西南交通大学电力系统及其自动化实验报告.docx

西南交通大学电力系统及其自动化实验报告.docx

《西南交通大学电力系统及其自动化实验报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西南交通大学电力系统及其自动化实验报告.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

西南交通大学电力系统及其自动化实验报告

电力系统及其自动化实验

实

验

报

告

姓名：

班级：

学号：

研究方向：

电气工程专业实验中心

2014年6月11日

实验1远动控制实验

1.1实验目的

（1）熟悉工业监控模拟系统调度中心的结构及系统配置；

（2）了解调度系统软件体系，学习使用用户界面和数据库工具，动手操作调整系统配置；

（3）通过对RTU的遥控、遥信、遥测功能的了解，理解RTU的组成原理及各种工作方式和信息采集原理。

1.2实验内容及原理

1.2.1调度员工作站——GM-2000DAS分布式管理自动化系统

GM-2000DAS分布式管理自动化系统结构可以分为：

调度中心、信道、被控端子系统，如图1-1所示。

远动系统的网络IP地采用：

100.0.0.XX和101.0.0.XX定义两个网络的地址。

图1-1GM-2000DAS分布式管理自动化系统结构

SD2000/DAS是一个具有强健的平台支撑的分布式网络系统。

SD2000/DAS采用三网结构，除实现配网数据采集、数据处理、任务调度、操作权限、打印制表、web浏览等SCADA传统功能外，增加地理信息、设备管理、网络拓扑分析和动态拓扑着色、故障处理、故障管理等配网自动化功能客户机／服务器（C/S）体系结构是在单一体系结构、宿主式体系结构和局域网广义网体系结构的基础上发展起来的，它既保留了宿主式体系结构中的数据集中管理、安全可靠和数据一致性的优点，又保留了文件服务器方式的多用户共享主机系统的数据资源和外设资源，降低了系统成本。

WINDOWS操作系统是基于INTEL或相应平台，窗口界面，图形操作系统，用于个人计算机或PC服务器。

其特点为：

操作直观、简便但安全性欠缺；UNIX操作系统是字符界面，多用于基于RISC的小型机或服务器。

UNIX操作系统可靠性高、安全性强、网络功能强大，但操作不直观。

一般常用的关系数据库管理系统有：

MicrosoftSQLSERVER、SYBASE、Oracle、Informix等。

关系数据库管理系统提供海量数据的存储、更新及查询、检索，支持SQL（Structurequerylanguange）查询语言，支持ODBC（opendatabaseconnection，开放数据库连接）接口标准，无论采用何种数据库管理系统，应用软件均可以采用相同的接口访问数据库系统，而且WINDOWS操作系统可通过控制面板中管理工具之ODBC界面设置。

GM-2000DAS分布式管理自动化系统提供了方便灵活易用的Windows的界面，采用多文档、多视图的界面形式，可以同时打开多个监视和控制画面，随意的定制各种界面元素的显示和隐藏，并提供了“全屏”和“正常”两种界面模式。

系统启动后在默认状态下没有登录，用户可以通过登录窗口进行身份验证后登录系统，系统根据添加用户所设定的用户身份后自动确定用户的权限，系统采用一次登录，连续有效的方式管理登录信息，并在需要验证身份的时候自动验证，直到用户选择注销身份。

调度员工作站通过用户登录的方式验证用户身份，根据用户的不同权限决定用户可以进行的操作，没有登录系统的使用者只能查看当前供电情况和进行数据的召唤操作，不能进行任何种类的控制操作。

1.2.2远动系统调度

远动系统调度端系统如图1-2所示，其标配标配：

后台处理机、操作员工作站、通信处理机、等主要网络节点设备。

调度中心又称主站系统。

主站系统就是接收和转发信息并进行监视控制的系统。

主站系统中的通信控制器从各个远动终端取得信息后，主计算机进行数据处理，检测一些参数是不是有越限现象发生，断路器有没有变位等，并将结果通过显示器或模拟屏向调度员报告。

