校企共建发电厂及变电站动态模拟实训系统研究

2018-01-18

长江工程职业技术学院学报 2017年4期

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

0 引言

目前校内生产性实训基地建设的主要模式有学校主导模式、企业主导模式和校企共建模式，我校发电专业校内生产性实训基地采用校企共建模式。由于发电厂及变电站生产设备体积庞大，系统复杂，在校内建完全真实的生产实训基地难度很大，目前有两种常规解决的方法，第一是充分利用仿真技术、VR实景等教学手段使学生进入一虚拟的发电厂或变电站的情境中去学习、操作，采用这种方法建成发电厂及变电站仿真实训中心；第二种方法就是建成缩小版的发电厂及电力系统，即采用各类型的仿真机、缩小或简化的生产系统为平台，在此基础上设计并组建出尽量贴近现场实际生产过程的电厂实训系统。我校发电专业校内生产性实训基地采用了“一基地三中心”模式。即该基地包括发电厂及变电站动态模拟实训中心、发电厂及变电站仿真实训中心、电气设备拆装与维修实训中心。其中电气设备拆装与维修实训中心是以陆水水力发电厂、丹江口水力发电厂捐赠为主，合作共建的方式进行建设，目前已经有20个工位；发电厂及变电站仿真实训中心有60台机，装有一套水电厂仿真系统，一套变电站仿真系统，发电厂及变电站动态模拟实训中心正在建设中。本文重点研究发电厂及变电站动态模拟实训中心的组建及系统运行功能。

1 发电厂及变电站动态模拟实训中心的组建

发电厂及变电站动态模拟实训中心主要有两大部分构成，一为小水电站静态部分，二为动态模拟部分。小水电站静态部分主要包含水轮机、发电机、调节辅助设备、变压器、电动机，组成一小型水电系统，学生可以通过观摩，获得足够感性知识，并掌握整体结构和工作原理；本部分采用设备主要是陆水水力发电厂、丹江口电厂捐赠的设备。小水电(静态部分)系统流程图为：

图1静态部分流程图

发电厂及变电站动态模拟的实质，就是根据相似性原理，设计并实现电力系统动态特性的物理模拟。电力系统的模拟手段主要有物理的和数学的，物理模型忠于原系统的物理本质，现象直观、丰富，但是不能模拟系统暂态的复杂过程；数学模拟就是建立数学模型，这种方法灵活，计算精度高，能模拟系统复杂的暂态过程。综合两种模拟手段，我们设计并组建了发电厂及变电站动态模拟实训系统，包括同步发电机与无穷大系统动态模拟实训系统、同步发电机与单一负荷动态模拟实训系统。整个动态模拟部分基本能够完成一个小型电力系统的主要工作流程，可以进行微机控制与操作演练，可以完成电力系统正常运行的实训、系统故障的实训等，对提高学生电站设备与安全知识水平、操作实践技能具有重要意义，是目前电力系统实训框架的重要补充。动态模拟部分硬件结构如图2所示：

该系统主要设备包含直流电动机、三相交流发电机、中控显示屏与中控装置、励磁调节柜、实训控制屏、负载屏等。其中原动机采用3kW的直流电动机模拟，发电机采用3kW的三相交流同步发电机。永磁直流测速发电机与直流电动机、交流发电机同轴连接，模拟水轮发电机组。实训控制屏主要是采用PLC控制单元和准同期单元以及电流、电压等常规仪器仪表、自耦变压器组成。其中PLC控制单元主要包含调速单元、励磁调节单元、机组综合自动化。实训操作屏主要有双回路输出电路、线路保护装置、各种开关、无穷大系统所构成。负载屏主要是包括三相阻抗负载及控制开关。发电机组可以与阻抗负载系统共同构成单机负载系统，也可以构成单机-无穷大系统。

