專利名稱：一種基于人力發(fā)電機組的電網培訓系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電工技術領域，特別是電工技術培訓的實驗裝置，具體的講是一種基于人力發(fā)電機組的電網培訓系統(tǒng)。
背景技術：
電網培訓系統(tǒng)是電氣工程學科科研、教學和培訓單位不可缺少的重要實驗平臺。它應該能夠模擬電力系統(tǒng)中電能的生產、輸送和消費過程，也能反映電力系統(tǒng)的啟動、運行、故障和恢復等過程，符合目前電力系統(tǒng)高度自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)電力生產過程檢測、監(jiān)視、控制、保護、調度自動化，對學員進行綜合培訓，成為電氣工程學科提升教學水平，促進素質教育的綜合實驗平臺。
目前國內外比較典型的單機無窮大電網實驗平臺的發(fā)電機組由10kW以上的直流電動機和10kW以上的交流同步發(fā)電機同軸連接構成，輸出的電力送入電力系統(tǒng)的400V市電電網(以下也稱為無窮大系統(tǒng))或自設負荷的孤島電力系統(tǒng)(這里指不與市電電網連接)；控制部分主要包括直流電動機動力單元、調速單元、發(fā)電機保護單元、勵磁調節(jié)單元和發(fā)電機并網控制裝置等。發(fā)電機組可以通過負載系統(tǒng)組成獨立的發(fā)電機-400V孤島電網，也可以由發(fā)電機組與市電系統(tǒng)400V電源構成單機無窮大電網或多機電網。發(fā)電機組的控制和運行可以單獨由常規(guī)控制手動完成，也可以由計算機控制的功能模塊或開關自動完成。如圖1所示，現(xiàn)有技術的功能如下(1)調速控制單元，一般由全控型三相智能可控硅整流模塊(或PWM模塊)、頻率變送器和單片機控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)機組自動啟動、頻率調整、同步發(fā)電機自動增減負荷、自動開/停機等功能。
(2)發(fā)電機單元，將其它形式的能量轉換成電能。
(3)發(fā)電機保護單元，采用微機型或模擬器件的保護單元實現(xiàn)電流電壓等保護。
(4)發(fā)電機勵磁和并網控制裝置，包括起勵建壓和自動勵磁調節(jié)以及同步發(fā)電機的并網和退出電網等運行方式的操作。
(5)電網自動裝置，具有線路微機型電流、電壓保護和自動合閘等功能。
(6)系統(tǒng)400V電網或自設負荷孤島電力系統(tǒng)。
典型的多機電網實驗平臺的基本功能與單機系統(tǒng)基本相似，只是發(fā)電機的臺數(shù)多一些，強電網絡更復雜。但由于成本太高，一般實驗室均為單機無窮大電網實驗平臺。
上述試驗平臺的缺點是(1)所需實驗設備容量大，導致實驗室投資過大，并且占地面積多；(2)電壓等級高，學員操作安全性差；(3)由于成本高，一般建立單機系統(tǒng)，只能開設有限的實驗內容；(4)由于設備貴重，考慮到安全等問題，一般由實驗人員操作，而學員親自動手操作的機會很少；(5)發(fā)電機組運行方式單一，只能以發(fā)電方式運行，不能以電動方式運行；(6)設備容量大，在運行中消耗大量的電能；(7)學員無法通過實驗設備親身體驗電能現(xiàn)象的量的概念，例如電功率等。
另外，由于計算機飛速發(fā)展，一些科研單位開發(fā)了數(shù)字仿真電力系統(tǒng)，用數(shù)學模型虛擬電力網絡系統(tǒng)，讓學員在計算機上進行仿真模擬操作，這對于學員來說也能起到一定程度的教學作用。例如，中國專利申請200310112652.6公開了一種地區(qū)電網三級聯(lián)合仿真培訓系統(tǒng)，利用計算機仿真進行電網培訓。但這樣的仿真系統(tǒng)不是實際物理電力系統(tǒng)，缺乏現(xiàn)場真實感和氛圍，與真實電力系統(tǒng)相比，操作能力訓練效果并不十分理想。
人的體力作為一種能源也可以用來發(fā)電，例如中國實用新型專利92244873.6公開了一種可發(fā)電腳踏健身器。當人做健身運動時，由健身器材運動驅動發(fā)電機可產生電能，在健身的同時回收了浪費掉的能量，具有積極的作用。盡管發(fā)電機發(fā)出的功率很低，但仍有人建議，推廣人力發(fā)電?？梢哉f，從經濟效益和社會效益的角度出發(fā)，單純用人的體力發(fā)電是得不償失的，沒有實際意義。而且，在現(xiàn)代化社會里，單純用人的體力發(fā)電的生產方式也過于原始，積極利用人的體力做功的一個重要方面是應該盡量利用其智力和體力的結合，尤其是智力。由此看來，如果能將人的體力所發(fā)電力并入電網，利用其開發(fā)智力，還能克服直流電機調速系統(tǒng)驅動發(fā)電機的弊病，這樣，在實驗平臺中，學員充當人力發(fā)電機組中的“動力源”和“調速器”角色，直接參與實驗系統(tǒng)運行，學員通過實驗設備親身體驗電能現(xiàn)象的量的概念，例如，人的力量與電功率等之間的關系，這對學生正確理解電力系統(tǒng)現(xiàn)象和快速增加電力知識是有很大益處的。
目前，人力發(fā)電系統(tǒng)主要由健身器材、發(fā)電機、整流器、蓄電池、逆變器等構成，由于其輸出功率太小且為單相電源，由于不具有并網控制裝置，還沒有并網型的人力發(fā)電機組能將其所發(fā)電力送入電網，因此，目前已有健身車發(fā)電裝置無法并入電網。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術中電網實驗平臺的缺點和不足，本發(fā)明提供一種基于人力發(fā)電機組的電網培訓系統(tǒng)，將人力發(fā)電機組并入電網發(fā)電，用于建立具有學員能靈活操作的環(huán)保節(jié)能型電網培訓系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術方案為一種電網培訓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括人力發(fā)電機組、電力網絡、負荷、通信網絡以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)；所述的人力發(fā)電機組通過電力網絡與所述的負荷相連接；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信網絡與所述的人力發(fā)電機組及負荷相連接；其中，所述的人力發(fā)電機組，用于發(fā)電、速度調節(jié)并向電力網絡輸送電能；所述的負荷，用于接收電力網絡輸送的電能而運行；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，用于設置電網培訓項目，并控制和監(jiān)視所述人力發(fā)電機組及負荷裝置的運行。
