《电力系统》实验指导书.docx

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《电力系统》实验指导书

《电力系统》实验指导书

常州工学院

实验平台认识

一：

WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验装置简介

电力系统综合自动化实验台是一个自动化程度很高的多功能实验平台，它由发电机组、实验操作台、无穷大系统等设备组成。

如附图1-1所示，发电机与无穷大之间采用双回路输电线路，并设有中间开关站，通过中间开关站和单回、双回线路的组合，使发电机与无穷大系统之间可构成四种不同联络阻抗，供系统实验分析比较时使用（如实验二图2所示）。

图1-1电力系统综合自动化试验台外形图

1．发电机组

它是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kVA，VN=400V，nN=1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（PN=2.2kW，VN=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。

直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。

具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。

2．试验操作台

它是由输电线路及保护单元、功率调节和同期单元，仪表测量和短路故障模拟单元等组成。

输电线路采用具有中间开关站的双回路输电线路模型，并对其中一段线路设有“YHB-A微机保护装置”，此线路的过流保护还具有单相自动重合闸功能。

功率调节和同期单元，由“TGS-03B微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03B微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。

仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮以及观测波形用的测试孔和各种类型的短路故障操作等部分组成。

在做电力系统试验时，全部的操作均在试验操作屏台上进行。

3．无穷大系统

无穷大电源是由15kVA的自耦调压器组成。

通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。

试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。

操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。

红色灯亮表示开关在合闸位置，绿色灯亮表示开关在分闸位置。

本试验装置主要是为开设与电力系统运行（稳态及暂态）有关的教学实验而设计的。

虽然试验装置中的发电机、原动机、励磁系统及输电线路，并未按与大型实际电力系统的相似条件来，进行物理仿真，然而，它们不失为一个真实的“一机—无穷大”的简单电力系统，并且可以定性地、反复地、直观地实验，观测实际电力系统的各种运行状态，而且由于小型发电机与大型发电机参数（标幺值）的差别。

在实验中可以观测与教科书中对大型发电机所作的分析差别，这更有利于引导学生进行思考，从而进一步加深对电力系统运行状态特性的理解，也有利于培养学生的科学思维能力，有利于对学生进行实际操作和实验研究能力的培训和训练。

实际电力系统中的远距离输电，往往采用双回路输电线路并设中间开关站来提高暂态稳定，在本试验台中输电线路按双回路来模拟，并将每回线路分成两段，也设置了中间开关站。

双回输电线路接线示意图如图1-2所示。

每相的电抗参数设定为：

XL1=XL2=20；XL3=XL4=40。

短路点的N相对发电机中性点电抗为8；

短路点的N相对无穷大电源的中性点电抗为12。

图1-2双回输电线路接线示意图

二：

同步发电机组启动和建压操作简介

实验前首先检查WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验台、同步发电机组、感应调压器是否具备开机条件，符合要求后合试验台上“操作电源”开关，此时反映各开关位置的绿色指示灯亮，同时4台微机装置上电，数码管均能正确显示。

1．开机方式选择

在试验台的“TGS-03B微机调速”装置中有三种开机方式供选择，即“模拟方式”、“微机自动方式”、“微机手动方式”。

（1）当选择“模拟方式”时，应首先将指针电位器调至零，然后合上“原动机开关”再顺时针旋转指针电位器，当发电机旋转之后，应观察机组稳定情况，然后缓慢加速到额定转速。

（2）当选择“微机自动方式”时，先合上“原动机开关”，然后按下“停机/开机”按钮，此时“开机”指示灯亮，“停机”指示灯灭，发电机组自动增速到额定转速。

（3）当选择“微机手动方式”时，先合上“原动机开关”，然后按下“停机/开机”按钮，指示灯同样对应转换，按下“增速”按钮，可以看到控制量的大小，监视发电机转速，直至将发电机调整为额定转速。

（4）本装置可实现“微机自动”与“微机手动”方式的自由切换，在“模拟方式”下可自由切换到“微机方式”，在“微机方式”下通过调节指针电位器观察平衡灯也可在不关机的情况下可以自由切换到“模拟方式”。

