微电网运行与故障分析虚拟仿真实验

微电网运行与故障分析虚拟仿真实验

实训要求

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》或《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


实训背景

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。

该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。


实训目标

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%。

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分

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分

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分

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分

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

共7步，每步0.5分

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

共7步，每步0.5分

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

共8步，每步1分

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

共5步，每步1分

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

共8步，每步0.5分

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分

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分

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分

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分

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分

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分

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分

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