本發(fā)明還提供一種電網培訓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括多臺人力發(fā)電機組、電力網絡、多個負荷、通信網絡以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)；所述的多臺人力發(fā)電機組分別與所述的電力網絡相聯(lián)，所述的負荷也分別與所述的電力網絡相聯(lián)相連接；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信網絡與所述的多臺人力發(fā)電機組及多個負荷相連接；其中，人力發(fā)電機組，用于發(fā)電、速度調節(jié)并向所述的電力網絡輸送電能；負荷，用于接收所述電力網絡輸送的電能而運行；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，用于設置電網培訓項目，并控制和監(jiān)視所述多臺人力發(fā)電機組及多個負荷裝置的運行。
本發(fā)明以人力發(fā)電機組為核心，由多臺人力發(fā)電機組、開關、輸電線路、用戶負荷、變壓器、繼電保護及綜合自動化裝置等設備靈活組成，可設計和開展各種各樣的實驗項目。本發(fā)明能夠反映多機電力系統(tǒng)中電能生產、輸送、消費的全過程，符合目前電力系統(tǒng)高度自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)了電力生產過程檢測、監(jiān)視、控制、保護、調度自動化。
本發(fā)明真正“以人為本”，可以進行發(fā)電廠、電網運行和控制的實驗，能給教學提供一個綜合的真正的電力物理實驗系統(tǒng)，其實驗內容覆蓋了電氣工程專業(yè)的絕大部分專業(yè)實驗，滿足學員的教學和科研工作，成為電氣工程學科提升教學水平、培養(yǎng)學員實際動手能力和創(chuàng)新能力、促進素質教育的綜合實驗平臺。通過使用本發(fā)明，學員能自己設計實驗項目，在多機電力系統(tǒng)教學實驗平臺上，進行電力系統(tǒng)的基本操作技能訓練。使得能在電力系統(tǒng)實際環(huán)境下，培養(yǎng)學員的實驗動手能力、分析能力、科學研究能力，通過學員親自操作設備，親身體驗電功率的大小和人的力量的對比，從而對電力系統(tǒng)的實際運行有更深入的認識和理解，本發(fā)明利用人的體力運動驅動同步大飛輪，同步大飛輪通過同步傳送帶帶動同步小飛輪，同步小飛輪與變速同步輪同軸，從而通過同步傳送帶帶動發(fā)電機發(fā)出工頻電力，這樣可用人力驅動和速度調節(jié)單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電動機及其調速器單元，直接驅動和控制發(fā)電機，產生電能并將其送入電網，進而構成環(huán)保、節(jié)能型的基于人力發(fā)電機組的電網培訓系統(tǒng)。


圖1是現(xiàn)有技術的發(fā)電機組單機系統(tǒng)結構框圖；
圖2是本發(fā)明的人力同步發(fā)電機組單機系統(tǒng)結構框圖；圖3是本發(fā)明具體實施方式
的人力發(fā)電機組示意圖；圖4是多機電力系統(tǒng)教學實驗平臺結構框圖；圖5是交流同步人力發(fā)電機組單機系統(tǒng)結構框圖；圖6是交流低速人力發(fā)電機組單機系統(tǒng)結構框圖；圖7是直流人力發(fā)電機組單機系統(tǒng)結構框圖；圖8是計算機監(jiān)控系統(tǒng)的分層分布式結構框圖；圖9是本發(fā)明具體實施方式
通信網絡的調度通信系統(tǒng)結構框圖；圖10是本發(fā)明具體實施方式
的多機電力系統(tǒng)潮流實驗電路原理圖；圖11是本發(fā)明具體實施方式
的多機電力網絡運行實驗原理圖；圖12是本發(fā)明具體實施方式
的并網控制裝置原理圖。
具體實施例方式
以下參照

本發(fā)明的具體實施方式
。本發(fā)明利用人的體力運動驅動人力發(fā)電機組代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電動機及其調速器單元，驅動和控制發(fā)電機，產生電能并將其送入電網，進而構成環(huán)保、節(jié)能型的基于人力發(fā)電機組的電網培訓系統(tǒng)。
如圖2所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括(1)人力驅動和速度調節(jié)裝置，人力驅動和調速控制單元通過將人力轉換成轉子動能實現(xiàn)機組自動啟動、頻率調整、同步發(fā)電機自動增減負荷、自動開、停機等功能。
(2)動能輸出車，將人力變成運動的動能。
(3)發(fā)電機單元，將人運動的能量轉換成電能。
(4)發(fā)電機保護單元，采用微機保護單元實現(xiàn)電流保護，也可單獨實現(xiàn)繼電器特性調整及模擬動作行為實驗。
(5)發(fā)電機勵磁和并網控制裝置，包括起勵建壓和自動勵磁調節(jié)以及同步發(fā)電機的并網和退出電網運行的操作。
(6)電網自動裝置，有線路微機型電流、電壓保護和自動合閘功能。
(7)負荷，無窮大系統(tǒng)400V電網或自設負荷的孤島電力系統(tǒng)。
