分布式发电综合实验室介绍

分布式发电综合实验室介绍（编写人：穆大庆）§1概述投资300万元的省部共建的教育部重点特色专业实验室——分布式发电综合实验室，于2007年申报，2008年3月批准立项，2008年5月确定基本方案并开始建设，历经多方调研、具体方案设计、方案论证、设备招投标、设备安装调试等，2009年9月竣工。分布式发电综合实验室，是一个包含分布式发电电源、模拟变电站、配电站、输配电线路及各种模拟用电负荷等组成的完整电力系统的全方位物理模拟，配置了先进和完善的电气二次设备，并包含一个配备了变电站仿真系统、电力系统潮流计算、短路计算、保护整定计算等软件的计算与仿真室。为使学生适应当前能源发展的需要，掌握分布式发电系统、模拟风力并网发电、光伏并网发电等基本结构与工作原理，发电电源考虑了风力发电、光伏发电、超级电容发电等多种电源形式，为开展新型分布式发电电源的电气控制、保护及电力电子等方面的实验与研究提供了相应的平台。为了使电气工程及其自动化专业的学生对整个电力系统有一个完整、全面的认识，使学生熟悉并掌握电力系统结构及运行特点，系统中设置了几个典型的变电站、配电站以及多条输配电线路，且组成的电力系统结构形式、变电站主接线运行方式及输配线路的参数可灵活改变。为了使学生了解不同负荷对系统的影响以及开展负荷调配控制方面的实验，系统中设置了多种负荷形式，包括静止负荷与旋转负荷（旋转负荷采用了轴流风机以及变频调速电机等）。该综合实验室所配置的先进和完善的电气二次设备及监控系统与现场运行设备完全等同，包括监控系统、各种保护（如双卷变压器保护、三卷变压器保护、线路电流保护、线路距离保护、电动机保护等）及各种电气自动装置（如励磁调节装置、准同期装置、自动调速器、自动重合闸、低周低压减载等）。保护及监控系统采用最流行的分散分布式结构，使整个系统结构紧凑，电路简洁清晰，连接电缆大大减少。分布式发电综合实验室为学生进行实际动手操作和进行各种电气设备及装置的调试提供了可能，为学生进一步进行一些探索性学习与研究提供了条件。另外该综合实验室包含的计算与仿真室，可开展相关的电力系统计算、变电站运行仿真、变电站巡视与维护仿真等方面的专业综合实验与实习，同时也为开展微机保护装置、微机自动调控装置等方面的虚拟仿真实验提供了条件。本综合实验室的这种以本科教学为主，兼有一定研究开发功能，考虑了一定的新型发电电源，对电力系统（包括电气一次系统和电气二次系统）进行较为完整而典型的全方位模拟的实验室建设模式在全国高校中尚属首例，该实验室具有比较鲜明的特色，它不仅是电力系统与计算机的综合，强电与弱电的综合，电气一次系统与电气二次系统的综合，还是本专业多方向的综合，实现方式的综合，各项功能的综合，同时也是服务对象和服务面向的综合。该综合实验室的建成将为电气工程及其自动化专业电气系列课程的实践性教学提供优良的条件与场所，有利于系统性、综合性地开设电气系列课程的实验及进行专业综合实习，为学生提供了实际动手操作和进行设备调试的机会，同时也可大大减少实习经费的开支。该实验室配置的先进的电气设备有利于学生开拓眼界、了解电力行业的新技术应用特点及发展动态。该实验室不但为电气工程及其自动化专业学生提供了优良的实践性教学基地，同时也可为其他相关专业熟悉和了解电力系统、电力生产和电力传输过程等认识性实验或实习提供良好的场所。§2分布式发电综合实验室系统构成§2-1分布式发电系统的设备配置一、电源1、容量为1kW，出口电压为400V的风力发电机系统一套，包括风力发电机、控制逆变器、风机并网控制器等，生产厂家为南京禾浩通信科技有限公司（风车高六米，布置在工科一号楼楼顶）。2、容量为3kW，出口电压为400V的太阳能光伏发电系统一套，包括光伏发电板、控制逆变器、光伏并网控制器等，生产厂家为南京禾浩通信科技有限公司（光伏板布置在工科一号楼楼顶）。3、容量为0.5kW，出口电压为400V的超级电容蓄能发电系统一套，包括超级电容器、并网控制器等，生产厂家为锦州百纳电气有限公司。