电力系统自动化实验指导书14版.docx

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电力系统自动化实验指导书14版

《电力系统自动化》课程实验

1绪论

1.1.1实验的基本要求

实验是《电力系统自动化》课程的重要教学环节，通过实验，加深学生对课程内容的理解，掌握电力系统自动化的基本原理和实际操作能力。

本课程实验项目主要有手动及自动准同期并列、同步发电机自动励磁控制、电力系统功率特性等，掌握系统与装置的工作原理、工作特性，掌握常用仪器和实验设备的使用方法，培养学生掌握基本的电力系统自动化操作能力。

实验分为实验前、实验中、实验后三个阶段。

1）实验前的准备

实验准备是保证实验能够顺利进行的必要步骤。

每次实验前都应做好预习，才能对实验目的、原理、步骤和注意事项等做到心中有数，从而提高实验质量和效率。

认真做好实验前的准备工作，对于培养学生独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备、人身的安全等都具有相当重要的作用。

预习应做到：

（1）复习教科书有关章节内容，熟悉与本次实验相关的理论知识。

（2）认真学习实验指导书，了解本次实验目的和内容，掌握实验工作原理和方法，仔细阅读实验安全操作说明，明确实验过程中应注意的问题。

（3）写好预习报告，其中应包括实验系统的详细接线图、实验步骤、数据记录表格等，经教师检查认为确实做好了实验前的准备，方可开始实验。

2）实验中的进行

在完成实验预习环节后，就可进入实验实施阶段。

实验时要做到以下几点：

（1）预习报告完整，熟悉设备

实验开始前，指导老师要对学生的预习报告做检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验。

指导老师要对实验装置作详细介绍，特别是对实验中的安全必须严肃认真讲解，学生必须熟悉该次实验所用的各种设备，明确这些设备的功能与使用方法。

（2）建立小组，合理分工

每次实验都以小组为单位进行，每组由3～4人组成。

实验进行中，机组的运行控制、电力系统的监控调度、记录数据等工作都应有明确的分工，以保证实验操作的协调，数据准确可靠。

（3）试运行

在正式实验开始之前，先熟悉仪表的操作，然后按一定规范通电接通电力网络，观察所有仪表是否正常。

如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。

（4）测取数据

预习时应对所测数据的范围做到心中有数。

正式实验时，根据实验步骤逐次测取数据。

实验完毕后，应请指导老师检查实验数据、记录的波形。

经指导老师认可后，关闭所有电源，并把实验中所用的物品整理好，放至原位。

3）实验后的总结

实验结束，应对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象并撰写实验报告。

每位实验参与者要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。

如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，而应用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。

实验报告是根据实测数据和在实验中观察发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的实验总结和心得体会，应简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。

实验报告应包括以下内容：

（1）实验名称、专业、班级、学号、姓名、同组者姓名、实验日期、室温等。

（2）实验目的、实验线路、实验内容。

（3）实验设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及实验装置编号。

（4）实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。

（5）画出与实验数据相对应的特性曲线及记录的波形。

（6）用理论知识对实验结果进行分析总结，得出正确的结论。

（7）对实验中出现的现象、遇到的问题进行分析讨论，写出心得体会，并对实验提出自己的建议和改进措施。

1.1.2实验的安全操作说明

为了顺利完成电力系统模拟实训装置的全部实验，确保实验时人身安全与设备的安全可靠运行，实验人员要严格遵守如下安全说明：

1）上电前，应做如下工作：

（1）检查实验台、控制柜和发电机组间的电缆线是否正确可靠连接。

（2）原动机的光电编码器与控制柜间的连线是否可靠连接。

（3）实验台和控制柜间的通信线是否可靠连接。

2）上电后，实验前，检查微机准同期装置、微机励磁装置、微机准同期装置和微机线路保护装置的“系统设置”内的参数是否为实验要求的值。

如果不是，请修改相关设置。

3）实验过程中，人体不可接触带电线路，如自耦调压器的输入、输出接线端。

4）发电机组在启动后，切勿推拉、触摸发电机组。

5）在进行发电机组与系统间的解列操作时，要使发电机组的有功功率P和无功功率Q接近于零，即：

零功率解列，不能对系统造成有功功率和无功功率的冲击。

6）控制柜上的总电源应由实验指导教师来控制，其他人员只能经指导教师允许后方可操作，不得自行合闸。

2实验项目指导

实验一发电机组的起动、运转与停机实验

一、实验目的

1、了解微机调速装置、微机励磁装置和微机准同期装置的工作原理。

2、掌握微机调速装置、微机励磁装置和微机准同期装置的操作方法。

2、了解发电机组中原动机（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、灭磁和停机的操作方法。

二、实验原理

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。

发电机组自动化系统的原理结构如图2-1-1所示。

图2-1-1发电机组自动化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微机调速系统控制芯片中，装置内部采用AD方式将电枢电压采集到控制芯片中，根据不同的调节方式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。