如圖3所示，本發(fā)明系統(tǒng)的人力驅動和速度調節(jié)單元的各部分包括地面1、系統(tǒng)地面支架2、腳踏板3、同步傳送帶4、同步大飛輪5、固架6、座位7、儲能飛輪8、手把柄9、同步小飛輪軸10、制動瓦片11、制動拉桿12、制動調節(jié)柄13、同步大飛輪軸14、同步小飛輪15、變速同步輪16、發(fā)電機17、發(fā)電機軸18、發(fā)電機軸同步輪19、發(fā)電機接線盒20以及同步傳送帶21。
同步速度調節(jié)系統(tǒng)主要由同步大飛輪5、同步傳送帶4、同步小飛輪15、變速同步輪16、同步傳送帶21和發(fā)電機軸同步輪19等組成，當人體用力以一定的速度蹬腳踏板3時，設計同步輪和同步傳送帶的合適齒數(shù)使得發(fā)電機能以同步速度旋轉，進而產生同步頻率的電力，通過發(fā)電機接線盒20引出，經過變壓器送往電力系統(tǒng)網絡或孤島系統(tǒng)。
儲能飛輪8的作用可以存儲機械能，使運動的轉速平穩(wěn)，當作為發(fā)電機時，由人力進行儲能；當作為電動機時，由電力系統(tǒng)對其進行儲能。
制動系統(tǒng)由制動瓦片11、制動拉桿12和制動調節(jié)柄13構成，根據(jù)系統(tǒng)運行需要可進行制動調節(jié)。
通過設計同步大飛輪5、同步小飛輪15、變速同步輪16、發(fā)電機軸同步輪19、同步傳送帶4、同步傳送帶21的齒數(shù)和對應的半徑(具體數(shù)據(jù)不是唯一的，所以這里沒有給出)，使得一般人在正常用力發(fā)電時，使得發(fā)電機能達到3000轉，從而能發(fā)出工頻電力。
如圖8所示，計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機來實現(xiàn)，系統(tǒng)規(guī)模是按照實施例圖11設計的，計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結構。該分層分布式結構應用工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術，集測量、保護、控制、通訊、管理于一體，可以實現(xiàn)人力發(fā)電機組綜合自動化管理。監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成(1)當?shù)貙?，當?shù)貙又饕蓽y量、保護、控制、并網、勵磁等功能模塊構成，可通過標準的CAN工業(yè)現(xiàn)場總線(或其它工業(yè)現(xiàn)場總線)通訊接口將信息傳遞給集中控制管理層。其功能主要包括對人力發(fā)電機組運行的數(shù)據(jù)-開關量和模擬量的采集；發(fā)電機組的開機和停機控制；人力發(fā)電機組調速的控制；人力發(fā)電機組勵磁的控制和調節(jié)；人力發(fā)電機組運行實時數(shù)據(jù)的建立；人力發(fā)電機組故障判別和報警；通過集中控制管理層與以太網聯(lián)接，可以將當?shù)貙硬杉降男畔⒋鎯Φ椒掌鞯暮笈_數(shù)據(jù)庫中。
(2)集中控制管理層，各人力發(fā)電機組的集中控制管理層通過工業(yè)現(xiàn)場總線將當?shù)貙拥目刂婆c測量裝置信息進行收集，將之發(fā)送給調度通信系統(tǒng)總控室的上位機，實現(xiàn)機組信息的上傳、遠程控制及裝置整定值等功能。
(3)總控管理層，它的任務是將存儲在后臺數(shù)據(jù)庫的信息在以太網上發(fā)廣播，包括值班站的所有PC機都能收到，為人力發(fā)電機組自成系統(tǒng)運行提供信息。還可以通過TCPPIP協(xié)議為網絡提供WEB服務，可以實現(xiàn)在互聯(lián)網上監(jiān)視基于人力發(fā)電機組的電網運行情況。
計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有軟件管理系統(tǒng)，監(jiān)控管理采用分層分布式結構。上位機和當?shù)乇O(jiān)控制單元之間采用CAN總線(或其它工業(yè)總線)通訊網絡結構，并通過通訊網絡與各發(fā)電機組和開關站的相應當?shù)乇O(jiān)控制單元相聯(lián)，可通過局域網與遠方調度通訊。監(jiān)控管理系統(tǒng)上位機采用抗干擾性強的工業(yè)控制計算機，各發(fā)電機組的當?shù)乇O(jiān)控制單元采用具有監(jiān)控功能的微機勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機機組完成當?shù)乇O(jiān)控，各開關站的電量監(jiān)測采用具有數(shù)據(jù)處理功能的智能儀表對線路、負荷完成當?shù)乇O(jiān)測，并通過高可靠性的PLC對各開關進行監(jiān)控和負荷調節(jié)，且具有過載報警功能，實現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化的“四遙”等功能，即A遙測測量每臺發(fā)電機頻率、發(fā)電機定子電流、電壓、有功功率、無功功率、發(fā)電機勵磁電流、發(fā)電機勵磁電壓以及每條輸電線路和負荷的3相電流、相/線電壓、零序電流/電壓、有功/無功/視在功率、功率因數(shù)、頻率等電量。
B遙信狀態(tài)信號監(jiān)測有發(fā)電機的勵磁開關狀態(tài)、發(fā)電機同期開關狀態(tài)、輸電線路開關狀態(tài)、聯(lián)絡變壓器開關狀態(tài)、負荷開關狀態(tài)。
C遙控控制輸電線路開關的跳、合閘，聯(lián)絡開關的跳、合閘，負荷開關的跳、合閘以及切機、切負荷控制。
D遙調未并網前調節(jié)發(fā)電機的電壓，并網以后調節(jié)可以隨時在線調節(jié)發(fā)電機勵磁控制參數(shù)。
系統(tǒng)的結構采用的是三臺發(fā)電機組，還可以進一步擴展為多臺發(fā)電機組，均不影響整個系統(tǒng)運行，具有很好的擴展性。
