一 引言
專業(yè)課程實驗是工科專業(yè)課程教學(xué)體系的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力和**能力的切入點 [1-3]。湖南大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)的電力系統(tǒng)方向設(shè)置有“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)”、“電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)”、“電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)”等多門專業(yè)課程，若根據(jù)各課程分別建設(shè)專業(yè)實驗室必然造成實驗室功能單一、經(jīng)費投入高、占地面積大、利用率低，因此我們基于半實物仿真和實物仿真技術(shù) [4]，利用電力系統(tǒng)自動化及多功能繼電保護(hù)實驗設(shè)備，建成了一室多功能、服務(wù)于多門專業(yè)課程的電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺，有助于學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，理解發(fā)電廠及電網(wǎng)的運行，繼電保護(hù)以及電力系統(tǒng)自動化等相關(guān)知識，同時為本科生**研究、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等多個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)創(chuàng)造了良好條件。
二 電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺的構(gòu)成及功能
電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺分為兩大部分：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)部分和電力系統(tǒng)自動化部分（簡稱為電自部分），平臺主要構(gòu)成及功能見圖 1。
（一） 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)部分
繼電保護(hù)部分基于半實物仿真方法構(gòu)建，一次系統(tǒng)模型采用數(shù)字仿真，二次信號（含二次電壓信號、二次電流信號和開關(guān)量信號）則為真實的物理信號，繼電保護(hù)和變電站綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備為真實的物理設(shè)備。通過將數(shù)字仿真和物理模擬的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造了一個靈活方便、效果逼真的繼電保護(hù)及變電站綜自運行環(huán)境。
1. 微機(jī)型繼電保護(hù)試驗測試儀
采用微機(jī)型繼電保護(hù)試驗測試儀（以下簡稱為測試儀）作為信號源，輸出幅值、相位均靈活可調(diào)的電流和電壓信號，可接入繼電保護(hù)設(shè)備輸出的開關(guān)量信號，并輸出模擬斷路器分合狀態(tài)的開關(guān)量信號；測試儀還具有聯(lián)網(wǎng)通信功能，多套測試儀聯(lián)網(wǎng)后可構(gòu)成模擬變電站或模擬電網(wǎng)的二次信號系統(tǒng)。利用測試儀對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行測試與電力系統(tǒng)工程實際的實驗方法完全相同。
2. 多功能微機(jī)保護(hù)實驗裝置
裝置中集成了多種數(shù)字式繼電器、10~35kV線路微機(jī)保護(hù)、110kV 線路微機(jī)保護(hù)、變壓器微機(jī)主保護(hù)、變壓器微機(jī)后備保護(hù)、電容器微機(jī)保護(hù)、電動機(jī)微機(jī)保護(hù)等多種保護(hù)測控功能，可根據(jù)實驗需要將其靈活配置成相應(yīng)的保護(hù)測控裝置。
3. 主控制平臺
主控制平臺包括繼電保護(hù)特性測試子系統(tǒng)和電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)，利用 PC 機(jī)和相應(yīng)的測試儀控制軟件實現(xiàn)。利用電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)可進(jìn)行電力網(wǎng)靈活組態(tài)、實時潮流分析計算，可任意設(shè)置故障點和短路故障類型，以及設(shè)置金屬性 / 經(jīng)過渡電阻短路故障情況，進(jìn)行短路故障分析計算，并控制測試儀實時輸出設(shè)定選配點在正常運行和故障情況下的二次電流、電壓信號。
4. 變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)
基于 CENTRA2000 電力系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺進(jìn)行組態(tài)，構(gòu)成變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。變電站綜自監(jiān)控主機(jī)與多臺多功能微機(jī)保護(hù)實驗裝置通信，實現(xiàn)變電站遙測、遙信、遙控、故障信息上傳等變電站綜自功能。