发电机出口的三相电压信号送入微机励磁系统和微机准同期系统，三相电流信号经电流互感器也送入微机励磁系统，信号被处理后；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微机励磁系统，信号根据控制方式进行计算，微机励磁系统根据计算结果输出控制电压，来调节发电机励磁电流。

三、实验设备

序号

型号

使用仪器名称

数量

备注

1

EAL-01

电源输出

1

2

EAL-02/03

双回路输出电路

1

3

EAL-II

微机原动机调速系统

1

4

EAL-II

微机发电机励磁系统

1

5

EA-IIL

微机准同期系统

1

四、实验内容与记录

1、发电机组起励、建压、停机

1）检查实验台和控制柜的连接、电机和控制柜的连接等，确保连接正常。

2）合上实验台左侧的总电源开关，控制柜电源电压表应显示三相电源线电压380V左右，原动机电枢电流表显示原动机的电枢电流。

3）打开QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）电源开关。

4）点击QSTSXT-II（微机调速系统）的“进入系统”按钮，再点击“恒α角”（也可点击“电压闭环”或“转速闭环”）按钮，进入界面后点击“启动”按钮，然后通过“软键盘”“＋”键或“－”键，调节角度（给定电压或给定转速）来启动原动机转起来，观察电枢电压电流和转速的变化。

操作界面如图2-1-2所示。

5）保持原动机转速在1500rpm，点击微机励磁系统的“进入系统”按钮，再点击“他励”按钮，选择励磁调节方式恒α角，然后按下“启动”按钮，通过“软键盘”“α角加”键或“α角减”键，按钮调节发电机励磁的输出，观察发电机电压变化（发电机相电压不能超过250V）。

操作界面如图2-1-3所示。

6）按下微机励磁系统所在界面上的“灭磁”按钮，然后再按下微机调速系统所在界面上的“停止”按钮。

当发电机转速减为0时，关闭QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）面板上的“电源开关”。

2、发电机组并网、停机

1）首先投入无穷大系统、即系统电源，合上实验台左边的电源开关，然后按下实验台上的“闭合”按钮。

2）合上断路器QFS，调节自耦调压器的手柄，逐渐增大输出线电压Us=380V左右。

3）发电机与系统间的线路有“单回”和“双回”可选。

根据实验要求选定一种，此处选“单回”。

单回：

依次闭合断路器QF1、QF5和QF3（或者QF2、QF4）处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态；双回：

断路器QF1、QF2、QF3、QF4和QF5处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态（注意：

“合闸”状态是红灯亮，“分闸”状态是绿灯亮）。

发电机与无穷大系统主接线如图2-1-4所示。

4）打开QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）电源开关。

5）微机调速系统选择“电压闭环”方式，给定电压通过“软键盘”设为170V左右，点击“启动”按钮，使电机运行起来，转速达到1500转/分，如果达不到通过“电压加”键或“电压减”键，使电机转速为1500转/分。

