仉志華， 馮興田， 韓美玉， 薛永端

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島， 266580)

有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

仉志華， 馮興田， 韓美玉， 薛永端

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島， 266580)

本文基于既有的電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)裝置，提出了一種面向有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案；詳細(xì)介紹了一次與二次系統(tǒng)的構(gòu)成，分析了既有課程實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化整合與新開課程實(shí)驗(yàn)的模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧了既有課程與新開課程的實(shí)驗(yàn)要求，能夠滿足不同層次學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分體現(xiàn)了前瞻性、繼承性與綜合創(chuàng)新性特點(diǎn)，實(shí)踐效果明顯。

有源配電網(wǎng)；分布式發(fā)電；電力系統(tǒng)自動(dòng)化；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，可再生能源發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，且大多數(shù)分布式電源都是通過(guò)配電網(wǎng)接入系統(tǒng)，使得傳統(tǒng)的潮流和短路電流單向流動(dòng)的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，變?yōu)閮烧唠p向的有源網(wǎng)絡(luò)，原有的保護(hù)與控制方法將不能適用，圍繞有源配電網(wǎng)的保護(hù)與控制方法的研究已成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)[1-3]。很多高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的新版本科教學(xué)大綱中都增設(shè)了新能源發(fā)電、微電網(wǎng)保護(hù)與控制、智能電網(wǎng)技術(shù)以及配電網(wǎng)及其自動(dòng)化等相關(guān)課程，確保理論教學(xué)內(nèi)容緊跟實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展；有些高校已圍繞有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制建設(shè)了相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，但主要用于科研，難以兼顧本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要[4-7]。

本文基于電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出了有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，介紹了一次系統(tǒng)構(gòu)成與二次系統(tǒng)接口，重點(diǎn)涉及到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?yōu)化整合以及創(chuàng)新型和綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)。實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于本科生各方面能力的培養(yǎng)，并能夠滿足不同層次學(xué)生實(shí)驗(yàn)的需求。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件構(gòu)成

1) 一次系統(tǒng)構(gòu)成

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一次系統(tǒng)單線圖如圖1所示，主要包括同步發(fā)電機(jī)、模擬負(fù)載、雙回輸電等效線路與系統(tǒng)連接的自耦變壓器四大部分。

圖1 有源配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一次系統(tǒng)單線圖

額定功率為2 kW的同步發(fā)電機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)隔離變壓器T和開關(guān)QF0接入系統(tǒng)母線BUS1；該環(huán)節(jié)的二次系統(tǒng)通過(guò)TA0和TV0獲取電流和電壓，實(shí)現(xiàn)功能包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、勵(lì)磁控制、準(zhǔn)同期并網(wǎng)控制以及發(fā)電機(jī)保護(hù)等，既可手動(dòng)調(diào)節(jié)也可自動(dòng)執(zhí)行，此同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可等效為分布式電源。同時(shí)，我校正在建設(shè)光伏發(fā)電及其并網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)室，將來(lái)可將其接入該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，增加分布式電源的類型。

模擬負(fù)載通過(guò)BUS1接入系統(tǒng)，由多個(gè)帶載的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行等效，每臺(tái)電機(jī)的輸出有功和無(wú)功功率均可靈活調(diào)整，且每臺(tái)電動(dòng)機(jī)均可由QF8-QF10獨(dú)立投切控制。同時(shí)，還設(shè)置了大功率電阻箱，作為靜止等效負(fù)荷。

雙回輸電線路由分段電抗XL1-XL4等值，能夠模擬多個(gè)位置上設(shè)置不同類型故障；線路側(cè)裝設(shè)電流互感器TA1-TA4與TA6，分別同QF1-QF4與QF6相對(duì)應(yīng)，為既有保護(hù)以及新型繼電保護(hù)的開發(fā)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；QF5用于模擬改變系統(tǒng)運(yùn)行方式；依靠?jī)蓚?cè)母線上的TV1和TV2獲取電壓，用于計(jì)算功率等相關(guān)保護(hù)信息。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)自耦變壓器AT與市電(即視為無(wú)限大容量供電系統(tǒng))相連接，QF7為公共連接點(diǎn)即PCC點(diǎn)處的開關(guān)，并通過(guò)TA7和TV2可得到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)交換功率的大小。

