(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 武漢 430212)

0 引 言

目前校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的主要模式有學(xué)校主導(dǎo)模式、企業(yè)主導(dǎo)模式和校企共建模式，我校發(fā)電專(zhuān)業(yè)校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地采用校企共建模式。由于發(fā)電廠及變電站生產(chǎn)設(shè)備體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，在校內(nèi)建完全真實(shí)的生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)基地難度很大，目前有兩種常規(guī)解決的方法，第一是充分利用仿真技術(shù)、VR實(shí)景等教學(xué)手段使學(xué)生進(jìn)入一虛擬的發(fā)電廠或變電站的情境中去學(xué)習(xí)、操作，采用這種方法建成發(fā)電廠及變電站仿真實(shí)訓(xùn)中心；第二種方法就是建成縮小版的發(fā)電廠及電力系統(tǒng)，即采用各類(lèi)型的仿真機(jī)、縮小或簡(jiǎn)化的生產(chǎn)系統(tǒng)為平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并組建出盡量貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的電廠實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。我校發(fā)電專(zhuān)業(yè)校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地采用了“一基地三中心”模式。即該基地包括發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心、發(fā)電廠及變電站仿真實(shí)訓(xùn)中心、電氣設(shè)備拆裝與維修實(shí)訓(xùn)中心。其中電氣設(shè)備拆裝與維修實(shí)訓(xùn)中心是以陸水水力發(fā)電廠、丹江口水力發(fā)電廠捐贈(zèng)為主，合作共建的方式進(jìn)行建設(shè)，目前已經(jīng)有20個(gè)工位；發(fā)電廠及變電站仿真實(shí)訓(xùn)中心有60臺(tái)機(jī)，裝有一套水電廠仿真系統(tǒng)，一套變電站仿真系統(tǒng)，發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心正在建設(shè)中。本文重點(diǎn)研究發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心的組建及系統(tǒng)運(yùn)行功能。

1 發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心的組建

發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心主要有兩大部分構(gòu)成，一為小水電站靜態(tài)部分，二為動(dòng)態(tài)模擬部分。小水電站靜態(tài)部分主要包含水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)輔助設(shè)備、變壓器、電動(dòng)機(jī)，組成一小型水電系統(tǒng)，學(xué)生可以通過(guò)觀摩，獲得足夠感性知識(shí)，并掌握整體結(jié)構(gòu)和工作原理；本部分采用設(shè)備主要是陸水水力發(fā)電廠、丹江口電廠捐贈(zèng)的設(shè)備。小水電(靜態(tài)部分)系統(tǒng)流程圖為：

圖1靜態(tài)部分流程圖

發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬的實(shí)質(zhì)，就是根據(jù)相似性原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的物理模擬。電力系統(tǒng)的模擬手段主要有物理的和數(shù)學(xué)的，物理模型忠于原系統(tǒng)的物理本質(zhì)，現(xiàn)象直觀、豐富，但是不能模擬系統(tǒng)暫態(tài)的復(fù)雜過(guò)程；數(shù)學(xué)模擬就是建立數(shù)學(xué)模型，這種方法靈活，計(jì)算精度高，能模擬系統(tǒng)復(fù)雜的暫態(tài)過(guò)程。綜合兩種模擬手段，我們?cè)O(shè)計(jì)并組建了發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，包括同步發(fā)電機(jī)與無(wú)窮大系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)與單一負(fù)荷動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。整個(gè)動(dòng)態(tài)模擬部分基本能夠完成一個(gè)小型電力系統(tǒng)的主要工作流程，可以進(jìn)行微機(jī)控制與操作演練，可以完成電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的實(shí)訓(xùn)、系統(tǒng)故障的實(shí)訓(xùn)等，對(duì)提高學(xué)生電站設(shè)備與安全知識(shí)水平、操作實(shí)踐技能具有重要意義，是目前電力系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)框架的重要補(bǔ)充。動(dòng)態(tài)模擬部分硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

