电力系统综合实验平台的教学实践与应用

ＩＳＳＮ１６７２－４３０５ＣＮ１２－１３５２／Ｎ

实　　验　　室　　科　　学ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ　

ＳＣＩＥＮＣＥ

第２１卷　第５期　２０１８年１０月

Ｖｏｌ􀆰２１　Ｎｏ􀆰５　Ｏｃｔ􀆰２０１８

电力系统综合实验平台的教学实践与应用

张明锐，吴严严，王佳莹

（同济大学电子与信息工程学院，上海　２０１８０４）

摘　要：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

中图分类号：ＴＭ７６　　文献标识码：Ａ　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４３０５．２０１８．０５．０１４

Ｔｅａｃｈｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒ

ｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｃｏｕｒｓｅｓ．Ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈｏｒｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｉｇｎａｌｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｔｈｅｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｌｏｗａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｌｓｏ，ｉｔｉｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｉｇｈｏｒｌｏｗｖｏｌｔａｇｅｃｉｒｃｕｉｔｂｒｅａｋｅｒ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｇｉｖｅｎｐｒｉｏｒｉｔｙｔｏｓｔｕｄｅｎｔｓ’ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｌｅａｒｎｉｎｇａｎｄｏｐｅｒａｔｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｓｔａｆｆｉｓｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｐｒａｃｔｉｃａｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｔｕｄｅｎｔｓａｎｄｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｆｏｒｍａｎｄｓｕｂｊｅｃｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ；ｐｒａｃｔｉｃｅ；ｔｅａｃｈｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　　实验室在高校的人才培养和科技创新中占有举足轻重的地位［１］，实验室的建设水平关系到高校的人才输出质量［２－４］，同时也反映了高校的教学、科研２０１０届教学计划修订时增设了“课程综合设计”环节，构建了一个涵盖电气工程多门专业课程的实验平台［７］，让学生能通过动手实践，对电气工程学科有一个深入而全面的认识。通过本实验平台的实践环节，锻炼了学生的动手实践能力和思维创新能教学改革和学科发展也得以进一步推进［１０］。力［８－９］，同时本科生的教学质量得到了进一步提升，和管理水平［５－６］。因此，同济大学电气工程系在

ＺＨＡＮＧＭｉｎｇ－ｒｕｉ，ＷＵＹａｎ－ｙａｎ，ＷＡＮＧＪｉａ－ｙｉｎｇ

ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ

程。其中一期工程主要实现了高低压开关操作和一次回路模拟；二期工程主要用来实现电力系统负荷１所示。

计算和低压配电系统的功率因数补偿。其接线如图

１　实验平台的布局和功能

１．１　实验平台的布局

电力系统综合实验平台包括一期工程和二期工

图１　实验平台接线图

张明锐，等：电力系统综合实验平台的教学实践与应用

一期工程的进线电压等级为３８０Ｖ，依次经过低压开关柜、升压变压器、１０ｋＶ高压开关柜、模拟长线３８０Ｖ出线电压作为二期工程的进线电源，二期工程中电阻柜、电机柜、电抗柜、补偿柜依次排列，分别用于模拟各类型低压负载。

一期工程中，低压开关柜使用的是塑壳式断路器，１０ｋＶ高压开关柜使用的是手车式真空断路器。二期工程的各低压负载柜里使用的都是框架式断５１

柜、降压变压器和３８０Ｖ低压开关柜。一期工程

路器。

实验室东西长８．１１米，南北宽６．４５米，实验平台的一、二期工程分列在实验室两侧。平面布置如图２所示。

图２　实验平台平面布置图（ｍ）

各配电柜用低压断路器控制投切，有就地／远方两种控制方式。就地控制通过配电柜上的分合闸按钮实现。配电柜上配有带ＲＳ－４８５通讯接口的智能配电仪表，可将相关数据通过４８５总线传输到远程监控系统服务器，当“就地／远方”转换开关转到远方，可在监控系统上对断路器进行远方分合闸操作。

