智能配用電網實驗系統構建與應用

呼夢穎，段建東，姬軍鵬，王 倩，劉 普，王海燕

（西安理工大學 自動化學院，陜西 西安 710048）

智能電網產業作為國家戰略性新興產業，自2009年以來發展迅速，對人才的需求十分迫切[1-2]。2010年教育部設置了“智能電網信息工程”新專業，旨在培養符合智能電網發展的高素質人才。

智能電網信息工程專業旨在培養掌握扎實的基礎知識和必備的智能電網專業知識，能在網絡化、信息化智能電網領域從事設計、研發、運行維護與管理的復合型人才[3-4]。該專業工程性強，是一門涉及電力和信息技術的多學科交叉專業，這要求智能電網背景下構建的智能配用電網實驗室不僅包含靈活、可重構的電力網，還需要安全開放的通信網[5]，使信息化更加突出，智能化程度更高。

目前，涉及智能配用電網技術的實驗研究取得了一些成果[6-7]，然而現有的實驗方法和實驗裝置大部分著重于電網建設、運行，以及新能源發電、并網，主要覆蓋電力系統自動化、繼電保護、新能源發電等課程知識，缺少完整的、信息化和智能化程度較高的電力網信息通信和遠程監控的實踐內容，難以實現學科知識的交叉融合以及培養學生的實踐能力和創新意識。

本文針對智能電網信息工程的學科知識交叉性和新興專業特色，在電力系統自動化設備的基礎上，設計了信息采集、通信、監控等智能化單元，構建了工業級智能配用電網實驗系統，突顯該專業的“信息工程”思想；并設計了專業基礎、綜合設計、探索創新不同層次的實驗方案，開展了學生競賽和創新活動，取得了一系列創新成果。

1 實驗系統的構建

1.1 構建思路

（1）工業級。實驗系統嚴格按照電力行業標準的要求，所有設備采用工業級的智能電網現場實際運行的微機型裝置，以及一些小型的可以再現電力系統實際運行工況的一次設備，使學生通過對工業實際產品的學習，直觀地理解智能電網實際運行原理，具有較強的操縱和調試智能電網運行和處理現場問題能力。

（2）小而全。2 臺發電機組和1 個無窮大電源組成了一個小型雙機環網，并配備繼電保護裝置、智能電表裝置和監控站，實現豐富、全面的繼電保護、并網、信息通信、故障錄波與監控等功能。

（3）融合性。考慮智能電網信息工程的多學科交叉性，本實驗系統將傳統電力和現代信息技術結合[8]，將電力系統自動控制技術、電力系統繼電保護、信息通信與監控、信息安全等多學科的多種技術手段融合于實驗系統。

（4）新技術。在電力系統自動化設備的基礎上，引入信息、通信、監控、智能化等新技術和新方法，構建信息化和智能化的智能配用電網實驗系統。

1.2 實驗系統的基本架構

實驗系統采用典型的發-變-輸網絡拓撲，配置微機自動控制裝置、微機繼電保護裝置、智能電表裝置、數據采集終端和監控站。

1.2.1 發-變-輸電力網

發-變-輸電力網的結構見圖1。2 臺發電機G 模擬發電廠，從發電機的出口母線引電纜連接到變壓器實驗臺上，模擬無窮大電源由市電380 V 經自耦調壓器接至母線Ⅱ上。發電機組和無窮大電源通過3 條母線和4 條模擬輸電線路組成雙機環形電力網。每臺發電機組模擬300 MW 及以上機組，輸電線路模擬電壓為110 kV 及以上線路，模擬輸電線路長度大于100 km。該部分配備了模擬故障和繼電保護裝置，可完成繼電保護、并網等實驗教學。

圖1 發-變-輸電力網基本結構

電網的一次部分采用搭積木式靈活組建，二次部分采用微機組態軟件的方式構建。所有裝置全部采用工業品，裝置面板設有測試孔，學生在工業產品上可深度實踐，提高學生的參與度，培養學生解決智能電網現場問題的實踐能力。

