电力系统自动化实验.docx
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电力系统自动化实验
实验1手动准同期并网实验
、实验目的
1・加深理解同步发电机准同期并列运行原理，掌握准同期并列条件。
2・掌握手动准同期的概念及并网操作方法，准同期并列装置的分类和功能。
3・熟悉同步发电机手动准同期并列过程
二、原理说明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适宜时机发出合闸命令，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，应在正弦整步电压的最低点〔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。
三、实验内容与步骤
选定实验台面板上的旋钮开尖的位置：
将“励磁方式〞旋钮开尖打到“微机励磁〞位置；将
“励磁电源〞旋钮开矢打到“他励〞位置；将“同期方式〞旋钮开矢打到“手动〞位置。
微机励磁装置设置为“恒Ug〞控制方式。
1.发电机组起励建压，使n=1485rpm;Ug二390V。
将自耦调压器的旋钮逆时针旋至最小。
按下QF7合闸按钮，观察实验台上系统电压表，
顺时针旋转旋钮至显示线电压400V，然后按下QF1和QF3合闸按钮。
2.在手动准同期方式下，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适宜位置时，手动操作合闸按钮进行合闸。
⑴将实验台上的“同期表控制〞旋钮打到“投入〞状态。
投入模拟同期表。
观察模拟式
同期表中，频差和压差指针的偏转方向和偏转角度，以及和相角差指针的旋转方向。
⑵按下微机调速装置上的“+〞键进行增频，同期表的频差指针接近于零；此时同期表的压差指针也应接近于零，否那么，调节微机励磁装置。
⑶观察整步表上指针位置，当相角差指针旋转至接近0度位置时〔此时相差也满足条件〕
手动按下QF0合闸，合闸成功后，并网指示灯闪烁蜂鸣。
观察并记录合闸时的冲击电流
将并网前的初始条件调整为：
发电机端电压为410V，n=1515rpm，重复以上实验，注
意观察各种实验现象。
3•在手动准同期方式下，偏离准同期并列条件，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，记录功率表冲击情况；
⑴电压差、相角差条件满足，频率差不满足，在fg>fs和fgVfs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3-3-5-1;
注意：
频率差不要大于。
⑵频率差、相角差条件满足，电压差不满足，Vg〉Vs和VgVVs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3-3-5-1;
注意：
电压差不要大于额定电压的10%。
（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3-3-5-1。
注意：
相角差不要大于30。
表3-1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
fgVfs
Vg>Vs
VgVVs
顺时针
逆时针
P（kW）
Q（kVar）
（4）发电机组的解列和停机。
（见第一章）
四、实验报告
1•根据实验步骤，详细分析手动准同期并列过程。
2•根据实验数据，比拟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。
实验2半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原理，掌握准同期并列条件。
2・掌握半自动准同期装置的工作原理及使用方法。