调度员向计算机输入控制命令，向各远动终端发送断路器操作命令或调整发电机出力等控制命令。

主站还要将经过处理的信息向上层调度中心转发，通常这是通过数据通信网进行的。

主站的上述功能就称为SCADA（supervisorycontrolanddataacquisition）即监控与数据采集功能。

图1-2远动系统调度端系统

1.2.3远动通信系统

我们目前较为常见的SCADA系统的通信网络拓扑结构方式有点对点方式、环形方式、双T型结构、网状结构方式，如图1-3所示。

在实际工程中，以上几种网络结构往往同时存在于一个监控系统中。

在环形通道中，各RTU与控制中心主机进行数据交换的通信网RTU端的接线如图4所示。

上行通道收发线是RTU与控制中心通信连接的通道接线，下行通道收发线是RTU与下一站通信连接的通道接线，GM-R061、GM-R063用于连接通道隔离变压器，并具有通道防雷保护和掉电直通功能。

图1-4RTU机柜通信原理接线示意图

1.2.4工业现场基本控制基本原理及实验

GM-2000型RTU系统主要完成遥控、遥信、遥测等远动功能，主要由总控单元，控制、采集单元，交流采样单元等三个主要部分构成。

系统采用多处理器分散式原则，内部采用现场局域网连接各单元。

实验对象原理图如图1-5所示。

图1-5实验对象原理图

1.3心得体会

通过指导老师对调度系统（通讯前置机、调度员工作站、后台服务器）和被控站（薛店变电所、瓷窑湾变电所、吉首变电所、林颍变电所）等实验平台的细心讲解和演示，学生全面系统地介绍了电力系统和电气化铁道牵引供电系统远动监控技术的基本原理、构成、设计选择和通讯计算原则与方法，对调度中心的系统网络构成原理，系统软件配置，调度系统的分配原则有了一定理解。

本次实验较为系统和全面地介绍了最新的工业安全监控及综合自动化系统技术，对开拓自身眼界起到很好的作用。

由于自己对该领域的极大兴趣，学生在实验之后也查询了相关资料，对工业监控的主要功能（遥控、遥信、遥测）得到了更深层次的理解；也进一步熟悉调度系统在远动控制系统中的中心地位和作用。

学生对调度自动化系统的理解包含系统可靠性、实时性和数据准确性。

调度自动化系统的可靠性由远动系统的可靠性和计算机系统的可靠性来保证。

所谓的可靠性包括设备的可靠性和数据传输的可靠性。

而实时性可以用总传送时间、总响应时间来说明。

总传送时间是从发送站事件发生起，到接收站显示为止，事件信息经历的时间。

总响应时间是从发送站的事件启动开始、至接收到接收站反送响应为止之间的时间间隔。

在电镀自动化系统中，数据的准确性一般用总准确度、正确率、合格率等进行衡量。

实验2新能源及配网自动化实验

2.1实验目的

（1）了解微电网，熟悉含新能源的微电网控制实验系统；

（2）通过模拟的牵引供电系统，了解牵引供电系统的结构和工作情况；

（3）了解西南交通大学—施耐德电气联合实验室；

2.2实验内容及原理

2.2.1微电网控制系统（含新能源）

微电网系统是一种相对于配电网规模较小的分散式独立系统，它基于以现代电力电子技术，将风电，光伏发电，储能设备组合在一起，直接供小型用户使用，它可以被视为电网中的一个可控单元，在短时间内动作以满足外部输配电网络及负载的需求。

我们所参观的实验室中风电是由发动机模拟的，其系统由8个子系统所组成：

1）同步发电机组，容量10kW，380V；2）风力直驱发电机组，容量5kW，380V；3）双馈风力发电机组，容量10kW，380V；4）光伏发电系统，容量2kW，120V；5）蓄电系统，容量2kW，20AH；6）负载，容量15kW，功率因数-0.8~1，非线性负载；7）并网控制器，电流50A/380V；8）线缆监控系统，线缆长度0~5km。