2．励磁方式选择

在试验台上有一个“励磁方式”切换开关，它可选择三种励磁方式，即“手动励磁方式”、“微机它励方式”、“微机自并励方式”。

（1）当选择“手动励磁方式”时，应先将“手动励磁”调节旋钮反时针旋到零，然后合上“励磁开关”，顺时针调节“手动励磁”旋钮增加励磁电压，在维持发电机为额定频率时，增加励磁电压，使发电机为额定电压。

（2）当选择“微机它励”或“微机自并励”时，微机励磁调节器选择“恒UF”运行方式，然后合上“励磁开关”，松开“灭磁”按钮，调节器自动起励至给定电压。

3．无穷大电流和线路开关操作

（1）合上无穷大电源“系统开关”。

观察“系统电压”表是否为实验要求值，调整自耦调压器的把手，顺时针增大或逆时针减少输出至无穷大母线的电压，调整到实验的要求值（一般为380V）

（2）合上线路开关“QF1”和“QF3”则发电机的母线上得电，此时可以从微机准同期控制器上观察到系统的频率和电压，同时也能看到发电机的频率和电压。

4．同期方式选择

在试验台上有一个“同期方式”切换开关，它提供三种同期方式供选择，即“手动同期方式”、“全自动同期方式”、“半自动同期方式”。

（1）当“同期方式”选择为“手动”方式时，则“发电机开关”两侧的电压施加到“同期表”上，根据“同期表”中的“电压差”和“频率差”调整发电机的转速和电压，使之接近为零。

然后，在“相角差”趋向零时的“导前角”时间合闸，即发电机与系统并列。

（2）当“同期方式”选择为“全自动”方式时，然后按下“微机准同期控制器”上的“同期命令”，则发电机“调频”、“调压”和“合闸出口”均由微机准同期控制器完成。

（3）当“同期方式”选择为“半自动”方式时，则准同期控制器通过指示灯的亮或者熄，指示实验人员进行“升压”、“降压”、“增速”、“减速”操作。

当合闸条件满足时，准同期控制器发出合闸命令，实现同步发电机同期并列操作。

说明：

有关实验中的接线方式改变及操作位置、参数整定等，以及注意事项，在《WDT-ⅢC电力系统综合自动化试验台使用说明书》中已作了说明，这里不再赘述。

学生在实验前，必须先认真阅读该《使用说明书》方可进行实验。

三：

PS-5G型电力系统微机监控试验系统简介

PS-5G型电力系统微机监控试验台是一个高度自动化的、开放式多机电力网综合试验系统，它建立在WDT-ⅢC型电力系统综合实验平台的基础之上，将多个实验平台联接成一个大的电力系统，并配置微机监控系统实现电力系统综合自动化的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。

使它能够反映现代电能的生产、传输、分配和使用的全过程，充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化。

这个适应新实验课程体系的开放式公共实验平台，有利于提高学生创新思维与实践能力，更好地培养出高素质的复合型人才。

多机电力网综合试验系统的研制，更新与加强了专业实验内容，改进了实验方法与手段，创建了一套能进行专业课程和综合研究试验的实验装置，建立一个开放式、研究性、综合型的专业实验现代教学体系，提高专业实验的教学质量和水平，更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

附图2电力系统微机监控试验台外形图

1．一次系统构成

开放式多机电力网综合试验系统由3~6台相当于实际电力系统中发电厂的“WDT-ⅢC型电力系统综合自动化试验台”、1台相当于实际电力系统调度通信中心的“PS-5G型电力系统微机监控试验台”（如附图2所示）、6条不同长短的输电线路和3组可改变功率大小的负荷等组成。

整个一次系统构成一个可变的多机环型电力网络（如第七章图4所示），便于进行理论计算和实验分析。

每台发电机按600MW机组来模拟，无穷大电源短路容量为6000MVA，主电力网按500kV电压等级来模拟，双回路400km长距离输电线路将功率送入无穷大系统，在距离100km的中间站经联络变压器与220kV母线相联，地方负荷有纯无功负荷、纯有功负荷和正常感性负荷，有利于实验分析和比较。