图2动态模拟系统硬件构成图

2 发电厂及变电站动态模拟实训系统的功能

发电厂及变电站动态模拟系统控制和运行，可以单独由实训操作屏手动完成，也可以由监控计算机的组态软件实现自动操作。整个系统开发出的实训项目可以为发电专业中《电机技术》、《电力系统分析》、《继电保护与自动装置》等主干课程服务。该动态仿真系统主要分为四大部分实训：一是同步发电机的相关实训，包括原动机电机启动与运转、调速装置操作及原动机的控制、发电机的空载以及短路特性曲线测试、同步发电机的励磁实训等；二是电力系统运行方面实训，包括发电机运行方式实训、负载调整实训、手动准同期实训、半自动准同期实训、全自动准同期实训等；三是电力系统的稳态方面实训，包括单机——无穷大系统稳定运行方式、单机带负荷运行实训；四是电力系统的暂态稳定实训，包括三相短路实训、两相短路实训、单相短路实训等。

此系统模拟的是单机-无限大系统，一次接线图如图3所示：

图3动态模拟系统一次接线图

发电机的同期并网主要方式有准同期并网和自同期并网，以电力系统常用的准同期并网为例来进行分析动态模拟系统的使用。如图3所示，并网时要求在QFG合闸前通过调整左侧待并发电机组的电压和转速，当满足电压幅值差和频率条件后，根据“恒定导前时间”原理，由准同期控制器自动选择合适的时机发出合闸命令闭合QFG，此时合闸冲击电流一般很小，机组并入电力系统后能被迅速拉入同步。特殊情况下也可以手动发出重合闸命令实现同期操作。

准同期装置经常利用脉动电压进行工作，如图4所示。所谓脉动电压是指待并发电机的电压Ug和系统电压Us之间的电压差，通常用Ud来表示。

图4脉动电压变化轨迹

脉动电压不仅反映Ug和Us的相角差特性，而且与它们的幅值有关，所以可以利用自动装置检测滑差电压，当Ud=0时闭合同期开关QFG完成发电机组的准同期并网操作。

具体实训操作过程为：首先合上操作电源开关，检查实训台上各开关状态，确定各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；其中“励磁方式调节器”选择他励、恒U运行方式，合上励磁开关；把实训操作台上“并网方式选择”开关置“同期”位置。把“同期方式选择”调到自动，合上系统电压开关和线路开关QF5、QF1、QF3，检查系统电压接近额定值380V；启动原动机，调节电机的转速，将电动机转速提高到额定转速1 500rpm；不断调节原动机转速、网端的手动调压器、操作微机励磁调节器上的增磁或减磁按钮进行调压，当“发电机并网装置”的压差和频差的数值接近于零，等待一段时间，观察到该装置的下排显示灯在缓慢跳动，当该指数灯跳至为“同期点”时，此时QFG自动闭合，并网完成。整个实训过程完整模拟了实际电力系统中发电机的并网过程。

3 发电厂及变电站动态模拟实训系统的优缺点

3.1 优点

发电厂及变电站动态模拟系统整体占地面积小，操作控制屏上的各种仪器仪表、开关、接线柱、各种功能单元结构紧凑，安装调试和维护维修都十分方便。整个系统体现了先进性、系统性、综合性。

(1)先进性

在控制系统中将数字电力系统中先进的控制理论、通信技术、计算机技术、信息处理技术等有效融入到教学实训平台中，紧跟先进技术的时代步伐。

(2)系统性

在该系统中包含了发电机、变压器、输电线路、负荷、无穷大系统一次部分，同时还包括了测量仪表、继电保护、自动装置等二次部分，是一个完整的电力系统，完成实训项目可以使学生了解发电、输电、变电、配电、用电的全过程，加深学生对系统全局的认识。

(3)综合性

覆盖了发电专业的大部分主干专业课程比如《电机技术》、《电力系统基础》、《继电保护》、《自动装置》等。可以完成其他实训室无法完成的整个系统的实训，为发电专业的学生提供了一个与现场工作仿真度很高实训条件，克服了以往强电专业难以开展实际生产实训的难题，对学生进行了基本职业能力的培养和训练，有利于学生就业时岗位的零对接。