CN100568319C - 一种基于人力发电机组的电网培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电网培训系统，所述系统包括：人力发电机组、电力网络、400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷、通信网络以及计算机监控系统；所述的人力发电机组通过电力网络与所述的负荷相连接；所述的计算机监控系统通过通信网络与所述的人力发电机组及负荷相连接；其中，所述的人力发电机组，用于发电、发电机速度调节并向电力网络输送电能；所述的负荷，用于接收电力网络输送的电能而运行；所述的计算机监控系统，用于设置电网培训项目，并控制和监视所述人力发电机组及负荷的运行。本发明将人力发电机组并入电网发电，用于建立具有学员能灵活操作的环保节能型电网培训系统。

Description

一种基于人力发电机组的电网培训系统

技术领域

本发明涉及电工技术领域，特别是电工技术培训的实验装置，具体的讲是一种基于人力发电机组的电网培训系统。

背景技术

电网培训系统是电气工程学科科研、教学和培训单位不可缺少的重要实验平台。它应该能够模拟电力系统中电能的生产、输送和消费过程，也能反映电力系统的启动、运行、故障和恢复等过程，符合目前电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力生产过程检测、监视、控制、保护、调度自动化，对学员进行综合培训，成为电气工程学科提升教学水平，促进素质教育的综合实验平台。

目前国内外比较典型的单机无穷大电网实验平台的发电机组由10kW以上的直流电动机和10kW以上的交流同步发电机同轴连接构成，输出的电力送入电力系统的400V市电电网(以下也称为无穷大系统)或自设负荷的孤岛电力系统(这里指不与市电电网连接)；控制部分主要包括：直流电动机动力单元、调速单元、发电机保护单元、励磁调节单元和发电机并网控制装置等。发电机组可以通过负载系统组成独立的发电机-400V孤岛电网，也可以由发电机组与市电系统400V电源构成单机无穷大电网或多机电网。发电机组的控制和运行可以单独由常规控制手动完成，也可以由计算机控制的功能模块或开关自动完成。如图1所示，现有技术的功能如下：

(1)调速控制单元，一般由全控型三相智能可控硅整流模块(或PWM模块)、频率变送器和单片机控制系统组成，实现机组自动启动、频率调整、同步发电机自动增减负荷、自动开/停机等功能。

(2)发电机单元，将其它形式的能量转换成电能。

(3)发电机保护单元，采用微机型或模拟器件的保护单元实现电流电压等保护。

(4)发电机励磁和并网控制装置，包括起励建压和自动励磁调节以及同步发电机的并网和退出电网等运行方式的操作。

(5)电网自动装置，具有线路微机型电流、电压保护和自动合闸等功能。

(6)系统400V电网或自设负荷孤岛电力系统。

典型的多机电网实验平台的基本功能与单机系统基本相似，只是发电机的台数多一些，强电网络更复杂。但由于成本太高，一般实验室均为单机无穷大电网实验平台。

上述试验平台的缺点是：

(1)所需实验设备容量大，导致实验室投资过大，并且占地面积多；

(2)电压等级高，学员操作安全性差；

(3)由于成本高，一般建立单机系统，只能开设有限的实验内容；

(4)由于设备贵重，考虑到安全等问题，一般由实验人员操作，而学员亲自动手操作的机会很少；

(5)发电机组运行方式单一，只能以发电方式运行，不能以电动方式运行；

(6)设备容量大，在运行中消耗大量的电能；

(7)学员无法通过实验设备亲身体验电能现象的量的概念，例如电功率等。

另外，由于计算机飞速发展，一些科研单位开发了数字仿真电力系统，用数学模型虚拟电力网络系统，让学员在计算机上进行仿真模拟操作，这对于学员来说也能起到一定程度的教学作用。例如，中国专利申请200310112652.6公开了一种地区电网三级联合仿真培训系统，利用计算机仿真进行电网培训。但这样的仿真系统不是实际物理电力系统，缺乏现场真实感和氛围，与真实电力系统相比，操作能力训练效果并不十分理想。

人的体力作为一种能源也可以用来发电，例如中国实用新型专利92244873.6公开了一种可发电脚踏健身器。当人做健身运动时，由健身器材运动驱动发电机可产生电能，在健身的同时回收了浪费掉的能量，具有积极的作用。尽管发电机发出的功率很低，但仍有人建议，推广人力发电。可以说，从经济效益和社会效益的角度出发，单纯用人的体力发电是得不偿失的，没有实际意义。而且，在现代化社会里，单纯用人的体力发电的生产方式也过于原始，积极利用人的体力做功的一个重要方面是应该尽量利用其智力和体力的结合，尤其是智力。由此看来，如果能将人的体力所发电力并入电网，利用其开发智力，还能克服直流电机调速系统驱动发电机的弊病，这样，在实验平台中，学员充当人力发电机组中的“动力源”和“调速器”角色，直接参与实验系统运行，学员通过实验设备亲身体验电能现象的量的概念，例如，人的力量与电功率等之间的关系，这对学生正确理解电力系统现象和快速增加电力知识是有很大益处的。