各當?shù)乇O(jiān)控制單元(LCU)均為微機系統(tǒng)，獨立面對監(jiān)控對象實施當?shù)乇O(jiān)控，當上位機或一臺LCU出現(xiàn)故障時，不影響其它LCU的正常運行。
智能儀表具有開發(fā)的標準通訊接口，可方便地接入現(xiàn)場總線網絡，因此，系統(tǒng)功能擴充將很方便。
所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)包括電力系統(tǒng)啟動過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)啟動過程的設置和控制；電力系統(tǒng)正常運行過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)正常運行過程的設置和控制；電力系統(tǒng)故障和恢復過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)故障和恢復過程的設置和控制；電力網絡互聯(lián)試驗單元，用于所述電力網絡互聯(lián)的設置和控制；多機電力網絡潮流分布試驗單元，用于所述多機電力網絡潮流分布的設置和控制；發(fā)電試驗單元，該發(fā)電試驗單元進一步包括發(fā)電廠綜合自動化系統(tǒng)實驗模塊；同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器設計及控制實驗模塊；同步發(fā)電機自動和手動并列運行操作及運行特性實驗模塊；同步發(fā)電機甩負荷實驗模塊；發(fā)電機組就地控制和遠程控制實驗模塊；發(fā)電機制動電阻實驗模塊；自動調頻系統(tǒng)實驗模塊；電力系統(tǒng)功角特性和功率極限實驗模塊；發(fā)電機的功角和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行參數(shù)可視化實驗模塊；輸電試驗單元，該輸電試驗單元進一步包括微機型三段式電流保護整定實驗模塊；微機三相重合閘實驗模塊；系統(tǒng)最大最小正常運行方式實驗模塊；輸電線路串聯(lián)補償實驗模塊；輸電線路各種類型故障試驗、故障判別和報警實驗模塊；變電試驗單元，該變電試驗單元進一步包括無功補償實驗模塊；低周波減負載實驗模塊；用電試驗單元，該用電試驗單元進一步包括直流電機調速實驗模塊；交流電機變頻調速實驗模塊；無功補償實驗模塊；諧波與濾波模塊；電動機保護模塊等等。
本發(fā)明可以開展的基本試驗如下(一)整個電力系統(tǒng)1)整個電力系統(tǒng)的啟動過程；2)整個電力系統(tǒng)的正常運行過程；
3)整個電力系統(tǒng)的故障和恢復過程；4)網絡互聯(lián)實驗；5)多機電力網潮流分布試驗。
(二)發(fā)電部分1)發(fā)電廠綜合自動化系統(tǒng)實驗；2)同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器設計及控制實驗；3)同步發(fā)電機自動和手動并列運行操作及其運行特性；4)同步發(fā)電機甩負荷實驗；5)機組當?shù)乜刂坪瓦h程控制；6)同步機制動電阻實驗；7)自動調頻系統(tǒng)實驗；9)電力系統(tǒng)功角特性和功率極限實驗；10)發(fā)電機的功角和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行參數(shù)可視化。
(三)輸電部分1)微機型三段式電流保護整定實驗；2)微機三相重合閘實驗；3)系統(tǒng)最大最小正常運行方式實驗；4)輸電線路串聯(lián)補償實驗；5)輸電線路各種類型故障試驗、故障判別和報警。
(四)變電部分1)無功補償實驗；2)低周波減負載實驗。
(五)用電部分1)直流電機調速實驗；2)交流電機變頻調速實驗；3)無功補償實驗；4)諧波與濾波；
5)電動機保護。
基于人力發(fā)電機組的單機系統(tǒng)實施例(實施例一)本發(fā)明的交流工頻同步人力發(fā)電機組可用于模擬電廠的發(fā)電機組，人力發(fā)電機組由人力驅動和速度調節(jié)、交流同步發(fā)電機、發(fā)電機保護單元、發(fā)電機勵磁調節(jié)和發(fā)電機并網控制裝置所組成，所構成的單機無窮大系統(tǒng)或孤島系統(tǒng)如圖2所示，由人力發(fā)電機組、出口開關、100V/400V變壓器、電網自動裝置、集中控制管理單元等設備所組成。交流同步發(fā)電機也可采用永磁同步電機或、混合勵磁永磁電機。其中，人力驅動和速度調節(jié)如圖3所示。其中人力發(fā)電機組既可以并網也可以孤島運行，對于并網型機組，其啟動、并網和運行原理與過程如下1)準備過程將交流同步人力發(fā)電機組的工作電源(圖中未畫出)投入運行，將出口開關斷開，將出口開關的系統(tǒng)側接入無窮大電源系統(tǒng)或孤島電力系統(tǒng)。
2)啟動過程(1)學員騎在動能輸出車的座位7上時，用腳蹬腳踏板3對動能輸出車施加力的作用，使同步大飛輪5旋轉，因為同步大飛輪5和同步小飛輪15通過同步傳送帶4連在一起，這樣可通過同步傳送帶4驅動小飛輪15；(2)由于儲能飛輪8、變速同步飛輪16和同步小飛輪15均安裝在同步小飛輪軸10上，進而通過同步傳送帶4可將人力的動能儲存在儲能飛輪8中；(3)因為變速同步飛輪16和發(fā)電機飛輪19通過同步傳送帶21連在一起，這樣可通過同步傳送帶21驅動發(fā)電機軸18；(4)當由腳踏板3產生的力矩大于發(fā)電機17的空載力矩或有載力矩時，交流發(fā)電機軸18就會旋轉，這樣，交流同步發(fā)電機(也可采用永磁同步電機、混合勵磁永磁電機)就會發(fā)出交流電，其工頻三相電源從發(fā)電機接線盒20中引出，供給負荷或送入電網；(5)由制動瓦片11、制動拉桿12和制動調節(jié)手柄13構成制動系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)運行需要可進行制動調節(jié)。
3)并網過程對于圖5類型的人力發(fā)電機組采用旋轉燈光法。
