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摘要:電力系統(tǒng)綜合實驗平臺圍繞電力系統(tǒng)方向核心課程展開設計，可以進行斷路器分合閘操作、負荷計算驗證與功率因數(shù)補償?shù)榷囝悓嶒灐＝榻B了整個實驗平臺的組成和功能，重點描述了負荷計算驗證與功率因數(shù)補償實驗的實驗設計與教學應用示范。實驗平臺將電力系統(tǒng)方向的核心實驗進行了充分整合，為學生提供了設計實驗和動手操作的機會，激發(fā)學生學習興趣，使實驗教學效果得到顯著提高。

關鍵詞:電力系統(tǒng)自動化;實驗平臺;實驗設計;教學應用

0引言

我校電氣工程系在實踐教學中，設有為期兩周的電力工程課程設計環(huán)節(jié)，籌建的“電力系統(tǒng)綜合實驗平臺”已經服務了六屆學生，取得了良好的教學效果。實驗平臺充分利用現(xiàn)有資源，對電力系統(tǒng)方向核心課程的實驗進行了整合，可進行電力工程、電器原理及應用、電力系統(tǒng)遠動技術、電力系統(tǒng)繼電保護和工廠供電等相關課程的實驗。平臺配備了豐富的終端和各類負載設備，可靈活展開實驗設計。不僅為學生提供了進一步認識電氣設備的機會，同時鍛煉了學生設計實驗和動手操作的能力。

1平臺的布局和功能

1．1實驗平臺的布局

電力系統(tǒng)綜合實驗平臺接線圖如圖1所示。一期工程主要實現(xiàn)了低壓配電系統(tǒng)的一次回路模擬，380V電源依次經過低壓進線開關柜、升壓變壓器、10kV高壓開關柜、模擬輸電線路、降壓變壓器至380V低壓出線開關柜。二期工程主要模擬各類低壓配電負載，電源引自一期工程的380V出線，之后接入各類負載，包括電阻柜、電機柜、電抗柜和補償柜。實驗平臺對電力系統(tǒng)中基本元器件和各類負荷進行模擬，建立了一個較完整的電力系統(tǒng)綜合實驗平臺。各配電柜采用低壓斷路器控制投切，可以選擇就地和遠方控制。分合閘按鈕用于就地控制，監(jiān)控與遠動平臺可進行遠動控制。進線開關柜、補償柜和低壓負荷柜都配有智能型多功能儀表，能夠同時測量三相電流、電壓、功率及功率因數(shù)等參數(shù)，并采用RS-485總線與監(jiān)控服務器通信，實現(xiàn)測量參數(shù)的傳輸。監(jiān)控實驗平臺對配電柜的運行進行監(jiān)視和遠程操作控制。監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構，監(jiān)控結構圖如圖4所示。將“就地/遠方”轉換開關轉到遠方方向，即可在監(jiān)控系統(tǒng)上進行相應的遠程分合閘操作。

1．2實驗平臺的功能

整個實驗平臺的功能如圖5所示。其中，監(jiān)控終端具有“三遙”功能，即可實現(xiàn)電氣量的遙測、開關狀態(tài)的遙信和開關的遙控。

2實驗設計

實驗平臺可以進行多門相關課程的實驗，包括變電站主接線設計，負荷計算驗證與電氣設備選型，10kV高壓斷路器的控制回路設計，斷路器就地和遠方分合閘操作，功率因數(shù)補償，過流、過壓和欠壓等微機繼電保護實驗，變電站遠動系統(tǒng)的人機界面設計和電能質量分析等實驗。以負荷計算驗證實驗和功率因數(shù)補償實驗為例，詳細介紹其實驗過程與教學應用。實驗前，學生需要掌握實驗相關的理論基礎，并且根據(jù)給出的條件進行自主實驗設計，從而鍛煉其查閱資料、自主學習的能力。實驗教學時，首先進行實驗室安全教育與平臺介紹，進行演示實驗，使學生掌握基本的實驗操作。隨后，學生驗證其自主設計的實驗。實驗后，學生需撰寫實驗報告，對實驗進行整理總結，并進行展示答辯。