微机调速系统操作界面如图2-1-5所示。

6）微机励磁系统选择恒Ug方式，用“软键盘”给定相电压为220V，点击“启动”，发电机相电压会自动达到并保持在220V左右，观察发电机的电压变化。

微机励磁系统操作界面如图2-1-6所示。

注1：

操作面板指示的电压为相电压、实验屏仪表指示的电压为对应的线电压。

注2：

并网前必须通过实验屏上的线电压表（转换开关切换三个线电压）检查系统电源是否缺相。

7）半自动并网

所谓“半自动并网”，就是手动调整频差和压差至满足条件后，系统自动发出一个合闸信号，合上断路器（QFG）实现并网。

进入QSZTQ-II（微机准同期系统）“系统设置”界面，密码为：

12345。

设置“导前时间”设置为100ms，“允许频差”设置为0.3Hz，“允许压差”设置为5V，通过下拉菜单保存相应的参数（系统已设置好）。

注：

在所有的参数设置的界面中，当有下拉菜单的时候，每次只能保存选中的一个参数，如若要保存多个参数，应多次选择不同的下拉选项进行保存。

进入QSZTQ-II（微机准同期系统）“半自动并网”界面，此时“半自动”指示灯亮，勾上“是否并网”复选框，按下“并网”按钮，此时“并网”指示灯亮。

观察QSZTQ-II（微机准同期系统）右边的指示灯，当“频差闭锁”亮时，表示频率不满足，需要改变原动机的转速。

通过微机调速系的“电压加”键或“电压减”键，使原动机转速调整到1500转（该转速对应发电机电压频率为50Hz），使“频差闭锁”灯灭。

当“压差闭锁”亮时，表示压差不满足，进一步观察“升压/降压”灯，亮表示需要提高发电机端电压，灭表示需要降低发电机端电压，通过微机励磁系统的“电压加”键或“电压减”键，使发动机的电压接近系统电压Us。

注意：

系统电压在实验台上显示的是线电压，在控制柜微机准同期操作界面上显示的是相电压；发电机电压显示的是相电压。

根据QSZTQ-II（微机准同期系统）显示的值，手动调整频差和压差，满足条件后，微机准同期系统就发出一个合闸信号，实现半自动并网。

微机准同期系统操作界面如图2-1-7所示。

8）发电机组停机

按下QSZTQ-II（微机准同期系统）的“解列”按钮，在QSLCXT-II（微机励磁系统）按下“灭磁”按钮。

然后在QSTSXT-II（微机调速系统）按下“停机”按钮，最后断开所有的电源开关。

（注：

一定要先“解列”，再“灭磁”，最后“停机”）

五、实验预习与思考题

1、认真复习直流电动机、同步发电机的原理、结构和特性。

2、同步发电机机端电压的大小如何调整？

频率如何调整？

3、α角的大小与励磁电压大小的关系是什么？

4、什么是无穷大系统？

无穷大系统母线与发电机母线之间的“单回”和“双回”有什么区别？

为什么？

六、实验报告

1、简述发电机组起励、建压、并网、解列、灭磁和停机的操作步骤。

2、为什么发电机组送出有功和无功时，要先送无功？

3、为什么要求发电机组输出的有功和无功为0时才能解列？

实验二手动和自动准同期并网实验

一、实验目的

1、加深理解同步发电机准同期并列的原理和特点，掌握准同期并列条件。

2、掌握自动准同期装置的工作原理及使用方法。

3、掌握手动、自动准同期的概念及并网操作方法。

二、实验原理

在满足并列条件的情况下，只要控制得当，采用准同期并列方法可使冲击电流很小且对电网扰动甚微，故准同期并列方式是电力系统运行中的主要并列方式。

准同期并列要求在合闸前通过调整待并发电机组的电压和转速，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。

依并列操作的自动化程度，又可分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。

正弦脉动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。

它能反映发电机组与系统间的同步情况，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。

它能反映电机组与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，应在正弦脉动电压的最低点（相同点）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的时间或角度。

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。

准同期控制装置根据给定的允许压差和允许频差，不断地检测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压、均频控制脉冲。

当所有条件均满足时，在整定的越前时间送出合闸脉冲。

自动准同期并列装置设置与半自动准同期并列装置相比，增加了频差调节和压差调节功能，自动化程度大大提高，自动准同期并列装置的原理框图如图2-2-1所示。

图2-2-1自动准同期并列装置的原理框图

微机准同期装置的均频调节功能，主要实现滑差方向的检测以及调整脉冲展宽，向发电机组的调速机构发出准确的调速信号，使发电机组与系统间尽快满足允许并列的要求。

微机准同期装置的均压调节功能，主要实现压差方向的检测以及调整脉冲展宽，向发电机的励磁系统发出准确的调压信号，使发电机组与系统间尽快满足允许并列的要求。

此过程中要考虑励磁系统的时间常数，电压升降平稳后，再进行一次均压控制，以使压差达到较小的数值，更有利于平稳地进行并列。

三、实验设备

序号

型号

使用仪器名称

数量

备注

1

EAL-01

电源输出

1

2

EAL-02/03

双回路输出电路

1

3

EAL-II

微机原动机调速系统

1

4

EAL-II

微机发电机励磁系统

1

5

EA-IIL

微机准同期系统

1

四、实验内容与记录

1、合上试验台左侧的总电源开关，打开QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）电源开关。

微机调速系统选择电压闭环，“给定电压”通过“软键盘”设定为170V左右，点击“启动”按钮，使电机运行起来，转速达到1500转，如果不足或超过，通过“电压加”键或“电压减”键，使电机转速为1500转；进入QSLCXT-II（微机励磁系统），选择他励方式下的恒Ug起励，“他励”下的“恒Ug”界面下，设定恒Ug给定值为220V左右。

