电力系统分析实验.docx

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电力系统分析实验

实验1发电机组的起动与运转实验（准备实验）

一、实验目的

1．了解微机调速装置的工作原理和掌握其操作方法。

2．熟悉发电机组中原动机（直流电动机）的基本特性。

3．掌握发电机组起励建压，并网，解列和停机的操作

二、原理说明

在本实验平台中，原动机采用直流电动机模拟工业现场的汽轮机或水轮机，调速系统用于调整原动机的转速和输出的有功功率，励磁系统用于调整发电机电压和输出的无功功率。

图1-1为调速系统的原理结构示意图，图1-2为励磁系统的原理结构示意图。

图1-1调速系统原理结构示意图

装于原动机上的编码器将转速信号以脉冲的形式送入THLWT-3型微机调速装置，该装置将转速信号转换成电压，和给定电压一起送入ZKS-15型直流电机调速装置，采用双闭环来调节原动机的电枢电压，最终改变原动机的转速和输出功率。

图1-2励磁系统的原理结构示意图

发电机出口的三相电压信号送入电量采集模块1，三相电流信号经电流互感器也送入电量采集模块1，信号被处理后，计算结果经485通信口送入微机励磁装置；发电机励磁交流电流部分信号、直流励磁电压信号和直流励磁电流信号送入电量采集模块2，信号被处理后，计算结果经485通信口送入微机励磁装置；微机励磁装置根据计算结果输出控制电压，来调节发电机励磁电流。

三、实验内容与步骤

1．发电机组起励建压

⑴先将实验台的电源插头插入控制柜左侧的大四芯插座（两个大四芯插座可通用）。

接着依次打开控制柜的“总电源”、“三相电源”和“单相电源”的电源开关；再打开实验台的“三相电源”和“单相电源”开关。

⑵将控制柜上的“原动机电源”开关旋到“开”的位置，此时，实验台上的“原动机启动”光字牌点亮，同时，原动机的风机开始运转，发出“呼呼”的声音。

⑶按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“自动/手动”键，选定“自动”方式，开机默认方式为“自动方式”。

⑷按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“启动”键，此时，装置上的增速灯闪烁，表示发电机组正在启动。

当发电机组转速上升到1500rpm时，THLWT-3型微机调速装置面板上的增速灯熄灭，启动完成。

⑸当发电机转速接近或略超过1500rpm时，可手动调整使转速为1500rpm，即：

按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“自动/手动”键，选定“手动”方式，此时“手动”指示灯会被点亮。

按下THLWT-3型微机调速装置面板上的“＋”键或“－”键即可调整发电机转速。

⑹发电机起励建压有三种方式，可根据实验要求选定。

一是手动起励建压；一是常规起励建压；一是微机励磁。

发电机建压后的值可由用户设置，此处设定为发电机额定电压400V，具体操作如下：

①手动起励建压

1）选定“励磁调节方式”和“励磁电源”。

将实验台上的“励磁调节方式”旋钮旋到“手动调压”，“励磁电源”旋钮旋到“他励”。

2）打开励磁电源。

将控制柜上的“励磁电源”打到“开”。

3）建压。

调节实验台上的“手动调压”旋钮，逐渐增大，直到发电机电压（线电压）达到设定的发电机电压。

②常规励磁起励建压

1）选定“励磁方式”和“励磁电源”。

将实验台上的“励磁方式”旋钮旋到“常规控制”，“励磁电源”旋钮旋到“自并励”或“他励”。

2）重复手动起励建压步骤⑵

3）励磁电源为“自并励”时，需起励才能使发电机建压。

先逐渐增大给定，可调节THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“给定输入”旋钮，逐渐增大到3.5V左右，按下THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“起励”按钮然后松开，可以看到控制柜上的“发电机励磁电压”表和“发电机励磁电流“表的指针开始摆动，逐渐增大给定，直到发电机电压达到设定的发电机电压。