目前，人力发电系统主要由健身器材、发电机、整流器、蓄电池、逆变器等构成，由于其输出功率太小且为单相电源，由于不具有并网控制装置，还没有并网型的人力发电机组能将其所发电力送入电网，因此，目前已有健身车发电装置无法并入电网。

发明内容

为了克服现有技术中电网实验平台的缺点和不足，本发明提供一种基于人力发电机组的电网培训系统，将人力发电机组并入电网发电，用于建立具有学员能灵活操作的环保节能型电网培训系统。

本发明的技术方案为：一种电网培训系统，所述系统包括：人力发电机组、电力网络、400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷、通信网络以及计算机监控系统；所述的人力发电机组通过电力网络与所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷相连接；所述的计算机监控系统通过通信网络与所述的人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷相连接；其中，所述的人力发电机组，用于发电、发电机速度调节并向电力网络输送电能；所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷，用于接收电力网络输送的电能而运行；所述的计算机监控系统，用于设置电网培训项目，并控制和监视所述人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷的运行。

本发明还提供一种电网培训系统，所述系统包括：多台人力发电机组、电力网络、400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷、通信网络以及计算机监控系统；所述的多台人力发电机组分别与所述的电力网络相联，所述400V电网或自设负荷的孤岛电力网的的多个负荷也分别与所述的电力网络相连接；所述的计算机监控系统通过通信网络与所述的多台人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷相连接；其中，人力发电机组，用于发电、发电机速度调节并向所述的电力网络输送电能；400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷，用于接收所述电力网络输送的电能而运行；所述的计算机监控系统，用于设置电网培训项目，并控制和监视所述多台人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷的运行。

本发明以人力发电机组为核心，由多台人力发电机组、开关、输电线路、用户负荷、变压器、继电保护及综合自动化装置等设备灵活组成，可设计和开展各种各样的实验项目。本发明能够反映多机电力系统中电能生产、输送、消费的全过程，符合目前电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现了电力生产过程检测、监视、控制、保护、调度自动化。

本发明真正“以人为本”，可以进行发电厂、电网运行和控制的实验，能给教学提供一个综合的真正的电力物理实验系统，其实验内容覆盖了电气工程专业的绝大部分专业实验，满足学员的教学和科研工作，成为电气工程学科提升教学水平、培养学员实际动手能力和创新能力、促进素质教育的综合实验平台。通过使用本发明，学员能自己设计实验项目，在多机电力系统教学实验平台上，进行电力系统的基本操作技能训练。使得能在电力系统实际环境下，培养学员的实验动手能力、分析能力、科学研究能力，通过学员亲自操作设备，亲身体验电功率的大小和人的力量的对比，从而对电力系统的实际运行有更深入的认识和理解，本发明利用人的体力运动驱动同步大飞轮，同步大飞轮通过同步传送带带动同步小飞轮，同步小飞轮与变速同步轮同轴，从而通过同步传送带带动发电机发出工频电力，这样可用人力驱动和速度调节单元代替传统的直流电动机及其调速器单元，直接驱动和控制发电机，产生电能并将其送入电网，进而构成环保、节能型的基于人力发电机组的电网培训系统。

附图说明

图1是现有技术的发电机组单机系统结构框图；

图2是本发明的人力同步发电机组单机系统结构框图；

图3是本发明具体实施方式的人力发电机组示意图；

图4是多机电力系统教学实验平台结构框图；

图5是交流同步人力发电机组单机系统结构框图；

图6是交流低速人力发电机组单机系统结构框图；

图7是直流人力发电机组单机系统结构框图；

图8是计算机监控系统的分层分布式结构框图；

图9是本发明具体实施方式通信网络的调度通信系统结构框图；

图10是本发明具体实施方式的多机电力系统潮流实验电路原理图；

图11是本发明具体实施方式的多机电力网络运行实验原理图；

图12是本发明具体实施方式的并网控制装置原理图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的具体实施方式。本发明利用人的体力运动驱动人力发电机组代替传统的直流电动机及其调速器单元，驱动和控制发电机，产生电能并将其送入电网，进而构成环保、节能型的基于人力发电机组的电网培训系统。

