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摘要：基于半实物仿真和实物仿真技术，建成了电力系统方向专业综合实验平台，涵盖多门专业课程实验，为学生建立电力系统的全局概念，学习和研究发电厂和电网运行、控制和继电保护等相关技术提供了一个综合、研究、创新、开放的平台，并构建了电力系统多层次专业综合实践教学体系，为培养学生的综合实践能力和创新能力创造了良好的条件。
关键词：电力系统；继电保护；电力系统自动化；实践教学体系
本文引用格式：邵霞，等.电力系统专业实验平台的实验设计和实践体系构建[J].教育现代化,2020,7(53):4-7.
Experimental Design and Practice System Construction of Power System Professional Experiment Platform
SHAO Xia,PENG Hong-hai,LI Yong,WANG Na
（College of Electrical and Information Engineering Hunan University,Changsha Hunan）
Abstract:Based on the semi-physical simulation and physical simulation technologies,the power system professional comprehensive experimental platform is established.It covers several professional experimental courses,and provides a comprehensive,research,innovative and open platform for the students to establish the overall concept of the power system,to study and research the technologies of power plants and power grids operation,control and relay protection,etc.The multi-level professional comprehensive practical teaching system is also constructed,which creates favorable conditions for cultivating students’comprehensive practical ability and innovation ability.
Key words:Power system;Relay protection;Power system automation;Practical teaching system
一 引言
专业课程实验是工科专业课程教学体系的重要组成部分，是培养学生综合实践能力和创新能力的切入点[1-3]。湖南大学电气工程及其自动化专业的电力系统方向设置有“电力系统继电保护”、“电力系统微机保护”、“电力系统自动控制技术”等多门专业课程，若根据各课程分别建设专业实验室必然造成实验室功能单一、经费投入高、占地面积大、利用率低，因此我们基于半实物仿真和实物仿真技术[4]，利用电力系统自动化及多功能继电保护实验设备，建成了一室多功能、服务于多门专业课程的电力系统专业实验平台，有助于学生建立电力系统的全局概念，理解发电厂及电网的运行，继电保护以及电力系统自动化等相关知识，同时为本科生创新研究、专业课程设计、毕业设计等多个实践教学环节创造了良好条件。
二 电力系统专业实验平台的构成及功能
电力系统专业实验平台分为两大部分：电力系统继电保护部分和电力系统自动化部分（简称为电自部分），平台主要构成及功能见图1。
（一）电力系统继电保护部分
继电保护部分基于半实物仿真方法构建，一次系统模型采用数字仿真，二次信号（含二次电压信号、二次电流信号和开关量信号）则为真实的物理信号，继电保护和变电站综合自动化系统设备为真实的物理设备。通过将数字仿真和物理模拟的有机结合，构造了一个灵活方便、效果逼真的继电保护及变电站综自运行环境。
1.微机型继电保护试验测试仪
采用微机型继电保护试验测试仪（以下简称为测试仪）作为信号源，输出幅值、相位均灵活可调的电流和电压信号，可接入继电保护设备输出的开关量信号，并输出模拟断路器分合状态的开关量信号；测试仪还具有联网通信功能，多套测试仪联网后可构成模拟变电站或模拟电网的二次信号系统。利用测试仪对继电保护装置进行测试与电力系统工程实际的实验方法完全相同。
2.多功能微机保护实验装置