4）励磁电源为“他励”时，无需起励，直接建压。

逐渐增大给定，可调节THLCL-2常规励磁装置面板上的“给定输入”旋钮，逐渐增大，直到发电机电压达到设定的发电机电压。

③微机励磁起励建压

1）选定“励磁方式”和“励磁电源”。

将实验台上的“励磁方式”旋钮旋到“微机控制”，“励磁电源”旋钮旋到“自并励”或“他励”。

2）检查THLWL-3微机励磁装置显示菜单的“系统设置”的相关参数和设置。

具体如下：

“励磁调节方式”设置为实验要求的方式，此处为“恒Ug”。

“恒Ug预定值”设置为设定的发电机电压，此处为发电机额定电压。

“无功调差系数”设置为“+0”

具体操作见THLWL-3微机励磁装置使用说明书。

3）按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“启动”键，发电机开始起励建压，直至THLWL-3微机励磁装置面板上的“增磁”指示灯熄灭，表示起励建压完成。

2．发电机组停机

⑴减小发电机励磁至0。

⑵按下THLWT-3微机调速器装置面板上的“停止”键。

⑶当发电机转速减为0时，将THLZD-2电力系统综合自动化控制柜面板上的“励磁电源”打到“关”，“原动机电源”打到“关”。

实验2电力系统实时监控

一、实验目的

1、掌握电力系统监控的内容和方法。

2、理解电力系统监控系统的重要性。

二、原理说明

SCADA系统：

计算机与相应的远动装置及通信设备组成的系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视（包括信息的收集、处理和显示）、远距离开关操作、自动发电控制及经济运行，以及制表和统计功能。

调度（控制）中心分层结构如下：

1、集中控制

当被控发电厂和变电所数量较少时，一般可采取由中心调度所对变电所（厂）的直接控制，即：

SCADA主站系统与变电站自动化系统之间直接进行上下通信，并完成各项远动任务。

这种情况下，调度员将直接面对变电所进行远动操作。

2、分层（级）控制

如果地区被控变电所（厂）的数量较多时，宜采用中心调度所—地区调度所—变电站控制中心（厂）分层控制结构。

控制方式是先由中心调度所的调度员对所值班员下达操作命令，然后再由地区调度所操作变电所实施远动操作。

本实验平台上，同时对5台发电机组和1台联络变压器进行监控，所以在控制层次结构上采用集中控制方式。

电力调度中心由以下系统组成：

（1）信息收集和执行系统：

在本实验平台中，各发电厂的励磁控制器和调速器，线路上的智能监测仪作为远动终端RTU，把各种信息进行处理和加工，发送到调度中心（工控机）。

调度中心发出调节、控制命令，直接控制各发电厂的励磁控制器和调速器，和PLC，完成调节功率、改变线路等操作。

（2）系统处理分析系统：

本实验平台上，以工业控制计算机（上位机）为核心，“电力系统监控及运行管理系统”为软件系统，对收集到的信息进行处理、加工、分析和计算电力系统的运行状态，为运行人员进行控制和决策提供依据。

本实验平台上，SCADA系统的监视功能有：

以图、表显示的方式，直观反映系统的运行状况；显示主接线图；显示各运行参数的曲线；对系统实时运行参数的列表显示；对系统历史数据的记录；报表打印；自动记录故障发生时间和恢复时间。

“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件，模拟调度现场中各中信息处理方式，可以通过对电力系统中全面信息的集中监控，完成信息监测和处理，并提供各类数据表格和图形，进行正确的统一调度。

通过本实验可全面了解整个SCADA系统的结构和运行过程。

三、实验内容与步骤

1、“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件的运行

投入“操作电源”（向上扳至ON），启动电脑及显示器、打印机，运行上位机软件。

使用步骤见光盘软件使用说明书。

2、无穷大系统的调整以及电力网的组建

1）逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

联络变压器的分接头选择为UN。

2）依次合闸QF18→QF17→QF16→QF15→QF14→QF10→QF1→QF2→QF3→QF4→QF5→QF6→QF7，观察1#～5#母线电压为400V左右。

