微电网运行与故障分析虚拟仿真实验

实验要求


面向学生要求

1)专业与年级要求

电气工程及其自动化、智能电网信息工程专业、;二年级及以上学生。

2)基本知识和能力要求

具备电力系统继电保护》、《电气工程基础》《发电厂电气工程》、《微网分布式电源运行与控制》、《新能源发电技术》等课程的基础知识。


教学成果

"电气工程及自动化虚拟仿真实验中心"获批为国家级虚拟仿真实验中心

“电气工程实验中心”获批为工信部示范实验中心


实验背景

我国正形成以交、直流特高压输电网络为骨干网架,各种可再生能源分散接入的坚强智能电网。微电网实现了分布式电源的灵活、高效应用,方便了各种分布式电源的接入,但其本身及其接入电网的安全稳定运行具有巨大挑战。

微电网是由微电源、负荷、储能装置和控制装置组成,能够实现自我控制、保护和管理的自治系统,具有灵活和复杂的运行模式,系统操作规范和故障特点与大电网有着明显的不同,为了保证微电网及其接入电网的安全运行,有必要开展微电网运行与故障分析实验。

该实验课程是电气工程及其自动化、智能电网信息工程专业开展认知实习和毕业实习的核心课程。

实验以实际微电网系统为原型,3D仿真建立相应的虚拟微电网系统,在该系统中实现微电网运行与故障分析虚拟仿真实验。具体包含认识微电网、微电网运行操作、微电网非计划孤岛运行危害、微电网保护整定与分析、微电网故障分析与处理等5个功能模块18个操作步骤,涵盖基本原理、基本技能、探索实践三层面实验教学内容,使学生能够掌握微电网运行与故障分析的核心知识点,培养学生的工程实践技能、激发学生的创新意识。


设计原则

结合行业的最新发展,体现对应课程对实验教学的要求微电网并网运行时,相当于包含分布式发电与常规电源的电力系统,这是目前常见的配电网结构,然而《电力系统继电保护》课程没有介绍分布式电源接入相应的知识,这个实验实现了对课程知识的补充,并更好地实现电网继电保护原理与故障分析实验教学目标;同时该实验也能够满足《微网分布式电源运行与控制》课程微电网继电保护与故障分析的实验教学要求。

层次递进,实现实验教学对人才培养的目标。通过微电网基本结构、接线与控制、微电源特性、运行效益4个实验,了解了微电网的基本组成及特性,实现对微电网的感性认识,这是基础;通过微电网黑启动、运行转检修、非计划孤岛运行及检修误操作体验、停电操作等操作性实验,掌握微电网中的相关操作以及电网停电操作流程,了解微电网非计划孤岛运行可能带来触电危险,培养工程实践能力以及职业素养;通过学习相关规程、非计划孤岛运行电压、频率特点分析、保护配置、整定及性能分析、故障分析等实验掌握微电网保护原理及其工程应用,并能够查找微电网的故障点、恢复微电网正常运行,这具有高阶性,激发学生的科研兴趣,培养学生的综合与创新能力。

 


实验目标

微电网是集动力、电力系统、电力电子及控制于一体的大型复杂系统,本实验以微电网并网系统作为仿真对象,通过该虚拟仿真教学实验使学生掌握如下内容:

1)熟悉交直流混合微电网的基本结构、运行方式;

2)掌握风电、光伏、充电桩、储能电池的工作特性;

3)理解微电网的运行方式及其运行控制流程;

4)理解微电网保护的功能及其实现原理、整定方法并用于实际工程设计;

       (5)掌握微电网故障分析方法,对微电网的典型故障进行分析与处理。


成绩评定

该实验的成绩由2部分构成,实验操作成绩占90%该部分成绩中包含了对实验内容及结论的讨论,赋分模型及评分方法见下表;考试成绩占10%

所属环节及子环节名称

步骤名称

满分

赋分模型

现有实验报告得分点

得分评级描述

环节1认识微电网

 

1-1微电网基本结构

步骤1:微电网基本结构

4

学习每个设备0.5

点击过该设备并学习过自动得分

4分,优秀,完成所有操作;

3分:良好,完成大部分操作;

2分:及格,完成部分操作;

1分及以下:不及格,基本没有完成操作

1-2微电网接线与控制

步骤2:微电网接线与控制

5

每个点0.5

点击相应开关自动得分

5分,优秀,完成所有操作;

4分:良好,完成大部分操作;

3分:及格,完成部分操作;

2分及以下:不及格,基本没有完成操作

1-3微电源性能

步骤3:微电源性能

4

每个曲线2

点击相应开关自动得分

4分:优秀,完成所有操作;

2分:及格,完成部分操作;

