智能配用电网实验系统构建与应用

呼梦颖，段建东，姬军鹏，王 倩，刘 普，王海燕

（西安理工大学 自动化学院，陕西 西安 710048）

智能电网产业作为国家战略性新兴产业，自2009年以来发展迅速，对人才的需求十分迫切[1-2]。2010年教育部设置了“智能电网信息工程”新专业，旨在培养符合智能电网发展的高素质人才。

智能电网信息工程专业旨在培养掌握扎实的基础知识和必备的智能电网专业知识，能在网络化、信息化智能电网领域从事设计、研发、运行维护与管理的复合型人才[3-4]。该专业工程性强，是一门涉及电力和信息技术的多学科交叉专业，这要求智能电网背景下构建的智能配用电网实验室不仅包含灵活、可重构的电力网，还需要安全开放的通信网[5]，使信息化更加突出，智能化程度更高。

目前，涉及智能配用电网技术的实验研究取得了一些成果[6-7]，然而现有的实验方法和实验装置大部分着重于电网建设、运行，以及新能源发电、并网，主要覆盖电力系统自动化、继电保护、新能源发电等课程知识，缺少完整的、信息化和智能化程度较高的电力网信息通信和远程监控的实践内容，难以实现学科知识的交叉融合以及培养学生的实践能力和创新意识。

本文针对智能电网信息工程的学科知识交叉性和新兴专业特色，在电力系统自动化设备的基础上，设计了信息采集、通信、监控等智能化单元，构建了工业级智能配用电网实验系统，突显该专业的“信息工程”思想；并设计了专业基础、综合设计、探索创新不同层次的实验方案，开展了学生竞赛和创新活动，取得了一系列创新成果。

1 实验系统的构建

1.1 构建思路

（1）工业级。实验系统严格按照电力行业标准的要求，所有设备采用工业级的智能电网现场实际运行的微机型装置，以及一些小型的可以再现电力系统实际运行工况的一次设备，使学生通过对工业实际产品的学习，直观地理解智能电网实际运行原理，具有较强的操纵和调试智能电网运行和处理现场问题能力。

（2）小而全。2 台发电机组和1 个无穷大电源组成了一个小型双机环网，并配备继电保护装置、智能电表装置和监控站，实现丰富、全面的继电保护、并网、信息通信、故障录波与监控等功能。

（3）融合性。考虑智能电网信息工程的多学科交叉性，本实验系统将传统电力和现代信息技术结合[8]，将电力系统自动控制技术、电力系统继电保护、信息通信与监控、信息安全等多学科的多种技术手段融合于实验系统。

（4）新技术。在电力系统自动化设备的基础上，引入信息、通信、监控、智能化等新技术和新方法，构建信息化和智能化的智能配用电网实验系统。

1.2 实验系统的基本架构

实验系统采用典型的发-变-输网络拓扑，配置微机自动控制装置、微机继电保护装置、智能电表装置、数据采集终端和监控站。

1.2.1 发-变-输电力网

发-变-输电力网的结构见图1。2 台发电机G 模拟发电厂，从发电机的出口母线引电缆连接到变压器实验台上，模拟无穷大电源由市电380 V 经自耦调压器接至母线Ⅱ上。发电机组和无穷大电源通过3 条母线和4 条模拟输电线路组成双机环形电力网。每台发电机组模拟300 MW 及以上机组，输电线路模拟电压为110 kV 及以上线路，模拟输电线路长度大于100 km。该部分配备了模拟故障和继电保护装置，可完成继电保护、并网等实验教学。

图1 发-变-输电力网基本结构

电网的一次部分采用搭积木式灵活组建，二次部分采用微机组态软件的方式构建。所有装置全部采用工业品，装置面板设有测试孔，学生在工业产品上可深度实践，提高学生的参与度，培养学生解决智能电网现场问题的实践能力。

