电力系统分析综合实验指导书Word文档格式.docx

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电力系统动态模拟是一种根据相似原理建立起来的物理模拟，能保证在模拟系统上所反映的过程与实际系统中的过程相似，并且模型上的过程与原型的过程具有相同的物理实质，所以电力系统动态模拟实际上就是电力系统在实验室的复制品，是研究电力系统原型或预建电力系统的一个重要实验工具。

电力系统动态模拟具有以下特点：

1、能方便直观地重现实际电力系统的各种运行状态和暂态过程，因此具有比数学模型更接近第一性的特点；

2、能方便重复地进行电力系统各类故障的实验研究，这种实验在实际电力系统中进行时往往受到种种限制，因而是很难经常全面进行的；

3、对于某些新问题或物理过程由于受到现阶段认识的限制，很难确立对象的数学模型、写出数学方程，这时数字模拟就很难进行仿真，而物理模拟则可以研究这些物理过程并探求过程的本质；

4、在动态模拟系统上可以接入工业用的控制、调节和保护装置，从而进行初步的运行考验，以检验其性能，同时为参数的整定和装置的改进提供依据；

5、动态模拟具有一定的通用性，能较方便地模拟不同的电力系统。

因此，电力系统动态模拟是目前研究运行中的和筹建中的电力系统的重要工具，也是训练系统运行人员和电力系统专业的良好有效的教学工具。

它与数字模拟相配合，才能保证电力系统的实验研究工作的有效性和可靠性。

二．模拟要素

电力系统动态模拟包括同步发电机、原动机、变压器、输电线路、负荷、等值系统（相当于无限大系统）模拟等：

·

同步发电机

模型机的参数（同步电抗、瞬变电抗、超瞬变电抗、负序电抗、零序电抗、时间常数和惯性时间常数等）按与原型机的标么值相等的条件进行模拟。

原动机

在研究现代电力系统运行及其过渡过程时，仅仅考虑系统中各电路元件的参数和特性是不够的，还必须考虑包括调速系统在内的整个原动机的特性。

在电力系统动态模拟上，一般不去研究原动机内部的过程和它的结构，主要是研究电力系统中的机电过程，所以原动机的模拟要求反映其轴上转矩变化过程与原型机相似。

变压器

电力系统动态模拟研究的是电力系统的电磁过程，因此可以一个集中参数元件来模拟（变压器短路电抗、铜耗、短路损耗、额定电压下的空载励磁电流、空载损耗、零序电抗的标么值及标么空载特性与原型相等）。

模拟变压器初级与次级绕组都分成许多组，通过串、并联的方法获得模拟所要求的变比。

磁路系统有可调的磁分路，以改变模拟变压器漏抗的标么值和原型相同。

输电线路

输电线路是具有分布参数的电路，而在实验室中实现较为困难。

电力系统动态模拟只要求线路上的某些点的电压和电流随时间变化过程相似，因此可用等值链形电路以分布集中参数来模拟分布参数。

负荷

电力系统的负荷是一个复杂的多变量函数，各种不同的负荷在电力系统过渡过程中产生的作用各不相同。

因此，应从电力系统负荷的实际调查出发，对各种负荷的比例作适当的配置，以尽量达到原型或接近原型。

实际负荷中主要的类型有异步负载、同步负载、整流负载、照明负载、电热负载、线路损耗及其他。

等值系统

等值系统模拟的特点是：

其容量远远大于某个发电厂的容量，相比较之下可以认为是一个无限大系统，其模拟电压要求可调，以便等值系统的电压等级可变。

通常用容量远大于模拟发电机容量的感应调压器来模拟等值系统。

如本实验装置中同步发电机的容量为2.5kVA，无穷大系统（自耦变压器）的容量为15kVA。

三．模拟比例和模拟系统额定值的选择

模拟比例－指研究对象原系统的有关参量和模拟系统的实际量之间的比例关系。

当各种量纲的模拟比例保持了在原系统中各不同量纲之间的关系时，在模拟系统中出现的各种现象就能按比例地反映原系统的现象。

电力系统中存在着以下关系：

，

（式1）

令m表示各物理量的模拟比例，即

，并有如下的关系：

其中：

：

功率比值

电压比值

电流比值

阻抗比值

在动态模拟系统中，往往采用

，这样，各变量的时间坐标及相角关系可以和原型保持一致，因为模拟系统与原系统的频率相同，同时下列的模拟比例关系成立：

电感比值

电容比值

时间比值

模拟比例的选择：

上述在电压、电流、阻抗、功率的相互关系中，可以建立两个独立方程式（式1），但却包括了四个模拟比，因此可以根据实验室模拟设备的限制条件，任取两个比例值，并根据两个方程式来确定余下的两个比例值，这样模拟系统与原型系统才具有相似性。