3・熟悉同步发电机半自动准同期并列过程。
二、原理说明
为了使待并发电机组满足并列条件，完成并列自动化的任务，自动准同期装置需要满足以下根本技术要求：
1・在频差及电压差均满足要求时，自动准同期装置应在恒定越前时间瞬间发出合闸信号，使断路器在笔=0时闭合。
2•在频差或电压差有任一满足要求时，或都不满足要求时，虽然恒定越前时间到达，自动准同期装置不发出合闸信号。
3•在完成上述两项根本技术要求后，自动准同期装置要具有均压和均频的功能。
如果频差满足要求，是发电机的转速引起的，此时自动准同期装置要发出均频脉冲，改变发电机组的转速。
如果电压差不满足要求，是发电机的励磁电流引起的，此时自动准同期装置要发出均压脉冲，改变发电机的励磁电流的大小。
同步发电机的自动准同期装置按自动化程度可分为：
半自动准同期并列装置和自动准同期并列装置。
半自动准同期并列装置没有频差调节和压差调节功能。
并列时，待并发电机的频率和电压由运行人员监视和调整，当频率和电压都满足并列条件时，并列装置就在适宜的时间发出合闸信号。
它与手动并列的区别仅仅是合闸信号由该装置经判断后自动发出，而不是由运行
人员手动发出。
三、实验内容与步骤
选定实验台面板上的旋钮开矢的位置：
将“励磁方式〞旋钮开矢打到“微机励磁〞位置；将“励磁电源〞旋钮开矢打到“他励〞位置；将“同期方式〞旋钮开矢打到“半自动〞位置。
微机励磁装置设置为“恒Ug〞控制方式；“手动〞方式。
1.发电机组起励建压，使n=1480rpm；Ug=400V。
〔操作步骤见第一章〕
2・查看微机准同期的各整定项是否为附录八中表4・8・2的设置〔出厂设置〕。
如果不符，
那么进行相矢修改。
然后，修改准同期装置中的整定项：
“自动调频〞：
退出。
“自动调压〞：
退出。
“自动合闸〞：
投入。
注：
QF0合闸时间整定继电器设置为td-〔40〜60ms〕。
td为微机准同期装置的导前时间设置，出厂设置为100ms,所以时间继电器设置为40〜60ms
3.在半自动准同期方式下，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适宜位置时，微机准同期装置控制合闸按钮进行合闸。
⑴观察微机准同期装置压差闭锁和升压和降压指示灯的变化情况。
升压指示灯亮，相应
操作微机励磁装置上的“+〞键进行升压'直至“压差闭锁〞灯熄灭；降压指示灯亮，相应操作微机励磁装置上的“-〞键进行降压，直至“压差闭锁〞灯熄灭。
此调节过程中，观察并记录观察并记录压差减小过程中，模拟式同期表中，电压平衡表指针的偏转方向和偏转角度的大小的变化情况。
⑵观察微机准同期装置频差闭锁和加速和减速指示灯的变化情况。
加速指示灯亮，相应操作微机调速装置上的“+〞键进行增频，直至“频差闭锁〞灯熄灭；减速指示灯亮，相应操作微机励磁装置的“-〞键进行减频，直至“频差闭锁〞灯熄灭。
此调节过程中，观察并记录观察并记录频差减小过程中，模拟式同期表中，频差平衡表指针的偏转方向和偏转角度的大小的变化，以及相位差指针旋转方向及旋转速度情况。
⑶“压差闭锁〞和“频差闭锁〞灯熄灭,表示压差、频差均满足条件,微机装置自动判
断相差也满足条件时，发出QFO合闸命令，QFO合闸成功后，并网指示灯闪烁蜂鸣。
观察并记录合闸时的冲击电流。
将并网前的初始条件调整为：
发电机端电压为410V，n=1515rpm，重复以上实验，注
意观察各种实验现象。
⑷发电机组的解列和停机。
〔见第一章〕
四、实验报告
1•根据实验步骤，详细分析半自动准同期并列过程。
2・通过实验过程，分析半自动准同期与手动准同期的异同点
实验3自动准同期条件测试实验
、实验目的
1•掌握实验设备和仪器的使用方法，深入理解准同期条件。
2•掌握准同期条件的测试方法。
3.熟悉脉动电压的特点。
二、原理说明
所谓脉动电压是指待并发电机
早期的准同期装置是利用脉动电压这一特性进行工作的。
