一 引言
專業(yè)課程實驗是工科專業(yè)課程教學體系的重要組成部分，是培養(yǎng)學生綜合實踐能力和**能力的切入點 [1-3]。湖南大學電氣工程及其自動化專業(yè)的電力系統(tǒng)方向設置有“電力系統(tǒng)繼電保護”、“電力系統(tǒng)微機保護”、“電力系統(tǒng)自動控制技術”等多門專業(yè)課程，若根據各課程分別建設專業(yè)實驗室必然造成實驗室功能單一、經費投入高、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 [4]，利用電力系統(tǒng)自動化及多功能繼電保護實驗設備，建成了一室多功能、服務于多門專業(yè)課程的電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺，有助于學生建立電力系統(tǒng)的全局概念，理解發(fā)電廠及電網的運行，繼電保護以及電力系統(tǒng)自動化等相關知識，同時為本科生**研究、專業(yè)課程設計、畢業(yè)設計等多個實踐教學環(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），平臺主要構成及功能見圖 1。
（一） 電力系統(tǒng)繼電保護部分
繼電保護部分基于半實物仿真方法構建，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量信號）則為真實的物理信號，繼電保護和變電站綜合自動化系統(tǒng)設備為真實的物理設備。通過將數(shù)字仿真和物理模擬的有機結合，構造了一個靈活方便、效果逼真的繼電保護及變電站綜自運行環(huán)境。
1. 微機型繼電保護試驗測試儀
采用微機型繼電保護試驗測試儀（以下簡稱為測試儀）作為信號源，輸出幅值、相位均靈活可調的電流和電壓信號，可接入繼電保護設備輸出的開關量信號，并輸出模擬斷路器分合狀態(tài)的開關量信號；測試儀還具有聯(lián)網通信功能，多套測試儀聯(lián)網后可構成模擬變電站或模擬電網的二次信號系統(tǒng)。利用測試儀對繼電保護裝置進行測試與電力系統(tǒng)工程實際的實驗方法完全相同。
2. 多功能微機保護實驗裝置
裝置中集成了多種數(shù)字式繼電器、10~35kV線路微機保護、110kV 線路微機保護、變壓器微機主保護、變壓器微機后備保護、電容器微機保護、電動機微機保護等多種保護測控功能，可根據實驗需要將其靈活配置成相應的保護測控裝置。
3. 主控制平臺
主控制平臺包括繼電保護特性測試子系統(tǒng)和電力網信號源綜合控制子系統(tǒng)，利用 PC 機和相應的測試儀控制軟件實現(xiàn)。利用電力網信號源綜合控制子系統(tǒng)可進行電力網靈活組態(tài)、實時潮流分析計算，可任意設置故障點和短路故障類型，以及設置金屬性 / 經過渡電阻短路故障情況，進行短路故障分析計算，并控制測試儀實時輸出設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)軟件平臺進行組態(tài)，構成變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。變電站綜自監(jiān)控主機與多臺多功能微機保護實驗裝置通信，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)電機組、模擬輸電線路、無窮大系統(tǒng)、模擬互感器、三相模擬負載箱）、二次部分（機組控制屏）、電力系統(tǒng)聯(lián)網組態(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)構建）組成。模擬發(fā)電機組由三相模擬同步發(fā)電機和同軸的直流電動機（用來模擬原動機）組成，模擬輸電線路用電抗器模擬，無窮大系統(tǒng)用三相調壓器連接到系統(tǒng)模擬，三相負載箱用白熾燈組模擬，在輸電線路模型中可以設置瞬時性 / 長久性三相短路和兩相短路故障。在機組控制屏中安裝有微機勵磁調節(jié)裝置、微機調速裝置和微機準同期裝置，以及發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機調速系統(tǒng)的其他器件，實現(xiàn)發(fā)電機組的勵磁調節(jié)、調速及系統(tǒng)并列功能，為發(fā)電機調節(jié)和發(fā)電廠自動化提供條件。微機勵磁調節(jié)裝置、微機調速裝置和微機準同期裝置不僅具備現(xiàn)場實際應用的功能，而且可記錄機組控制的各種工況，便于學生了解電力系統(tǒng)各種正常、非正常及故障狀況下的運行參數(shù)，滿足實驗教學的需要。電力系統(tǒng)聯(lián)網組態(tài)屏上提供模擬線路、變壓器、模擬斷路器、隔離開關、電容器等，可將外部的多臺發(fā)電機組、負載、無窮大系統(tǒng)接入屏上的輸