如图2所示，本发明系统包括：

(1)人力驱动和速度调节装置，人力驱动和调速控制单元通过将人力转换成转子动能实现机组自动启动、频率调整、同步发电机自动增减负荷、自动开、停机等功能。

(2)动能输出车，将人力变成运动的动能。

(3)发电机单元，将人运动的能量转换成电能。

(4)发电机保护单元，采用微机保护单元实现电流保护，也可单独实现继电器特性调整及模拟动作行为实验。

(5)发电机励磁和并网控制装置，包括起励建压和自动励磁调节以及同步发电机的并网和退出电网运行的操作。

(6)电网自动装置，有线路微机型电流、电压保护和自动合闸功能。

(7)负荷，无穷大系统400V电网或自设负荷的孤岛电力系统。

如图3所示，本发明系统的人力驱动和速度调节单元的各部分包括：地面1、系统地面支架2、脚踏板3、同步传送带4、同步大飞轮5、固架6、座位7、储能飞轮8、手把柄9、同步小飞轮轴10、制动瓦片11、制动拉杆12、制动调节柄13、同步大飞轮轴14、同步小飞轮15、变速同步轮16、发电机17、发电机轴18、发电机轴同步轮19、发电机接线盒20以及同步传送带21。

同步速度调节系统主要由同步大飞轮5、同步传送带4、同步小飞轮15、变速同步轮16、同步传送带21和发电机轴同步轮19等组成，当人体用力以一定的速度蹬脚踏板3时，设计同步轮和同步传送带的合适齿数使得发电机能以同步速度旋转，进而产生同步频率的电力，通过发电机接线盒20引出，经过变压器送往电力系统网络或孤岛系统。

储能飞轮8的作用：可以存储机械能，使运动的转速平稳，当作为发电机时，由人力进行储能；当作为电动机时，由电力系统对其进行储能。

制动系统由制动瓦片11、制动拉杆12和制动调节柄13构成，根据系统运行需要可进行制动调节。

通过设计同步大飞轮5、同步小飞轮15、变速同步轮16、发电机轴同步轮19、同步传送带4、同步传送带21的齿数和对应的半径(具体数据不是唯一的，所以这里没有给出)，使得一般人在正常用力发电时，使得发电机能达到3000转，从而能发出工频电力。

如图8所示，计算机监控系统采用计算机来实现，系统规模是按照实施例图11设计的，计算机监控系统采用分层分布式结构。该分层分布式结构应用工业现场总线通信技术，集测量、保护、控制、通讯、管理于一体，可以实现人力发电机组综合自动化管理。监控系统主要由三部分组成：

(1)当地层，当地层主要由测量、保护、控制、并网、励磁等功能模块构成，可通过标准的CAN工业现场总线(或其它工业现场总线)通讯接口将信息传递给集中控制管理层。其功能主要包括：对人力发电机组运行的数据-开关量和模拟量的采集；发电机组的开机和停机控制；人力发电机组调速的控制；人力发电机组励磁的控制和调节；人力发电机组运行实时数据的建立；人力发电机组故障判别和报警；通过集中控制管理层与以太网联接，可以将当地层采集到的信息存储到服务器的后台数据库中。

(2)集中控制管理层，各人力发电机组的集中控制管理层通过工业现场总线将当地层的控制与测量装置信息进行收集，将之发送给调度通信系统总控室的上位机，实现机组信息的上传、远程控制及装置整定值等功能。

(3)总控管理层，它的任务是将存储在后台数据库的信息在以太网上发广播，包括值班站的所有PC机都能收到，为人力发电机组自成系统运行提供信息。还可以通过TCPPIP协议为网络提供WEB服务，可以实现在互联网上监视基于人力发电机组的电网运行情况。

计算机监控系统具有软件管理系统，监控管理采用分层分布式结构。上位机和当地监控制单元之间采用CAN总线(或其它工业总线)通讯网络结构，并通过通讯网络与各发电机组和开关站的相应当地监控制单元相联，可通过局域网与远方调度通讯。监控管理系统上位机采用抗干扰性强的工业控制计算机，各发电机组的当地监控制单元采用具有监控功能的微机励磁系统对发电机机组完成当地监控，各开关站的电量监测采用具有数据处理功能的智能仪表对线路、负荷完成当地监测，并通过高可靠性的PLC对各开关进行监控和负荷调节，且具有过载报警功能，实现电力系统自动化的“四遥”等功能，即：

A遥测：测量每台发电机频率、发电机定子电流、电压、有功功率、无功功率、发电机励磁电流、发电机励磁电压以及每条输电线路和负荷的3相电流、相/线电压、零序电流/电压、有功/无功/视在功率、功率因数、频率等电量。