该系统由6个子系统组成，每个子系统由主要控制器通过以太网上层计算机进行高速实时通讯。

各子系统内部运行通过子系统逆变器独立控制，如图2-1所示。

图2-1系统通讯示意图

1）中央控制装置

计算机主要进行任务的调度及功率的分配及各子系统运行状况显示。

显示界面采用分层结构，主界面显示所有子系统的关键参数及子系统简图，子界面显示各子系统的详细运行状况及详细电气图如图2-2所示。

图2-2界面显示结构

2）同步发电机系统

本系统是一种最常用的交流发电机系统。

在现代电力工业中，它广泛用于水力发电、火力发电、核能发电以及柴油机发电。

如图2-3，微电网系统将以同步发电机为主，其他子系统以同步发电机发出的电压及频率为参考变量。

图2-3同步发电系统控制框图

3）风力发电直驱系统

本系统是通过将永磁同步电机产生的电能转换为直流并逆变输出的一种控制方式，如图2-4所示。

该系统的主要特点是：

（1）无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低；

（2）消除励磁铜耗，功率密度高，转子惯性低，转子结构简单；

（3）可实现有功功率和无功功率的完全调节；

（4）与双馈风力发电机组相比，低风速时效率更高；

（5）变流器成本提高；

（6）采用高速多级发电机的体积及重量较大。

图2-4直驱风力发电系统控制框图

4）风力发电双馈系统

本系统是通过对双馈异步电机转子励磁控制定子电压电流频率与电网直接相连的一种控制方式，如图2-5所示。

图2-5双馈风力发电系统控制框图

5）光伏发电系统

本系统是通过光电池板将太阳能转化为直流电并采用光伏逆变器进行的一种控制方式，如图2-6所示。

图2-6光伏系统控制框图

6）储能系统

本系统将电网电能暂存于电池中，并在电网电压跌落时支撑电网，如图2-7所示。

图2-7储能系统控制框图

7）负载系统

负载系统是模拟电网系统的一种非线性负载，功率因数可以控制。

微网系统发出的电可以通过该负载进行消耗，控制系统图如图2-8所示。

图2-8负载系统控制框图

2.2.2牵引供电系统

实验室初步设计的联合实验室平台体系架构，平台的设计在充分考虑供电可靠性、实验室布局与实现不便的客观条件的基础上，最大限度地保留了铁路牵引供电系统与配电系统的特点。

采用400V配电网络来模拟实际铁路的10kV配电。

同时，依托施耐德电气强大的行业背景，通过采用相应智能设备方便地实现了对整个实验室系统的集中管理、保护与控制自动化、电能质量监测等。

牵引供电部分模拟实际牵引变电所，通过升压变压器将10kV升至27.5kV为牵引负荷供电。

配电部分模拟铁路配电网，采用400V电压模拟实际线路采用的10kV电压。

在一级负荷贯通线路上设置有故障模块，模拟实际铁路配电线路的各种故障，借以观察故障后保护以及断路器等的动作情况，实际铁路配电网络中的分段装置开关房用施耐德电气的配电柜来模拟。

该系统的运行示意图如图2-9所示。

图2-9牵引供电系统运行示意图

2.1.1西南交通大学-施耐德电气联合实验室

实验平台的检测、通信、管理：

实验室内综合自动化采用以太网通信代替光纤以太网。

各部分电源进线、母联断路器和负荷开关采用SCADA（供电系统管理自动化）远动控制和就地控制（实现系统的遥控、遥信、遥测）。

通过通信和监测来实现远程电网管理。

系统管理层设置有牵引供电监控主机、配电监控主机、打印机以及其他监控主机。

2.3心得体会

目前，新能源发电和并网是解决能源危机的主要途径，也在世界范围内引发了研究热潮。

解决新能源上网的随机性和间歇性问题是新能源并网的关键。

通过此次对于含新能源的微电网控制系统的学习，学生认识了光伏发电、风力发电系统的运行与控制的关键技术，但对于新能源并网的间歇性和随机性问题上，该实验系统并没有得到和好的解决方案。

处于对该技术的极大兴趣，学生查阅了相关文献，目前比较成熟的一种研究趋势是将新能源作为一种虚拟同步机的模型并入电网，从而可以很好地解决新能源并网的随机性和间歇性问题，该研究由英国谢菲尔德大学教授钟庆昌牵头，目前的研究成果已经在小范围内得以实际运行，充分证明了该研究的实际意义和价值。