1.2.2 智能電表及通信系統

在發-變-輸電力網上，設計了安全、開放的智能電表及通信系統，以實現信息實時交換。系統結構如圖2 所示。

圖2 智能電表及通信系統結構

圖1 中發電機側安裝了三相雙向電度表和多功能儀表，用于計量發電機的用電量、發電量，以及電壓、電流、勵磁電壓、勵磁電流、功率等數據；線路側配置了多功能儀表，用于測量線路電壓、電流、功率等數據；系統側（QF10 處）安裝了三相雙向電度表，用于計量實驗系統整體發電和用電量數據；發電機安裝XJCW-900 無線溫度傳感器，用于監測其溫度。

智能電表和微機保護裝置的數據通過電力線載波通信、485 通信方式、遠紅外通信和無線通信[9]4 種不同的通信方式，采集至數據采集終端（IED），IED經過IEC61850 規約轉換，實現與監控站軟件的連接，體現出遠方監控系統抄表（無人抄表管理）。

智能電表及通信系統中的電度表采用3 種不同類型的智能電表，采用了多種通信方式[9-10]，基本涵蓋了智能電網中使用的大部分先進的信息技術，幫助學生掌握目前智能電網產業中采用的豐富、全面的信息采集與通信技術。

1.2.3 監控站

由自動化軟件系統組成高速以太網監控網絡，包含監控軟件、工程師站和故障錄波軟件[11-12]。系統正常運行時，學生在監控站可對全站設備進行監視、測量、調控、管理和記錄，及時掌握電網運行情況，深入理解遠方監控和無人抄表管理的運行機制。系統監控界面如圖3 所示。

圖3 系統監控界面

圖4 微機線路保護監控界面

以微機線路保護為例，監控界面如圖4 所示。系統出現故障時，學生通過繼電保護工程師站和錄波分析軟件實時收集運行和故障信息，通過對故障信息的綜合分析，為事故處理、故障定位、計算整定和保護控制提供科學依據。

2 實驗方案設計

基于該實驗系統，針對電力系統繼電保護、智能電網通信技術、智能電網信息與安全等專業課程和綜合實踐，設計了突出智能電網新技術和新要求的實驗方案[13]，包括專業基礎實驗、開放綜合實驗、探索創新實驗等不同層次的實驗項目，其中一些實驗項目見表1。

智能配用電網實驗系統既能進行專業基礎實驗，也可以進行各類智能電網綜合設計實驗，還為探索創新型實驗項目提供了平臺，供學生進行自主設計、開放調試和創新實驗。工業級的實驗設備，再結合當前智能電網發展形勢及未來發展趨勢，設計的專業基礎實驗以及綜合性和創新性實驗，為學生不同層面的需求提供全方位的軟、硬件條件。

表1 不同層次實驗項目

3 應用效果

（1）實驗教學。實驗系統已在智能電網通信技術、電力系統自動化、電力系統繼電保護等專業課程的實驗教學中使用，引入先進的智能電表、通信和遠程監控技術，拓寬學生的知識面。多層次實驗課程的開設使學生鞏固了基礎知識，培養綜合設計能力，激發探索熱情，增強實踐創新能力。

（2）創新應用。已有不少電氣和電網類專業的學生在教師指導下，利用該實驗系統進行創新創業活動。已獲批大學生創新創業訓練項目20 余項，部分項目見表 2。已多次獲得全國電子設計競賽國家一等獎、陜西省TI 杯大學生電子設計大賽。

表2 大學生創新創業訓練項目部分成果

以學生為主要完成人的部分專利成果見表3。

（3）開放共享。該實驗系統作為我校大型儀器共享設備，面向校內外全面開放，校內外其他專業可利用該實驗系統的開放性資源進行教學和創新、科研活動，實現實驗資源的高效使用和開放共享。

表3 以學生為主要完成人的部分授權專利

4 結語

智能電網信息工程是一門戰略新興本科專業，涉及多門學科的融合，本文在發-變-輸電網的基礎上，設計的包含智能電表信息采集、通信和監控站的智能配用電網實驗系統，突顯信息化和智能化。基于該實驗系統設計的專業基礎、綜合設計，探索創新不同層次的實驗方案，既保證實驗教學的質量，又有利于培養學生的創新能力。開展了學生競賽和科技創新活動，取得了一系列創新成果。實踐表明，設計的方案和應用實踐具有較強的推廣性和示范性，對高校針對智能電網信息工程專業的實驗室建設具有借鑒意義。