該系統(tǒng)主要設(shè)備包含直流電動(dòng)機(jī)、三相交流發(fā)電機(jī)、中控顯示屏與中控裝置、勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜、實(shí)訓(xùn)控制屏、負(fù)載屏等。其中原動(dòng)機(jī)采用3kW的直流電動(dòng)機(jī)模擬，發(fā)電機(jī)采用3kW的三相交流同步發(fā)電機(jī)。永磁直流測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)同軸連接，模擬水輪發(fā)電機(jī)組。實(shí)訓(xùn)控制屏主要是采用PLC控制單元和準(zhǔn)同期單元以及電流、電壓等常規(guī)儀器儀表、自耦變壓器組成。其中PLC控制單元主要包含調(diào)速單元、勵(lì)磁調(diào)節(jié)單元、機(jī)組綜合自動(dòng)化。實(shí)訓(xùn)操作屏主要有雙回路輸出電路、線路保護(hù)裝置、各種開(kāi)關(guān)、無(wú)窮大系統(tǒng)所構(gòu)成。負(fù)載屏主要是包括三相阻抗負(fù)載及控制開(kāi)關(guān)。發(fā)電機(jī)組可以與阻抗負(fù)載系統(tǒng)共同構(gòu)成單機(jī)負(fù)載系統(tǒng)，也可以構(gòu)成單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)。

圖2動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

2 發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的功能

發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)控制和運(yùn)行，可以單獨(dú)由實(shí)訓(xùn)操作屏手動(dòng)完成，也可以由監(jiān)控計(jì)算機(jī)的組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作。整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以為發(fā)電專(zhuān)業(yè)中《電機(jī)技術(shù)》、《電力系統(tǒng)分析》、《繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置》等主干課程服務(wù)。該動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)主要分為四大部分實(shí)訓(xùn)：一是同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)實(shí)訓(xùn)，包括原動(dòng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)速裝置操作及原動(dòng)機(jī)的控制、發(fā)電機(jī)的空載以及短路特性曲線測(cè)試、同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁實(shí)訓(xùn)等；二是電力系統(tǒng)運(yùn)行方面實(shí)訓(xùn)，包括發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式實(shí)訓(xùn)、負(fù)載調(diào)整實(shí)訓(xùn)、手動(dòng)準(zhǔn)同期實(shí)訓(xùn)、半自動(dòng)準(zhǔn)同期實(shí)訓(xùn)、全自動(dòng)準(zhǔn)同期實(shí)訓(xùn)等；三是電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方面實(shí)訓(xùn)，包括單機(jī)——無(wú)窮大系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方式、單機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行實(shí)訓(xùn)；四是電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)訓(xùn)，包括三相短路實(shí)訓(xùn)、兩相短路實(shí)訓(xùn)、單相短路實(shí)訓(xùn)等。

此系統(tǒng)模擬的是單機(jī)-無(wú)限大系統(tǒng)，一次接線圖如圖3所示：

圖3動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)一次接線圖

發(fā)電機(jī)的同期并網(wǎng)主要方式有準(zhǔn)同期并網(wǎng)和自同期并網(wǎng)，以電力系統(tǒng)常用的準(zhǔn)同期并網(wǎng)為例來(lái)進(jìn)行分析動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的使用。如圖3所示，并網(wǎng)時(shí)要求在QFG合閘前通過(guò)調(diào)整左側(cè)待并發(fā)電機(jī)組的電壓和轉(zhuǎn)速，當(dāng)滿足電壓幅值差和頻率條件后，根據(jù)“恒定導(dǎo)前時(shí)間”原理，由準(zhǔn)同期控制器自動(dòng)選擇合適的時(shí)機(jī)發(fā)出合閘命令閉合QFG，此時(shí)合閘沖擊電流一般很小，機(jī)組并入電力系統(tǒng)后能被迅速拉入同步。特殊情況下也可以手動(dòng)發(fā)出重合閘命令實(shí)現(xiàn)同期操作。

準(zhǔn)同期裝置經(jīng)常利用脈動(dòng)電壓進(jìn)行工作，如圖4所示。所謂脈動(dòng)電壓是指待并發(fā)電機(jī)的電壓Ug和系統(tǒng)電壓Us之間的電壓差，通常用Ud來(lái)表示。

圖4脈動(dòng)電壓變化軌跡

脈動(dòng)電壓不僅反映Ug和Us的相角差特性，而且與它們的幅值有關(guān)，所以可以利用自動(dòng)裝置檢測(cè)滑差電壓，當(dāng)Ud=0時(shí)閉合同期開(kāi)關(guān)QFG完成發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)同期并網(wǎng)操作。