4、容量为2kW，出口电压为400V的模拟发电机组四套，采用浙江天煌科技实业有限公司生产的THLZD-II型电力系统综合自动化实验平台，该实验平台既作为分布式发电系统中的4个电源点，又可单独进行发电机启停机、并网及各种电力系统分析等方面的实验。5、无穷大电源采用市电经感应调压器及双卷变压器接入来模拟。二、变压器及调压器：1、容量5kVA，电压比600±2×2.5%V/400V，Y0,d-11接线的双绕组三相变压器4台。2、容量5kVA，电压比600±2×2.5%V/500V/400V，Y0,y0,d-12-11接线的三绕组三相变压器2台。3、容量5kVA，电压比500V/400V，Y0,d-11接线的双绕组三相变压器2台。4、调压器-变压器组：容量20kVA，电压430V的三相感应调压器1台；容量20kVA，电压比380V/600V，接线方式为Y,y-12的变压器1台。三、线路三相模拟线路6条。每条线路结构及参数如下（线路电流按10A考虑）：电阻采用变阻器；电感采用空心线圈每个电感线圈平均分为4部分，共5个引出头，引出头经试验端子引出（便于进行短路实验）：四、负荷1、旋转负荷：容量为1kW，输入电压为380V三相交流的低噪音轴流风机8个；1.5kW变频电机负载2套。2、三相模拟静止负荷6套：每套由可分别投切的2组电阻、2组电感构成，每套三相有功1kW，三相无功0.75kVar。五、配电屏柜25个（详细配置见后续）六、SCADA监控系统：包含硬件（各配电屏柜上的共39个现地测控单元下位机；A站、B站、C站及配电站各1台厂站监控机；两台地区调度上位监控机；1台教学演示监控机及配套的网络连接设备）和相应的软件系统。七、直流电源柜（容量20kVA，具有2路220V/20A直流输出）§2-2分布式发电系统电网基本结构一、A变电站(1)所接变压器为双绕组变压器（所接变压器台数灵活可变），600V和400V两个电压等级。(2)600V电压等级有6条进出支路，主接线采用双母线带旁路；每条支路所接设备（变压器或线路或电源或负荷）可灵活选择。(3)400V电压等级有4条进出支路，主接线采用单母线分段；每条支路所接设备（变压器或线路或电源或负荷）可灵活选择。二、B变电站（C变电站）：(1)所接变压器可为双绕组变或三绕组变，接双绕组变压器则有600V和400V两个电压等级；接三绕组变压器则有600V、500V和400V三个电压等级。(2)600V电压等级有3条进出支路，主接线采用单母线；每条支路所接设备（变压器或线路或电源或负荷）可灵活选择（B站与C站相同）。(3)变压器低压侧（或中、低压侧）的主接线可灵活选择多种配电单元形式。三、配电站（配电单元）多个不同形式的配电单元，可灵活构成数量和形式可变的配电站（或变电站），各支路所接设备可灵活选择。四、电网结构由以上变电站和配电单元及相应的变压器、线路、电源、负荷等可搭接出不同形式的网络结构。例如可搭接出如下典型网络结构：§2-3配电测控屏柜及其屏内设备一、A变电站配电测控屏1、600V电压等级配电测控屏（8个：A站1#—8#屏）（1)模拟断路器及隔离开关模拟断路器QF（8个）采用额定电压为400V、工作电流大于30A的三相交流接触器模拟，模拟断路器能通过就地手动开关和远方遥控进行分合闸，模拟断路器的就地手动开关边上配“就地”、“遥控”切换开关，就地手动开关下方配红、绿灯指示（红灯表示合，绿灯表示分）。模拟断路器控制回路：模拟隔离开关（34个）皆采用额定电压为400V、工作电流大于30A的小型空气开关，模拟隔离开关通过就地空气开关的手动把手进行分合。（2)互感器模拟电流互感器：3×8个（每个支路一组），额定电压600V，频率50HZ，变比10A/1A。模拟电压互感器：5个三相电压互感器TV；采用三相五柱式三绕组TV，接成YN0,yn0,开口d11，电压变比V100/3100/3600。（3)表计：电压表5只（通过切换开关可分别测量AB、BC、CA相间电压）。