通过现场牵引供电机车的运行参观实验，加上现场指导老师对各个系统的详细讲解，让我对铁路机车上的牵引供电系统了了更加直观的认识。

该实验室平台体系架构，平台的设计在充分考虑供电可靠性、实验室布局与实现不便的客观条件的基础上，最大限度地保留了铁路牵引供电系统与配电系统的特点。

从现场指导老师的悉心讲解来看，铁路上的牵引供电系统面临着众多挑战。

我院李群湛教授的科研团队致力于突破同相供电技术就是雨牵引供电系统紧密结合的研究领域，通过此次参观实验，这也更加激发了学生对牵引供电系统的极大兴趣。

参观西南交通大学—施耐德电气联合实验室之后，学生对该系统所模拟的为铁路信号电源供电有了更直观的认识。

同时，指导老师通过电路图的方式给我们进一步讲解了供电的工作原理。

加深了我们对知识点的理解。

实验3高电压实验

3.1实验目的

（1）掌握获得直流高压的方法；

（2）通过对避雷器的试验，学习绝缘电阻和泄露电流的测量方法；

（3）学习使用预防性试验规程；

（4）了解QS-1西林电桥的结构及使用注意事项；

（5）掌握QS-l电桥正、反接线测量方法，比较测试结果；

（6）掌握测量时电场干扰的消除方法及其原理；

（7）掌握用摇表测绝缘的方法；

（8）了解高压试验时基本的安全技术、注意事项；

（9）掌握高压试验变压器的试验接线与操作方法；

（10）掌握高压试验变压器校正曲线的制定方法；

（11）掌握工频高压的几种测量方法：

用测量球隙进行测量、用高压静电电压表进行测量和用工频分压器（电容式分压器）配合低压仪表进行测量；

3.2实验内容及原理

3.2.1绝缘电阻及泄漏电流的测量

电气设备绝缘的预防性试验是保证设备安全运行的重要措施。

通过试验，掌握电气设备绝缘的情况，及早发现其缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常运行，防止运行中设备在工作电压或过电压作用下击穿所造成的停电甚至严重损坏设备的事故，起着预防作用。