如圖12所示是三相人力發(fā)電機組的旋轉燈光法接線原理圖，La、Lb、Lc是白熾燈，BS是并網開關(并網前處于斷開的狀態(tài))，V、H、S分別是電壓偏差表、頻率偏差表和相位偏差表，虛線線框內為并網控制裝置，并網過程如下(1)觀察La、Lb、Lc三組白熾燈，若依次明滅形成旋轉燈光，則表示發(fā)電機和電網相序相同；若三組燈同時亮或滅，則表示發(fā)電機和電網相序不同，應調換相序。
(2)當發(fā)電機和網絡相序相同時，調節(jié)發(fā)電機電壓和發(fā)電機轉速，使各相燈光緩慢輪流旋轉發(fā)亮，如果電壓偏差表V、頻率偏差表H和相位偏差表S讀數(shù)接近于零，待A相白熾燈熄滅時合上并網開關BS，并網成功。
4)運行過程當學員用力驅動腳踏板時，人力發(fā)電機組處于發(fā)電狀態(tài)，而向電力系統(tǒng)送電；當學員停止用力驅動人力車時，人力發(fā)電機組處于電動機狀態(tài)，系統(tǒng)向人力發(fā)電機組供電，使電動機帶動儲能飛輪8旋轉，將電能變成機械能。
基于人力發(fā)電機組的多機系統(tǒng)實施例(實施例二)基于人力發(fā)電機組的電力網絡實驗平臺由靈活可變的多機電力網絡、通信網絡系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)軟件管理系統(tǒng)和當?shù)卦O備監(jiān)控單元等四個子系統(tǒng)構成。電力系統(tǒng)教學實驗平臺由N臺人力發(fā)電機組、電力網絡和n個負荷組成。應該說，這樣的平臺和實際電力系統(tǒng)基本相似，可以開展各種類型的單機和多機電力系統(tǒng)實驗，本發(fā)明的人力發(fā)電機組配置比較完善，基本的電力網絡配置就可以開設前述的電力系統(tǒng)實驗項目，如需開展更豐富的實驗項目，只需配置電力網絡即可。
圖11給出一個典型的多機電力網絡實驗系統(tǒng)，由1～4臺人力發(fā)電機組模擬實際電力系統(tǒng)中發(fā)電廠(G1、G2、G3、G4)、5條不同長度的輸電線路(L15、L26、L36、L57、L67)、3臺發(fā)電機各帶1組用白熾燈模擬的純電阻(或其它類型)當?shù)刎摵?LD1、LD2、LD3)、負荷中心的可改變功率大小的1組電動機負荷(LD6)、2個母聯(lián)開關(S1、S2)、7個母線(B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)、7個母線開關站(B1有開關S11、S12、S13、S1；B2有開關S21、S22、S23；B3有開關S31、S32、S33；B4有開關S41、S42；B5有開關S51、S52、S2；B6有開關S61、S62、S63、S64；B7有開關S71、S72、S73)和變壓器T等組成。
G1、G2和G3分別模擬相應的發(fā)電廠(根據(jù)需要可進一步擴展)，G1和G2兩臺發(fā)電機組分別聯(lián)接到電力網母線B1和B2將所發(fā)電力經雙回輸電線送入無窮大電網，G3發(fā)電機組聯(lián)接到線路中間站母線B6將所發(fā)電力送入無窮大電網；模擬無窮大電源機組G4則由市電380V經變壓器T接至母線B7上，4組不同大小的當?shù)刎摵蒐D1、LD2、LD3和LD6分別聯(lián)接至母線B1、B2、B3和B6母線上，其中一組負荷LD6的功率因數(shù)可變；母線B5和B6為線路中間站母線，G1、G2和G3機組可以靈活地進行發(fā)電機和電動機運行方式改變，從而可獲得豐富的系統(tǒng)潮流分布數(shù)據(jù)，整個強電系統(tǒng)的線路連接方式可通過線路開關(S11、S12、S13、S21、S22、S23、S31、S32、S33、S41、S42、S51、S52、S61、S62、S71、S72、S73)和線路聯(lián)絡開關(S1、S2)靈活改變，形成一個靈活可變的電力系統(tǒng)網絡，便于理論計算和實驗分析。
主網電壓等級是100V(或其它電壓等級)，每臺發(fā)電機組的最大功率是500W，無窮大電源短路容量為10MVA。
在該網絡基礎上，可以設計各種各樣的實驗。舉例如下1、電網的建立(1)給所有的開關控制電源供電，將發(fā)電機開關S11、S21、S31、S41和負荷開關S13、S23、S33、S63斷開，然后按圖11所示的多機電力網絡接線圖接線；(2)合上開關S41，變壓器系統(tǒng)側線電壓為380V，本網絡側母線B1-B7的線電壓均為100V；(3)啟動發(fā)電機組G1，并網成功后，S11已經被合上，此時能從本網絡和系統(tǒng)之間的聯(lián)絡開關S42的測量儀表上看到本網絡向系統(tǒng)輸送電功率；如果將當?shù)刎摵砷_關S13合上，如果負荷LD1與G1發(fā)送的功率平衡，則聯(lián)絡開關S42的測量儀表上顯示的輸送電功率為零(注S42配置的測量儀表可測量電流、電壓、有功功率和無功功率)；(4)同理，將發(fā)電機組G2和G3并入電網，并將所有的負荷投入運行，調節(jié)各臺發(fā)電機發(fā)出的功率，通過聯(lián)絡開關S42的測量儀表上顯示的輸送電功率大小可以看出網絡發(fā)電和供電的平衡狀態(tài)；網絡建立后，就可以通過各種控制手段改變本網絡的潮流分布。
2、改變潮流分布的實驗(1)發(fā)電機組G1、G2相聯(lián)，帶有當?shù)刎摵?，通過雙回長距離線路L15和L26將功率送入無窮大系統(tǒng)，也可將母聯(lián)開關S1和S2斷開分別輸送功率；(2)在中間站的母線B5和B6經線路L36與母線B3相聯(lián)，發(fā)電機組G3在輕負荷時向系統(tǒng)輸送功率，而當重負荷時從系統(tǒng)吸收功率，從而改變潮流方向；(3)該電力網是具有多個節(jié)點的、具有中間站的、雙回線的T型電力網絡，通過投切線路，能靈活地改變接線方式，如斷開聯(lián)絡開關S1和S2，電力網則變成了一個多機輻射狀網絡，而發(fā)電機組G1及其輸電線路構成了單機無窮大系統(tǒng)；(4)如果合上聯(lián)絡開關S1，斷開聯(lián)絡開關S2，電力網則變成了一個多機環(huán)狀網絡。