具體實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程為：首先合上操作電源開(kāi)關(guān)，檢查實(shí)訓(xùn)臺(tái)上各開(kāi)關(guān)狀態(tài)，確定各開(kāi)關(guān)信號(hào)燈應(yīng)綠燈亮、紅燈熄；其中“勵(lì)磁方式調(diào)節(jié)器”選擇他勵(lì)、恒U運(yùn)行方式，合上勵(lì)磁開(kāi)關(guān)；把實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)上“并網(wǎng)方式選擇”開(kāi)關(guān)置“同期”位置。把“同期方式選擇”調(diào)到自動(dòng)，合上系統(tǒng)電壓開(kāi)關(guān)和線路開(kāi)關(guān)QF5、QF1、QF3，檢查系統(tǒng)電壓接近額定值380V；啟動(dòng)原動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速1 500rpm；不斷調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、網(wǎng)端的手動(dòng)調(diào)壓器、操作微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器上的增磁或減磁按鈕進(jìn)行調(diào)壓，當(dāng)“發(fā)電機(jī)并網(wǎng)裝置”的壓差和頻差的數(shù)值接近于零，等待一段時(shí)間，觀察到該裝置的下排顯示燈在緩慢跳動(dòng)，當(dāng)該指數(shù)燈跳至為“同期點(diǎn)”時(shí)，此時(shí)QFG自動(dòng)閉合，并網(wǎng)完成。整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程完整模擬了實(shí)際電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過(guò)程。

3 發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)整體占地面積小，操作控制屏上的各種儀器儀表、開(kāi)關(guān)、接線柱、各種功能單元結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)試和維護(hù)維修都十分方便。整個(gè)系統(tǒng)體現(xiàn)了先進(jìn)性、系統(tǒng)性、綜合性。

(1)先進(jìn)性

在控制系統(tǒng)中將數(shù)字電力系統(tǒng)中先進(jìn)的控制理論、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等有效融入到教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，緊跟先進(jìn)技術(shù)的時(shí)代步伐。

(2)系統(tǒng)性

在該系統(tǒng)中包含了發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、負(fù)荷、無(wú)窮大系統(tǒng)一次部分，同時(shí)還包括了測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置等二次部分，是一個(gè)完整的電力系統(tǒng)，完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目可以使學(xué)生了解發(fā)電、輸電、變電、配電、用電的全過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)全局的認(rèn)識(shí)。

(3)綜合性

覆蓋了發(fā)電專(zhuān)業(yè)的大部分主干專(zhuān)業(yè)課程比如《電機(jī)技術(shù)》、《電力系統(tǒng)基礎(chǔ)》、《繼電保護(hù)》、《自動(dòng)裝置》等。可以完成其他實(shí)訓(xùn)室無(wú)法完成的整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)，為發(fā)電專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)與現(xiàn)場(chǎng)工作仿真度很高實(shí)訓(xùn)條件，克服了以往強(qiáng)電專(zhuān)業(yè)難以開(kāi)展實(shí)際生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)的難題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行了基本職業(yè)能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練，有利于學(xué)生就業(yè)時(shí)崗位的零對(duì)接。

3.2 缺 點(diǎn)

由于發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)采用的都是模擬控制硬件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性差，控制效果受到諸多因素的影響，穩(wěn)定性還難以達(dá)到理想要求，后期仍需要不斷改進(jìn)。此外，整個(gè)系統(tǒng)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一些相關(guān)的項(xiàng)目，比如學(xué)生可以采用PLC進(jìn)行控制類(lèi)的編程改變系統(tǒng)特性，觀察各種現(xiàn)象等。

校企共建發(fā)電廠及變電站動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)中心自成立以來(lái)，累計(jì)為企業(yè)員工培訓(xùn)100多人次，開(kāi)展校內(nèi)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)500多人次。學(xué)生通過(guò)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)，完成了教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接、專(zhuān)業(yè)知識(shí)與崗位對(duì)接；員工通過(guò)培訓(xùn)完成了職業(yè)教育與終身教育對(duì)接，社會(huì)評(píng)價(jià)比較高。

[1] 劉建新. 發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].中南大學(xué),2008.

[2] 李家坤. 長(zhǎng)江工程職院發(fā)電專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的實(shí)踐探索[J]. 湖北成人教育學(xué)院學(xué)報(bào),2016,22(02):36-37.

[3] 楊小琨,李獻(xiàn)忠. 高職專(zhuān)發(fā)電技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)規(guī)劃的研究[J]. 中國(guó)電力教育,2013,(33):131-133.