模拟系统额定值的选择要根据模拟试验室的设备情况来确定。

四．模拟试验中的测量

电力系统中一些电气量的量测是通过电压互感器和电流互感器进行的，由于系统容量很大，电压互感器和电流互感器以及测量表计从系统中吸取的功率可以忽略不计。

电力系统动态模拟中一些电气量的量测是通过模拟电压互感器以及模拟电流互感器进行的，由于模拟系统容量远小于原型，模拟系统的互感器及测量设备所吸取的功率对模拟系统来说就占有一定的比重，甚至对主回路的过渡过程产生较大的影响，使模型上的研究结果产生误差。

所以模拟互感器需要特殊设计，除了准确满足测量要求外，希望它从主系统吸取的功率尽量的小。

同时从接在互感器2次侧的表计中读取数据时需经过折算（模拟互感器的变比）才能得到模拟系统的实际值。

第二章电力系统分析实验装置

一、WDT-Ⅱ型电力系统综合自动化试验装置

电力系统分析实验采用的实验装置为武汉华工大电力自动技术研究所生产的“WDT-Ⅱ型电力系统综合自动化试验装置”。

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。

试验装置中的发电机、原动机、励磁系统及输电线路虽然没有按与实际电力系统的相似条件来进行物理仿真，但保持了“单机－无穷大”系统的特性，可以定性地、反复地、直观地实验和观测实际电力系统的各种运行状态。

发电机组

它是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN＝2.5kVA，UN＝400V，nN＝1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（PN＝2.2kW，UN＝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。

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-Ⅱ型微机保护”，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－04型微机调速装置”、“WL－04B微机励磁调节器”、“HGWT－03微机准同期装置”等微机型自动装置以及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。

实验中的操作均在试验操作屏台上进行。

无穷大系统

无穷大系统是由15kVA的自耦变压器组成。

通过调整自耦变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。

本实验系统是一种物理模拟。

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，因此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。

本试验装置的一次系统接线图如下：

二、电力系统综合动模实验系统

电力系统综合动模实验系统是一种用于电力系统动态特性及相关新设备研究的物理模拟。

由于电力系统及其暂态稳定的复杂性，在进行理论分析的同时必须进行实验研究。

电力系统综合动模实验系统是专门进行电力系统实验研究的重要场所，为电力系统电磁机械动态的研究服务。

电力系统综合动模实验系统可以方便地进行系统暂态研究分析。

电力系统暂态是在系统受扰动（例如断线、断路器故障等）后所引发的异常状态。

在这种受扰动情况下，电力系统及其组成部分受到的压力远远超过其稳定运行状态。

执行暂态仿真是为了检查这些压力和估计这些压力对被研究系统带来哪些影响。

暂态仿真所获得的结果可以被工程师用于保证充分的电力系统安全级别，确保当故障发生时，适宜的保护设备能在合适的位置阻止系统受破坏。

该实验系统还可用于电力系统新设备试验研究、教学和电力工作者培训等。

电力系统综合模拟实验系统是根据相似原理建立起来的电力系统物理模拟，它把实际电力系统的各个部分按照相似条件设计，建造并组成一个电力系统模型，用这种模型代替实际系统进行各种正常与故障状态的实验研究。

系统组成如下：

●模拟发电机

●模拟变压器

●模拟线路

●受端系统模拟

●负荷模拟

●控制系统及新设备接口等。

1～2、新能源测控屏2面3～7、高压线路测控屏5面

8～9、发电机测控屏2面10、无穷大测控屏1面

11、负荷测控屏1面12、14、微机励磁调节及负阻器屏2面

13、15、原动机及调速系统仿真屏2面16～17、高压系统电网组合屏2面

18、高压系统故障屏1面19、21、机端测控屏2面

20、22、发电机变压器屏2面23、通讯管理屏1面

24、25、远控动力电源屏2面26、直流电源屏1面

27、无穷大电源系统1套28～30、负荷变压器3组

31、电动机负荷多组32～35、模拟线路架4台

36、主测量控制试验台3组合37、微机监控台1套

38～40、发电机测控屏3面41、负荷测控屏1面

42、44、微机励磁调节及负阻器2面

43、45、原动机及调速系统仿真屏2面

46、47、机端测控屏2面48、49、发电机变压器屏2面

50、发变组故障屏1面

第三章同步发电机准同期并列实验

一．实验目的

1、加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件；

2、掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法；

3、熟悉同步发电机准同期并列过程；

4、观察、分析有关波形（*）。

二．原理与说明

将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。

准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速，当满足电压幅值和频率条件后，根据“恒定越前时间原理”，由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令，这种并列操作的合闸冲击电流一般很小，并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。