(5)在不改變網絡主結構前提下，通過分別改變發(fā)電機有功、無功來改變潮流的分布；(6)可以通過投、切負荷改變電力網潮流的分布，也可以將雙回路線改為單回路線輸送來改變電力網潮流的分布；(7)通過改變每臺發(fā)電機組的運行方式，如發(fā)電和電動方式，改變電力網潮流的分布。
3、短路故障分析在不同的網絡結構前提下，針對L15線路做短路試驗，可進行故障計算分析，此時當線路L15故障時其線路兩端的開關S12和S51會動作跳閘(保護跳閘時間可整定)，也可以針對除L15以外的其它線路做類似的短路試驗。
4、孤島運行當中間聯(lián)絡站的母線B5發(fā)生故障，而開關S2又失靈時，本網絡相對于無窮大電源系統(tǒng)將出現(xiàn)兩個孤島系統(tǒng)，即發(fā)電機組G1和G2及其相鄰線路形成第一個孤島系統(tǒng)；發(fā)電機組G3和相鄰線路形成第二個孤島；故障隔離維修后，按操作規(guī)程恢復原系統(tǒng)。
實施例三電力系統(tǒng)教學實驗平臺的強電系統(tǒng)如圖4所示，由N臺人力發(fā)電機組、電力網絡和n個負荷組成。電力系統(tǒng)教學實驗平臺調度通信系統(tǒng)如圖9所示，這樣的平臺和實際電力系統(tǒng)基本相似，可以開展各種類型的單機和多機電力系統(tǒng)實驗，本發(fā)明的人力發(fā)電機組配置比較完善，基本的電力網絡配置就可以開設如下的電力系統(tǒng)實驗項目，如需開展更豐富的實驗項目，只需配置電力網絡即可。
計算機監(jiān)控采用分層分布式結構，該結構應用工業(yè)以太網絡和工業(yè)現(xiàn)場總線通信技術，集測量、保護、控制、通訊、管理于一體，可以實現(xiàn)人力發(fā)電機組綜合自動化管理。監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成(1)現(xiàn)地層?，F(xiàn)地層主要由測量、保護、控制、并網、勵磁等功能模塊構成，可通過標準的RS232、485或CAN工業(yè)現(xiàn)場總線通訊接口將信息傳遞給集中控制管理層。其功能主要包括對人力發(fā)電機組運行的數(shù)據(jù)—開關量和模擬量的采集；發(fā)電機組的開機和停機控制；人力發(fā)電機組調速的控制；人力發(fā)電機組勵磁的控制和調節(jié)；人力發(fā)電機組運行實時數(shù)據(jù)的建立；人力發(fā)電機組故障判別和報警；通過集中控制管理層與以太網聯(lián)接，可以將現(xiàn)地層采集到的信息存儲到服務器的后臺數(shù)據(jù)庫中。
(2)集中控制管理層(人力發(fā)電機組)。各人力發(fā)電機組的集中控制管理層通過工業(yè)現(xiàn)場總線將現(xiàn)地層的控制與測量裝置信息進行收集，將之發(fā)送給調度通信系統(tǒng)總控室的上位機，并采用電力行業(yè)標準的通信接口規(guī)約，實現(xiàn)機組信息的上傳、遠程控制及裝置整定值等功能。
(3)總控管理層(調度通信系統(tǒng))。它的任務是將存儲在后臺數(shù)據(jù)庫的信息在以太網上發(fā)廣播，包括值班站的所有PC機都能收到，為人力發(fā)電機組自成系統(tǒng)運行提供信息。還可以通過TCPPIP協(xié)議為網絡提供WEB服務，可以實現(xiàn)在互聯(lián)網上監(jiān)視人力發(fā)電機組的運行情況。
所設計的人力發(fā)電機組有三種類型交流同步人力發(fā)電機組、交流低速人力發(fā)電機組和直流人力發(fā)電機組，交流同步人力發(fā)電機組可用于模擬火電廠能直接發(fā)出同步頻率電源的汽輪發(fā)電機組；交流低速人力發(fā)電機組可用于模擬風力等直接發(fā)出非同步頻率電源的新能源類型的發(fā)電機組；直流人力發(fā)電機組可用于模擬太陽能等能直接發(fā)出直流電源的新能源類型的發(fā)電機組。每種人力發(fā)電機組既可以并網也可以脫離電網運行，對于并網型機組，其啟動、并網和運行過程如下交流同步人力發(fā)電機組(參見圖5)交流同步人力發(fā)電機組可用于模擬火電廠能直接發(fā)出同步頻率電源的汽輪發(fā)電機組，強電部分如圖5所示，由學員、動能輸出車、變速裝置、三相交流同步發(fā)電機(采用永磁同步電機或混合勵磁同步電機)、測控、保護、并網裝置、三相出口開關、三相變壓器、工作電源和集中控制管理層計算機等所組成。
啟動、并網和運行過程見前述的基于人力發(fā)電機組的單機系統(tǒng)實施例(實施例一)。
交流低速人力發(fā)電機組(參見圖6)可用于模擬風力等直接發(fā)出非同步頻率電源的新能源類型的發(fā)電機組，強電部分如圖6所示，由學員、動能輸出車、三相交流同步發(fā)電機(也可采用永磁同步電機、混合勵磁永磁電機或異步機)、三相整流和濾波器、三相逆變器、測控、保護、并網裝置、三相出口開關、工作電源和集中控制管理層計算機等所組成。
啟動、并網和運行過程1、準備過程將交流低速同步人力發(fā)電機組的工作電源投入運行，將出口開關合上，將出口開關另一側接入無窮大電源系統(tǒng)或孤島電力系統(tǒng)；2、啟動過程學員用腳或手驅動動能輸出車，動能輸出車帶動交流低速同步發(fā)電機旋轉，從而產生三相非同步頻率交流電，通過三相整流濾波和逆變變成同步頻率交流電，集中控制管理層計算機通過測控和保護裝置獲得啟動過程參數(shù)，當機端電壓及其頻率達到額定值時完成啟動過程；3、自動并網三相并網型逆變器，根據(jù)開關系統(tǒng)側電源的頻率，自動進行逆變轉換，將直流轉換成與電網同頻率、同電壓和同相位的電力送入系統(tǒng)；4、運行過程當學員用力驅動動能輸出車時，交流低速同步人力發(fā)電機組處于發(fā)電狀態(tài)，而向電力系統(tǒng)送電；當學員停止用力驅動人力車時，人力發(fā)電機組停止向電力系統(tǒng)供電。
