電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用

張明銳， 于 猛， 王佳瑩， 朱琴躍

(同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系， 上海 201804)

0 引 言

我校電氣工程系在實(shí)踐教學(xué)中，設(shè)有為期兩周的電力工程課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，籌建的“電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”已經(jīng)服務(wù)了六屆學(xué)生，取得了良好的教學(xué)效果。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分利用現(xiàn)有資源，對(duì)電力系統(tǒng)方向核心課程的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了整合，可進(jìn)行電力工程、電器原理及應(yīng)用、電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和工廠供電等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)配備了豐富的終端和各類負(fù)載設(shè)備，可靈活展開實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。不僅為學(xué)生提供了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)電氣設(shè)備的機(jī)會(huì)，同時(shí)鍛煉了學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手操作的能力。

1 平臺(tái)的布局和功能

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的布局

電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖如圖1 所示。一期工程主要實(shí)現(xiàn)了低壓配電系統(tǒng)的一次回路模擬，380 V電源依次經(jīng)過低壓進(jìn)線開關(guān)柜、升壓變壓器、10 kV 高壓開關(guān)柜、模擬輸電線路、降壓變壓器至380 V 低壓出線開關(guān)柜。二期工程主要模擬各類低壓配電負(fù)載，電源引自一期工程的380 V 出線，之后接入各類負(fù)載，包括電阻柜、電機(jī)柜、電抗柜和補(bǔ)償柜。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一、二期工程分開布置，平面布置如圖2所示。

圖2 平面布置圖( m)

二期工程的配電柜屏面布置如圖3所示。

圖3 配電柜屏面布置方式

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)電力系統(tǒng)中基本元器件和各類負(fù)荷進(jìn)行模擬，建立了一個(gè)較完整的電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。各配電柜采用低壓斷路器控制投切，可以選擇就地和遠(yuǎn)方控制。分合閘按鈕用于就地控制，監(jiān)控與遠(yuǎn)動(dòng)平臺(tái)可進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制。進(jìn)線開關(guān)柜、補(bǔ)償柜和低壓負(fù)荷柜都配有智能型多功能儀表，能夠同時(shí)測(cè)量三相電流、電壓、功率及功率因數(shù)等參數(shù)，并采用 RS-485 總線與監(jiān)控服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)的傳輸。

監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)配電柜的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視和遠(yuǎn)程操作控制。監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。將“就地/遠(yuǎn)方”轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)方方向，即可在監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行相應(yīng)的遠(yuǎn)程分合閘操作。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控圖

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能如圖5 所示。其中，監(jiān)控終端具有“三遙”功能，即可實(shí)現(xiàn)電氣量的遙測(cè)、開關(guān)狀態(tài)的遙信和開關(guān)的遙控。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能圖

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以進(jìn)行多門相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)，包括變電站主接線設(shè)計(jì)，負(fù)荷計(jì)算驗(yàn)證與電氣設(shè)備選型，10 kV高壓斷路器的控制回路設(shè)計(jì)，斷路器就地和遠(yuǎn)方分合閘操作，功率因數(shù)補(bǔ)償，過流、過壓和欠壓等微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)，變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)和電能質(zhì)量分析等實(shí)驗(yàn)。以負(fù)荷計(jì)算驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和功率因數(shù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)介紹其實(shí)驗(yàn)過程與教學(xué)應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生需要掌握實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論基礎(chǔ)，并且根據(jù)給出的條件進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而鍛煉其查閱資料、自主學(xué)習(xí)的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全教育與平臺(tái)介紹，進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)操作。隨后，學(xué)生驗(yàn)證其自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生需撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整理總結(jié)，并進(jìn)行展示答辯。

2.1 負(fù)荷計(jì)算實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)由一期工程提供380 V三相交流電，通過接入電阻柜、電機(jī)柜和電抗柜等不同負(fù)荷實(shí)現(xiàn)功率和功率因數(shù)的變化。

實(shí)驗(yàn)前要求學(xué)生自行學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，給出設(shè)計(jì)計(jì)算書，內(nèi)容包括：① 根據(jù)給出的變電所設(shè)備和容量清單(見表1)，計(jì)算配電總負(fù)荷并選擇變壓器、母線和開關(guān)型號(hào)。② 設(shè)計(jì)不同的負(fù)荷組合，進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。