B遥信：状态信号监测有发电机的励磁开关状态、发电机同期开关状态、输电线路开关状态、联络变压器开关状态、负荷开关状态。

C遥控：控制输电线路开关的跳、合闸，联络开关的跳、合闸，负荷开关的跳、合闸以及切机、切负荷控制。

D遥调：未并网前调节发电机的电压，并网以后调节可以随时在线调节发电机励磁控制参数。

系统的结构采用的是三台发电机组，还可以进一步扩展为多台发电机组，均不影响整个系统运行，具有很好的扩展性。

各当地监控制单元(LCU)均为微机系统，独立面对监控对象实施当地监控，当上位机或一台LCU出现故障时，不影响其它LCU的正常运行。

智能仪表具有开发的标准通讯接口，可方便地接入现场总线网络，因此，系统功能扩充将很方便。

所述的计算机监控系统包括：电力系统启动过程试验单元，用于所述电力系统启动过程的设置和控制；电力系统正常运行过程试验单元，用于所述电力系统正常运行过程的设置和控制；电力系统故障和恢复过程试验单元，用于所述电力系统故障和恢复过程的设置和控制；电力网络互联试验单元，用于所述电力网络互联的设置和控制；多机电力网络潮流分布试验单元，用于所述多机电力网络潮流分布的设置和控制；发电试验单元，该发电试验单元进一步包括：发电厂综合自动化系统实验模块；同步发电机励磁调节器设计及控制实验模块；同步发电机自动和手动并列运行操作及运行特性实验模块；同步发电机甩负荷实验模块；发电机组就地控制和远程控制实验模块；发电机制动电阻实验模块；自动调频系统实验模块；电力系统功角特性和功率极限实验模块；发电机的功角和系统稳态及暂态运行参数可视化实验模块；输电试验单元，该输电试验单元进一步包括：微机型三段式电流保护整定实验模块；微机三相重合闸实验模块；系统最大最小正常运行方式实验模块；输电线路串联补偿实验模块；输电线路各种类型故障试验、故障判别和报警实验模块；变电试验单元，该变电试验单元进一步包括：无功补偿实验模块；低周波减负载实验模块；用电试验单元，该用电试验单元进一步包括：直流电机调速实验模块；交流电机变频调速实验模块；无功补偿实验模块；谐波与滤波模块；电动机保护模块等等。

本发明可以开展的基本试验如下：

(一)整个电力系统

1)整个电力系统的启动过程；

2)整个电力系统的正常运行过程；

3)整个电力系统的故障和恢复过程；

4)网络互联实验；

5)多机电力网潮流分布试验。

(二)发电部分

1)发电厂综合自动化系统实验；

2)同步发电机励磁调节器设计及控制实验；

3)同步发电机自动和手动并列运行操作及其运行特性；

4)同步发电机甩负荷实验；

5)机组当地控制和远程控制；

6)同步机制动电阻实验；

7)自动调频系统实验；

9)电力系统功角特性和功率极限实验；

10)发电机的功角和系统稳态及暂态运行参数可视化。

(三)输电部分

1)微机型三段式电流保护整定实验；

2)微机三相重合闸实验；

3)系统最大最小正常运行方式实验；

4)输电线路串联补偿实验；

5)输电线路各种类型故障试验、故障判别和报警。

(四)变电部分

1)无功补偿实验；

2)低周波减负载实验。

(五)用电部分

1)直流电机调速实验；

2)交流电机变频调速实验；

3)无功补偿实验；

4)谐波与滤波；

5)电动机保护。

基于人力发电机组的单机系统实施例(实施例一)：

本发明的交流工频同步人力发电机组可用于模拟电厂的发电机组，人力发电机组由人力驱动和速度调节、交流同步发电机、发电机保护单元、发电机励磁调节和发电机并网控制装置所组成，所构成的单机无穷大系统或孤岛系统如图2所示，由人力发电机组、出口开关、100V/400V变压器、电网自动装置、集中控制管理单元等设备所组成。交流同步发电机也可采用永磁同步电机或、混合励磁永磁电机。其中，人力驱动和速度调节如图3所示。其中：人力发电机组既可以并网也可以孤岛运行，对于并网型机组，其启动、并网和运行原理与过程如下：

1)准备过程

将交流同步人力发电机组的工作电源(图中未画出)投入运行，将出口开关断开，将出口开关的系统侧接入无穷大电源系统或孤岛电力系统。

2)启动过程

(1)学员骑在动能输出车的座位7上时，用脚蹬脚踏板3对动能输出车施加力的作用，使同步大飞轮5旋转，因为同步大飞轮5和同步小飞轮15通过同步传送带4连在一起，这样可通过同步传送带4驱动小飞轮15；

(2)由于储能飞轮8、变速同步飞轮16和同步小飞轮15均安装在同步小飞轮轴10上，进而通过同步传送带4可将人力的动能储存在储能飞轮8中；

(3)因为变速同步飞轮16和发电机飞轮19通过同步传送带21连在一起，这样可通过同步传送带21驱动发电机轴18；

(4)当由脚踏板3产生的力矩大于发电机17的空载力矩或有载力矩时，交流发电机轴18就会旋转，这样，交流同步发电机(也可采用永磁同步电机、混合励磁永磁电机)就会发出交流电，其工频三相电源从发电机接线盒20中引出，供给负荷或送入电网；