2) 二次系統(tǒng)構(gòu)成

既有的勵(lì)磁控制、轉(zhuǎn)速控制、準(zhǔn)同期、重合閘、線路保護(hù)等功能，依然在原有的保護(hù)與控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)；為滿足有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，專門設(shè)計(jì)了新的二次系統(tǒng)平臺(tái)，并與原二次系統(tǒng)相互獨(dú)立，以確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的靈活性。

我校電氣專業(yè)學(xué)生，在大二期間就學(xué)習(xí)了基于51系列單片機(jī)開設(shè)的“微機(jī)控制技術(shù)”、“功率接口”等相關(guān)課程，具有一定的單片機(jī)軟硬件基礎(chǔ)；考慮到知識(shí)的繼承性，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的二次系統(tǒng)基于AT89C52單片機(jī)開發(fā)，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。為滿足實(shí)驗(yàn)需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6路模擬量輸入通道(其中有2路電壓信號(hào)與4路電流信號(hào))，經(jīng)電壓變換環(huán)節(jié)將一次系統(tǒng)經(jīng)TV 、TA傳送過(guò)來(lái)的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為5 V以內(nèi)的交流電壓信號(hào)；利用二階模擬低通濾波器將故障過(guò)程中出現(xiàn)的暫態(tài)信號(hào)濾除，防止其對(duì)繼電器保護(hù)帶來(lái)影響；基于電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信號(hào)調(diào)理電路，可將交流5 V信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，以滿足單向ADC實(shí)現(xiàn)交流采樣的要求；采樣保持器(S/H)與多路轉(zhuǎn)換開關(guān)(MUX)相配合，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)共用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)均控制，以提高整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性；本系統(tǒng)設(shè)置了4路開關(guān)量輸出回路，均經(jīng)過(guò)光電耦合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)要求，通過(guò)熟悉硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在軟件環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)功能并進(jìn)行在線調(diào)試與功能測(cè)試，一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面能夠滿足學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)的需求，具有較強(qiáng)的靈活性。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)二次系統(tǒng)框架

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

考慮到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的繼承性與前瞻性，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開設(shè)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括如下兩個(gè)方面：

1)既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的整合優(yōu)化及模塊化

結(jié)合原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置，按照新版教學(xué)大綱的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排，將既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有效整合與分層次優(yōu)化，總體上將該部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為三大模塊，各模塊開設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及涉及的相關(guān)理論課程與如表1所示。

表1 既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容

2)創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與開發(fā)

結(jié)合電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)理論課程規(guī)劃與學(xué)科發(fā)展，著重對(duì)創(chuàng)新性與綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)與開發(fā)，具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表2所示。

表2 創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

將優(yōu)化之后的既有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與新開發(fā)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有效融合，按照課程理論內(nèi)容體系和學(xué)生的不同需求，分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)兩類。必做實(shí)驗(yàn)為課程基礎(chǔ)內(nèi)容服務(wù)，選做實(shí)驗(yàn)主要為學(xué)生開展創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)；普適教育的學(xué)生以必做內(nèi)容為主，選做內(nèi)容為輔；卓越工程師班的學(xué)生在完成必做內(nèi)容的基礎(chǔ)上，加大對(duì)選做內(nèi)容數(shù)量和質(zhì)量的要求，充分鍛煉其創(chuàng)新和實(shí)踐意識(shí)，真正提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和實(shí)際動(dòng)手能力，為更好地滿足卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)夯實(shí)基礎(chǔ)。除此以外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也為教師科研提供一定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3 實(shí)驗(yàn)特色

為滿足學(xué)科發(fā)展，有些高校建設(shè)了有源配電網(wǎng)靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、微電網(wǎng)保護(hù)與控制實(shí)驗(yàn)室、分布式發(fā)電并網(wǎng)保護(hù)與控制實(shí)驗(yàn)室等，但目前這些設(shè)施主要用于科研，難以向本科生廣泛開放。本文介紹的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則主要面向本科生，具有如下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。

(1)創(chuàng)新性。為深入貫徹我校本科教育培養(yǎng)新體系，需要在原有基礎(chǔ)的前提下，探索創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)手段；通過(guò)原有的電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行一次以及二次系統(tǒng)功效擴(kuò)展，為學(xué)生提供良好的開放式實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)，有效提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)以及分析和解決問(wèn)題的能力。

(2)前瞻性。實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置，緊密跟蹤學(xué)科發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)，與實(shí)際工程需求相結(jié)合，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；課題組成員先后承擔(dān)了國(guó)家自然基金項(xiàng)目、國(guó)家863重大項(xiàng)目子課題等，積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，將相關(guān)內(nèi)容引入到該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研有機(jī)結(jié)合。