變電網絡，從而形成多機電力系統(tǒng)，并采用 RTU裝置實現(xiàn)電力網綜合測控。
三 實驗設計
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，具體實驗設計方案如下。
（一） 電力系統(tǒng)繼電保護實驗
通過實驗加深學生對繼電器動作原理的理解，強化學生的繼電保護整定計算能力，加深學生對繼電保護在電力系統(tǒng)運行情況的系統(tǒng)化認知。
1. 繼電器特性實驗
由繼電保護特性測試子系統(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. 成組繼電保護實驗
基于電力網信號源綜合控制子系統(tǒng)構建一次系統(tǒng)實驗模型，利用測試儀輸出信號模擬系統(tǒng)正常運行和故障下保護安裝處的運行情況，將多功能微機保護實驗裝置配置為不同功能的微機保護裝置，進行成組繼電保護實驗。以 10kV 線路成組保護實驗為例，我們開發(fā)了模擬系統(tǒng)*大、*小及正常運行方式實驗、電流速斷保護實驗、限時電流速斷保護實驗、定時限過電流保護實驗、反時限過電流保護實驗、階段式電流保護實驗、運行方式對電流保護的靈敏性影響實驗、階段式電流保護與自動重合閘配合動作實驗等內容。
實驗結果以數(shù)值、動作特性圖、錄波圖等多種方式顯示，有助于學生**掌握實驗過程中的信息。通過系統(tǒng)的錄波功能，學生可觀察故障前、后電流和電壓的波形，保護 / 重合閘的動作時間，使學生了解電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的信號特點，并對電力系統(tǒng)中繼電保護裝置的動作情況建立客觀真實的認知。實驗分小組進行，學生“一組一模型”，需要各自根據模型進行整定計算和校驗，便于調動學生的實驗積極性，培養(yǎng)學生的動手實踐能力。
（二） 電力系統(tǒng)微機保護實驗
1. 微機保護裝置硬件認知實訓
基于多功能微機保護實驗裝置的硬件平臺，讓學生認識微機保護裝置的硬件結構，了解基本接線，熟悉微機保護裝置的操作。
2. 數(shù)字式繼電器特性實驗
利用測試儀產生測試信號，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. 微機保護裝置性能研究實驗
利用測試儀產生測試信號，實現(xiàn)對多種微機保護裝置的動作性能研究實驗。
（三） 電力系統(tǒng)自動控制實驗
通過實驗讓學生建立對微機準同期裝置、微機調速裝置和微機勵磁調節(jié)裝置的工程認知，加深對同步發(fā)電機準同期并列原理、調速控制方法和勵磁調節(jié)方式的理解。
1. 同步發(fā)電機準同期并列實驗
包括機組啟動和建壓實驗、斷路器合閘時間測試、手動準同期并列、偏離準同期并列條件合閘實驗、全自動準同期并列、不同準同期條件對比實驗等內容。
2. 同步發(fā)電機調速實驗
包括發(fā)電機調速裝置階躍試驗、原動機轉速自動方式和手動方式下的單機帶負荷系統(tǒng)實驗、單機－無窮大系統(tǒng)實驗等內容。
3. 同步發(fā)電機勵磁控制實驗
包括發(fā)電機勵磁調節(jié)裝置階躍試驗、不同 α角對應的勵磁電壓測試、各種調差特性測試、同步發(fā)電機起勵方式實驗、伏 / 赫限制、強勵、欠勵限制、過勵限制實驗等內容。
（四） 綜合性實驗
面向工程和電力現(xiàn)場設計了多個綜合性實驗項目，使學生獲得對電力系統(tǒng)的整體認識和工程訓練。
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 進線、10kV 出線、10kV 電容器及變壓器高壓側三相和低壓側一相的二次信號源，各測試儀和信號控制主機聯(lián)成通信網絡，構成變電站二次信號模擬系統(tǒng)；分別將 4臺多功能微機保護實驗裝置配置為 110kV 線路保護、10kV 線路保護、電容器保護、變壓器主保護或變壓器高壓側后備保護裝置，并且與變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)通信。
我們設計的實驗內容包括變電站進出線、變壓器及電容器保護配置及整定計算、變電站遙測、遙信和遙控實驗、110kV 線路保護實驗、10kV 線路保護實驗、變壓器內部故障變壓器主保護動作實驗、變壓器內部故障變壓器后備保護動作實驗、變壓器外部故障變壓器后備保護動作實驗、電容器保護實驗等。在實驗過程中學生可以結合保護動作光字牌、保護動作報告、SOE 等信息研究分析變電站故障和繼電保護動作情況，通過實驗加深學生對微機保護裝置和變電站綜合自動化系統(tǒng)的了解，培養(yǎng)學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)電機組和電力系統(tǒng)聯(lián)網組態(tài)屏模擬雙機組發(fā)電廠，利用發(fā)電機調速裝置、勵磁調節(jié)裝置、RTU 裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構成發(fā)電廠綜合自動化實驗系統(tǒng)，可完成多臺機組并列運行實驗、發(fā)電機組監(jiān)控、發(fā)電機組調節(jié)、發(fā)電機組間功率分配、升壓站監(jiān)控及倒閘操作等實驗。
