有源配电网故障自愈及主动电压控制技术、微电网保护与控制技术等相关教学与科研工作，E-mail：zzh-upc@163.com

文献标识码：A 文章编号：1008-0686(2017)01-0127-04