3、各发电机组的启动和同期运行

分别起动1#、4#、5#发电机组，控制方式：

手动励磁，他励，恒压控制方式，n=1500rpm，UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将1#发电厂并入无穷大系统，1#发电机组的并网后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。

完成1#发电机组的并网运行。

然后按同样操作，依次完成4#、5#发电机组的并网运行，发出一定的功率。

网络结构如图3-1所示。

图3-1实时监控电力网络结构

4、监控系统软件的运行控制

操作上位机软件，完成断路器的分、合闸操作，打印各类电力系统参数曲线、数据表、棒图，调节发电机的有功功率和无功功率，对软件的各个界面了解功能、并能熟练操作“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”。

5、各发电机组的解列和停机

通过“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”，调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，在完成1#发电厂的解列操作后，进行1#发电机组的停机操作。

然后按同样操作，依次完成4#、5#发电机组的解列和停机操作。

四、实验报告

1、叙述“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件的主要功能，及在整个电力系统中的作用。

2、对实验数据和曲线进行归类整理，并能对电力系统数据进行分析。

实验3电力系统潮流计算分析实验

一、实验目的

1、熟悉电力系统潮流分布的典型结构，

2、熟悉电力系统潮流分布变化时，对电力系统的影响，

3、根据电力系统潮流分布的结果，能够分析各节点的特点。

二、原理说明

潮流计算是研究和分析电力系统的基础。

它主要包括以下内容：

（1）电流和功率分布计算。

（2）电压损耗和各节点电压计算。

（3）功率损耗计算。

无论进行电力系统的规划设计，还是对各种运行状态的研究分析，都须进行潮流计算。

电力系统日常运行的潮流计算其实是对运行方式的调整从而制定合理的运行方式。

潮流计算的方法有手算的解析计算法和电子计算机计算法。

在本实验平台中通过模拟电力系统运行结构取得各中原始数据，可根据线路形式以及参数初步进行潮流计算分析。

但可能系统中一些设备原器件的非线性，造成理论计算和实际运行数据不符合，但基本在误差范围以内的，可作为全面分析实验中各中现象的理论依据。

电力系统潮流控制，包含有功潮流控制和无功潮流控制。

电力网络中，各种结构都有自身的特点，因此潮流控制对电力系统安全与稳定、电力系统经济运行均具有重要意义。

THLDK-2电力系统监控实验平台上，根据电力网络中典型潮流结构特点，提供了7种网络结构进行分析。

实验过程中，构建一个电力网络，增加或减少某些机组的有功出力和无功出力，在保持系统各节点电压在允许范围内的前提下，改变系统支路的有功潮流和无功潮流。

可以研究某一单一网络结构，或者多中网络结构的互相变化，观察电力系统潮流的变化。

实验过程中，要运行“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件，完成各种潮流分布中功率数值和方向变化，各母线电压的变化，最后数打印各中数据和图形，加以分析。

在本实验平台上，实验人员要首先分析并熟悉各种网络结构的特点，了解可能出现的变化规律，然后在实验中潮流控制时，各发电机的功率应该缓慢调节，待系统稳定后，再进行下一步调整，还应整体把握各发电机的出力，以及各母线电压的变化，始终保证整个网络的稳定安全运行。

注意：

实验过程中调节功率时，务必保证监控台上线路中的电流不超过5A！

！

！

潮流分析实验中，如果1#发电机与2#发电机的出口母线，通过断路器QF1连通，或者，3#发电机与4#发电机的出口母线通过断路器QF6连通，则1#、2#、3#和4#发电机的调差系数设置为+10，这样并列运行的机组才能合理分配无功功率，保证系统稳定运行。

