智能微电网并网控制虚拟仿真实验平台的构建与实践

吴必瑞，韩 梁

(宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100)

在新工科和工程教育认证背景下，高校实践教学所占比例提高，实验室建设起重要作用.近年来运用虚拟仿真技术逐渐成为各大高校实验室建设的发展方向之一.虚拟仿真实验教学体系是将虚拟仿真技术和计算网络技术进行有机的结合.虚拟仿真实验教学体系是将虚拟仿真技术和计算网络技术有机结合，对现有实践教学模式进行改革，不仅有利于促进教学资源的科学规划和持续发展[1]，解决教学资源不足的问题，同时通过建立虚拟仿真实验教学环境，调动学生的学习积极性，激发学生的创新性思维，提高教学质量[2].由于微电网并网控制设备电压高、电流大、系统结构复杂、电气设备种类繁多、价格昂贵且维护费用高等特点，故在高校实验室建智能微电网并网实验室不太符合实际[3].通过虚拟仿真实验平台，学生不仅可以反复进行不同工况的电气设备投切、运行设计，还可以身临其境进行微电网拓扑结构的设计，避免因设计错误造成的高成本消耗以及无法挽回的问题，解决了高危、高成本、高消耗的问题[4-6].该仿真平台逼真呈现微电网中光伏、风电、储能、电能质量与能量的优化控制等虚拟实验场景，如光伏变流器的并网、微电网中的电压控制、短路保护等.通过该仿真实验可提高学生的感性认知度，有利于学生对理论的理解和创新能力的提高.结合宁德师范学院在电气工程学科智能微电网并网控制虚拟仿真实验室建设方面的内容，希望能够为同类院校、在电气工程学科构建该实践教学体系方面提供借鉴.

1 智能微电网并网控制虚拟仿真实验教学必要性分析及内容

1.1 虚拟仿真实验教学必要性

微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统.微电网旨在实现分布式电源的高效灵活的应用，解决形式多样的分布式电源并网问题.利用微电网并网控制能实现分布式电源与可再生能源的并网接入，实现多种能源对负荷可靠供给.

结合微电网并网控制以及“新工科”对于人才培养的要求，充分考虑微电网技术待点，以微电网规划设计、能量管理、运行控制为主线，构建了“智能微电网运行控制虚拟仿真实验”平台.一方面，分布式电源、微电网并网控制是智能电网信息工程和电气工程及其自动化专业前沿知识，也是本科生必不可少的实践环节；另一方面，微电网并网与控制实验的综合性强，危险系数高，我校现有的实验条件难以进行现场试验，为了将新能源发电技术、电力系统稳态分析、电力系统暂态分析、电力电子技术、控制理论等内容有机地结合起来，通过虚拟仿真试验，帮助学生理解和掌握微电网并网控制的理论、技术和实验操作的关键步骤以及测量和控制的相关参数.

1.2 实验内容

该系统采用3D 技术构建实验教学环境，包括终端控制、直流负荷管理屏柜、分布式能源接入屏柜、储能与稳定控制屏柜、接入与能量管理屏柜、风力单元、光伏单元等.实现3D 场景模拟，包括3D 场景建模及光影效果处理，电气柜前面板及背面的元器件需要简化或只使用贴图.通过该仿真实验可开展操作模拟，检查、设备上电、直流母线上电、保护节点开关初始操作，实现运行效果模拟仿真.智能微电网运行控制虚拟仿真系统控制界面如图1所示.

图1 智能微电网运行控制虚拟仿真界面

2 虚拟仿真系统架构模式

智能微电网并网控制虚拟仿真实验教学平台架构如图2 所示，采用分层架构模式，方便学生通过浏览器远程进行登录实验.教师可通过虚拟仿真实验平台管理和查看学生的实验数据记录和实验报告，实时跟踪学生实验进度与完成情况.

图2 系统总体架构图

智能微电网运行控制虚拟仿真实验系统依托于开放式虚拟仿真实验教学管理平台开放运行，二者能实现数据无缝对接，保证用户通过浏览器访问该系统.通过平台提供的面向用户的智能指导、实验内容的自动批改，尽可能帮助用户提升开放服务效果.开放式虚拟仿真实验教学管理平台集多媒体技术、计算机仿真技术、网络技术为一体，采用面向服务的软件架构开发模式.该虚拟实验教学管理平台将实物仿真、创新设计、智能指导、虚拟实验结果、实验数据自动批改以及教学管理进行有机的融合，是一款界面友好、交互性和可扩展性好的平台软件.

3 实验内容及考核要求

本项目在360°全景拍摄的基础上创建了以实际微电网为参照的虚拟场景，运用三维建模、动画等技术手段，高度仿真了微电网的运行环境，使实验场景和实验对象更直观形象.学生可以通过鼠标“点击”“拖曳”和键盘操作实现虚拟仿真实验中各步操作，如同亲临实境，感受互动.

3.1 实验内容

1) 系统开启前请先检查设备是否完好，接线是否牢固可靠，然后开启系统电源.开启微电网实时监控系统软件和将微电网储能与稳定控制单元前面板，对微电网的直流母线进行上电.所有机柜面板的保护节点操作开关均置于“远方”状态，并将微电网前面板的“并网接入”断路器置于合位.

2) 点击光伏单元保护开关节点，点击“合闸”按钮，将光伏并网控制器接入微电网母线中.通过电池板或光伏模拟器向光伏控制器输入直流电，点击风力单元保护开关节点，点击“合闸”按钮，将风力发电单元接入到微电网直流母线中.

3) 点击直流I 级(或II 级)负荷保护开关节点，点击“合闸”按钮，即将直流I 级(或II 级)负荷投入微电网母线中.点击左侧“交流负荷开关”按钮，可以监控各子负荷的运行状态和负荷单元的电力参数信息.

4) 在主界面上点击“模式设置”按钮，可对微电网模式进行设置.实验结束后，首先对交流I 级和II级负荷开关节点进行分闸，然后对交流总负荷进行分闸.在“风力发电页面”将电机停止转动，并对其进行分闸，将光伏模拟器或者光伏板的模拟光源进行关闭，并将光伏单元的开关节点进行分闸；将电网连接的开关节点进行分闸，然后关闭微电网储能与稳定控制单元的空开，最后依次关闭微电网接入与能量管理单元管理柜、微电网储能与稳定控制单元、微电网分布式能源接入单元、微电网交直流负荷管理单元、微电网监控平台的辅助电源开关.

3.2 考核要求

实验项目从实验认知、实验操作、数据记录分析、实验报告、思考题等方面综合考察学生对实验内容的掌握程度，判断是否达到实验目的，并根据各项考核内容权重给出成绩.本实验整体考核要求及各项比例见表1，实验操作评分细则、实验操作、实验报告、思考题三项内容加权平均分即为本实验课程的最终成绩.

表1 虚拟仿真实验考核要求

4 结语

介绍的虚拟仿真平台具有开放运行与共享服务特点，有助于节约实验设备开支.学生可通过互联网登陆虚拟仿真实验平台进行自主上机操作练习操作和实验，也可以根据实验室统一安排进行实验.通过此虚拟仿真项目的训练，有助于促进学生对微电网基础知识的认识，有效地解决了实验教学中存在的高危、高成本、高消耗、不可逆等一系列问题.