本试验仅做绝缘电阻及吸收比、泄露电流试验。

（1）缘电阻及吸收比试验：

用兆欧表测量。

吸收比，即设备绝缘60秒时的绝缘电阻与15秒的绝缘电阻的比值。

对于未受潮的变压器，吸收比范围在1.3到2内。

电器设备受潮时，此值接近1。

对于电容量不大、绝缘正常的试品，因吸收现象不显著，故无实用价值。

对于电机和电力电缆，还规定测试各相绝缘电阻的不平衡系数不应大于2。

不平衡系数指最大相绝缘电阻与最小绝缘电阻比值。

（2）泄露电流试验：

因所加电压比兆欧表高，所以更能发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。

如变压器套管开裂、内部受潮、绝缘油劣化、绝缘纸沿面炭化等缺陷。

在不同的电压下测量绝缘的泄漏电流，对判断绝缘质量有很大的作用，因为若绝缘没有什么缺陷，泄漏电流将随电压大致按线性增长。

反之，如有缺陷则泄漏电流的增长就比电压增长快，尤其在电压较高时，泄漏电流急剧增加，这是兆欧表所不能发现的。

为了避免测到绝缘的吸收电流，应在加压l分钟后读取泄漏电流值。

另外，还应注意消除电晕电流等干扰。

此外，无论绝缘电阻或泄漏电流值都和绝缘的温度密切相关。

温度升高时，泄漏电流急剧上升，绝缘电阻很快下降，所以在测量泄漏电流和绝缘电阻时，都要记录温度，对有的试验品还要进行温度校正，本实验因实验条件限制，未作校正。

3.2.2实验目的介质损耗角正切值的测量

介质损耗因数

和电容C用QS-1型西林电桥测量，实验原理图如图3-1所示。

图3-1实验原理图

3.2.3工频演示实验

工频实验装置如图3-2所示。

图3-2工频高压试验线路图

T1——调压器T2——高压试验变压器；

Vl——交流电压表；

V2——静电电压表；

V3——交流电压表或示波器；

R1——变压器保护电阻，10~20K

；

R2——球隙保护电阻；

Cx——试品；

工频高电压试验装置通常由调压器、试验变压器、保护电阻、分压器和静电电压表以及球隙等组成。

试验变压器的工作原理与电力变压器相同，但由于工作条件和工作任务的不同，试验变压器具有工作电压高、变比大、漏抗大、绝缘裕度小、容量小、工作时间短等特点。

其主要类型有单套管金属外壳型试验变压器、双套管金属外壳型试验变压器、绝缘外壳型试验变压器和串级试验变压器。

进行工频高电压试验时，要求试验电压从零开始，均匀升压，因此必须使用调压设备。

调压设备主要有四种：

自藕调压器、感应调压器、移卷调压器和电动发电机组。

保护电阻用固体电阻或水电阻。

R1的阻值一般按每伏0.1

选取，R2的阻值可按每伏0.1~0.5

选取，并应校验R1、R2的外表面绝缘强度。

在试验电压下，当试品发生击穿、闪络或球隙放电时，R1、R2不应发生沿面闪络，且具有相应的热容量，其长度可按每米150~200kV（有效值）选取。

静电电压表是测量工频高电压的常用电压表，它是一种测量静电力大小的表计。

根据测量原理的不同，可分为绝对静电电压表和相对静电电压表，后者被广泛用于工程测量。

由于静电电压表的输入阻抗及固有振荡频率都很高，所以常被用于直流电压及宽频带范围的交流电压的测量。

3.3心得体会

本次实验，皆为系统和全面地介绍了电力系统中高电压实验的一些基本操作和常用检测方法。

总的说来该实验属于工程上的实际应用，对于此次试验，重要的是学习一些实验操作。

对于此次时间学习，学生学到的主要技能以及收获主要有：

（1）对于电容量较大的设备（如：

电机、变压器、电容器等），利用吸收现象来测量这些设备的绝缘电阻随时间的变化，可以更有利于判断绝缘状。

如果绝缘状况良好，则吸收现象将甚明显，K值远大于1。

（2）测量介质损耗角正切值的实验学习中，若使用反接线，标准电容器外壳带高压电，要注意使其外壳对地绝缘，并且与接地线保持一定的距离；

（3）测量介质损失角的试验电压，一般不应高于被试品的额定电压，至多应不高于被试品额定电压的110％；

（4）进行工频高电压实验时，应根据试品的电容量和所要求的试验电压值，校核试验变压器的容量。

实验4电力系统仿真实验

4.1实验目的

血管器官离体培养的目的是通过构建能够模拟体内环境的血管生物反应器，

4.2实验内容（双馈变速风电机组在风力发电技术中的应用仿真）

4.2.1实验原理

双馈变速风电机组主要由风轮、轴系（包括低速轴LS、高速轴HS和变速箱组成）、双馈感应发电机以及部分负荷变频器组成，如图4-1所示。

在双馈变速风电机组中，慢速旋转的风轮通过齿轮轴系与快速旋转的发电机转子连接，发电机定子以交流与电网连接，发电机转子通过一个AC/DC/AC部分负荷变流器与电网连接。