（二） 電力系統(tǒng)自動化部分
電自部分采用實物物理模擬，由一次部分（發(fā)電機(jī)組、模擬輸電線路、無窮大系統(tǒng)、模擬互感器、三相模擬負(fù)載箱）、二次部分（機(jī)組控制屏）、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏和電力系統(tǒng)自動化監(jiān)控系統(tǒng)（基于 CENTRA2000 平臺組態(tài)構(gòu)建）組成。模擬發(fā)電機(jī)組由三相模擬同步發(fā)電機(jī)和同軸的直流電動機(jī)（用來模擬原動機(jī)）組成，模擬輸電線路用電抗器模擬，無窮大系統(tǒng)用三相調(diào)壓器連接到系統(tǒng)模擬，三相負(fù)載箱用白熾燈組模擬，在輸電線路模型中可以設(shè)置瞬時性 / 長久性三相短路和兩相短路故障。在機(jī)組控制屏中安裝有微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)準(zhǔn)同期裝置，以及發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的其他器件，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的勵磁調(diào)節(jié)、調(diào)速及系統(tǒng)并列功能，為發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)和發(fā)電廠自動化提供條件。微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)準(zhǔn)同期裝置不僅具備現(xiàn)場實際應(yīng)用的功能，而且可記錄機(jī)組控制的各種工況，便于學(xué)生了解電力系統(tǒng)各種正常、非正常及故障狀況下的運行參數(shù)，滿足實驗教學(xué)的需要。電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏上提供模擬線路、變壓器、模擬斷路器、隔離開關(guān)、電容器等，可將外部的多臺發(fā)電機(jī)組、負(fù)載、無窮大系統(tǒng)接入屏上的輸
變電網(wǎng)絡(luò)，從而形成多機(jī)電力系統(tǒng)，并采用 RTU裝置實現(xiàn)電力網(wǎng)綜合測控。
三 實驗設(shè)計
基于電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺可以開展多門專業(yè)課程實驗和綜合性實驗，具體實驗設(shè)計方案如下。
（一） 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實驗
通過實驗加深學(xué)生對繼電器動作原理的理解，強(qiáng)化學(xué)生的繼電保護(hù)整定計算能力，加深學(xué)生對繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)運行情況的系統(tǒng)化認(rèn)知。
1. 繼電器特性實驗
由繼電保護(hù)特性測試子系統(tǒng)控制測試儀發(fā)出電流 / 電壓信號，接入電流繼、電壓繼、功率方向繼、阻抗繼、差動繼電器等，并將繼電器動作接點接至測試儀開入，實現(xiàn)對繼電器特性的測試。
2. 成組繼電保護(hù)實驗
基于電力網(wǎng)信號源綜合控制子系統(tǒng)構(gòu)建一次系統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ停脺y試儀輸出信號模擬系統(tǒng)正常運行和故障下保護(hù)安裝處的運行情況，將多功能微機(jī)保護(hù)實驗裝置配置為不同功能的微機(jī)保護(hù)裝置，進(jìn)行成組繼電保護(hù)實驗。以 10kV 線路成組保護(hù)實驗為例，我們開發(fā)了模擬系統(tǒng)*大、*小及正常運行方式實驗、電流速斷保護(hù)實驗、限時電流速斷保護(hù)實驗、定時限過電流保護(hù)實驗、反時限過電流保護(hù)實驗、階段式電流保護(hù)實驗、運行方式對電流保護(hù)的靈敏性影響實驗、階段式電流保護(hù)與自動重合閘配合動作實驗等內(nèi)容。
實驗結(jié)果以數(shù)值、動作特性圖、錄波圖等多種方式顯示，有助于學(xué)生**掌握實驗過程中的信息。通過系統(tǒng)的錄波功能，學(xué)生可觀察故障前、后電流和電壓的波形，保護(hù) / 重合閘的動作時間，使學(xué)生了解電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的信號特點，并對電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)裝置的動作情況建立客觀真實的認(rèn)知。實驗分小組進(jìn)行，學(xué)生“一組一模型”，需要各自根據(jù)模型進(jìn)行整定計算和校驗，便于調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。
（二） 電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)實驗
1. 微機(jī)保護(hù)裝置硬件認(rèn)知實訓(xùn)
