摘要:电力系统综合实验平台围绕电力系统方向核心课程展开设计，可以进行断路器分合闸操作、负荷计算验证与功率因数补偿等多类实验。介绍了整个实验平台的组成和功能，重点描述了负荷计算验证与功率因数补偿实验的实验设计与教学应用示范。实验平台将电力系统方向的核心实验进行了充分整合，为学生提供了设计实验和动手操作的机会，激发学生学习兴趣，使实验教学效果得到显著提高。
关键词:电力系统自动化;实验平台;实验设计;教学应用
0引言
我校电气工程系在实践教学中，设有为期两周的电力工程课程设计环节，筹建的“电力系统综合实验平台”已经服务了六届学生，取得了良好的教学效果。实验平台充分利用现有资源，对电力系统方向核心课程的实验进行了整合，可进行电力工程、电器原理及应用、电力系统远动技术、电力系统继电保护和工厂供电等相关课程的实验。平台配备了丰富的终端和各类负载设备，可灵活展开实验设计。不仅为学生提供了进一步认识电气设备的机会，同时锻炼了学生设计实验和动手操作的能力。
1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接线图如图1所示。一期工程主要实现了低压配电系统的一次回路模拟，380V电源依次经过低压进线开关柜、升压变压器、10kV高压开关柜、模拟输电线路、降压变压器至380V低压出线开关柜。二期工程主要模拟各类低压配电负载，电源引自一期工程的380V出线，之后接入各类负载，包括电阻柜、电机柜、电抗柜和补偿柜。实验平台对电力系统中基本元器件和各类负荷进行模拟，建立了一个较完整的电力系统综合实验平台。各配电柜采用低压断路器控制投切，可以选择就地和远方控制。分合闸按钮用于就地控制，监控与远动平台可进行远动控制。进线开关柜、补偿柜和低压负荷柜都配有智能型多功能仪表，能够同时测量三相电流、电压、功率及功率因数等参数，并采用RS-485总线与监控服务器通信，实现测量参数的传输。监控实验平台对配电柜的运行进行监视和远程操作控制。监控系统采用分层分布式结构，监控结构图如图4所示。将“就地/远方”转换开关转到远方方向，即可在监控系统上进行相应的远程分合闸操作。
1．2实验平台的功能
整个实验平台的功能如图5所示。其中，监控终端具有“三遥”功能，即可实现电气量的遥测、开关状态的遥信和开关的遥控。
2实验设计
实验平台可以进行多门相关课程的实验，包括变电站主接线设计，负荷计算验证与电气设备选型，10kV高压断路器的控制回路设计，断路器就地和远方分合闸操作，功率因数补偿，过流、过压和欠压等微机继电保护实验，变电站远动系统的人机界面设计和电能质量分析等实验。以负荷计算验证实验和功率因数补偿实验为例，详细介绍其实验过程与教学应用。实验前，学生需要掌握实验相关的理论基础，并且根据给出的条件进行自主实验设计，从而锻炼其查阅资料、自主学习的能力。实验教学时，首先进行实验室安全教育与平台介绍，进行演示实验，使学生掌握基本的实验操作。随后，学生验证其自主设计的实验。实验后，学生需撰写实验报告，对实验进行整理总结，并进行展示答辩。
2．1负荷计算实验
本实验由一期工程提供380V三相交流电，通过接入电阻柜、电机柜和电抗柜等不同负荷实现功率和功率因数的变化。实验前要求学生自行学习相关知识，给出设计计算书，内容包括:①根据给出的变电所设备和容量清单(见表1)，计算配电总负荷并选择变压器、母线和开关型号。②设计不同的负荷组合，进行负荷计算。计算时需注意，配电总负荷不是一个恒定值，而是随时间变化的变量。因为用电设备并非都能达到额定容量，并且各用电设备的工作制也不一样，有长期、短时和反复短时之分。因此，为设备选型进行的配电总负荷计算，并非简单地把各用电设备的容量相加。例如可以使用需要系数法，即用设备功率乘以需要系数，求出计算负荷。这种方法简便易行，应用广泛，常用于配、变电所的负荷计算。实验过程中，通过电阻柜、电机柜和电抗柜接入不同的负荷组合，实现负荷功率的变化。学生可通过智能仪表隔时读取记录功率数值，绘制负荷曲线图。将实际负荷与计算负荷比较，验证计算结果。同时，观察不同负荷组合和运行工况下的功率因数变化，为接下来的功率因数补偿实验做准备。通过本实验，学生可以增强对负荷计算基本原理的认识，熟悉其一般计算方法，掌握对变压器、母线和开关的设备选型方法。
2．2功率因数补偿实验
实验时接入电阻负荷和电机发电机负荷后再接入不同容量电抗以改变系统功率因数，同时开启补偿柜进行功率因数自动补偿。实验前的计算书中，要求学生根据所设计的不同负荷组合，计算对应的功率因数，并按照要求完成补偿容量的计算。由于电加热炉和电抗器均有多级投切，故而可以组合出多种工况，如表2所示。实验过程中，要求学生观察实际补偿过程，记录补偿前后功率因数的实际值，与计算书进行比较。实验操作基本步骤:①接入电阻柜，通过补偿柜的智能仪表可以观测到功率因数为1。②接入电机柜，可以观测到功率因数会有小幅度下降，验证电机类感性负载会降低功率因数。③逐级接入电抗柜，可以观测到功率因数进一步下降。当功率因数低于设定值时，补偿柜便自动逐级投切，直至将功率因数提升至设定值以上。④切除电抗器，此时功率因数由接近1的数值降低为较小数值。这是由于切除了感性负载，系统处于过补偿状态。随后，补偿柜将自动逐级切除补偿电容器直至功率因数满足设定值。通过本实验，学生可以切实感受功率因数补偿的基本原理，熟悉其工作过程，加深对实际电力系统中功率因数调节的认识。
3教学特色与成果
3．1教学特色
实验平台管理权归学院统一建设的实验中心所有，从而扩大了平台的开放性。通过这种创新模式的建设和管理方式，有效提升了实验资源的利用率。实验项目具有综合性和科学性，符合学科特点，能够有效培养学生的综合实践能力。平台注重实验的方案设计和操作过程，鼓励学生发挥自身的探索能力和创新能力。基于现有设备和实验基础，深入发掘平台的功能，及时更新实验设备，还能够开发出更多具有创新性和综合性的实验。
3．2教学成果
经过6年的教学实践和不断创新，实验平台已为本科共计400多位学生提供课程设计服务，为硕士研究生共18人提供科研服务，提高了不同层次学生的动手能力和实验开发水平。其真实、具体、形象的教学特点深得师生欢迎。
4结语
电力系统综合实验平台综合了电力系统方向的多门核心课程的实验内容，充分发掘了现有实验资源的功能，增强了学生动手实践的能力，提升了学生对实验设计的兴趣，突出了我校“实践教育”的特色。实验平台与理论教学相辅相成，有利于建设开放式、研究性、综合型的专业教学体系，切实增强学生的实践能力和综合素质，为培养综合型的“卓越工程师”打下良好的基础。
作者:张明锐 于猛 王佳莹 朱琴跃 单位:同济大学