0分:不及格,没有操作

1-4微电网运行效益

步骤4微电网运行效益

6

查看夏季与冬季曲线及效益数据各3

指出2季的出力差异分布、经济效益、环境差异各2分;

5-6分,优秀,差异说明正确

3-4分,良好,差异说明较正确

2分,及格,说出了部分差异

0-1分,差,没有说出差异

环节2 微电网运行操作

2-1微电网黑启动

步骤5黑启动场景生成

3.5

7步,每步0.5

断开相应开关自动得分

7分,优秀,完成所有操作;

5-6分:良好,完成大部分操作;

4分:及格,完成部分操作;

3分及以下:不及格,基本没有完成操作

步骤6黑启动流程

3.5

7步,每步0.5

断开相应开关自动得分

3.5分,优秀,完成所有操作;

3分:良好,完成大部分操作;

2-2.5分:及格,完成部分操作;

1.5分及以下:不及格,基本没有完成操作.

2-2微电网运行方式切换

步骤7黑启动流程

8

8步,每步1

断开相应开关或完成操作自动得分

8分,优秀,完成所有操作;

6-7分:良好,完成大部分操作;

4-5分:及格,完成部分操作;

3分及以下:不及格,基本没有完成操作.

环节3非计划孤岛运行危害

3-1电网停电检修操作

 

步骤8非计划孤岛运行与误操作体验

5

5步,每步1

完成规定操作自动得分

5分,优秀,完成所有操作;

4分:良好,完成大部分操作;

3分:及格,完成部分操作;

2分及以下:不及格,基本没有完成操作.

步骤9电网停电检修操作

4

8步,每步0.5

讨论:非计划孤岛运行可能会对检修人员造成的危害

4分:优秀,步骤正确,回答正确

3分:良好,步骤有错误,回答正确

2分:及格

1分:差

3-2并网点电压与频率

步骤10光照强度变化,微电网并网与孤岛运行电压、频率的测量

2

至少取4个光照强度值,每组0.5

至少有1个光照强度下,非计划孤岛运行时,电压、频率满足运行要求,否则扣1组分

2分,优秀,完成所有操作;

1.5分:良好,完成大部分操作;

1分:及格,完成部分操作;

0分,不及格,基本没有完成操作

步骤11风速变化,微电网并网与孤岛运行电压、频率的测量

2

至少取4个风速,每组0.5

至少有1个风速下,非计划孤岛运行时,电压、频率满足运行要求,否则扣1组分

2分,优秀,完成所有操作;

1.5分:良好,完成大部分操作;

1分:及格,完成部分操作;

0分,不及格,基本没有完成操作

步骤12:负荷变化,微电网并网与孤岛运行电压、频率的测量

2

至少取4个风速,每组0.5

至少有1个负荷下,非计划孤岛运行时,电压、频率满足运行要求,否则扣1组分

2分,优秀,完成所有操作;

1.5分:良好,完成大部分操作;

1分:及格,完成部分操作;

0分,不及格,基本没有完成操作

环节4

保护整定与分析

4-1

保护配置整定

步骤13微电网保护配置

7.5

每配置正确一个保护得0.5

报告中说明配置的理由

7.5分:优秀,完全正确;

6-7分:良好,配置正确,理由说明不够准确;

4-5分:及格,配置和理由说明均有缺陷;

3分以下:不及格,配置及理由说明有很大的欠缺

步骤14微电网保护整定

25

每整定正确1个得1分,共25个值需要整定

报告中说明电流保护整定的理由

22-25分:优秀

17-21分:良好

14-20分:及格

13分及以下:不及格

4-2保护性能分析

步骤15微电网防孤岛保护性能分析

2.5

每个场景得0.5分。至少某个场景下防孤岛保护不动作

报告中说明防孤岛保护存在的问题

2-2.5分:优秀

1.5分:良好

1分:及格

1分及以下:不及格

步骤16:短路保护性能分析

2

对于f4点故障,需要设置不同的微电源场景,使得配置的保护都有机会动作,每个故障点0.5

报告中要分析f4点故障时,动作保护不同的原因

2分:优秀,原因分析正确

1.5分:良好,部分分析正确

1分:及格,没有说明原因

0分:没有操作

5故障分析与处理

5-1故障仿真

步骤17:故障仿真(PCC为配置保护)

2

每个故障点0.5

操作即得分

2分,优秀,完成所有操作;

1.5分:良好,完成大部分操作;

1分:及格,完成部分操作;

0分,不及格,基本没有完成操作

5-2故障分析与处理

步骤18:故障处理

12

找到1个故障点并处理得6

报告中写出系统给出的故障点及处理的过程

10-12分:优秀,故障处理过程几乎完美;

8-9分:良好,故障处理过程有瑕疵;

6-7分:及格,故障处理有很大缺陷;

5分及以下:故障处理过程无章法