1.2.2 智能电表及通信系统

在发-变-输电力网上，设计了安全、开放的智能电表及通信系统，以实现信息实时交换。系统结构如图2 所示。

图2 智能电表及通信系统结构

图1 中发电机侧安装了三相双向电度表和多功能仪表，用于计量发电机的用电量、发电量，以及电压、电流、励磁电压、励磁电流、功率等数据；线路侧配置了多功能仪表，用于测量线路电压、电流、功率等数据；系统侧（QF10 处）安装了三相双向电度表，用于计量实验系统整体发电和用电量数据；发电机安装XJCW-900 无线温度传感器，用于监测其温度。

智能电表和微机保护装置的数据通过电力线载波通信、485 通信方式、远红外通信和无线通信[9]4 种不同的通信方式，采集至数据采集终端（IED），IED经过IEC61850 规约转换，实现与监控站软件的连接，体现出远方监控系统抄表（无人抄表管理）。

智能电表及通信系统中的电度表采用3 种不同类型的智能电表，采用了多种通信方式[9-10]，基本涵盖了智能电网中使用的大部分先进的信息技术，帮助学生掌握目前智能电网产业中采用的丰富、全面的信息采集与通信技术。

1.2.3 监控站

由自动化软件系统组成高速以太网监控网络，包含监控软件、工程师站和故障录波软件[11-12]。系统正常运行时，学生在监控站可对全站设备进行监视、测量、调控、管理和记录，及时掌握电网运行情况，深入理解远方监控和无人抄表管理的运行机制。系统监控界面如图3 所示。

图3 系统监控界面

图4 微机线路保护监控界面

以微机线路保护为例，监控界面如图4 所示。系统出现故障时，学生通过继电保护工程师站和录波分析软件实时收集运行和故障信息，通过对故障信息的综合分析，为事故处理、故障定位、计算整定和保护控制提供科学依据。

2 实验方案设计

基于该实验系统，针对电力系统继电保护、智能电网通信技术、智能电网信息与安全等专业课程和综合实践，设计了突出智能电网新技术和新要求的实验方案[13]，包括专业基础实验、开放综合实验、探索创新实验等不同层次的实验项目，其中一些实验项目见表1。

智能配用电网实验系统既能进行专业基础实验，也可以进行各类智能电网综合设计实验，还为探索创新型实验项目提供了平台，供学生进行自主设计、开放调试和创新实验。工业级的实验设备，再结合当前智能电网发展形势及未来发展趋势，设计的专业基础实验以及综合性和创新性实验，为学生不同层面的需求提供全方位的软、硬件条件。

表1 不同层次实验项目

3 应用效果

（1）实验教学。实验系统已在智能电网通信技术、电力系统自动化、电力系统继电保护等专业课程的实验教学中使用，引入先进的智能电表、通信和远程监控技术，拓宽学生的知识面。多层次实验课程的开设使学生巩固了基础知识，培养综合设计能力，激发探索热情，增强实践创新能力。

（2）创新应用。已有不少电气和电网类专业的学生在教师指导下，利用该实验系统进行创新创业活动。已获批大学生创新创业训练项目20 余项，部分项目见表 2。已多次获得全国电子设计竞赛国家一等奖、陕西省TI 杯大学生电子设计大赛。

表2 大学生创新创业训练项目部分成果

以学生为主要完成人的部分专利成果见表3。

（3）开放共享。该实验系统作为我校大型仪器共享设备，面向校内外全面开放，校内外其他专业可利用该实验系统的开放性资源进行教学和创新、科研活动，实现实验资源的高效使用和开放共享。

表3 以学生为主要完成人的部分授权专利

4 结语

智能电网信息工程是一门战略新兴本科专业，涉及多门学科的融合，本文在发-变-输电网的基础上，设计的包含智能电表信息采集、通信和监控站的智能配用电网实验系统，突显信息化和智能化。基于该实验系统设计的专业基础、综合设计，探索创新不同层次的实验方案，既保证实验教学的质量，又有利于培养学生的创新能力。开展了学生竞赛和科技创新活动，取得了一系列创新成果。实践表明，设计的方案和应用实践具有较强的推广性和示范性，对高校针对智能电网信息工程专业的实验室建设具有借鉴意义。