(5)由制动瓦片11、制动拉杆12和制动调节手柄13构成制动系统，根据系统运行需要可进行制动调节。

3)并网过程

对于图5类型的人力发电机组采用旋转灯光法。

如图12所示是三相人力发电机组的旋转灯光法接线原理图，La、Lb、Lc是白炽灯，BS是并网开关(并网前处于断开的状态)，V、H、S分别是电压偏差表、频率偏差表和相位偏差表，虚线线框内为并网控制装置，并网过程如下：

(1)观察La、Lb、Lc三组白炽灯，若依次明灭形成旋转灯光，则表示发电机和电网相序相同；若三组灯同时亮或灭，则表示发电机和电网相序不同，应调换相序。

(2)当发电机和网络相序相同时，调节发电机电压和发电机转速，使各相灯光缓慢轮流旋转发亮，如果电压偏差表V、频率偏差表H和相位偏差表S读数接近于零，待A相白炽灯熄灭时合上并网开关BS，并网成功。

4)运行过程

当学员用力驱动脚踏板时，人力发电机组处于发电状态，而向电力系统送电；当学员停止用力驱动人力车时，人力发电机组处于电动机状态，系统向人力发电机组供电，使电动机带动储能飞轮8旋转，将电能变成机械能。

基于人力发电机组的多机系统实施例(实施例二)：

基于人力发电机组的电力网络实验平台由灵活可变的多机电力网络、通信网络系统、计算机监控系统软件管理系统和当地设备监控单元等四个子系统构成。电力系统教学实验平台由N台人力发电机组、电力网络和n个负荷组成。应该说，这样的平台和实际电力系统基本相似，可以开展各种类型的单机和多机电力系统实验，本发明的人力发电机组配置比较完善，基本的电力网络配置就可以开设前述的电力系统实验项目，如需开展更丰富的实验项目，只需配置电力网络即可。

图11给出一个典型的多机电力网络实验系统，由1～4台人力发电机组模拟实际电力系统中发电厂(G1、G2、G3、G4)、5条不同长度的输电线路(L15、L26、L36、L57、L67)、3台发电机各带1组用白炽灯模拟的纯电阻(或其它类型)当地负荷(LD1、LD2、LD3)、负荷中心的可改变功率大小的1组电动机负荷(LD6)、2个母联开关(S1、S2)、7个母线(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)、7个母线开关站(B1有开关S11、S12、S13、S1；B2有开关S21、S22、S23；B3有开关S31、S32、S33；B4有开关S41、S42；B5有开关S51、S52、S2；B6有开关S61、S62、S63、S64；B7有开关S71、S72、S73)和变压器T等组成。

G1、G2和G3分别模拟相应的发电厂(根据需要可进一步扩展)，G1和G2两台发电机组分别联接到电力网母线B1和B2将所发电力经双回输电线送入无穷大电网，G3发电机组联接到线路中间站母线B6将所发电力送入无穷大电网；

模拟无穷大电源机组G4则由市电380V经变压器T接至母线B7上，4组不同大小的当地负荷LD1、LD2、LD3和LD6分别联接至母线B1、B2、B3和B6母线上，其中一组负荷LD6的功率因数可变；母线B5和B6为线路中间站母线，G1、G2和G3机组可以灵活地进行发电机和电动机运行方式改变，从而可获得丰富的系统潮流分布数据，整个强电系统的线路连接方式可通过线路开关(S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32、S33、S41、S42、S51、S52、S61、S62、S71、S72、S73)和线路联络开关(S1、S2)灵活改变，形成一个灵活可变的电力系统网络，便于理论计算和实验分析。

主网电压等级是100V(或其它电压等级)，每台发电机组的最大功率是500W，无穷大电源短路容量为10MVA。

在该网络基础上，可以设计各种各样的实验。举例如下：

1、电网的建立

(1)给所有的开关控制电源供电，将发电机开关S11、S21、S31、S41和负荷开关S13、S23、S33、S63断开，然后按图11所示的多机电力网络接线图接线；

(2)合上开关S41，变压器系统侧线电压为380V，本网络侧母线B1-B7的线电压均为100V；

(3)启动发电机组G1，并网成功后，S11已经被合上，此时能从本网络和系统之间的联络开关S42的测量仪表上看到本网络向系统输送电功率；如果将当地负荷开关S13合上，如果负荷LD1与G1发送的功率平衡，则联络开关S42的测量仪表上显示的输送电功率为零(注：S42配置的测量仪表可测量电流、电压、有功功率和无功功率)；

(4)同理，将发电机组G2和G3并入电网，并将所有的负荷投入运行，调节各台发电机发出的功率，通过联络开关S42的测量仪表上显示的输送电功率大小可以看出网络发电和供电的平衡状态；网络建立后，就可以通过各种控制手段改变本网络的潮流分布。