2、手动准同期方式下发电机组的并列运行操作

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。

1）进入QSZTQ-II（微机准同期系统）的“手动并网”界面，勾上复选框。

微机准同期系统操作界面如图2-2-2所示。

注意：

不能点击“并网”按钮。

2）观察频差和压差的数字，以及和相角差指示灯的旋转方向。

3）按下微机调速装置上的“电压加”键进行增频或“电压减”键进行减频，使频差显示接近于零；按下微机励磁装置上的“电压加”键进行升压或“电压减”键进行降压，使压差显示也接近于零。

4）观察相位差指示灯，当相角差接近0度位置时（此时相差也满足条件），点击“并网”按钮，合闸成功后，观察并记录合闸时的冲击电流。

3、手动准同期方式下偏离准同期并列条件时发电机组的并列运行操作

本实验分别在单独一种并列条件不满足的情况下合闸，记录有功功率表、无功功率表、电流表的冲击情况：

1）电压差、相角差条件满足，频率差不满足，在fg＞fs和fg＜fs时手动合闸，观察并记录实验台上有功功率表P、无功功率表Q和电流表指针偏转方向及偏转角度大小，分别填入表2-2-1。

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，Ug＞Us和Ug＜Us时手动合闸，观察并记录实验台上有功功率表P、无功功率表Q和电流表指针偏转方向及偏转角度大小，分别填入表2-2-1。

注意：

电压差不要大于额定电压的5％。

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，分别填入表2-2-1。

注意：

相角差不要大于30°。

表2-2-1偏离准同期并列条件并网操作时，发电机组的功率方向变化表

状态

参数

fg＞fs

fg＜fs

Ug＞Us

Ug＜Us

顺时针

逆时针

P（kW）

Q（kVar）

I（kA）

4、在自动准同期方式下，发电机组的并列运行操作

1）在QSTSXT-II（微机调速系统）、QSLCXT-II）微机励磁系统）和QSZTQ-II（微机准同期系统）中分别进入“自动并网”界面，然后各自点击并网。

各装置的自动并网操作界面如图2-2-3所示。

2）查看微机准同期的系统参数是否为以下设置（出厂设置）：

“导前时间”设置为100ms、“允许频差”设置为0.3Hz、“允许压差”设置为5V，如果不符，则进行相关修改。

3）点击QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）中的“并网”按钮，在QSZTQ-II（微机准同期系统）中勾上复选框，然后点击“并网”按钮。