基于多功能微機(jī)保護(hù)實驗裝置的硬件平臺，讓學(xué)生認(rèn)識微機(jī)保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)，了解基本接線，熟悉微機(jī)保護(hù)裝置的操作。
2. 數(shù)字式繼電器特性實驗
利用測試儀產(chǎn)生測試信號，實現(xiàn)對數(shù)字式電流 / 電壓 / 功率方向 / 差動 / 阻抗 / 反時限電流繼電器特性的測試。
3. 微機(jī)保護(hù)裝置性能研究實驗
利用測試儀產(chǎn)生測試信號，實現(xiàn)對多種微機(jī)保護(hù)裝置的動作性能研究實驗。
（三） 電力系統(tǒng)自動控制實驗
通過實驗讓學(xué)生建立對微機(jī)準(zhǔn)同期裝置、微機(jī)調(diào)速裝置和微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置的工程認(rèn)知，加深對同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列原理、調(diào)速控制方法和勵磁調(diào)節(jié)方式的理解。
1. 同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列實驗
包括機(jī)組啟動和建壓實驗、斷路器合閘時間測試、手動準(zhǔn)同期并列、偏離準(zhǔn)同期并列條件合閘實驗、全自動準(zhǔn)同期并列、不同準(zhǔn)同期條件對比實驗等內(nèi)容。
2. 同步發(fā)電機(jī)調(diào)速實驗
包括發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置階躍試驗、原動機(jī)轉(zhuǎn)速自動方式和手動方式下的單機(jī)帶負(fù)荷系統(tǒng)實驗、單機(jī)－無窮大系統(tǒng)實驗等內(nèi)容。
3. 同步發(fā)電機(jī)勵磁控制實驗
包括發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置階躍試驗、不同 α角對應(yīng)的勵磁電壓測試、各種調(diào)差特性測試、同步發(fā)電機(jī)起勵方式實驗、伏 / 赫限制、強(qiáng)勵、欠勵限制、過勵限制實驗等內(nèi)容。
（四） 綜合性實驗
面向工程和電力現(xiàn)場設(shè)計了多個綜合性實驗項目，使學(xué)生獲得對電力系統(tǒng)的整體認(rèn)識和工程訓(xùn)練。
1. 變電站綜合自動化實驗
以 110kV/10kV 降壓變電站為例，將 4 臺測試儀分別配置為變電站 110kV 進(jìn)線、10kV 出線、10kV 電容器及變壓器高壓側(cè)三相和低壓側(cè)一相的二次信號源，各測試儀和信號控制主機(jī)聯(lián)成通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成變電站二次信號模擬系統(tǒng)；分別將 4臺多功能微機(jī)保護(hù)實驗裝置配置為 110kV 線路保護(hù)、10kV 線路保護(hù)、電容器保護(hù)、變壓器主保護(hù)或變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)裝置，并且與變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信。
我們設(shè)計的實驗內(nèi)容包括變電站進(jìn)出線、變壓器及電容器保護(hù)配置及整定計算、變電站遙測、遙信和遙控實驗、110kV 線路保護(hù)實驗、10kV 線路保護(hù)實驗、變壓器內(nèi)部故障變壓器主保護(hù)動作實驗、變壓器內(nèi)部故障變壓器后備保護(hù)動作實驗、變壓器外部故障變壓器后備保護(hù)動作實驗、電容器保護(hù)實驗等。在實驗過程中學(xué)生可以結(jié)合保護(hù)動作光字牌、保護(hù)動作報告、SOE 等信息研究分析變電站故障和繼電保護(hù)動作情況，通過實驗加深學(xué)生對微機(jī)保護(hù)裝置和變電站綜合自動化系統(tǒng)的了解，培養(yǎng)學(xué)生處理變電站異常和故障的能力。
2. 發(fā)電廠自動化綜合實驗
利用 2 套發(fā)電機(jī)組和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏模擬雙機(jī)組發(fā)電廠，利用發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、RTU 裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)電廠綜合自動化實驗系統(tǒng)，可完成多臺機(jī)組并列運行實驗、發(fā)電機(jī)組監(jiān)控、發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)組間功率分配、升壓站監(jiān)控及倒閘操作等實驗。
3. 區(qū)域電網(wǎng)運行及調(diào)度自動化綜合實驗