根据并列操作自动化程度的不同，又分为：

手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。

正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差，其幅值作周期性的正弦规律变化。

它能反映两个待并系统间的同步情况，如频率差、相角差以及电压幅值差。

线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律，其波形为三角波。

它能反映两个待并系统间的频率差和相角差，并且不受电压幅值差的影响，因此得到广泛应用。

手动准同期并列，应在正弦整步电压的最低点（同相点）时合闸，考虑到断路器的固有合闸时间，实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应时间或角度。

自动准同期并列，通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。

准同期控制器根据给定的允许压差和频差，不断检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均匀均频控制脉冲。

当所有条件满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。

三．实验项目和方法

1．机组微机启动和建压

（1）在调速装置上检查“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如果不在，则应调到0位置；

（2）合上操作台的“电源开关”，在调速装置、励磁调节器、微机准同期控制器上分别确认其“微机正常”灯为闪烁状态，在微机保护装置上确认“装置运行”灯为闪烁状态。

在调速装置上确认“模拟方式”灯为熄灭状态，否则，松开“模拟方式”按钮。

同时确认“并网”灯为熄灭状态，“输出0”、“停机”灯亮。

检查实验台上各开关状态：

各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄，调速装置面板上数码管在并网前显示发电机转速（左）和控制量（右），在并网后显示控制量（左）和功率角（右）；

（3）按调速装置上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮；

（4）把操作台上“励磁方式”开关置于“微机它励”位置，在励磁调节器上确认“它励”灯亮；

（5）在励磁调节器上选择恒UF运行方式，合上“励磁开关”；

（6）把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置；

（7）合上“系统开关”和线路开关“QF1、QF3”，检查系统电压接近额定值380V；

（8）合上“原动机开关”，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速装置将自动启动电动机到额定转速；

（9）当机组转速升到95%以上时，微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。

2．手动准同期

2．1按准同期并列条件合闸

将“同期方式”转换开关置“手动”位置。

在这种情况下，要满足并列条件，需要手动调节发电机电压、频率，直至电压差、频差在允许范围内，相角差在零度前某一合适位置时，手动操作合闸按钮进行合闸。

观察微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压，相应操作微机励磁调节器上的“增磁”或“减磁”按钮进行调压，直至微机准同期控制器上的“压差闭锁”灯熄灭。

观察微机准同期控制器上显示的发电机频率和系统频率，相应操作微机调速装置上的“增速”或“减速”按钮进行调速，直至微机准同期控制器上的“频差闭锁”灯熄灭。

此时表示压差、频差均满足条件，观察整步表上旋转灯位置，当旋转0度位置前某一合适时刻时，即可合闸（发电机开关）。

观察记录合闸时的冲击电流（三相电流表设在发电机和发电机开关之间）等数据（以下的并列实验同）。

2．2偏离准同期并列条件合闸

实验要求：

分别在单独一种并列条件不满足的情况下合闸，记录功率表冲击情况（下标F－发电机、X－无穷大系统）：

（1）电压差相角差条件满足，频率差不满足，在fF>

fX和fX>

fF时手动合闸，观察并记录实验台上的有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小。

注意：

频率差不要大于0.5Hz

（2）频率差相角差条件满足，电压差不满足，在VF>

VX和VX>

VF时手动合闸，观察并记录实验台上的有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小。

电压差不要大于10%额定电压

（3）频率差电压差条件满足，相角差不满足，顺时针旋转和逆时针旋转时手动合闸，观察并记录实验台上的有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小。

相角差不要大于30度

本实验项目仅限于实验室进行

3．半自动准同期

将“同期方式”转换开关置“半自动”位置，按下准同期控制器上的“同期命令”按钮即向准同期控制器发出同期并列命令，此时，“同期命令”灯亮，“微机正常”灯闪烁加快。

准同期控制器将给出相应操作指示信息，运行人员可以按这个指示进行相应操作（调速调压的方法同手动准同期）。

当压差、频差条件满足时，整步表上旋转灯光旋转至接近0度位置时，整步表圆盘中心灯亮，表示全部条件满足，准同期控制器会自动发出合闸命令，“合闸出口”灯亮，随后“DL合”灯亮，表示已经合闸。

“同期命令”灯熄，“微机正常”灯恢复正常闪烁，进入待命状态。

4．全自动准同期

将“同期方式”转换开关置“全自动”位置，按下准同期控制器的“同期”按钮，“同期命令”灯亮，“微机正常”灯闪烁加快，此时，微机准同期控制器将自动进行均压、均频控制并检查合闸条件，一旦合闸条件满足即发出合闸命令。