2．监控系统的配置

多机电力网综合试验系统中的计算机监控系统是多目标、多参数、多功能的实时系统，为了使监控系统具有良好的开放性，并考虑实验系统的具体情况，采用了分层分布式系统配置如附图3所示。

上位机和现地控制单元（LCU）之间采用RS-485通讯网络结构，并且通过通讯网络与各开关站的智能仪表、控制执行单元（PLC）相联，可通过局域网与远方调度通讯。

附图3监控系统的配置框图

监控管理上位机采用抗干扰性强的工业控制计算机，各电站的LCU采用具有监控功能的微机励磁系统对机组完成现地监控，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、负荷完成现地监测，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。

实验报告要求

1．各个实验系统组成的描述；

2.发电机的各种开机方式和建压方式。

五、思考题

1．发电机的调速系统的作用？

2．发电机的励磁系统的作用？

实验单机—无穷大系统稳态运行方式实验

一、实验目的

1．了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的各种运行状态与运行参数的数值变化范围；

2．了解和掌握输电系统稳态不对称运行的条件；不对称度运行参数的影响；不对称运行对发电机的影响等。

二、原理与说明

电力系统稳态对称和不对称运行分析，除了包含许多理论概念之外，还有一些重要的“数值概念”。

为一条不同电压等级的输电线路，在典型运行方式下，用相对值表示的电压损耗，电压降落等的数值范围，是用于判断运行报表或监视控制系统测量值是否正确的参数依据。

因此，除了通过结合实际的问题，让学生掌握此类“数值概念”外，实验也是一条很好的、更为直观、易于形成深刻记忆的手段之一。

实验用一次系统接线图如图2所示。

图2一次系统接线图

本实验系统是一种物理模型。

原动机采用直流电动机来模拟，当然，它们的特性与大型原动机是不相似的。

原动机输出功率的大小，可通过给定直流电动机的电枢电压来调节。

实验系统用标准小型三相同步发电机来模拟电力系统的同步发电机，虽然其参数不能与大型发电机相似，但也可以看成是一种具有特殊参数的电力系统的发电机。

发电机的励磁系统可以用外加直流电源通过手动来调节，也可以切换到台上的微机励磁调节器来实现自动调节。

实验台的输电线路是用多个接成链型的电抗线圈来模拟，其电抗值满足相似条件。

“无穷大”母线就直接用实验室的交流电源，因为它是由实际电力系统供电的，因此，它基本上符合“无穷大”母线的条件。

为了进行测量，实验台设置了测量系统，以测量各种电量（电流、电压、功率、频率）。

为了测量发电机转子与系统的相对位置角（功率角），在发电机轴上装设了闪光测角装置。

此外，台上还设置了模拟短路故障等控制设备。

三、实验项目和方法

1．单回路稳态对称运行实验

在本章实验中，原动机采用手动模拟方式开机，励磁采用手动励磁方式，然后启机、建压、并网后调整发电机电压和原动机功率，使输电系统处于不同的运行状态（输送功率的大小，线路首、末端电压的差别等），观察记录线路首、末端的测量表计值及线路开关站的电压值，计算、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点及数值范围，为电压损耗、电压降落、沿线电压变化、两端无功功率的方向（根据沿线电压大小比较判断）等。