利用多套發(fā)電機(jī)組、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組態(tài)屏、負(fù)載和無窮大系統(tǒng)模擬一個區(qū)域電網(wǎng)，利用發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置、勵磁調(diào)節(jié)裝置、RTU 裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成電網(wǎng)調(diào)度自動化實驗系統(tǒng)，可完成四遙實驗、電力網(wǎng)絡(luò)調(diào)度運行實驗、電力系統(tǒng)有功功率平衡和頻率調(diào)整實驗、電力系統(tǒng)無功功率平衡和電壓調(diào)整實驗、電網(wǎng)運行方式變化實驗、電力系統(tǒng)潮流分析實驗、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)潮流影響實驗、負(fù)荷變化對系統(tǒng)潮流影響實驗、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性實驗、多機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定性實驗、故障分析與恢復(fù)實驗、系統(tǒng)解列及恢復(fù)實驗、分區(qū)調(diào)頻實驗等。
四 綜合實踐教學(xué)體系的構(gòu)建
基于電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺，構(gòu)建了兩實驗、兩設(shè)計、兩**的電力系統(tǒng)專業(yè)多層次綜合實踐教學(xué)體系，如圖 2 所示。
兩實驗包括專業(yè)課程實驗和綜合性實驗。利用各門專業(yè)課程實驗夯實學(xué)生的理論基礎(chǔ)，訓(xùn)練學(xué)生掌握專業(yè)實驗的基本方法，為綜合實踐能力培養(yǎng)打下堅實的基礎(chǔ)。綜合實驗的內(nèi)容包括電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用及運行與控制的全過程，涉及眾多的工程問題，學(xué)生需要查找文獻(xiàn)資料并綜合應(yīng)用多門專業(yè)課程的知識，獨立分析復(fù)雜工程問題，并獲得有效結(jié)論。一方面幫助學(xué)生建立電力系統(tǒng)的全局概念，另一方面全方位地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生解決電力系統(tǒng)復(fù)雜工程問題的能力以及工程項目的方案設(shè)計能力。
兩設(shè)計包括專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，利用本實驗平臺的綜合性和開放性為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣、電力網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)自動化等方向的專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計課題提供良好的設(shè)計研究平臺，方便檢驗學(xué)生設(shè)計方案的合理性、設(shè)計成果的正確性，進(jìn)一步強(qiáng)化對學(xué)生獨立設(shè)計能力、獨立科研實驗?zāi)芰?*意識的培養(yǎng)。
兩**主要體現(xiàn)在兩方面，一是鼓勵學(xué)生應(yīng)用其掌握的知識，結(jié)合自己的興趣和有疑問的工程問題，進(jìn)行自主**實驗。由學(xué)生自主設(shè)計實驗、自擬實驗步驟、自行組合實驗平臺中的設(shè)備、自構(gòu)實驗平臺，學(xué)生首先提交實驗申請和實驗方案，經(jīng)由老師審核通過后，在實驗室安排的時間內(nèi)完成實驗。二是基于實驗平臺進(jìn)行**研究，比如利用測試儀作為可控的高精度、大功率的信號源，產(chǎn)生各種實驗信號，或利用實驗平臺構(gòu)建模擬的電力系統(tǒng)，用于測試和驗證學(xué)生的**科研成果，并引導(dǎo)學(xué)生將研究的小課題延伸為大學(xué)生業(yè)余的科研課題，參與電子設(shè)計大賽、“互聯(lián)網(wǎng) +”大學(xué)生**創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”國內(nèi)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等，取得了較好成績。電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺為學(xué)生提供了自主實驗、合作研究、發(fā)展**思維的環(huán)境，獲得了學(xué)生的一致好評，學(xué)生申請課外學(xué)術(shù)科技項目和參與學(xué)科競賽的積極性明顯提高。
五 結(jié)論
基于電力系統(tǒng)專業(yè)方向?qū)嶒灲虒W(xué)的需求，構(gòu)建了電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺，既包括電力系統(tǒng)一次部分的發(fā)電、輸電、用電和并網(wǎng)技術(shù)，又包括電力系統(tǒng)二次部分的繼電保護(hù)和綜合自動化技術(shù)，涵蓋了多門專業(yè)課程的內(nèi)容，為學(xué)生研究和實踐電力系統(tǒng)方向相關(guān)技術(shù)提供了綜合、研究、**、開放的平臺?；陔娏ο到y(tǒng)專業(yè)實驗平臺構(gòu)建的多層次綜合實踐教學(xué)體系在加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解、提升動手實踐的興趣以及培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力和**能力方面發(fā)揮了重要作用。