装置中集成了多种数字式继电器、10~35kV线路微机保护、110kV线路微机保护、变压器微机主保护、变压器微机后备保护、电容器微机保护、电动机微机保护等多种保护测控功能，可根据实验需要将其灵活配置成相应的保护测控装置。
3.主控制平台
主控制平台包括继电保护特性测试子系统和电力网信号源综合控制子系统，利用PC机和相应的测试仪控制软件实现。利用电力网信号源综合控制子系统可进行电力网灵活组态、实时潮流分析计算，可任意设置故障点和短路故障类型，以及设置金属性/经过渡电阻短路故障情况，进行短路故障分析计算，并控制测试仪实时输出设定选配点在正常运行和故障情况下的二次电流、电压信号。
4.变电站综合自动化监控系统
基于CENTRA2000电力系统组态软件平台进行组态，构成变电站综合自动化监控系统。变电站综自监控主机与多台多功能微机保护实验装置通信，实现变电站遥测、遥信、遥控、故障信息上传等变电站综自功能。
（二）电力系统自动化部分
电自部分采用实物物理模拟，由一次部分（发电机组、模拟输电线路、无穷大系统、模拟互感器、三相模拟负载箱）、二次部分（机组控制屏）、电力系统联网组态屏和电力系统自动化监控系统（基于CENTRA2000平台组态构建）组成。模拟发电机组由三相模拟同步发电机和同轴的直流电动机（用来模拟原动机）组成，模拟输电线路用电抗器模拟，无穷大系统用三相调压器连接到系统模拟，三相负载箱用白炽灯组模拟，在输电线路模型中可以设置瞬时性/永久性三相短路和两相短路故障。在机组控制屏中安装有微机励磁调节装置、微机调速装置和微机准同期装置，以及发电机励磁系统、发电机调速系统的其他器件，实现发电机组的励磁调节、调速及系统并列功能，为发电机调节和发电厂自动化提供条件。微机励磁调节装置、微机调速装置和微机准同期装置不仅具备现场实际应用的功能，而且可记录机组控制的各种工况，便于学生了解电力系统各种正常、非正常及故障状况下的运行参数，满足实验教学的需要。电力系统联网组态屏上提供模拟线路、变压器、模拟断路器、隔离开关、电容器等，可将外部的多台发电机组、负载、无穷大系统接入屏上的输变电网络，从而形成多机电力系统，并采用RTU装置实现电力网综合测控。
三 实验设计
基于电力系统专业实验平台可以开展多门专业课程实验和综合性实验，具体实验设计方案如下。
（一）电力系统继电保护实验
通过实验加深学生对继电器动作原理的理解，强化学生的继电保护整定计算能力，加深学生对继电保护在电力系统运行情况的系统化认知。
1.继电器特性实验
由继电保护特性测试子系统控制测试仪发出电流/电压信号，接入电流继、电压继、功率方向继、阻抗继、差动继电器等，并将继电器动作接点接至测试仪开入，实现对继电器特性的测试。
2.成组继电保护实验
基于电力网信号源综合控制子系统构建一次系统实验模型，利用测试仪输出信号模拟系统正常运行和故障下保护安装处的运行情况，将多功能微机保护实验装置配置为不同功能的微机保护装置，进行成组继电保护实验。以10kV线路成组保护实验为例，我们开发了模拟系统最大、最小及正常运行方式实验、电流速断保护实验、限时电流速断保护实验、定时限过电流保护实验、反时限过电流保护实验、阶段式电流保护实验、运行方式对电流保护的灵敏性影响实验、阶段式电流保护与自动重合闸配合动作实验等内容。
实验结果以数值、动作特性图、录波图等多种方式显示，有助于学生全面掌握实验过程中的信息。通过系统的录波功能，学生可观察故障前、后电流和电压的波形，保护/重合闸的动作时间，使学生了解电力系统发生故障时的信号特点，并对电力系统中继电保护装置的动作情况建立客观真实的认知。
实验分小组进行，学生“一组一模型”，需要各自根据模型进行整定计算和校验，便于调动学生的实验积极性，培养学生的动手实践能力。
（二）电力系统微机保护实验
1.微机保护装置硬件认知实训
基于多功能微机保护实验装置的硬件平台，让学生认识微机保护装置的硬件结构，了解基本接线，熟悉微机保护装置的操作。
2.数字式继电器特性实验
利用测试仪产生测试信号，实现对数字式电流/电压/功率方向/差动/阻抗/反时限电流继电器特性的测试。
3.微机保护装置性能研究实验
利用测试仪产生测试信号，实现对多种微机保护装置的动作性能研究实验。
（三）电力系统自动控制实验
通过实验让学生建立对微机准同期装置、微机调速装置和微机励磁调节装置的工程认知，加深对同步发电机准同期并列原理、调速控制方法和励磁调节方式的理解。
1.同步发电机准同期并列实验
包括机组启动和建压实验、断路器合闸时间测试、手动准同期并列、偏离准同期并列条件合闸实验、全自动准同期并列、不同准同期条件对比实验等内容。
2.同步发电机调速实验
包括发电机调速装置阶跃试验、原动机转速自动方式和手动方式下的单机带负荷系统实验、单机－无穷大系统实验等内容。
3.同步发电机励磁控制实验
包括发电机励磁调节装置阶跃试验、不同α角对应的励磁电压测试、各种调差特性测试、同步发电机起励方式实验、伏/赫限制、强励、欠励限制、过励限制实验等内容。
