武大电气自动化实验备自投仿真实验.docx
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武大电气自动化实验备自投仿真实验
武汉大学电气与自动化学院实验报告（标准版）
学院：
电气与自动化学院专业：
电气工程及其自动化2019年10月19日
实验名称
备自投仿真实验
指导教师
姓名
班级
学号
1.课堂考勤（10）
2.实验预习（20）
3.实验操作（20）
4.数据记录与分析（20）
5.思考题（10）
6.实验结论与数据处理（20）
总成绩（100）
一.实验预习（20分）
1实验目的；2实验原理和设计；3实验设备
1.实验目的
（1）了解数字仿真软件中低压备自投的构成及实现方式；
（2）模拟仿真备自投在系统主电源故障下的运行特性。
2实验原理和设计
2.1备自投装置的基本原理和概念
（1）备自投装置全称备用电源自动投入装置，当主供电源或线路因故障等原因失电时，备自投装置快速切除并确认主供电源断开后迅速恢复备供电源，对保证多电源供电负荷连续性供电和提高供电可靠性具有重要作用。
装置采用交流不间断采样方式采集到信号后实时进行傅立叶法计算，能精确判断电源状态，并实施延时切换电源。
核心部分采用高性能单片机，包括CPU模块、继电器模块、交流电源模块、人机对话模块等构成，具有抗干扰性强、稳定可靠、使用方便等优点。
其液晶数显屏和备自投面板上所带的按键使得操作简单方便，也可通过RS485通讯接口实现远程控制。
备自投具有在线运行状态监视功能，可观察各输入电气量、开关量、定值等信息，其有可靠的软硬件看门狗功能和事件记录功能，产品在不同的电压等级如110kV、35kV、10kV系统的供配电回路中使用时需要设定不同的电气参数。
在选择备自投功能时则一定不可以投入低电压保护，以免冲突引起拒动或误动。
由于在现代电力系统中广泛使用了微机线路备自投保护装置，使得不间断供电的需求有了更加可靠的保证，在电力自动化的进程中发挥了不小的作用。
（2）工作电源：
用于正常运行时给负荷或母线供电的电源。
（3）备用电源：
投入后给失电的负荷或母线恢复供电的电源。
2.2.备自投装置的作用
由于在现代电力系统中广泛使用了微机线路备自投保护装置，使得不间断供电的需求有了更加可靠的保证，在电力自动化的进程中发挥了不小的作用。
2.3备自投动作遵循的基本原则
（1）满足充电条件；
（2）工作母线失压（非PT断线造成）；
（3）无外部闭锁条件闭锁备自投（如手跳、保护出口闭锁等）；
（4）跳开故障电源的断路器，以免备用电源合闸与故障；
（5）检测备用电源是否合格；如满足则合上备用电源断路器；
（6）备自投只动作一次。
2.4备自投的基本运行原则
（1）应该有备用电源或备用设备；
（2）当满足条件是，又无闭锁条件是，备自投只允许动作一次；
（3）不管故障电源的断路器是否跳开，均应由备自投追跳一次故障电源的断路器后才能投入备用电源或设备；
（4）备用电源的母线电压应满足要求；电压互感器应安装在母线处；如果是双母线，都应该安装。
取线路侧电压也可以。
（5）备自投装置应能实现PT断线闭锁功能、电流闭锁功能、手动跳闸闭锁功能、遥控跳闸闭锁及保护跳闸闭锁功能。
（6）强调时差配合，既保证追跳和自投的时间差合理，可靠；又要保证失压的时间短。
2.5.实验设计
2.5.1.实验内容
a.备自投元件认知实验；
1）梳理不同电压等级网络的主要元件组成；
2）熟悉不同电压等级的电源模型参数及断路器配置情况；
3）掌握备自投模型中二极管整流桥、直流电容及IGBT半桥逆变器的组成形式和工作原理，掌握离散PWM发生器的信号触发特点。
4）明晰旁通模块的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；
b.备自投特性仿真实验：
1）改变故障发生时刻；
2）改变DC电容的原有设计参数；
3）改变脉冲发生器的通断频率
记录实验波形数据，明确仿真模型中DC电容的功效，掌握其参数设计与充放电特性之间的关系。
明确PWM控制模块的通断频率对备自投运行性能的影响。
2.5.2.实验步骤
（1）将仿真示例copy到电脑。
进入MATLAB界面，导入并打开模型power_project.slx;
a.梳理power_project.slx模型中的主要元件设备组成，该模型包括多级电压网络，涵盖输电压级和中低压配电网络；备自投装置封装为“EmergencySystem”，其通过“By-passsystem”模块接入至低压配电系统；
b.熟悉不同电压等级的电源模型参数及断路器配置情况；
c.熟悉备自投装置“EmergencySystem”模型中二极管整流桥、直流电容及IGBT半桥逆变器的组成形式和工作原理，掌握离散PWM发生器的信号触发特点。
d.熟悉“By-passsystem”模块的组成结构及实现形式，掌握其电气参数的设计特点；
e.设置模型配置参数，运行时间为0.2s。
（2）点击运行power_project.slx算例。
3实验设备
（1）装有matlab的电脑
（2）模型power_project.slx。
二．实验记录（20分）
a.点击模型中的“fault”模块，设置故障发生的时刻，记录“GenerationUnit10MVA,15KV”、“15KV-6.6KVSystem”、“6.6KV-400VSystem”、“EmergencySystem”、“By-PassSystem”中的三相电压数据及断路器动作特性。
1.“GenerationUnit10MVA,15KV”的三相电压数据
2.“15KV-6.6KVSystem”的三相电压数据
3.“6.6KV-400VSystem”的三相电压数据
4.“EmergencySystem”的三相电压数据
5.“By-PassSystem”中的三相电压数据
6.“GenerationUnit10MVA,15KV”的断路器动作特性
7.“15KV-6.6KVSystem”的断路器动作特性
8.“6.6KV-400VSystem”的断路器动作特性
