电力系统综合实验平台的实验设计与教学应用

电力系统综合实验平台的实验设计与教学应用

张正波李小龙毕志毫胡创宏

国网新疆电力有限公司喀什供电公司，新疆喀什844000

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，电力行业发展也十分快速。电力系统综合实验平台围绕电力系统专业课程群展开实验，实验内容包括电力系统高低压开关操作及信号回路控制、负荷计算、低压配电系统功率因数补偿等。介绍了整个实验平台的组成和功能，重点描述了高低压断路器在此实验平台的控制操作。实验以学生自主学习、操作为主，教学人员讲解、指导为辅。该实验平台有益于增强学生的专业实践能力，对于推动教学改革和学科发展具有重要意义。

关键词：电力系统；实验平台；实践；教学意义

引言

随着计算机技术和网络技术的深入发展，虚拟实验在课程教学中的使用得到广泛普及。虚拟实验凭借其高度自主性、交互性和开放性，在高等学校实验教学中逐渐成为一种趋势，将成为未来实验教学的主要途径，是未来实验教学发展的必然。实验平台将电力系统方向的核心实验进行了充分整合，为学生提供了设计实验和动手操作的机会，激发学生学习兴趣，使实验教学效果得到显著提高。

1平台的布局和功能

1.1实验平台的布局

一期工程主要实现了低压配电系统的一次回路模拟，380V电源依次经过低压进线开关柜、升压变压器、10kV高压开关柜、模拟输电线路、降压变压器至380V低压出线开关柜。二期工程主要模拟各类低压配电负载，电源引自一期工程的380V出线，之后接入各类负载，包括电阻柜、电机柜、电抗柜和补偿柜。实验平台对电力系统中基本元器件和各类负荷进行模拟，建立了一个较完整的电力系统综合实验平台。各配电柜采用低压断路器控制投切，可以选择就地和远方控制。分合闸按钮用于就地控制，监控与远动平台可进行远动控制。进线开关柜、补偿柜和低压负荷柜都配有智能型多功能仪表，能够同时测量三相电流、电压、功率及功率因数等参数，并采用ＲS-485总线与监控服务器通信，实现测量参数的传输。监控实验平台对配电柜的运行进行监视和远程操作控制。监控系统采用分层分布式结构，将“就地/远方”转换开关转到远方方向，即可在监控系统上进行相应的远程分合闸操作。

1.2实验平台的功能

平台的建设极具电气工程专业特色，糅合了电力系统方向的主要专业课程，为学生提供了一个相对充分的施展空间。本文主要介绍断路器在该实验平台中的控制操作。实验内容包括断路器的就地、远动等几个层次的分合闸操作，通过集中演示和学生分组动手实验，增强学生的专业素质和综合实践能力。

2实验设计和操作

2.1断路器远方控制操作

远方控制又称为遥控，即在远离变电所的调度端对执行端的电气设备进行控制。智能仪表测量到的电压、电流和功率信息以及断路器提供的辅助信号通过通讯总线传递给监控系统。将各开关柜上的转换开关切换到“远方”位置，即可在监控系统上对断路器进行远方控制操作。实验平台监控系统由ＩＮＴＯＵＣＨ组态软件设计。进入监控界面后，在总目录里选择“配电数据显示”，即可看到断路器的分合闸状态，绿灯亮为分闸状态，红灯亮为合闸状态。处于分闸状态时，按下合闸按钮，输入预设密码，点击“确认合闸”，断路器分闸，辅助触点ＱＦ2断开，停止发送分闸信号。

2.2功率因数补偿实验

实验时接入电阻负荷和电机发电机负荷后再接入不同容量电抗以改变系统功率因数，同时开启补偿柜进行功率因数自动补偿。实验前的计算书中，要求学生根据所设计的不同负荷组合，计算对应的功率因数，并按照要求完成补偿容量的计算。由于电加热炉和电抗器均有多级投切，故而可以组合出多种工况。实验过程中，要求学生观察实际补偿过程，记录补偿前后功率因数的实际值，与计算书进行比较。实验操作基本步骤:①接入电阻柜，通过补偿柜的智能仪表可以观测到功率因数为1。②接入电机柜，可以观测到功率因数会有小幅度下降，验证电机类感性负载会降低功率因数。③逐级接入电抗柜，可以观测到功率因数进一步下降。当功率因数低于设定值时，补偿柜便自动逐级投切，直至将功率因数提升至设定值以上。④切除电抗器，此时功率因数由接近1的数值降低为较小数值。这是由于切除了感性负载，系统处于过补偿状态。随后，补偿柜将自动逐级切除补偿电容器直至功率因数满足设定值。通过本实验，学生可以切实感受功率因数补偿的基本原理，熟悉其工作过程，加深对实际电力系统中功率因数调节的认识。

2.3理解并列条件参数对并列过程的影响

不同的并列条件参数是影响并列时暂态稳定性的主要原因。它会影响并列时系统和带并列发电机组的压差、频差和相角差，从而影响冲击电流的大小和整个系统暂态稳定性过程。通过实验可知，同步发电机和无穷大系统之间的电压、频率或相角的差值变大时，并列所产生的冲击电流会相应变大，暂态过程也会延长。原则上电压差不能超过额定电压的5%～10%。以允许经过的最大压差为0．007，最大频差为0．002，最大相角差分别为2和3为例，对汽轮机的准同期并列过程进行。结果表明，当同步发电机与无穷大系统并列时的相角差增大时，并列操作所需时间减少，但冲击电流随之增大。

2.4负荷计算实验

本实验由一期工程提供380V三相交流电，通过接入电阻柜、电机柜和电抗柜等不同负荷实现功率和功率因数的变化。实验前要求学生自行学习相关知识，给出设计计算书，内容包括:①根据给出的变电所设备和容量清单，计算配电总负荷并选择变压器、母线和开关型号。②设计不同的负荷组合，进行负荷计算。计算时需注意，配电总负荷不是一个恒定值，而是随时间变化的变量。因为用电设备并非都能达到额定容量，并且各用电设备的工作制也不一样，有长期、短时和反复短时之分。因此，为设备选型进行的配电总负荷计算，并非简单地把各用电设备的容量相加。例如可以使用需要系数法，即用设备功率乘以需要系数，求出计算负荷。这种方法简便易行，应用广泛，常用于配、变电所的负荷计算。实验过程中，通过电阻柜、电机柜和电抗柜接入不同的负荷组合，实现负荷功率的变化。学生可通过智能仪表隔时读取记录功率数值，绘制负荷曲线图。将实际负荷与计算负荷比较，验证计算结果。同时，观察不同负荷组合和运行工况下的功率因数变化，为接下来的功率因数补偿实验做准备。通过本实验，学生可以增强对负荷计算基本原理的认识，熟悉其一般计算方法，掌握对变压器、母线和开关的设备选型方法。

结语

电力系统自动化实验平台的建设顺应了当下培养应用型人才的潮流。作为一个开放式、综合型的教学体系，实验平台的目的是帮助学校培养高素质的卓越工程师，所以严格关联了电力系统方向的主要专业课程。通过理论教学和现场实验相结合，学生的实践应用能力、科技创新能力和自主学习能力都得到了锻炼和提高。随着实验教学的持续深入，本实验平台必将进一步发挥它的价值，为推动教学改革和学科发展贡献重要力量。

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