4）观察微机准同期装置当“升速/降速”命令指示灯亮或灭时，微机调速装置上有什么反应；当“升压/降压”命令指示灯亮或灭时，微机励磁调节装置上有什么反应。

5）微机准同期装置“升压/降压”、“增速/减速”命令指示灯亮或灭时，观察本记录旋转灯光的旋转方向、旋转速度，以及发出命令时对应的灯光的位置。

注：

当一次合闸过程完毕，微机准同期装置会自动解除合闸命令，避免二次合闸。

此时若要再进行微机准同期并网，须点击“解列”按钮，然后再勾上复选框，然后点击“并网”按钮。

5、发电机组的解列和停机。

按下QSZTQ-II（微机准同期系统）的“解列”按钮，在QSLCXT-II（微机励磁系统）按下“灭磁”按钮。

然后在QSTSXT-II（微机调速系统）按下“停机”按钮，最后断开所有的电源开关。

五、实验预习与思考题

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

为什么？

2、电压互感器的极性如果有一侧（系统侧或发电机侧）接反，会有何结果？

3、合闸冲击电流的大小与哪些因素有关？

4、在fF>fX或者fFUX或者UF

为什么？

六、实验报告

1、根据实验步骤，分析手动准同期并列的原理及过程。

2、根据实验数据，比较满足同期并列条件与偏离准同期并列条件合闸时，对发电机组和系统并列时的影响。

3、根据实验内容分析自动准同期的工作原理及过程。

4、分析以下参数改变对自动准同期并列的影响：

导前时间、允许频差和允许压差。

5、通过实验，分析自动准同期、半自动准同期与手动准同期的异同点。

实验三励磁调节器控制实验

一、实验目的

1、进一步理解同步发电机励磁调节的原理和励磁控制系统的基本任务。

2、了解同步发电机的几种起励方式并比较它们之间的不同之处。

3、掌握不同起励方式下同步发电机起励建压的条件。

4、了解微机励磁调节器的几种控制方式及其各自特点。

二、实验原理

同步发电机励磁控制系统原理图如图2-3-1所示。

图2-3-1同步发电机励磁控制系统原理图

同步发电机的起励方式有三种：

恒发电机电压Ug方式起励、恒励磁电流IL方式起励和恒α角方式起励。

其中，除了恒α角方式起励只能在他励方式下有效外，其余两种方式起励都可以分别在他励和自并励两种励磁方式下进行。

恒Ug方式起励是应用最多的起励方式，其机端电压的设定值由运行人员手动设定，起励后的发电机电压稳定在手动设定的给定水平上。

恒IL方式起励是一种用于试验的起励方式，励磁电流的设定值由运行人员手动设定，起励后的发电机励磁电流稳定在手动设定的给定水平上。

恒α角方式起励也是一种用于试验的起励方式，其可控整流电路的触发角的设定值由运行人员手动设定，起励后的可控整流电路的触发角稳定在手动设定的给定水平上，即励磁电压稳定在手动设定的给定水平上，但必须是他励方式。

与同步发电机的起励方式相对应，励磁调节器的控制方式主要有三种：

恒发电机电压Ug控制方式、恒励磁电流IL控制方式和恒α角控制方式。

其中，恒α角控制方式为开环控制，而恒Ug、恒IL两种控制方式均采用PID闭环控制，PID算法可表示为：

其中：

—调节器输出；

；

—比例增益；

—积分常数；

—微分常数。

因上述算法用于连续模拟控制，而此处采用采样控制，故对上述两个方程离散化，当采样周期T很小时，用一阶差分代替一阶微分，用累加代替积分，则第n次采样的调节量为：

式中：

—偏差为0时的初值。

则第n-1次采样的调节量为：

两式相减，得增量型PID算法，表示如下：

式中：

；

。

每种控制方式对应一套PID参数（

），可根据要求设置，设置原则：

比例系数加大，系统响应速度快，减小误差，偏大，振荡次数变多，调节时间加长，太大，系统趋于不稳定；积分系数加大，可提高系统的无差度，偏大，振荡次数变多；微分系数加大，可使超调量减少，调节时间缩短，偏大时，超调量较大，调节时间加长。

为保证各控制方式间能无扰动的切换，本装置采用了增量型PID算法。

三、实验设备

序号

型号

使用仪器名称

数量

备注

1

EAL-01

电源输出

1

2

EAL-02/03

双回路输出电路

1

3

EAL-II

微机原动机调速系统

1

4

EAL-II

微机发电机励磁系统

1

5

EA-IIL

微机准同期系统

1

四、实验内容与记录

1、恒Ug方式起励

1）合上实验台左侧的总电源开关，控制柜电源电压表应显示三相电源线电压380V左右，原动机电枢电流表显示原动机的电枢电流。

2）打开QSTSXT-II（微机调速系统）和QSLCXT-II（微机励磁系统）电源开关。

3）微机调速系统选择“电压闭环”，给定电压通过“软键盘”设定为170V左右，点击“启动”按钮，电机运行并使转速达到1500转，若达不到通过“电压加”键或“电压减”键，使电机转速达到1500转。

4）微机励磁系统选择“他励”方式下的“恒Ug”起励，进入界面，通过“软键盘”设定恒Ug给定值为220V（相电压）。

微机调速系统操作界面如图2-3-2所示。

5）参照实验1的“发电机组起励、建压”步骤操作。

同时观察QSLCXT-II（微机励磁系统）面板上的“发电机励磁电压”和“发电机励磁电流”读数的变化。

也可从实验屏上的“发电机励磁电压表”和“发电机励磁电流表”读取。

6）发电机组不并网，通过调节原动机转速来调节发电机电压的频率