“电力系统分析”课程的工程化实验教学

黄 肇， 罗隆福， 石赛美

(1．湖南大学 电气与信息工程学院， 湖南 长沙 410082 ) (2．邵阳学院 电气工程系， 湖南 邵阳 422004)

0 引言

电力系统是一个典型、复杂的大系统，“电力系统分析”课程是电气类专业的基础课，是通往后续专业课的桥梁[1]。

“电力系统分析”课程内容主要涵盖电力系统的正常运行、故障情况和稳定性分析等相关理论、分析和计算。通常，课程的理论教学部分是由图1所示的典型的单机——无穷大系统所贯穿。而课程的实验教学部分则在图2所示的相应的电力系统综合实验平台上进行，此实验平台能实现图1所示的发电机组并网过程，能完成电力系统稳态运行、故障状态以及断相运行时的相关操作实验，学生通过观察实验现象和记录实验数据，并与理论紧密联系起来，深化理论知识。

但在实验教学过程中我们发现：①由于学生的理论知识比较单一，没形成系统化的知识，并网之前与并网之后需要怎么操作不清楚；②由于学生很少

图1 典型的电力系统单线图

图2 电力系统实验平台界面图

接触实际电力工程，对真实电力系统的工程化意识不强，随意性较大，导致学生实验操作不规范，容易出现误操作，这在现实中的电力系统工程操作上是绝不允许的；③少数学生做实验前，没有充分预习实验指导书，担心安全问题，不敢动手操作。

为了克服上述缺陷，我们提出一种工程化的实验教学模式来加以弥补，这种实验教学模式就是依据电力系统安全操作规程，规范实验操作步骤，制作安全操作指导说明，让学生按照实验基本要求完成各种操作实验。

在工程化的实验教学中首先详细阐述电力系统综合实验平台的开机操作顺序和停机操作顺序。其次讲授同期操作应有的条件以及在实验过程中应注意的安全事项。然后在电力系统综合实验平台上完成稳态运行实验、断相实验和短路实验的演示性操作。最后按照实验要求让学生完成各种操作实验，观察实验现象，记录实验数据，并在课后整理数据并撰写实验报告。通过完成各种操作实验，让学生完全理解教材的理论知识，增加感性认识，加强动手能力，从中体现工程化的电力系统理论知识，为培养具有电力行业特色的应用型人才奠定专业基础。

1 实验操作步骤工程化

电力系统综合实验平台由发电机组、输电网和无穷大系统三个部分组成，在发电机出口母线和无穷大系统电源之间是包含两台变压器和双回路线路构成的输电单元，用多个电抗绕组接成链型结构来模拟，以此模仿长距离输电线路。实验平台的规范操作过程如图3所示，包括发电机启动—励磁启动—建立电力网—发电机并网—调整发电机的功率等五大步骤，涉及到电力系统综合实验平台的开机顺序和停机顺序这一操作过程，单项操作步骤都有相应的参数指标显示，当对应参数值达到其设备的额定值时，才能进行下一个步骤，直到单个实验完成。

图3 电力系统实验操作顺序示意图

在实验操作过程中应遵守以下几点安全事项：

①在实验过程中，绝对不允许学生任何部位接触自耦调压器的输入、输出接线端子，否则会造成人体触电，危及生命安全[2]。②按照实验要求确定发电机的启动方式和励磁方式，习惯采用微机控制的发电机启动方式和他励的励磁方式，一旦确定了励磁方式，在实验操作过程中的后续操作绝不允许更改励磁方式；③依据发电机的启动方式和励磁方式确定发电机并网的同期方式，如采用了微机控制的自动的发电机启动方式和他励的励磁方式，应确定全自动并网的同期方式。一旦确定了同期方式，在实验操作过程中的后续操作也绝不允许更改同期方式；④并网之前，调整发电机的调速按钮是调整发电机的转速，一般不能超过发电机的额定转速，即1500 r/m；调整发电机的励磁按钮是调整发电机的出口电压，不能超过发电机的额定电压，即380 V。并网之后，调整发电机的调速按钮是调整发电机的有功功率，不能超过发电机的额定功率，即2 kW；调整发电机的励磁按钮是调整发电机的无功功率；⑤在观察实验现象和记录实验数据之后，要进行停机操作，停机操作顺序与开机并网顺序相反，但必须保证在有功功率和无功功率为零的前提下切断并网开关才能操作其他实验步骤，否则会引起发电机失步，损害设备；⑥按照电力系统安全规程，规范实验操作，培养具有良好地遵守电力系统操作票流程的素质，使学生具备一定的电力系统工程意识。