2、改变潮流分布的实验

(1)发电机组G1、G2相联，带有当地负荷，通过双回长距离线路L15和L26将功率送入无穷大系统，也可将母联开关S1和S2断开分别输送功率；

(2)在中间站的母线B5和B6经线路L36与母线B3相联，发电机组G3在轻负荷时向系统输送功率，而当重负荷时从系统吸收功率，从而改变潮流方向；

(3)该电力网是具有多个节点的、具有中间站的、双回线的T型电力网络，通过投切线路，能灵活地改变接线方式，如断开联络开关S1和S2，电力网则变成了一个多机辐射状网络，而发电机组G1及其输电线路构成了单机无穷大系统；

(4)如果合上联络开关S1，断开联络开关S2，电力网则变成了一个多机环状网络。

(5)在不改变网络主结构前提下，通过分别改变发电机有功、无功来改变潮流的分布；

(6)可以通过投、切负荷改变电力网潮流的分布，也可以将双回路线改为单回路线输送来改变电力网潮流的分布；

(7)通过改变每台发电机组的运行方式，如发电和电动方式，改变电力网潮流的分布。

3、短路故障分析

在不同的网络结构前提下，针对L15线路做短路试验，可进行故障计算分析，此时当线路L15故障时其线路两端的开关S12和S51会动作跳闸(保护跳闸时间可整定)，也可以针对除L15以外的其它线路做类似的短路试验。

4、孤岛运行

当中间联络站的母线B5发生故障，而开关S2又失灵时，本网络相对于无穷大电源系统将出现两个孤岛系统，即发电机组G1和G2及其相邻线路形成第一个孤岛系统；发电机组G3和相邻线路形成第二个孤岛；故障隔离维修后，按操作规程恢复原系统。

实施例三

电力系统教学实验平台的强电系统如图4所示，由N台人力发电机组、电力网络和n个负荷组成。电力系统教学实验平台调度通信系统如图9所示，这样的平台和实际电力系统基本相似，可以开展各种类型的单机和多机电力系统实验，本发明的人力发电机组配置比较完善，基本的电力网络配置就可以开设如下的电力系统实验项目，如需开展更丰富的实验项目，只需配置电力网络即可。

计算机监控采用分层分布式结构，该结构应用工业以太网络和工业现场总线通信技术，集测量、保护、控制、通讯、管理于一体，可以实现人力发电机组综合自动化管理。监控系统主要由三部分组成：

(1)现地层。现地层主要由测量、保护、控制、并网、励磁等功能模块构成，可通过标准的RS232、485或CAN工业现场总线通讯接口将信息传递给集中控制管理层。其功能主要包括：对人力发电机组运行的数据-开关量和模拟量的采集；发电机组的开机和停机控制；人力发电机组调速的控制；人力发电机组励磁的控制和调节；人力发电机组运行实时数据的建立；人力发电机组故障判别和报警；通过集中控制管理层与以太网联接，可以将现地层采集到的信息存储到服务器的后台数据库中。

(2)集中控制管理层(人力发电机组)。各人力发电机组的集中控制管理层通过工业现场总线将现地层的控制与测量装置信息进行收集，将之发送给调度通信系统总控室的上位机，并采用电力行业标准的通信接口规约，实现机组信息的上传、远程控制及装置整定值等功能。

(3)总控管理层(调度通信系统)。它的任务是将存储在后台数据库的信息在以太网上发广播，包括值班站的所有PC机都能收到，为人力发电机组自成系统运行提供信息。还可以通过TCPPIP协议为网络提供WEB服务，可以实现在互联网上监视人力发电机组的运行情况。

所设计的人力发电机组有三种类型：交流同步人力发电机组、交流低速人力发电机组和直流人力发电机组，交流同步人力发电机组可用于模拟火电厂能直接发出同步频率电源的汽轮发电机组；交流低速人力发电机组可用于模拟风力等直接发出非同步频率电源的新能源类型的发电机组；直流人力发电机组可用于模拟太阳能等能直接发出直流电源的新能源类型的发电机组.每种人力发电机组既可以并网也可以脱离电网运行，对于并网型机组，其启动、并网和运行过程如下：

交流同步人力发电机组(参见图5)：

交流同步人力发电机组可用于模拟火电厂能直接发出同步频率电源的汽轮发电机组，强电部分如图5所示，由学员、动能输出车、变速装置、三相交流同步发电机(采用永磁同步电机或混合励磁同步电机)、测控、保护、并网装置、三相出口开关、三相变压器、工作电源和集中控制管理层计算机等所组成。

启动、并网和运行过程见前述的基于人力发电机组的单机系统实施例(实施例一)。

交流低速人力发电机组(参见图6)：

可用于模拟风力等直接发出非同步频率电源的新能源类型的发电机组，强电部分如图6所示，由学员、动能输出车、三相交流同步发电机(也可采用永磁同步电机、混合励磁永磁电机或异步机)、三相整流和滤波器、三相逆变器、测控、保护、并网装置、三相出口开关、工作电源和集中控制管理层计算机等所组成。