(3)綜合性。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)既有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行整合與調(diào)整，更好地滿足傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)一二次系統(tǒng)進(jìn)行改造，為后續(xù)新開課程的實(shí)驗(yàn)開設(shè)創(chuàng)造條件。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)改造，分層次設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，能夠滿足普適教育與精英教育的需要，為卓越工程師班以及國(guó)際班學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)也奠定基礎(chǔ)；除此以外，為有效提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，開發(fā)過(guò)程中也適當(dāng)考慮研究生及相關(guān)教師的科研需要。

4 實(shí)驗(yàn)案例

以計(jì)劃孤島供電平滑轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)為例，予以說(shuō)明其效果。

計(jì)劃孤島運(yùn)行是分布式電源接入系統(tǒng)提高供電可靠性的有效手段。計(jì)劃孤島一旦脫網(wǎng)之后，該系統(tǒng)內(nèi)部的功率往往是不平衡的，電壓和頻率均會(huì)發(fā)生較大變化，甚至造成失穩(wěn)。本實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)思想是通過(guò)設(shè)計(jì)不同負(fù)載與分布式電源出力組合，分析不同系統(tǒng)容量下的不平衡功率對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證理論分析結(jié)果，通過(guò)實(shí)際波形觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。未實(shí)施主動(dòng)調(diào)整措施的前提下，計(jì)劃孤島系統(tǒng)內(nèi)部電壓會(huì)急劇下降，甚至崩潰，如圖3所示。基于故障前孤島系統(tǒng)接入開關(guān)處的功率為參考主動(dòng)切除負(fù)荷，實(shí)施平滑轉(zhuǎn)換控制措施之后，計(jì)劃孤島系統(tǒng)內(nèi)部電壓能夠快速恢復(fù)到系統(tǒng)正常運(yùn)行水平，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既涉及到不同擾動(dòng)程度下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析，還涉及到計(jì)劃孤島主動(dòng)調(diào)節(jié)措施以及負(fù)荷切除快速性對(duì)于穩(wěn)定的影響，后者是未來(lái)有源配電網(wǎng)的重要研究?jī)?nèi)容。因此，此實(shí)驗(yàn)案例充分體現(xiàn)了創(chuàng)新性、綜合性與前瞻性的特點(diǎn)。

圖3 未實(shí)施平滑轉(zhuǎn)換控制的計(jì)劃孤島系統(tǒng)電壓曲線

圖4 實(shí)施平滑轉(zhuǎn)換控制的計(jì)劃孤島系統(tǒng)電壓曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)原有的電力系統(tǒng)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行功效擴(kuò)展，提出了一種面向有源配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案；從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一次與二次系統(tǒng)的構(gòu)成，到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)，都兼顧既有課程與新開課程的實(shí)驗(yàn)要求并滿足不同層次學(xué)生實(shí)驗(yàn)需要；充分體現(xiàn)了前瞻性、繼承性、綜合性與創(chuàng)新性的特點(diǎn)，實(shí)踐效果明顯，能夠很好滿足多層次電氣專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)要求，為提高學(xué)生分析與解決問(wèn)題的能力、強(qiáng)化動(dòng)手能力尤其跟蹤學(xué)科前沿能力提供了靈活的開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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Functional Extension of Power System Automation Experimental Plartform for Protection and Control of Active Distribution Network

ZHANG Zhi-hua, FENG Xing-tian, HAN Mei-yu, XUE Yong-duan

(CollegeofInformationandControlEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580 ,China)

The experiment platform for protection and control of active distribution network based on conventional power system automation experimental apparatus is introduced. The primary and secondary hardware system of the experiment platform is analyzed, and the experimental contents are designed, including the optimization of original contents and the modular design of new contents. The new platform could meet the demands of the traditional and new courses, considering different levels of students, which has the characteristics of forward-looking, inheritance, comprehension and innovativeness. The teaching practices prove its effectiveness.

active distribution network； distributed generator； power system automation； experimental platform

2016-04-16;

2016-05- 25

中國(guó)石油大學(xué)(華東) 校級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)改革類重點(diǎn)項(xiàng)目(SY-A201409，SY-B201423)

仉志華(1977-)，男，博士，副教授，主要從事有源配電網(wǎng)故障自愈及主動(dòng)電壓控制技術(shù)、微電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù)等相關(guān)教學(xué)與科研工作，E-mail：zzh-upc@163.com

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0686(2017)01-0127-04