直流人力發(fā)電機組(參見圖7)可用于模擬太陽能等能直接發(fā)出直流電源的新能源類型的發(fā)電機組，強電部分如圖7所示，由學員、動能輸出車、直流發(fā)電機、濾波器、三相逆變器、測控、保護、并網裝置、三相出口開關、工作電源和集中控制管理層計算機等所組成。
啟動、并網和運行過程見上述的交流低速人力發(fā)電機組(實施例三)。
實施例四圖10是本發(fā)明多機電力系統(tǒng)潮流實驗的實施例，多機電力系統(tǒng)由人力發(fā)電機組1011、人力發(fā)電機組1021、人力發(fā)電機組1031、母線1012、母線1022、母線1032、當?shù)刎摵?150瓦)1014、當?shù)刎摵?150瓦)1024、當?shù)刎摵?150瓦)1034、當?shù)刎摵砷_關1013、當?shù)刎摵砷_關1023、當?shù)刎摵砷_關1033、無窮大機組(市電網絡)1041、系統(tǒng)母線1042、系統(tǒng)負荷(300瓦)1044、系統(tǒng)負荷開關1043、遠距離輸電線及其測量儀表1015、遠距離輸電線及其測量儀表1025、遠距離輸電線及其測量儀表1035、系統(tǒng)與無窮大電源聯(lián)絡線及其測量儀表1045、無窮大電源開關1046等構成。
實驗過程如下1、將空載網絡接入電網。將母線1012、母線1022、母線1032、系統(tǒng)母線42、遠距離輸電線及其測量儀表1015、遠距離輸電線及其測量儀表1025、遠距離輸電線及其測量儀表1035、系統(tǒng)與無窮大電源聯(lián)絡線及其測量儀表1045連接起來，合上無窮大電源開關1046，這樣，將網絡與無窮大電源接通。由于網絡空載，測量儀表1015、測量儀表1025、測量儀表1035、測量儀表1045均沒有功率指示。
2、合上系統(tǒng)負荷開關1043，測量儀表1045有300瓦的功率顯示。
3、第一個學員按照人力發(fā)電機組的啟動要求，將人力發(fā)電機組1011啟動后并入電網，控制使其發(fā)出150瓦的功率，測量儀表1045有150瓦的功率顯示，測量儀表1015有150瓦的功率顯示。
合上當?shù)刎摵砷_關1013，當?shù)刎摵?150瓦)1014被供電，測量儀表1045恢復300瓦的功率顯示，測量儀表1015的功率顯示為零。
4、第二個學員按照人力發(fā)電機組的啟動要求，將人力發(fā)電機組1022啟動后并入電網，控制使其發(fā)出150瓦的功率，測量儀表1045有150瓦的功率顯示，測量儀表1025有150瓦的功率顯示。
合上當?shù)刎摵砷_關1023，當?shù)刎摵?150瓦)1024被供電，測量儀表1045恢復300瓦的功率顯示，測量儀表1025的功率顯示為零。
5、第三個學員按照人力發(fā)電機組的啟動要求，將人力發(fā)電機組1032啟動后并入電網，控制使其發(fā)出150瓦的功率，測量儀表1045有150瓦的功率顯示，測量儀表1025有150瓦的功率顯示。
合上當?shù)刎摵砷_關1033，當?shù)刎摵?150瓦)1034被供電，測量儀表1045恢復300瓦的功率顯示，測量儀表1035的功率顯示為零。
6、例如，第一個學員停止驅動其人力發(fā)電機組，該人力發(fā)電機組就變成了電動機(假設帶動150瓦負荷)，各路儀表會有不同的顯示。
7、如果斷開當?shù)刎摵砷_關1013、當?shù)刎摵砷_關1023、當?shù)刎摵砷_關1033、系統(tǒng)負荷開關1043，那么測量儀表1015、測量儀表1025、測量儀表1035均顯示150瓦的發(fā)電功率，測量儀表1045顯示向無窮大電源系統(tǒng)送450瓦的發(fā)電功率。
8、改變任一發(fā)電機發(fā)出的功率，或改變任一負荷的大小，或改變網絡的結構，都可以得到不同的潮流分布。能獲得極其豐富的實驗內容。
硬件系統(tǒng)每臺發(fā)電機的電流、電壓都留有標準接口，以及對發(fā)電機組調壓控制也留有接口，并且各開關的跳、合控制接口全部引到端子排，供試驗研究人員使用。
本發(fā)明以人力發(fā)電機組為核心，由多臺人力發(fā)電機組、開關、輸電線路、用戶負荷、變壓器、繼電保護及綜合自動化裝置等設備靈活組成，可設計和開展各種各樣的實驗項目。本發(fā)明能夠反映多機電力系統(tǒng)中電能生產、輸送、消費的全過程，符合目前電力系統(tǒng)高度自動化、信息化、數(shù)字化的特點，實現(xiàn)了電力生產過程檢測、監(jiān)視、控制、保護、調度自動化。
以上具體實施方式
僅用于說明本發(fā)明，而非用于限定本發(fā)明。
權利要求
1.一種電網培訓系統(tǒng)，其特征是，所述系統(tǒng)包括多臺人力發(fā)電機組、電力網絡、多個負荷、通信網絡以及計算機監(jiān)控裝置；所述的多臺人力發(fā)電機組分別與所述的電力網絡相聯(lián)，所述的負荷也分別與所述的電力網絡相聯(lián)相連接；所述的計算機監(jiān)控裝置通過通信網絡與所述的多臺人力發(fā)電機組及多個負荷相連接；其中，人力發(fā)電機組，用于發(fā)電、速度調節(jié)并向所述的電力網絡輸送電能；負荷，用于接收所述電力網絡輸送的電能而運行；所述的計算機監(jiān)控裝置，用于設置電網培訓項目，并控制和監(jiān)視所述多臺人力發(fā)電機組及多個負荷裝置的運行。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的人力發(fā)電機組包括人力驅動和速度調節(jié)單元，用于輸出動能，并對運動速度進行調節(jié)；交流同步發(fā)電機，用于將動能轉化為電能；發(fā)電機保護單元，用于對發(fā)電機進行保護；發(fā)電機勵磁調節(jié)單元，用于對發(fā)電機勵磁進行調節(jié)；發(fā)電機并網控制裝置，用于發(fā)電機的并網操作。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的人力驅動和速度調節(jié)單元包括動能輸出車，該動能輸出車包括腳踏板(3)、同步傳送帶(4)、同步大飛輪(5)、固架(6)、座位(7)、儲能飛輪(8)、手把柄(9)、同步小飛輪軸(10)、制動瓦片(11)、制動拉桿(12)、制動調節(jié)柄(13)、同步大飛輪軸(14)、同步小飛輪(15)、變速同步輪(16)；所述的同步傳送帶(4)將同步小飛輪軸(10)和同步大飛輪軸(14)相連接；支架(2)，用于支撐所述的動能輸出車。