表1 變電所設(shè)備和容量清單

計(jì)算時(shí)需注意，配電總負(fù)荷不是一個(gè)恒定值，而是隨時(shí)間變化的變量。因?yàn)橛秒娫O(shè)備并非都能達(dá)到額定容量，并且各用電設(shè)備的工作制也不一樣，有長(zhǎng)期、短時(shí)和反復(fù)短時(shí)之分。因此，為設(shè)備選型進(jìn)行的配電總負(fù)荷計(jì)算，并非簡(jiǎn)單地把各用電設(shè)備的容量相加。例如可以使用需要系數(shù)法，即用設(shè)備功率乘以需要系數(shù)，求出計(jì)算負(fù)荷。這種方法簡(jiǎn)便易行，應(yīng)用廣泛，常用于配、變電所的負(fù)荷計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過電阻柜、電機(jī)柜和電抗柜接入不同的負(fù)荷組合，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率的變化。學(xué)生可通過智能儀表隔時(shí)讀取記錄功率數(shù)值，繪制負(fù)荷曲線圖。將實(shí)際負(fù)荷與計(jì)算負(fù)荷比較，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。同時(shí)，觀察不同負(fù)荷組合和運(yùn)行工況下的功率因數(shù)變化，為接下來的功率因數(shù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以增強(qiáng)對(duì)負(fù)荷計(jì)算基本原理的認(rèn)識(shí)，熟悉其一般計(jì)算方法，掌握對(duì)變壓器、母線和開關(guān)的設(shè)備選型方法。

2.2 功率因數(shù)補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)接入電阻負(fù)荷和電機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)荷后再接入不同容量電抗以改變系統(tǒng)功率因數(shù)，同時(shí)開啟補(bǔ)償柜進(jìn)行功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償。

實(shí)驗(yàn)前的計(jì)算書中，要求學(xué)生根據(jù)所設(shè)計(jì)的不同負(fù)荷組合，計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)，并按照要求完成補(bǔ)償容量的計(jì)算。由于電加熱爐和電抗器均有多級(jí)投切，故而可以組合出多種工況，如表2 所示。實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生觀察實(shí)際補(bǔ)償過程，記錄補(bǔ)償前后功率因數(shù)的實(shí)際值，與計(jì)算書進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)操作基本步驟：① 接入電阻柜，通過補(bǔ)償柜的智能儀表可以觀測(cè)到功率因數(shù)為1 。② 接入電機(jī)柜，可以觀測(cè)到功率因數(shù)會(huì)有小幅度下降，驗(yàn)證電機(jī)類

表2 負(fù)荷的多種組合工況

感性負(fù)載會(huì)降低功率因數(shù)。③ 逐級(jí)接入電抗柜，可以觀測(cè)到功率因數(shù)進(jìn)一步下降。當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)償柜便自動(dòng)逐級(jí)投切，直至將功率因數(shù)提升至設(shè)定值以上。④ 切除電抗器，此時(shí)功率因數(shù)由接近1 的數(shù)值降低為較小數(shù)值。這是由于切除了感性負(fù)載，系統(tǒng)處于過補(bǔ)償狀態(tài)。隨后，補(bǔ)償柜將自動(dòng)逐級(jí)切除補(bǔ)償電容器直至功率因數(shù)滿足設(shè)定值。

通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以切實(shí)感受功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)幕驹恚煜て涔ぷ鬟^程，加深對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)中功率因數(shù)調(diào)節(jié)的認(rèn)識(shí)。

3 教學(xué)特色與成果

3.1 教學(xué)特色

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理權(quán)歸學(xué)院統(tǒng)一建設(shè)的實(shí)驗(yàn)中心所有，從而擴(kuò)大了平臺(tái)的開放性。通過這種創(chuàng)新模式的建設(shè)和管理方式，有效提升了實(shí)驗(yàn)資源的利用率。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具有綜合性和科學(xué)性，符合學(xué)科特點(diǎn)，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。平臺(tái)注重實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)和操作過程，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮自身的探索能力和創(chuàng)新能力?；诂F(xiàn)有設(shè)備和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，深入發(fā)掘平臺(tái)的功能，及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還能夠開發(fā)出更多具有創(chuàng)新性和綜合性的實(shí)驗(yàn)。

3.2 教學(xué)成果

經(jīng)過6年的教學(xué)實(shí)踐和不斷創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已為本科共計(jì)400多位學(xué)生提供課程設(shè)計(jì)服務(wù)，為碩士研究生共18人提供科研服務(wù)，提高了不同層次學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)開發(fā)水平。其真實(shí)、具體、形象的教學(xué)特點(diǎn)深得師生歡迎。

4 結(jié) 語

電力系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合了電力系統(tǒng)方向的多門核心課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分發(fā)掘了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)資源的功能，增強(qiáng)了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，提升了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的興趣，突出了我校“實(shí)踐教育”的特色。實(shí)驗(yàn)平

臺(tái)與理論教學(xué)相輔相成，有利于建設(shè)開放式、研究性、綜合型的專業(yè)教學(xué)體系，切實(shí)增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)綜合型的“卓越工程師”打下良好的基礎(chǔ)。