三、实验内容与步骤

1、“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统”上位机软件的运行

投入“操作电源”（向上扳至ON），启动电脑及显示器、打印机，运行上位机软件。

使用步骤见光盘软件使用说明书。

实验中，在上位机界面（图3-8）中可进行各种潮流分布图进行分析。

图2-1潮流分布图选择

2、辐射形－放射式网络结构的潮流分布实验

（1）无穷大系统的调整以及电力网的组建

1）逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

联络变压器的分接头选择为UN。

2）依次合闸QF18→QF14→QF12→QF10→QF1→QF3→QF4→QF5→QF6，观察1#、4#、5#母线电压为400V左右，6#母线为220V左右。

（2）各发电机组的启动和同期运行

起动1#发电机组，控制方式：

微机励磁，他励，恒压控制方式，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将1#发电厂并入无穷大系统，1#发电机组并网后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。

（3）潮流分布的控制以及潮流分布图的打印

依次按下QF8，QF9，QF11，QF13“合闸”按钮，网络结构如图2-2。

在上位机软件中可选择潮流分布图中“第一种辐射形－放射式”窗口。

通过调节发电厂的有功功率和无功功率的输出，以及调整无穷大系统的电压，观察各种运行情况下，潮流分布数据，打印对应的潮流分布图、区域总体调度图。

（4）各发电机组的解列和停机

切除负载LD1、LD2、LD3和LD4，手动调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，完成1#发电厂的解列操作，然后进行1#发电机组的停机操作。

图2-2辐射形－放射式原理图

2、环形－双端供电网络

（1）网络结构的潮流分布实验

（1）无穷大系统的调整以及电力网的组建

1）逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源”之后，投入“无穷大系统电源”，合闸QF19，接通8#母线，再合闸QF18，顺时针调整自耦调压器把手至400V。

联络变压器的分接头选择为UN。

2）依次合闸QF1→QF15→QF7，观察1#、4#母线电压为400V左右。

（2）各发电机组的启动和同期运行

起动1#、4#发电机组，控制方式：

微机励磁，他励，恒压控制方式，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

此时，通过1#发电厂的自动准同期装置，将4#发电厂并入无穷大系统，4#发电机组完成并网操作后，手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。