2．双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

按实验1的方法进行实验2的操作，只是将原来的单回线路改成双回路运行。

将实验1的结果与实验2进行比较和分析。

表3-1

P

Q

I

UF

UZ

U

U

△

单回路

双回路

注：

UZ—中间开关站电压；

U—输电线路的电压损耗；

△

—输电线路的电压降落

3．单回路稳态非全相运行实验

确定实现非全相运行的接线方式，断开一相时，与单回路稳态对称运行时相同的输送功率下比较其运行状态的变化。

具体操作方法如下：

（1）首先按双回路对称运行的接线方式（不含QF5）；

（2）输送功率按实验1中单回路稳态对称运行的输送功率值一样；

（3）微机保护定值整定：

动作时间0秒，重合闸时间100秒；

（4）在故障单元，选择单相故障相，整定故障时间为0

（5）进行单相短路故障，此时微机保护切除故障相，准备重合闸，这时迅速跳开“QF1”、“QF3”开关，即只有一回线路的两相在运行。

观察此状态下的三相电流、电压值与实验1进行比较；

（6）故障100以后，重合闸成功，系统恢复到实验1状态。

表3-2

UA

UB

UC

IA

IB

IC

P

Q

S

全相运行值

非全相运行值

四、实验报告要求

1．整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响，并对实验结果进行理论分析。

2．根据不同运行状态的线路首、末端和中间开关站的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。

3．比较非全相运行实验的前、后实验数据，分析输电线路输送功率的变化。

五、思考题

3．影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？

4．提高电力系统静态稳定有哪些措施？

5．何为电压损耗、电压降落？

实验电力系统功率特性和功率极限实验

一、实验目的

1．初步掌握电力系统物理模拟实验的基本方法；

2．加深理解功率极限的概念，在实验中体会各种提高功率极限措施的作用；

3．通过对实验中各种现象的观察，结合所学的理论知识，培养理论结合实际及分析问题的能力。

二、原理与说明

所谓简单电力系统，一般是指发电机通过变压器、输电线路与无限大容量母线联接而且不计各元件的电阻和导纳的输电系统。

对于简单系统，如发电机至系统d轴和q轴总电抗分别为Xd和Xq，则发电机的功率特性为：

当发电机装有励磁调节器时，发电机电势Eq随运行情况而变化。

根据一般励磁调节器的性能，可认为保持发电机Eq（或E）恒定。

这时发电机的功率特性可表示成：

或

这时功率极限为

随着电力系统的发展和扩大，电力系统的稳定性问题更加突出，而提高电力系统稳定性和输送能力的最重要手段之一是尽可能提高电力系统的功率极限，从简单电力系统功率极限的表达式看，提高功率极限可以通过发电机装设性能良好的励磁调节器以提高发电机电势、增加并联运行线路回路数或串联电容补偿等手段以减少系统电抗、受端系统维持较高的运行电压水平或输电线采用中继同步调相机或中继电力系统以稳定系统中继点电压等手段实现。

三、实验项目和方法

（一）无调节励磁时功率特性和功率极限的测定

在相同的运行条件下（即系统电压Ux、发电机电势保持Eq保持不变，即并网前Ux=Eq），测定输电线单回线和双回线运行时，发电机的功一角特性曲线，功率极限值和达到功率极限时的功角值。