监控系统的主要任务是对配电柜的运行进行状态监测和操作控制，学生也可以在监控系统上动手操作。监控系统采用分层分布式结构，如图３所示。监控室服务器与现场智能仪表之间通过ＲＳ－４８５通讯网络链接，工作站通过交换机远程访问服务器数据库。

１．２　平台的建设极具电气工程专业特色实验平台的功能

，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。具体功能如图４所示。

本文主要介绍断路器在该实验平台中的控制操

图３　实验平台监控图

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。

图４　实验平台功能图

２　实验设计和操作

实验前，要求学生自主查阅相关资料，掌握相关理论知识，如断路器的控制原理、操作方式以及控制二次回路等，由此自行设计实验方案。实验教学中，先由教师介绍整个实验平台的结构组成及各部分的功能，进行完整的演示操作，并且强调实验注意事项。其后，学生在实验平台上操作验证实验设计，实验完成后，学生需撰写实验报告，分析实验结果，总结实验经验。

２．１　就地控制是指在一次设备安装地点进行直接控

断路器就地控制操作

制，断路器等位置信号也在配电间隔上显示，这种控制方式仅适用于交流１０ｋＶ及以下电压等级的电气设备。

就地控制时，将所有开关柜上的转换开关旋转到“就地”位置。对于低压塑壳式断路器，分合闸就地操作相对比较简单，这里主要说１０ｋＶ高压真空断路器的控制操作。

实验平台中的高压真空断路器有预合闸、合闸、

５２　　　　　　　　　　合闸后、预分闸、分闸、分闸后六个操作位置，其控制、信号二次回路如图５所示。

“不对应方式”绿灯闪烁。一旦断路器自动跳闸，辅助触点ＱＦ３闭合，回路Ｍ７２８－Ｒ３－ＳＡ１－３－ＳＡ１７－１９图５　断路器控制、信号二次回路

图中，ＳＡ１为“就地／远方”转换开关，开关ＳＡ为分合闸控制开关的触点。合闸之前，控制开关处于“分闸后”位置。在合闸回路完好的情况下，将控制开关手柄由“分闸后”位置顺时针旋转９０°至“预合闸”位置，此时触点ＳＡ９－１０闭合，绿灯ＨＧ由回路Ｍ１００（＋）－ＳＡ９－１０－ＨＧ－ＱＦ１－ＫＭ－ＦＵ２－（Ｌ－）导通，绿灯闪光，发出预备合闸信号，接触器ＫＭ不动作，储能弹簧处于储能状态。继续将操作手柄顺时针旋转ＫＭ４５°至ＱＦ１由回路器合闸－ＫＭ，合闸完毕后辅助触点－ＦＵ２（Ｌ“＋合闸－）（Ｌ－－ＦＵ１”位置）导通－ＳＡ１，此时触点，合闸线圈就地－ＳＡ５ＳＡ５－８闭合，ＱＦ１断开ＹＣ－，ＱＦ２通电８－ＫＴＬ２，闭合断路－。

放开手柄，在弹簧的作用下手柄会回到“合闸后”的垂直位置＋）－ＦＵ１－，ＳＡ１６触点ＳＡ１６－１３闭合，红灯ＨＲ由回路（－Ｌ导通，红灯亮，指示断路器处于合闸位置－１３－ＨＲ－ＫＴＬ－ＱＦ２－ＹＴ－。

ＦＵ２－（Ｌ）

９０°分闸操作时，将操作手柄沿逆时针方向旋转路（ＬＭ１００（到“预分闸＋）－ＳＡ１３”位置－，１４触点－ＨＲＳＡ１３－１４闭合，ＨＲ经回手柄逆时针旋转－）导通，红灯闪烁－ＫＴＬ－ＱＦ２－ＹＴ－ＦＵ２－４５°至，发出预备分闸信号“分闸”位置，触点。ＳＡ６继续将－７闭合－ＱＦ２，ＨＲ－ＹＴ和－Ｒ２ＦＵ２被短路－（Ｌ，－回路）导通（＋，Ｌ）使－ＹＴＦＵ１励磁－ＳＡ６，断路器跳