3. 區(qū)域電網運行及調度自動化綜合實驗
利用多套發(fā)電機組、電力系統(tǒng)聯(lián)網組態(tài)屏、負載和無窮大系統(tǒng)模擬一個區(qū)域電網，利用發(fā)電機調速裝置、勵磁調節(jié)裝置、RTU 裝置和電自監(jiān)控系統(tǒng)構成電網調度自動化實驗系統(tǒng)，可完成四遙實驗、電力網絡調度運行實驗、電力系統(tǒng)有功功率平衡和頻率調整實驗、電力系統(tǒng)無功功率平衡和電壓調整實驗、電網運行方式變化實驗、電力系統(tǒng)潮流分析實驗、網絡結構變化對系統(tǒng)潮流影響實驗、負荷變化對系統(tǒng)潮流影響實驗、電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性實驗、多機組暫態(tài)穩(wěn)定性實驗、故障分析與恢復實驗、系統(tǒng)解列及恢復實驗、分區(qū)調頻實驗等。
四 綜合實踐教學體系的構建
基于電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺，構建了兩實驗、兩設計、兩**的電力系統(tǒng)專業(yè)多層次綜合實踐教學體系，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)課程實驗夯實學生的理論基礎，訓練學生掌握專業(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。綜合實驗的內容包括電力系統(tǒng)發(fā)、輸、用及運行與控制的全過程，涉及眾多的工程問題，學生需要查找文獻資料并綜合應用多門專業(yè)課程的知識，獨立分析復雜工程問題，并獲得有效結論。一方面幫助學生建立電力系統(tǒng)的全局概念，另一方面全方位地鍛煉和培養(yǎng)學生解決電力系統(tǒng)復雜工程問題的能力以及工程項目的方案設計能力。
兩設計包括專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計，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、發(fā)電廠電氣、電力網絡、電力系統(tǒng)自動化等方向的專業(yè)課程設計和畢業(yè)設計課題提供良好的設計研究平臺，方便檢驗學生設計方案的合理性、設計成果的正確性，進一步強化對學生獨立設計能力、獨立科研實驗能力和**意識的培養(yǎng)。
兩**主要體現(xiàn)在兩方面，一是鼓勵學生應用其掌握的知識，結合自己的興趣和有疑問的工程問題，進行自主**實驗。由學生自主設計實驗、自擬實驗步驟、自行組合實驗平臺中的設備、自構實驗平臺，學生首先提交實驗申請和實驗方案，經由老師審核通過后，在實驗室安排的時間內完成實驗。二是基于實驗平臺進行**研究，比如利用測試儀作為可控的高精度、大功率的信號源，產生各種實驗信號，或利用實驗平臺構建模擬的電力系統(tǒng)，用于測試和驗證學生的**科研成果，并引導學生將研究的小課題延伸為大學生業(yè)余的科研課題，參與電子設計大賽、“互聯(lián)網 +”大學生**創(chuàng)業(yè)大賽、“挑戰(zhàn)杯”國內大學生課外學術科技作品競賽等，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，獲得了學生的一致好評，學生申請課外學術科技項目和參與學科競賽的積極性明顯提高。
五 結論
基于電力系統(tǒng)專業(yè)方向實驗教學的需求，構建了電力系統(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、用電和并網技術，又包括電力系統(tǒng)二次部分的繼電保護和綜合自動化技術，涵蓋了多門專業(yè)課程的內容，為學生研究和實踐電力系統(tǒng)方向相關技術提供了綜合、研究、**、開放的平臺。基于電力系統(tǒng)專業(yè)實驗平臺構建的多層次綜合實踐教學體系在加強學生對專業(yè)理論知識的理解、提升動手實踐的興趣以及培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和**能力方面發(fā)揮了重要作用。