启动、并网和运行过程：

1、准备过程：将交流低速同步人力发电机组的工作电源投入运行，将出口开关合上，将出口开关另一侧接入无穷大电源系统或孤岛电力系统；

2、启动过程：学员用脚或手驱动动能输出车，动能输出车带动交流低速同步发电机旋转，从而产生三相非同步频率交流电，通过三相整流滤波和逆变变成同步频率交流电，集中控制管理层计算机通过测控和保护装置获得启动过程参数，当机端电压及其频率达到额定值时完成启动过程；

3、自动并网：三相并网型逆变器，根据开关系统侧电源的频率，自动进行逆变转换，将直流转换成与电网同频率、同电压和同相位的电力送入系统；

4、运行过程：当学员用力驱动动能输出车时，交流低速同步人力发电机组处于发电状态，而向电力系统送电；当学员停止用力驱动人力车时，人力发电机组停止向电力系统供电。

直流人力发电机组(参见图7)：

可用于模拟太阳能等能直接发出直流电源的新能源类型的发电机组，强电部分如图7所示，由学员、动能输出车、直流发电机、滤波器、三相逆变器、测控、保护、并网装置、三相出口开关、工作电源和集中控制管理层计算机等所组成。

启动、并网和运行过程见上述的交流低速人力发电机组(实施例三)。

实施例四

图10是本发明多机电力系统潮流实验的实施例，多机电力系统由人力发电机组1011、人力发电机组1021、人力发电机组1031、母线1012、母线1022、母线1032、当地负荷(150瓦)1014、当地负荷(150瓦)1024、当地负荷(150瓦)1034、当地负荷开关1013、当地负荷开关1023、当地负荷开关1033、无穷大机组(市电网络)1041、系统母线1042、系统负荷(300瓦)1044、系统负荷开关1043、远距离输电线及其测量仪表1015、远距离输电线及其测量仪表1025、远距离输电线及其测量仪表1035、系统与无穷大电源联络线及其测量仪表1045、无穷大电源开关1046等构成。

实验过程如下：

1、将空载网络接入电网.将母线1012、母线1022、母线1032、系统母线42、远距离输电线及其测量仪表1015、远距离输电线及其测量仪表1025、远距离输电线及其测量仪表1035、系统与无穷大电源联络线及其测量仪表1045连接起来，合上无穷大电源开关1046，这样，将网络与无穷大电源接通.由于网络空载，测量仪表1015、测量仪表1025、测量仪表1035、测量仪表1045均没有功率指示。

2、合上系统负荷开关1043，测量仪表1045有300瓦的功率显示。

3、第一个学员按照人力发电机组的启动要求，将人力发电机组1011启动后并入电网，控制使其发出150瓦的功率，测量仪表1045有150瓦的功率显示，测量仪表1015有150瓦的功率显示。

合上当地负荷开关1013，当地负荷(150瓦)1014被供电，测量仪表1045恢复300瓦的功率显示，测量仪表1015的功率显示为零。

4、第二个学员按照人力发电机组的启动要求，将人力发电机组1022启动后并入电网，控制使其发出150瓦的功率，测量仪表1045有150瓦的功率显示，测量仪表1025有150瓦的功率显示。

合上当地负荷开关1023，当地负荷(150瓦)1024被供电，测量仪表1045恢复300瓦的功率显示，测量仪表1025的功率显示为零。

5、第三个学员按照人力发电机组的启动要求，将人力发电机组1032启动后并入电网，控制使其发出150瓦的功率，测量仪表1045有150瓦的功率显示，测量仪表1025有150瓦的功率显示。

合上当地负荷开关1033，当地负荷(150瓦)1034被供电，测量仪表1045恢复300瓦的功率显示，测量仪表1035的功率显示为零。

6、例如，第一个学员停止驱动其人力发电机组，该人力发电机组就变成了电动机(假设带动150瓦负荷)，各路仪表会有不同的显示。

7、如果断开当地负荷开关1013、当地负荷开关1023、当地负荷开关1033、系统负荷开关1043，那么测量仪表1015、测量仪表1025、测量仪表1035均显示150瓦的发电功率，测量仪表1045显示向无穷大电源系统送450瓦的发电功率。

8、改变任一发电机发出的功率，或改变任一负荷的大小，或改变网络的结构，都可以得到不同的潮流分布。能获得极其丰富的实验内容。

硬件系统：每台发电机的电流、电压都留有标准接口，以及对发电机组调压控制也留有接口，并且各开关的跳、合控制接口全部引到端子排，供试验研究人员使用。

本发明以人力发电机组为核心，由多台人力发电机组、开关、输电线路、用户负荷、变压器、继电保护及综合自动化装置等设备灵活组成，可设计和开展各种各样的实验项目。本发明能够反映多机电力系统中电能生产、输送、消费的全过程，符合目前电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现了电力生产过程检测、监视、控制、保护、调度自动化。