2．1負荷計算實驗

本實驗由一期工程提供380V三相交流電，通過接入電阻柜、電機柜和電抗柜等不同負荷實現(xiàn)功率和功率因數(shù)的變化。實驗前要求學生自行學習相關知識，給出設計計算書，內容包括:①根據(jù)給出的變電所設備和容量清單(見表1)，計算配電總負荷并選擇變壓器、母線和開關型號。②設計不同的負荷組合，進行負荷計算。計算時需注意，配電總負荷不是一個恒定值，而是隨時間變化的變量。因為用電設備并非都能達到額定容量，并且各用電設備的工作制也不一樣，有長期、短時和反復短時之分。因此，為設備選型進行的配電總負荷計算，并非簡單地把各用電設備的容量相加。例如可以使用需要系數(shù)法，即用設備功率乘以需要系數(shù)，求出計算負荷。這種方法簡便易行，應用廣泛，常用于配、變電所的負荷計算。實驗過程中，通過電阻柜、電機柜和電抗柜接入不同的負荷組合，實現(xiàn)負荷功率的變化。學生可通過智能儀表隔時讀取記錄功率數(shù)值，繪制負荷曲線圖。將實際負荷與計算負荷比較，驗證計算結果。同時，觀察不同負荷組合和運行工況下的功率因數(shù)變化，為接下來的功率因數(shù)補償實驗做準備。通過本實驗，學生可以增強對負荷計算基本原理的認識，熟悉其一般計算方法，掌握對變壓器、母線和開關的設備選型方法。

2．2功率因數(shù)補償實驗

實驗時接入電阻負荷和電機發(fā)電機負荷后再接入不同容量電抗以改變系統(tǒng)功率因數(shù)，同時開啟補償柜進行功率因數(shù)自動補償。實驗前的計算書中，要求學生根據(jù)所設計的不同負荷組合，計算對應的功率因數(shù)，并按照要求完成補償容量的計算。由于電加熱爐和電抗器均有多級投切，故而可以組合出多種工況，如表2所示。實驗過程中，要求學生觀察實際補償過程，記錄補償前后功率因數(shù)的實際值，與計算書進行比較。實驗操作基本步驟:①接入電阻柜，通過補償柜的智能儀表可以觀測到功率因數(shù)為1。②接入電機柜，可以觀測到功率因數(shù)會有小幅度下降，驗證電機類感性負載會降低功率因數(shù)。③逐級接入電抗柜，可以觀測到功率因數(shù)進一步下降。當功率因數(shù)低于設定值時，補償柜便自動逐級投切，直至將功率因數(shù)提升至設定值以上。④切除電抗器，此時功率因數(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載，系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)。隨后，補償柜將自動逐級切除補償電容器直至功率因數(shù)滿足設定值。通過本實驗，學生可以切實感受功率因數(shù)補償?shù)幕驹恚煜て涔ぷ鬟^程，加深對實際電力系統(tǒng)中功率因數(shù)調節(jié)的認識。

3教學特色與成果

3．1教學特色

實驗平臺管理權歸學院統(tǒng)一建設的實驗中心所有，從而擴大了平臺的開放性。通過這種創(chuàng)新模式的建設和管理方式，有效提升了實驗資源的利用率。實驗項目具有綜合性和科學性，符合學科特點，能夠有效培養(yǎng)學生的綜合實踐能力。平臺注重實驗的方案設計和操作過程，鼓勵學生發(fā)揮自身的探索能力和創(chuàng)新能力。基于現(xiàn)有設備和實驗基礎，深入發(fā)掘平臺的功能，及時更新實驗設備，還能夠開發(fā)出更多具有創(chuàng)新性和綜合性的實驗。

3．2教學成果

經過6年的教學實踐和不斷創(chuàng)新，實驗平臺已為本科共計400多位學生提供課程設計服務，為碩士研究生共18人提供科研服務，提高了不同層次學生的動手能力和實驗開發(fā)水平。其真實、具體、形象的教學特點深得師生歡迎。

4結語

電力系統(tǒng)綜合實驗平臺綜合了電力系統(tǒng)方向的多門核心課程的實驗內容，充分發(fā)掘了現(xiàn)有實驗資源的功能，增強了學生動手實踐的能力，提升了學生對實驗設計的興趣，突出了我校“實踐教育”的特色。實驗平臺與理論教學相輔相成，有利于建設開放式、研究性、綜合型的專業(yè)教學體系，切實增強學生的實踐能力和綜合素質，為培養(yǎng)綜合型的“卓越工程師”打下良好的基礎。

作者:張明銳 于猛 王佳瑩 朱琴躍 單位:同濟大學