b.改变故障发生的时刻（请做两组），重新记录“GenerationUnit10MVA,15KV”、“15KV-6.6KVSystem”、“6.6KV-400VSystem”、“EmergencySystem”、“By-PassSystem”中的三相电压数据及断路器动作特性。
分别设置两组故障发生时刻，如下图：
故障发生的时刻2[0.04.0400001.09.0900001.1]
故障发生的时刻3[0.02.0200001.09.0900001.1]
1.“GenerationUnit10MVA,15KV”的三相电压数据
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
2.“15KV-6.6KVSystem”的三相电压数据
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
3.“6.6KV-400VSystem”的三相电压数据
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
4.“EmergencySystem”的三相电压数据
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
5.“By-PassSystem”中的三相电压数据
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
6.“GenerationUnit10MVA,15KV”的断路器动作特性
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
7.“15KV-6.6KVSystem”的断路器动作特性
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
8.“6.6KV-400VSystem”的断路器动作特性
故障发生的时刻2故障发生的时刻3
c.以某组故障时刻为例，记录备自投“EmergencySystem”中DC电容电压的充放电特性及脉冲发生器的输出波形（见图6）；记录备自投“EmergencySystem”中二极管整流桥及IGBT半桥逆变器的输入输出电流特性。
以故障发生的时刻3[0.02.0200001.09.0900001.1]为例：
1.“EmergencySystem”中DC电容电压的充放电特性
2.脉冲发生器的输出波形
3.备自投“EmergencySystem”中二极管整流桥的输入输出电流特性
4.IGBT半桥逆变器的输入输出电流特性
d.以某组故障时刻为例，调整备自投“EmergencySystem”中DC电容的原有设计参数（三组为例，建议成倍数比例提高或降低现有的电容设计参数），仿真记录不同电容值下的DC充放电特性；同时记录“EmergencySystem”的三相电压输出波形。
以故障发生的时刻1[0.03.0300001.08.0800001.1]为例：
其中实验1电容值为：
1000e-5；实验2电容值为：
1000e-6；实验3电容值为：
1000e-6。
实验1的DC电容电压的充放电特性
实验1三相电压数据
实验2的DC电容电压的充放电特性
实验2三相电压数据
实验3的DC电容电压的充放电特性
实验3三相电压数据
e.以某组故障时刻为例，调整备自投“EmergencySystem”中脉冲发生器的通断频率Carrierfrequency（三组为例，建议成倍数比例提高或降低现有的Carrierfrequency），仿真记录不同通断频率下“EmergencySystem”的三相电压输出波形，结合对比“By-PassSystem”中的三相电压输出波形。
以故障发生的时刻1[0.03.0300001.08.0800001.1]为例：
其中实验1频率为：
2000hz；实验2频率为：
200hz；实验3频率为：
20000hz。
三.实验分析与结论（20分）
a备自投的动作响应时间？
答：
备自投的动作响应时间为0.001s。
b“EmergencySystem”仿真模型中ControlledVoltageSource的作用？
答：
“EmergencySystem”仿真模型中ControlledVoltageSource是一个输出电压为400V受控电压源，作为备用系统中整流桥的输入电压，用来控制整流桥的输出。
。
c“EmergencySystem”仿真模型中DC电容的功效，其参数设计与充放电特性之间的关系？
答：
DC电容的主要功效是存储电能，用来维持整流桥输出电压的稳定，减小输出电压的纹波；时间常数
，电容越小，时间常数越小，充放电越快。
d“EmergencySystem”仿真模型中Filter模块所起的作用？
答：
“EmergencySystem”仿真模型中Filter模块所起的作用主要是滤波，把高频分量滤除;并可进一步采取数字滤波，从而提高系统的输出波形的质量。
e备自投中采用二极管不控整流和IGBT半桥逆变的组成形式，PWM控制模块的通断频率对备自投的运行性能有何影响？
答：
PWM控制模块的通断频率越高，所产生的SPWM波的谐波越少，SPWM波形更接近正弦波，对系统产生的扰动会更小，备自投的补偿效果越好。
<<南方电网备自投装置配置与技术功能规范>>Q/CSG110012-2011
四.进一步思考与实验总结（10分）
（1）若备用电源的容量不能够满足全负荷的要求，应如何操作，是否应选择性切除部分负荷，怎么考虑与重合闸之间的配合？
答：
当备用电源不能满足全部供电容量要求．则应在投入备用电源前有选择地切除部分负荷，同时闭锁这些线路的重合闸，防止重合闸装置误动作。
（2）本仿真实例中所应用的备自投装置适用于低压层级。
事实上，某些变电站内可能配置有两套及以上备自投装置，理论上各级备自投装置应相互配合，高电压等级的备自投与低电压等级的备自投，应该如何有效配合？
答：
当系统中存在多级备自投时．应考虑各级备自投间的关系。
原则上高电压等级、高
可靠性、影响面大的备自投先动作，低电压等级的、低可靠性、影响面小的备自投按躲过上级备自投整定。
教
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