同时观察并记录系统中其他运行参数（如发电机端电压等）的变化。

将两种情况下的结果加以比较和分析。

本实验采用自动开机，但励磁采用手动励磁方式，也就是使得WL—04B励磁调节器不起作用。

实验步骤：

（1）输电线路为单回线；

（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出的有功和无功功率为零；

（3）功率角指示器调零；

（4）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；

（5）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-1中；

（6）输电线路为双回线，重复上述步骤，填入表4-2中。

表4-1单回线

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P

0

IA

0

Uz

UF

Ifd

Q

0

表4-2双回线

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P

0

IA

0

Uz

UF

Ifd

Q

0

注意：

（1）有功功率应缓慢调节，每次调节后，需等待一段时间，观察系统是否稳定，以取得准确的测量数值。

（2）当系统失稳时，减小原动机出力，使发电机拉入同步状态。

（二）自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定

将自动调节励磁装置接入发电机励磁系统，测定功率特性和功率极限，并将结果与无调节励磁的结果比较，分析自动励磁调节器的作用。

微机它励（采用恒压控制方式），先自动开机，再自动励磁建压。

表4-9单回线微机它励方式

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P

0

IA

0

Uz

UF

Ifd

Q

0

表4-10双回线微机它励方式

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

P

0

IA

0

Uz

UF

Ifd

Q

0

注意事项：

1．调速器处停机状态时，如果“输出零”灯不亮，不可开机；

2．实验结束后，通过励磁调节使无功输出为零，通过调速器调节使有功输出为零，解列之后按下调速器的停机按钮使发电机转速至零。

跳开操作台所有开关之后，方可关断操作台上的操作电源开关。

四、实验报告要求

1．根据实验装置给出的参数以及实验中的原始运行条件，进行理论计算。

将计算结果与实验结果进行比较。

2．认真整理实验记录，通过实验记录分析的结果对功率极限的原理进行阐述。

同时对理论计算和实验记录进行对比，说明产生误差的原因。

并作出Uz（），P（）Q（）特性曲线，对其进行描述。

3．分析、比较各种运行方式下发电机的功—角特性曲线和功率极限。

五、思考题

自动励磁调节器对系统静态稳定性有何影响？

实验复杂电力系统运行方式实验

一、实验目的

1．了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的网络结构和各种运行状态与运行参数值变化范围。

2．理论计算和实验分析，掌握电力系统潮流分布的概念。

二、原理与说明

现代电力系统电压等级越来越高，系统容量越来越大，网络结构也越来越复杂。

仅用单机对无穷大系统模型来研究电力系统，不能全面反映电力系统物理特性，如网络结构的变化，潮流分布，多台发电机并列运行等等。

“PS-5G型电力系统微机监控实验台”是将五台“WDT-ⅢC型电力系统综合自动化实验台”的发电机组及其控制设备作为各个电源单元组成一个可变环型网络，如图4-1所示：

图4-1：

监控台台面布置示意图

此电力系统主网按500kV电压等级来模拟，MD母线为220kV电压等级，每台发电机按600MW机组来模拟，无穷大电源短路容量为6000MVA。

A站、B站相联通过双回400km长距离线路将功率送入无穷大系统，也可将母联断开分别输送功率。

在距离100km的中间站的母线MF经联络变压器与220kV母线MD相联，D站在轻负荷时向系统输送功率，而当重负荷时则从系统吸收功率（当两组大小不同的A，B负荷同时投入时）从而改变潮流方向。

C站，一方面经70km短距离线路与B站相联，另一方面与E站并联经200km中距离线路与无穷大母线MG相联，本站还有地方负荷。

此电力网是具有多个节点的环形电力网，通过投切线路，能灵活的改变接线方式，如切除XLC线路，电力网则变成了一个辐射形网络，如切除XLF线路，则C站、E站要经过长距离线路向系统输送功率，如XLC、XLF线路都断开，则电力网变成了T型网络等等。

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，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，还可以调整无穷大母线电压来改变电力网潮流的分布。

在不同的网络结构前提下，针对XLB线路的三相故障，可进行故障计算分析实验，此时当线路故障时其两端的线路开关QFC、QFF跳开（开关跳闸时间可整定）。

1．同步发电机

序号

性能数据

设计值

1

三相交流同步发电机容量（kVA）

2.5

2

定子额定电压（伏）

400

3

定子额定电流（安）

3.61

4

功率因数cosφ

0.8

5

发电机转速（转／分）

1500

6

定子线圈电阻（75℃）（欧／相）

3.224

7

磁极线圈电阻（75℃）（欧）

22.37

8

定子线圈铜耗（75℃）（瓦）

135

9

磁极线圈铜耗（75℃）（瓦）

110

10

定子铁耗（瓦）

92

11

转子铁耗（瓦）

13.5

12

机械损耗（瓦）

74.5

13

附加损耗（瓦）

15

14

总损耗（瓦）

440

15

效率（%）

78

16

满载励磁电流（安）

2.5

17

满载励磁电压（伏）

70

18

定子漏抗（标幺值）

0.0477

19

直轴同步电抗（标幺值）

1.5

20

横轴同步电抗（标幺值）

0.7057

21

直轴瞬时电抗（标幺值）

0.146

22

横轴瞬时电抗（标幺值）

0.7057

23

直轴次瞬时电抗（标幺值）

0.146

24

横轴次瞬时电抗（标幺值）

0.7

2．输电线路