以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (8)

1.一种电网培训系统，其特征是，所述系统包括：多台人力发电机组、电力网络、400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷、通信网络以及计算机监控装置；所述的多台人力发电机组分别与所述的电力网络相联，所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷也分别与所述的电力网络相连接；所述的计算机监控装置通过通信网络与所述的多台人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷相连接；其中，

人力发电机组，用于发电、发电机速度调节并向所述的电力网络输送电能；400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷，用于接收所述电力网络输送的电能而运行；

所述的计算机监控装置，用于设置电网培训项目，并控制和监视所述多台人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷的运行。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的人力发电机组包括：

人力驱动和速度调节单元，用于输出动能，并对运动速度进行调节；

交流同步发电机，用于将动能转化为电能；

发电机保护单元，用于对发电机进行保护；

发电机励磁调节单元，用于对发电机励磁进行调节；

发电机并网控制装置，用于发电机的并网操作。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的人力驱动和速度调节单元包括：

动能输出车，该动能输出车包括脚踏板(3)、同步传送带(4)、同步大飞轮(5)、固架(6)、座位(7)、储能飞轮(8)、手把柄(9)、同步小飞轮轴(10)、制动瓦片(11)、制动拉杆(12)、制动调节柄(13)、同步大飞轮轴(14)、同步小飞轮(15)、变速同步轮(16)；所述脚踏板(3)与同步大飞轮轴(14)相连接，所述固架(6)与所述座位(7)及所述手把柄(9)相连接，储能飞轮(8)、同步小飞轮(15)及变速同步轮(16)安装在同步小飞轮轴(10)上，所述制动拉杆(12)连接在所述制动瓦片(11)与所述制动调节柄(13)之间；所述的同步传送带(4)将同步小飞轮轴(10)和同步大飞轮轴(14)相连接；

支架(2)，用于支撑所述的动能输出车。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是，所述的交流同步发电机包括：

发电机轴(18)、发电机轴同步轮(19)、发电机接线盒(20)、同步传送带(21)；所述的同步传送带(21)将所述的发电机轴同步轮(19)和变速同步轮(16)相连接；

所述的支架(2)，用于支撑所述的动能输出车和交流同步发电机。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的系统还包括：多个出口开关和多个变压器；所述的人力发电机组通过对应的出口开关和变压器与所述的电力网络相连接。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的系统还包括：电网自动装置，用于接受所述计算机监控系统的控制，对所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的多个负荷执行线路微机型电流、电压保护和自动合闸。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的计算机监控装置包括：

电力系统启动过程试验单元，用于所述电力系统启动过程的设置和控制；

电力系统正常运行过程试验单元，用于所述电力系统正常运行过程的设置和控制；

电力系统故障和恢复过程试验单元，用于所述电力系统故障和恢复过程的设置和控制；

电力网络互联试验单元，用于所述电力网络互联的设置和控制；

多机电力网络潮流分布试验单元，用于所述多机电力网络潮流分布的设置和控制；

发电试验单元，该发电试验单元进一步包括：发电厂综合自动化系统实验模块；同步发电机励磁调节器设计及控制实验模块；同步发电机自动和手动并列运行操作及运行特性实验模块；同步发电机甩负荷实验模块；发电机组就地控制和远程控制实验模块；发电机制动电阻实验模块；自动调频系统实验模块；电力系统功角特性和功率极限实验模块；发电机的功角和系统稳态及暂态运行参数可视化实验模块；

输电试验单元，该输电试验单元进一步包括：微机型三段式电流保护整定实验模块；微机三相重合闸实验模块；系统最大最小正常运行方式实验模块；输电线路串联补偿实验模块；输电线路各种类型故障试验、故障判别和报警实验模块；

变电试验单元，该变电试验单元进一步包括：无功补偿实验模块；低周波减负载实验模块；

用电试验单元，该用电试验单元进一步包括：直流电机调速实验模块；交流电机变频调速实验模块；无功补偿实验模块；谐波与滤波模块；电动机保护模块。

8.一种电网培训系统，其特征是，所述系统包括：人力发电机组、电力网络、400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷、通信网络以及计算机监控系统；所述的人力发电机组通过电力网络与所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷相连接；所述的计算机监控系统通过通信网络与所述的人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷相连接；其中，

所述的人力发电机组，用于发电、发电机速度调节并向电力网络输送电能；

所述的400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷，用于接收电力网络输送的电能而运行；

所述的计算机监控系统，用于设置电网培训项目，并控制和监视所述人力发电机组及400V电网或自设负荷的孤岛电力网的负荷的运行。

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