图4-1装有部分负载变频器的双馈变速风电机组

这样的风电机组利用变频器控制的双馈感应发电机就可以实现变速运行，且能在较大速度范围内运行，因此称为变速风电机组。

双馈感应发电机的转子和定子通过由两个用直流连接的背靠背电源变换器连接。

发电机的转子回路馈入转子侧变换器，转子变换器的运行相当于在转子回路上串联一个外部电压相量，通过控制该电压相量可以使转子达到预期的转速。

在电网正常运行状态下，为了优化功率输出，转速通过转子侧变换器的控制进行调节，这就是转子回路变频运行的原理。

通过转子侧变换器可以对风电机组的有功功率和无功功率进行解耦控制。

这样，发电机就可以用转子侧变换器来控制转子回路励磁，而并非通过电网励磁。

此时即可通过设置发电机的参数控制发电机的无功功率，在电网无干扰的情况下支持电网电压，因此不需要用电容器组补偿双馈感应电压的出口电压。

双馈变速风电机组使用较小容量的变流器，其额定容量略高于发电机额定功率乘以发电机额定滑差，通常风电机组的额定功率是25%。

需要注意的是，双馈感应风电机组处于次同步运行时，滑差为正；超同步运行时，滑差为负。

转子回路的有功功率约等于发电机轴功率与滑差乘积。

超同步运行时，有功功率从转子回路送到电网，而次同步运行时，转子回路从电网吸收有功功率。

无论速度大小，定子总是向电网送出有功功率。

电网侧变换器控制其直流环节的电压恒定而不受转子功率的数值和方向影响，保持与电网之间的无功变换平衡。

根据变换器的控制模式，双馈变速风电机组的控制系统包含无功功率控制模式和电压控制模式。

电压控制模式是指风电机组在稳态运行过程中，通过无功功率的控制从而保持电机端电压恒定不变；

无功功率控制模式是指风电机组在稳态运行过程中，保持机组发出的有功功率和无功功率满足

（

对应于某一预先制定的恒定功率因数

）。

4.2.1参数设定

通过Matlab软件中的Simulink搭建的仿真模块如图4-2所示，WindTurbine是双馈变速风电机组模块，WindTurbine包含的子系统如图4-3所示。

图4-2双馈变速风电机组发电仿真系统

图4-3双馈变速风电机组子系统结构

打开双馈变速风电机组的参数设置对话框，对Turbinedata、Generatordata、Controlparameters（Voltageregulation）和Controlparameters（Varregulation）分别进行参数设置。

如图4-4到图4-8所示。

图4-4风力机数据参数设置对话框图4-5发电机数据参数设置对话框

图4-5变换器数据参数设置对话框图4-7电压控制模式下的参数设置对话框

图4-8无功功率控制模式下的参数设

4.2.2实验结果

1）风速波动时风电机组输出特性仿真

按照图4-4到图4-8设置仿真参数，忽略机组的保护动作，因此动作时间设置应大于仿真时间。

分别在电压控制模式下和无功功率控制模式下的风电机组输出特性做研究。

结果分别如图4-9和图4-10所示。

由图4-9可知，双馈变速风电机组采用电压控制方式时，风电机组的出口电压不随风电机组输入风速的波动而变化，而为了保持电压恒定，风电机组从电网中吸收的无功功率随风速波动而变化。

由图4-10可知，选择无功功率控制模式运行仿真，风电机组从电网吸收的无功功率基本保持不变。

图4-9电压控制模式下的风电机组输出特性图4-10无功功率控制模式下的风电机组输出特性

2）电网故障时风电机组输出特性仿真

利用模型中的三相故障模块设置电网在0.4s是发生A相接地故障，到1s消失，仿真起始时间设置为0，终止时间设置为2s。

电压控制模式下的仿真结果如图9所示，无功功率控制模式下的仿真结果如图10所示。

由图4-11可知：

在故障发生和故障恢复时，风电机组的出口电压会发生波动，且在故障发生的时间段内，风电机组从电网中吸收无功功率。

由图4-12可知：

在故障发生和故障恢复时，风电机组的出口电压会发生波动，但仅在故障发生和恢复时，风电机组从电网吸收的无功功率才会有暂时的波动。

图9电网单相接地故障时电压控制图10电网单相接地故障时无功功率控制

模式下的风电机组输出特性模式下的风电机组输出特性

4.3心得体会

通过此次仿真实验，学生最大的收获是掌握了在matlab/simulink环境下搭建电力系统仿真模块的方法。

在动手实践的过程中，学生用基本里路和实验方法动手操作，完成了对实践模型的仿真，实践的过程中，学生也对电力系统有了更加深刻的认识。

所谓理论来自于实践，同时指导者实践活动，二者相辅相成。

其次，通过模型仿真，学生也加深了对双馈变速风电机组在电压和无功功率控制模式下的输出特性的认识。

在正常运行条件下，双馈变速风电机组采用电压控制方式时，风电机组的出口电压不随风电机组输入风速的波动而变化，而为了保持电压恒定，风电机组从电网中吸收的无功功率随风速波动而变化，选择无功功率控制模式运行仿真，风电机组从电网吸收的无功功率基本保持不变；在故障运行条件下，若双馈风电机组采用电压控制模式故障发生和故障恢复时，风电机组的出口电压会发生波动，且在故障发生的时间段内，风电机组从电网中吸收无功功率，而双馈风电机组采用在无功功率控制模式下，在故