在全自动过程中，观察当“升速”或“降速”命令指示灯亮时，调速装置上有什么反应；

当“升压”或“降压”命令指示灯亮时，微机励磁调节器上有什么反应。

当一次合闸过程完毕，控制器会自动解除合闸命令，避免二次合闸；

此时“同期命令”灯熄，“微机正常”灯恢复到正常闪烁。

5．停机

通过按下调速装置上的“减速”按钮和励磁调节器上的“减磁”按钮、分别将发电机输出的有功功率、无功功率减至0。

跳开发电机开关后（即同步发电机与系统解列），跳开“励磁开关”灭磁，松开调速装置上的“停机/开机”按钮使“开机”灯灭、“停机”灯亮，即可自动停机。

待机组停稳后断开“原动机开关”，然后跳开线路开关和无穷大电源开关，最后切断“电源开关”。

注意事项：

1、手动合闸时，仔细观察整步表上的旋转灯，在旋转灯接近0位置之前的某一时刻合闸。

2、当面板上的指示灯、数码管显示都停滞不动时，此时微机准同期控制器处于“死机”状态，按一下“复位”按钮可使微机准同期控制器恢复正常。

3、微机自动励磁调节器上的增磁/减磁按钮按键只持续5秒内有效，过了5秒后如需调节则松开按钮，重新按下。

4、在做同期方式切换时，应该先断开发电机开关，然后选择“同期方式”转换开关位置。

四．分析与思考

1、比较手动准同期和自动准同期的调整并列过程。

2、相序不对（如系统侧相序为A、B、C，发电机侧相序为A、C、B）时能否并列？

为什么？

3、电压互感器的极性如果一侧（系统侧或发电机侧）接反，会有什么结果？

4、合闸冲击电流的大小与哪些因素有关？

5、在fF>

fX、fX>

fF或VF>

VX、VX>

VF下并列时，机端有功功率表及无功功率表的指示有何特点？

第四章单机－无穷大系统实验

了解和掌握三相对称稳态情况下，输电系统各种运行状态与运行参数的数值变化范围。

通过本实验了解和掌握电力系统稳态对称运行特性，在巩固理论概念的同时掌握“数值概念”－如在典型运行方式下，用相对值表示的电压损耗、电压降落等数值范围，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等。

1．机组手动启动和建压

（1）在调速装置上检查“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在，则应调到0位置。

将操作台上的“手动励磁”调节旋钮反时针旋到0；

在调速装置上确认“并网”灯为熄灭状态，“输出0”、“停机”灯亮。

各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；

（3）按调速装置上的“模拟方式”按钮使“模拟方式”灯亮；

（4）把操作台上“励磁方式”开关置于“手动励磁”位置，在励磁调节器上确认“它励”灯亮；

（7）合上“系统开关”和线路开关“QF2、QF4、QF6”，检查系统电压接近额定值380V；

（8）合上“原动机开关”，再顺时针旋转调速装置上的指针电位器，当发电机旋转后，观察机组稳定情况，然后通过顺时针旋转指针电位器缓慢加速到额定转速；

（9）顺时针调节操作台上的“手动励磁”旋钮增加励磁电压，在维持发电机为额定频率时，增加发电机电压为额定电压。

2．并网

请参照第三章中的手动准同期（按准同期并列条件合闸）的方法进行并网操作。

3．稳态对称运行实验

并网后，首先按照下表所列的运行方式1的线路开关状态进行线路开关的合闸和分闸，通过调节调速装置上的指针电位器来调整发电机输出的有功功率、通过调节“手动励磁”旋钮来调整发电机输出的无功功率，分别使输电系统处于两种不同的运行状态（不同大小的有功功率、不同方向的无功功率）进行实验。

在每一种运行状态下，分别按下表所列的三种电网运行方式进行实验（即按下表所列开关状态进行线路开关的合闸和分闸），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、比较运行方式不同时，运行参数变化的特点及数值范围－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。

同时针对不同运行状态下的实验结果进行计算、比较和分析。

运行方式1（单回路）的线路开关状态：

线路开关

QF1

QF2

QF3

QF4

QF5

QF6

开关状态

分

合

运行方式2（双回路）的线路开关状态：

运行方式3的线路开关状态：

4．停机

通过反时针旋转调速装置上的指针电位器以及操作台上的“手动励磁”旋钮分别将发电机输出的有功功率、无功功率减至0。

跳开发电机开关后（即同步发电机与系统解列），跳开“励磁开关”灭磁。

继续反时针旋转调速装置上的指针电位器直到0位置，使其输出为0，此时调速装置上的“输出0”灯亮。

待机组停稳后断开“原动机开关”，松开“模拟方式”按钮，“模拟方式”灯灭，“微机自动”灯亮。

然后跳开线路开关和无穷大电源开关，最后切断“电源开关”。

1、切换线路开关状态时注意不要造成系统解列。

2、调整发电机输出的有功功率和无功功率不宜过大。