2 实验安全操作体现工程化知识

电力系统是一个复杂的大系统，要建立一个完整地反映电力系统运行特性的实验室极其困难。但是通过电力系统综合实验平台可建立相应的物理模拟系统，学生通过各种操作实验可以加深理解电力系统稳态运行与暂态过程的基本原理和运行特性。在实验安全操作中体现工程化知识，树立工程化意识，如同期操作体现同期条件知识，解列操作体现有关解列条件的知识等。

电力系统的控制装置可保证电能质量，同步发电机自动并网可保证发电机并网的正确性、可靠性和安全性，当电力系统失去稳定后要及时防止事故继续扩大的自动装置。发电机组与系统并网之后，调整发电机组的出力(PG=2 kW)，完成相应的稳态运行、故障和断线运行的实验项目。在做实验过程中可能遇到电力系统稳定破坏出现失步振荡时，发电机和无穷大系统的电压表和功率表指针出现摇摆，此时不要慌张，在失步时应优先采用切机，应立即手动切断并网开关，再仔细观察发电机和无穷大系统的电压表和功率表的数据，根据实验设备的具体情况消除失步振荡的措施，重新并网，按实验要求完成实验。

发电机组与系统的解列操作，需减小发电机的出力，把必须保证发电机组的有功功率和无功功率降到零时，手动直接断开并网开关[3]。如果发电机组的出力很大时，直接断开并网开关，将使得断路器触点产生较强的“拉弧”现象，可能直接损坏断路器或缩短断路器的使用寿命，因此要先减小发电机的出力，使发电机组的P=0，Q=0，然后逆着开机顺序操作，直到断开总电源开关才算是单个实验项目做完。

电力系统综合实验平台的各种操作实验能反映真实电力系统的运行特性，如单机无穷大系统实验台能等效模拟简单电力系统的稳态运行和故障状态的各种操作，实验台的规范操作与真实电力系统操作的流程一致。学生必需规范操作，遵循电力系统安全规程，逐渐形成现实电力系统实际工程意识。

仅用单机对无穷大系统模型来研究电力系统，不能全面反映电力系统物理特性，如网络结构的变化，潮流分布，多台发电机并列运行等。因此电力系统综合实验平台由多台单机发电系统组建成含有4机的复杂系统，在原有输电网络结构前提下，通过分别改变发电机有功、无功来改变潮流的分布；可以通过投、切负荷改变电力网潮流的分布；也可以在各种动态负荷下观察电力网潮流分布；可以改变输电网结构来观察电力网的潮流分布。

通过电力系统综合实验平台上开展的实验与理论有机结合，加之有效运用工程化实验教学模式，培养学生从感性知识上升为理性知识，从单纯的知识深化为系统化知识，并树立先进的工程意识。

3 结语

在“电力系统分析”课程的实验教学中引入工程化教学模式，目的在于通过实验中可以运用所学的理论知识去分析和解决实际电力系统中出现的各种问题，强化学生的动手能力，培养电力系统的工程意识。因此应用工程化的实验教学模式，并在“电力系统分析”实验教学中得到了有效地实施，通过实验来验证理论，促使理论和实践相结合，使感性认识、工程认识不断提高和深化，为今后从事的工作打下坚实的专业基础。

[1] 黄肇,罗隆福,罗庆跃.“电力系统分析”课程教学体系的构建[J].南京,电气电子教学学报,2013,35(1):47-48.

[2] 祝淑萍.电力系统分析课程设计与综合实验[M].中国电力出版社.北京,2007:51-53.

[3] 许正亚.电力系统安全自动装置[M].中国水利水电出版社.北京，2006:84.