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的交流同步發(fā)電機包括發(fā)電機軸(18)、發(fā)電機軸同步輪(19)、發(fā)電機接線盒(20)、同步傳送帶(21)；所述的同步傳送帶(21)將所述的發(fā)電機軸同步輪(19)和變速同步輪(16)相連接；所述的支架(2)，用于支撐所述的動能輸出車和交流同步發(fā)電機。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的同步傳送帶包括鏈條、傳送帶或者齒輪。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的系統(tǒng)還包括多個出口開關和多個變壓器；所述的人力發(fā)電機組通過對應的出口開關和變壓器與所述的電力網絡相連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的多個負荷包括400V電網或自設負荷的孤島電力網。
8.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的系統(tǒng)還包括電網自動裝置，用于接受所述計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制，對所述的多個負荷執(zhí)行有線路微機型電流、電壓保護和自動合閘。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的計算機監(jiān)控裝置包括電力系統(tǒng)啟動過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)啟動過程的設置和控制；電力系統(tǒng)正常運行過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)正常運行過程的設置和控制；電力系統(tǒng)故障和恢復過程試驗單元，用于所述電力系統(tǒng)故障和恢復過程的設置和控制；電力網絡互聯(lián)試驗單元，用于所述電力網絡互聯(lián)的設置和控制；多機電力網絡潮流分布試驗單元，用于所述多機電力網絡潮流分布的設置和控制；發(fā)電試驗單元，該發(fā)電試驗單元進一步包括發(fā)電廠綜合自動化系統(tǒng)實驗模塊；同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器設計及控制實驗模塊；同步發(fā)電機自動和手動并列運行操作及運行特性實驗模塊；同步發(fā)電機甩負荷實驗模塊；發(fā)電機組就地控制和遠程控制實驗模塊；發(fā)電機制動電阻實驗模塊；自動調頻系統(tǒng)實驗模塊；電力系統(tǒng)功角特性和功率極限實驗模塊；發(fā)電機的功角和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)運行參數(shù)可視化實驗模塊；輸電試驗單元，該輸電試驗單元進一步包括微機型三段式電流保護整定實驗模塊；微機三相重合閘實驗模塊；系統(tǒng)最大最小正常運行方式實驗模塊；輸電線路串聯(lián)補償實驗模塊；輸電線路各種類型故障試驗、故障判別和報警實驗模塊；變電試驗單元，該變電試驗單元進一步包括無功補償實驗模塊；低周波減負載實驗模塊；用電試驗單元，該用電試驗單元進一步包括直流電機調速實驗模塊；交流電機變頻調速實驗模塊；無功補償實驗模塊；諧波與濾波模塊；電動機保護模塊。
10.一種電網培訓系統(tǒng)，其特征是，所述系統(tǒng)包括人力發(fā)電機組、電力網絡、負荷、通信網絡以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)；所述的人力發(fā)電機組通過電力網絡與所述的負荷相連接；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信網絡與所述的人力發(fā)電機組及負荷相連接；其中，所述的人力發(fā)電機組，用于發(fā)電、速度調節(jié)并向電力網絡輸送電能；所述的負荷，用于接收電力網絡輸送的電能而運行；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，用于設置電網培訓項目，并控制和監(jiān)視所述人力發(fā)電機組及負荷的運行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電網培訓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括人力發(fā)電機組、電力網絡、負荷、通信網絡以及計算機監(jiān)控系統(tǒng)；所述的人力發(fā)電機組通過電力網絡與所述的負荷相連接；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)通過通信網絡與所述的人力發(fā)電機組及負荷相連接；其中，所述的人力發(fā)電機組，用于發(fā)電、速度調節(jié)并向電力網絡輸送電能；所述的負荷，用于接收電力網絡輸送的電能而運行；所述的計算機監(jiān)控系統(tǒng)，用于設置電網培訓項目，并控制和監(jiān)視所述人力發(fā)電機組及負荷裝置的運行。本發(fā)明將人力發(fā)電機組并入電網發(fā)電，用于建立具有學員能靈活操作的環(huán)保節(jié)能型電網培訓系統(tǒng)。
文檔編號F03G5/00GK101013536SQ20071006351
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權日2007年2月2日
發(fā)明者梁志珊 申請人:中國石油大學(北京)