（四）综合性实验
面向工程和电力现场设计了多个综合性实验项目，使学生获得对电力系统的整体认识和工程训练。
1.变电站综合自动化实验
以110kV/10kV降压变电站为例，将4台测试仪分别配置为变电站110kV进线、10kV出线、10kV电容器及变压器高压侧三相和低压侧一相的二次信号源，各测试仪和信号控制主机联成通信网络，构成变电站二次信号模拟系统；分别将4台多功能微机保护实验装置配置为110kV线路保护、10kV线路保护、电容器保护、变压器主保护或变压器高压侧后备保护装置，并且与变电站综合自动化监控系统通信。
我们设计的实验内容包括变电站进出线、变压器及电容器保护配置及整定计算、变电站遥测、遥信和遥控实验、110kV线路保护实验、10kV线路保护实验、变压器内部故障变压器主保护动作实验、变压器内部故障变压器后备保护动作实验、变压器外部故障变压器后备保护动作实验、电容器保护实验等。在实验过程中学生可以结合保护动作光字牌、保护动作报告、SOE等信息研究分析变电站故障和继电保护动作情况，通过实验加深学生对微机保护装置和变电站综合自动化系统的了解，培养学生处理变电站异常和故障的能力。
2.发电厂自动化综合实验
利用2套发电机组和电力系统联网组态屏模拟双机组发电厂，利用发电机调速装置、励磁调节装置、RTU装置和电自监控系统构成发电厂综合自动化实验系统，可完成多台机组并列运行实验、发电机组监控、发电机组调节、发电机组间功率分配、升压站监控及倒闸操作等实验。
3.区域电网运行及调度自动化综合实验
利用多套发电机组、电力系统联网组态屏、负载和无穷大系统模拟一个区域电网，利用发电机调速装置、励磁调节装置、RTU装置和电自监控系统构成电网调度自动化实验系统，可完成四遥实验、电力网络调度运行实验、电力系统有功功率平衡和频率调整实验、电力系统无功功率平衡和电压调整实验、电网运行方式变化实验、电力系统潮流分析实验、网络结构变化对系统潮流影响实验、负荷变化对系统潮流影响实验、电力系统静态稳定性实验、多机组暂态稳定性实验、故障分析与恢复实验、系统解列及恢复实验、分区调频实验等。
四综合实践教学体系的构建
基于电力系统专业实验平台，构建了两实验、两设计、两创新的电力系统专业多层次综合实践教学体系，如图2所示。
两实验包括专业课程实验和综合性实验。利用各门专业课程实验夯实学生的理论基础，训练学生掌握专业实验的基本方法，为综合实践能力培养打下坚实的基础。综合实验的内容包括电力系统发、输、用及运行与控制的全过程，涉及众多的工程问题，学生需要查找文献资料并综合应用多门专业课程的知识，独立分析复杂工程问题，并获得有效结论。一方面帮助学生建立电力系统的全局概念，另一方面全方位地锻炼和培养学生解决电力系统复杂工程问题的能力以及工程项目的方案设计能力。两设计包括专业课程设计和毕业设计，利用本实验平台的综合性和开放性为电力系统继电保护、发电厂电气、电力网络、电力系统自动化等方向的专业课程设计和毕业设计课题提供良好的设计研究平台，方便检验学生设计方案的合理性、设计成果的正确性，进一步强化对学生独立设计能力、独立科研实验能力和创新意识的培养。
两创新主要体现在两方面，一是鼓励学生应用其掌握的知识，结合自己的兴趣和有疑问的工程问题，进行自主创新实验。由学生自主设计实验、自拟实验步骤、自行组合实验平台中的设备、自构实验平台，学生首先提交实验申请和实验方案，经由老师审核通过后，在实验室安排的时间内完成实验。二是基于实验平台进行创新研究，比如利用测试仪作为可控的高精度、大功率的信号源，产生各种实验信号，或利用实验平台构建模拟的电力系统，用于测试和验证学生的创新科研成果，并引导学生将研究的小课题延伸为大学生业余的科研课题，参与电子设计大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等，取得了较好成绩。电力系统专业实验平台为学生提供了自主实验、合作研究、发展创新思维的环境，获得了学生的一致好评，学生申请课外学术科技项目和参与学科竞赛的积极性明显提高。
五 结论
基于电力系统专业方向实验教学的需求，构建了电力系统专业实验平台，既包括电力系统一次部分的发电、输电、用电和并网技术，又包括电力系统二次部分的继电保护和综合自动化技术，涵盖了多门专业课程的内容，为学生研究和实践电力系统方向相关技术提供了综合、研究、创新、开放的平台。基于电力系统专业实验平台构建的多层次综合实践教学体系在加强学生对专业理论知识的理解、提升动手实践的兴趣以及培养学生的综合实践能力和创新能力方面发挥了重要作用。
参考文献
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[4]张凤鸽,杨德先,易长松.电力系统动态模拟技术[M].北京：机械工业出版社,2014.
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