进行同样操作，完成4#发电机组的启动和同期运行，并发出一定的有功功率。

（3）潮流分布的控制以及潮流分布图的打印

网络结构如图2-3。

在上位机软件中可选择潮流分布图中“第三种环形－双端供电网络

（1）”窗口。

通过调节发电厂的有功功率和无功功率的输出，以及调整无穷大系统的电压，观察各种运行情况下，潮流分布数据，打印对应的潮流分布图、区域总体调度图。

图2-3环形－双端供电网络原理图

（4）各发电机组的解列和停机

手动调节1#发电厂发出的有功功率和无功功率为0，按下监控实验台的QFG1“分闸”按钮，完成1#发电厂的解列操作，然后进行1#发电机组的停机操作。

然后按同样操作，依次完成4#发电机组的解列和停机操作。

四、实验报告

1、整理各种潮流结构下的潮流分布图，并且结合各发电厂的运行曲线图，线路上的各运行数据，对比分析。

2、分析潮流结构变化时，电力系统运行参数的变化情况，对各种数据和曲线实行对比分析。

实验4电力系统有功功率—频率特性实验

一、实验目的

1、掌握同步发电机组的有功功率－频率特性

2、掌握电力系统负荷的有功功率－频率特性

3、掌握电力系统的有功功率－频率特性

4、掌握机组间有功功率分配的原理和操作方法

二、原理说明

1、同步发电机组的有功功率特性－频率

同步发电机组是电力系统中的有功功率源，因此，研究同步发电机组的频率－有功功率特性具有重要意义。

同步发电机转子的转速n、转子极对数p与定子电压的频率f之间有如下关系：

此式说明，调频就是调速，调速就能调频。

同步发电机的频率-有功功率特性，表述同步发电机输出的有功功率与其频率之间的关系。

它是同步发电机的一个重要特征，在调速器投入运行的条件下，该特性就是调速器的调差特性。

同步发电机组输出的有功与其频率的关系，称为同步发电机组的频率—有功功率特性（如图4-1所示），在调速器投入运行的条件下该特性就等于调速器的调差特性。

图4-1同步发电机组的频率—有功功率特性

有功调差系数R是用来描述同步发电机组的频率—有功功率特性曲线特征的重要参数，它定义为：

有功功率调差系数R在数值上等于机组的有功负荷从零值增加到机组的额定有功功率时（有功功率增量为一个标幺值），其频率增量的标幺值的绝对值。

公式中的负号表示：

下倾的曲线为正调差特性，上升的曲线为负调差特性，水平线是零调差特性。

分析可知，零调差和负调差特性的机组不能并联运行，只有具有正调差特性的机组并联运行时，才可以稳定分配有功功率。

2、电力系统负荷的有功功率－频率特性

负荷波动是影响频率稳定的重要原因。

电力系统有功功率负荷具有多种形式，将它们按与频率的关系划分为不同的类型。

在电力系统中，高于三次方的负荷比例很小，故通常在计算中只能取到三次方即可。

研究负荷的工频特性，主要关心额定频率附近的一段曲线，在小范围研究问题时，数学上可以近似将曲线用直线来代替，在标幺值坐标里，这根直线的斜率反映了，负荷消耗的有功功率与电源频率之间的定量关系，即：

负荷的功频特性（如图4-2所示）具有单调上升的特点，当电力系统发生有功功率缺额时，频率将下降，由于频率的下降，负荷将自动减小其消耗的有功功率，系数

越大，减小得越多，由于负荷消耗有功功率的自动减小，使得系统有功功率在较低频率下重新得以平衡。

图4-2电力系统负荷的有功功率－频率特性

可见，负荷参与了有功功率平衡调节，它对系统频率的稳定起了有利的调节作用，而系数

正反映了负荷的这种调节能力的大小，称为负荷的频率调节效应系数，也称为负荷的单位调节功率。

电力系统负荷频率-有功功率特性是指负荷取用有功功率与系统频率之间的关系，它取决于负荷的类型。

电力系统综合负荷的功频特性是由各种类型负荷的功频特性按比例组合而成。

本实验系统用电阻器作为有功功率负荷，电阻器取用频率正比于其他电源电压的平方。

当发电机励磁控制系统工作于恒压方式下，电阻器取用功率与频率无关；当励磁控制系统工作于恒励磁电流方式时，由于机端电压正比于转速（即频率），所以电阻器取用功率与频率成平方关系。

3、电力系统的有功功率－频率特性

当电力系统发生频率波动时，同步发电机的调速器控制作用和负荷的频率调节效应是同时进行的。

由于发电机调速器是按照偏差负反馈原理构成的，所以具有正调差，具有下倾的特性。

也就是说，当电力系统频率下降时，同步发电机输出功率增加，发电机调差系数KG越小，发电机组分担的变动功率△P越大，反之则越小。

另外，负荷的频率调节也相应减少，这一特点有助于在电力系统频率变动时功率重新获得平衡。

因为当系统负荷突然增大时，发电机组输出功率因调节系统的延时而不能及时跟上，电力系统频率必然下降，而负荷吸收功率的减少，显然有助于功率的平衡。

电力系统中有许多台发电机组和不同类型的负荷，为了分析电力系统频率的方便，必须将所有发电机组和负荷（输电网络的损耗看成是负荷的一部分），分别并为一个等效发电机组和等效负荷。

调速器的调节作用：

一次调节。

频率的一次调整曲线如图4-3。

移动发电机的功频特性：

二次调节（无差调节）：

手动或自动地操作调频器，使发电机组的频率特性平行地移动，从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。