（4)母线：采用扁铜条，每块屏的扁铜条两端皆有接线端，以便两块屏母线之间用短线连接。（5)现地测控单元：采集各支路的电流及母线电压并实现对模拟断路器的控制，且具有相应支路的保护功能，现地测控单元通过以太网与上位机连接，作为SCADA测控系统的下位机。（6)A站#1、#8屏上各设一块MZ-10组合式同期表，用于无穷大系统与本站并列及本站与B或C站并列。每块屏内所设的同期接线如下图：（7)每块屏上每条支路出线处设置三相插孔，以便进行短路模拟测试；同时在I母及II母的电压互感器支路上设置三相插孔以便模拟母线短路。（配电测控屏正面每个设备符号旁设置一个有机玻璃的标识卡插套，可方便地更换设备标识卡）2、400V电压等级配电测控屏（3个：A站9#—11#屏）配电测控屏中设备功能及要求与A站600V电压等级配电测控屏基本相同，只是电流互感器额定电压为400V；电压互感器变比为V3100/3100/3400。二、B变电站及C变电站配电测控屏（4个：B站1#—2#屏，C站1#—2#屏）配电测控屏中设备功能及要求与A站600V电压等级配电测控屏相同B站#1、C站#1屏上各设一块MZ-10组合式同期表，用于两站之间并列。每块屏内的同期接线如下图：三、配电站配电测控屏（10个：配电1#—10#屏）配电测控屏中设备功能及要求与A站600V电压等级配电测控屏基本相同，只是电流互感器额定电压为400V；电压互感器变比为V3100/3100/3400。(配电9#、10#屏例外，电流互感器额定电压为500V；电压互感器变比为V3100/3100/3500)§2-4综合自动化系统配置一、综合自动化网络系统配置方式整个实验室的变电站综合自动化系统采用流行的分散分布式，即保护测控箱下放到电气一次屏柜上，各个保护测控箱（下位机）之间采用RS485口连接，然后经通讯管理机及以太网交换机与2台上位机（双机热备用）相连。综合自动化软件采用湖南紫光测控公司的SM-3综合自动化软件系统，实时监视整个模拟电力系统的各个站的信息，包括电气一次主接线图等状态图，实时显示各种电气及非电气数据、事件顺序记录、各种事故及故障信息，控制断路器分合闸等。通讯网络结构图：二、保护测控箱配置所有保护测控箱采用湖南紫光测控公司的DCAP-5000系列保护测控装置。具体配置如下：1、A站保护测控箱配置（1）A站1#屏柜：配1个DCAP-5000线路保护测控箱（兼有中低压线路阶段电流保护及断路器测控功能）。（2）A站2#屏柜：配1个DCAP-5040主变差动保护箱（具有主变双侧差动保护功能）、1个DCAP-5051主变后备保护测控箱（兼有主变高压侧后备保护及断路器测控功能）。（3）A站3#屏柜：配1个DCAP-5040主变差动保护箱（具有主变双侧差动保护功能）、1个DCAP-5051主变后备保护测控箱（兼有主变高压侧后备保护及断路器测控功能）。（4）A站4#屏柜：配1个DCAP-5030母联保护测控箱（兼有母联保护及断路器测控功能）。（5）A站5#屏柜：配1个DCAP-5030旁母保护测控箱（兼有旁母保护及断路器测控功能）。（6）A站6#屏柜：配1个DCAP-5000线路保护测控箱（兼有中低压线路阶段电流保护及断路器测控功能）。（7）A站7#屏柜：配1个DCAP-5000线路保护测控箱（兼有中低压线路阶段电流保护及断路器测控功能）。（8）A站8#屏柜：配1个DCAP-5112线路保护箱（具有高压线路距离保护功能）、1个DCAP-5002综合监控测控箱（具有断路器测控功能）。（9）A站9#屏柜：配1个DCAP-5000线路保护测控箱（兼有中低压线路阶段电流保护及断路器测控功能）、1个DCAP-5050主变后备保护测控箱（兼有主变低压侧后备保护及断路器测控功能）。（10）A站10#屏柜：配1个DCAP-5030母联保护测控箱（兼有母联保护及断路器测控功能）。（11）A站11#屏柜：配1个DCAP-5000线路保护测控箱（兼有中低压线路阶段电流保护