－７－ＫＴＬ闸。手柄放开后在弹簧作用下又回到“分闸后”的水平位置－ＱＦ１１０－闭合ＫＭ－，，ＦＵ２绿灯由回路辅助触点ＱＦ１－（Ｌ－）导通（Ｌ闭合＋，）绿灯亮－、ＱＦ２ＦＵ１，－断开表示断路器正处

ＳＡ１１，－触点１０－ＳＡ１１ＨＧ－于分闸后位置，同时表示合闸回路完好。

如果线路或设备出现故障，在继电保护作用下，保护出口继电器ＫＯＵ闭合，断路器跳闸，此时按

若遇永久性故障－ＱＦ３－（－Ｍ７００）导通，ＫＯＵ，启动事故信号装置发出音响闭合，断路器跳闸，并启动防。

跳继电器ＫＴＬ。由于ＫＴＬ１闭合，则ＫＴＬ的电压线圈带电，起自保持作用。同时ＫＴＬ２断开，有效避免了ＫＭ再次导通，也就防止了断路器发生“跳跃”。２．２　远方控制又称为遥控断路器远方控制操作

，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”，远方合闸继电器Ｋ１动作，回路（Ｌ（Ｌ点－ＱＦ１）＋导通）－ＦＵ１－ＳＡ１远方－Ｋ１－ＫＴＬ２－ＱＦ１－ＫＭ－ＦＵ２－断开，合闸线圈，停止发送合闸信号ＹＣ动作，断路器合闸。处于合闸状态，辅助触时，按下分闸按钮，输入预设密码，点击“确认分闸ＳＡ１”，远方跳闸继电器圈ＹＴ动作－Ｋ２－，ＫＴＬ断路器分闸－ＱＦ２－Ｋ２ＹＴ，辅助触点－动作ＦＵ２－，（回路Ｌ－（Ｌ＋）－ＦＵ１－远方ＱＦ２）导通断开，分闸线，停止发送分闸信号。

１ａ、４、６ａ、２０、４０本平台用的是ＬＷ２系列控制开关，触点盒共有

及对应的断路器状态如图五种类型，６各类型触点的通断情况所示。

３　３．１　教学特色与成果

高低压开关器件在电力系统中的地位举足轻

教学特色

重。本实验从就地控制到远方控制，细致充分的展现了断路器在电力系统中的控制原理和控制方法。

学生通过前期查阅相关资料和现场动手操作，加深了对电力系统综合自动化的理解，增强了自身的专业素养，为将来步入工作岗位储备了一定的专业技能。

本实验平台充分利用与整合了现有资源，兼具科学性和先进性，与学科发展相辅相成。平台以培养学生的专业综合实践能力为目的，同时也允许学生发挥自己的自主探索能力。实验注重方案的设计

张明锐，等：电力系统综合实验平台的教学实践与应用

５３

图６　ＬＷ２系列控制开关触点图

过程，每个学生都参与其中，提出问题、分析问题、解决问题。同时，研究生在本实验平台中充当了一个引导者和辅助者的角色，同时也在这个过程中梳理了自己的专业知识结构，清扫相应的知识盲点，以教代学，在锻炼自身科研能力的同时，也能进一步发掘和改进实验平台的功能。３．２　教学成果

本实验平台在２０１０年投入使用以来，每年都在

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：

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［Ｊ］．实验室科学，２０１３，１６（１）：１２９－１３２．

创新和完善。平台每年接纳８０～９０人参加课程综２０名硕士研究生提供了科研平台，很好地发挥了将专业理论知识转化为实践操作的基地功能。合设计，六年来共计服务近５００名本科生，同时为近

４　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。

收稿日期：２０１７－１２－０６修改日期：２０１８－０２－０２

作者简介：张明锐（１９７１－），男，甘肃民勤人，博士，教授，主

要研究方向为分布式发电与微网、电力系统能量管理与优化控制，轨道交通牵引供电技术。