频率的二次调整曲线如图4-4。

图4-3频率的一次调整

图4-4频率的二次调整

备注：

PG″为无差调节。

4、机组间有功功率分配

系统负荷总量应在各并列运行机组间稳定而合理地得到分配，合理的含义是：

各并联运行的机组所分配到的有功功率，按各机组自身容量为基准折算成标幺值时均相等，当电力负荷有功功率波动时，并列运行的机组中，调差系数较大的机组，将承担较小的有功功率增量；调差系数较小的机组，将承担较大的有功功率增量。

为此，要使有功功率负荷增量在各并联运行机组间得到合理稳定分配，就要求各机组具有相同的调差系数。

同步发电机组典型的频率—有功功率特性曲线的调差系数一般在3%～5%之间。

三、实验内容与步骤

在本实验1～3步骤中，采用的电力网络结构如图4-5所示；实验4步骤中采用的电力网络结构如图4-6所示。

在实验中，负荷LD2选择为“阻抗性”负载

图4-5电力系统的频率—有功功率特性测定电力网络结构

图3-6并列运行机组间的有功功率分配电力网络结构

1、同步发电机的频率-有功功率特性（发电机的有功调差特性）的测定

1）4#发电厂起动

控制方式：

手动励磁，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

2）同步发电机频率-有功功率特性测定

按下THLZD-2电力系统综合自动化实验台上QF0“合闸”按钮，记录此时的功率和频率P0和f0。

依次按下监控台上的QF8、QF9“合闸”按钮，读取4#母线上7#智能仪表的数据，记录发电机组的两组功率和频率P1和f1、P2和f2，记录于表中4-1，作出有功功率-频率特性曲线。

计算发电机组的调差系数和发电机组的单位调节功率。

有功功率等于零值时的频率f0和有功功率等于非零值时的频率f1，按下列公式即可计算出机组的有功调差系数R为：

表4-1

有功功率

P（kW）

P0=0

P1

P2

频率

f（Hz）

2、负荷的频率-有功功率（负荷的频率调节效应）的测定

1）恒UG机端电压方式，负荷的有功功率-频率曲线的测定

①4#发电厂起动

控制方式：

常规励磁，他励，组网运行，n=1500rpm，UG=400V。

②负荷的有功功率-频率曲线的测定

按下THLZD-2电力系统综合自动化实验台上QF0“合闸”按钮，再依次按下监控台的QF8、QF9“合闸”按钮，投入负荷LD1、LD2。

调节微机调速装置，手动调节原动机的频率，读取4#母线上7#智能仪表的数据，记录此时发电机组的P，记录于表4-2中，作出有功功率-频率特性曲线。

表4-2

频率

f（HZ）

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

有功功率

P（W）

四、实验报告

1、根据实验数据，作出同步发电机组的有功功率－频率曲线

2、根据实验数据，作出电力系统负荷的有功功率－频率曲线

实验5电力系统无功功率—电压特性实验

一、实验目的

1、掌握同步发电机的无功功率—电压特性

2、掌握电力系统负荷的无功功率—电压特性

3、掌握变压器的无功功率损耗特性

4、掌握输电线路的无功功率损耗特性

4、掌握机组间参与并列运行机组的无功功率分配的原理和操作方法

二、原理说明

1、同步发电机的无功功率—电压特性

（1）无功功率—电压率特性与调差

同步发电机的机端电压随其输出无功功率变化的特性，称为同步发电机的无功功率—电压特性。

无功功率调差系数δ是用来描述同步发电机组的无功功率—电压特性曲线特征的重要参数，它定义为：

无功功率调差系数δ在数值上等于机组的无功负荷从零值增加到机组的额定无功功率时（无功功率增量为一个标幺值），其电压增量的标幺值的绝对值。

公式中的负号表示：

下倾的曲线为正调差特