的电压Ug和系统电压Us之间的电压差，通常用Ud来表示。
发电机电压和系统电压的瞬时值，可用下式表示：
Ug=Ug.mSifl〔Wgt、」1〕〕5-
1
Us=Us.mSin〔st、〔2〕〕5-
2
式中：
、为发电机和系统电压的幅值；§、色为发电机电压和系统电压的初相。
设Ug.m=Us.m=Um'从式3-3-1-1和3-3-1-2可得脉动电压:
Ud=Ug-Us
=2Umsin[〔gt“〕/2-〔st丄心2〕/2]cos[〔gt丄诵〕/2〔st丄心2〕/2]*3
假设初始相角',=,-2=0，那么式3-3-1-3可简化为:
Ud=2UmSin[〔,g・，s〕t/2]cos[〔勺，s〕t/2]5-4
脉动电压Ud随时间变化的轨迹示于图3-3-1-1o
令Ud.m=2UmSin[〔⑷g・C0s〕t/2]为脉动电压Ud的幅值，那么
Ud二Ud.mC0S[〔,g—s〕t/2]5-5
令®d=COg-3s,式中3d为滑差角速度，那么
Ud=2Umsin[〔dt〕/2]5-6
IJ
图5-1脉动电压变化轨迹
尖于脉动电压的概念还可以用相量来描述。
图3-3-1-2是滑差电压相量图。
。
_
图中用Ug和Us表示发电机电压和系统电压的相量，当3d不等于零时，Ug和Us之间的
相角差〔滑差〕§=3t,将随时间t不断改变。
假定以临为参考相量保持不动，那么Ug将以角速度3d作
逆时针旋转。
因而脉动电压Ud的瞬时值也在不断变化。
I苹.I占呱tl.bJ60〔c〕cn2d】’&舁
图5-2脉动电压相量图
脉动电压不仅反映Ug和Us的相角差特ft，而且与它们的幅值有矢，所以可以利用自动装置检测滑差电压，判断准同期并网条件，完成发电机组的准同期并网操作。
因此研究滑差电压的特性是非常必要的。
三、实验内容与步骤
根据发电机电压信号和系统电压信号测试准同期条件，当电压幅值和频率有变化时，观测脉动电压Ud波形的变化。
实验步骤如下：
实验准备：
选定实验台上面板的旋钮开矢的位置：
将“励磁方式〞旋钮开矢打到“手动〞位置；将“励磁电源〞旋钮幵尖打到“他励〞位置；将“同期方式〞旋钮开矢打到“自动〞
1•发电机组起励建压，使发电机端电压为400V〔操作步骤见第一章〕
2•检查微机准同期各整定项是否为附录八中表4・8・2的设置〔出厂设置〕。
如果不符，
那么进行相尖修改。
3.波形测试
〔1〕在综合自动化控制柜上安放双踪数字示波器，电源接在示波器位置平架后部的单相电
源插座上〔已经通过隔离变压器隔离市电〕，将一个探头的正极接入“发电机电压〞测试孔，负极接入“参考地〞测试孔，另一个探头的正极接入“系统电压〞测试孔，观测系统和发电机电压波形，以及二者相位差的变化，记录实验波形。
⑵上述实验完成后，将示波器一路探头拔下，将另一路探头的正极接入“发电机电压〞测试孔上，负极接入“系统电压〞测试孔，此时示波器观测的波形为脉动电压波形。
⑶按下THLWL-3型微机调速装置上的“+〞键和“一〞键，调节转速，使n=1470rpm；调节实验台上的“手动调压〞旋钮，调节励磁，使Ug=390V，此时按下微机准同期装置面
板上的“投入〞键，通过双踪数字示波器可观测到脉动电压波形。
待波形稳定后，捕捉一个周期内完整的脉动电压波形，测量脉动电压的频率，将其与当前频差比拟，确定两者的矢系。
观察脉动电压幅值到达最小值的时刻所对应的整步表指针位置和微机准同期装置旋转灯灯光位置。
根据捕捉到的波形，绘制脉动电压波形图。
注：
微机准同期装置测量的系统电压和发电机电压均为经过电压互感器后的电压，电压
互感器变比400:
100
4•数据全部记录完成后，发电机组停机〔见第一章〕
5・实验台和控制柜设备的断电操作以及示波器的整理
依次断开实验台的“单相电源〞、“三相电源〞和“总电源〞以及控制柜的“单相电源〞、
“三相电源〞和“总电源〞〔空气开尖向下扳至OFF〕。
将示波器的各探头从准同期装置上
拔下，再拔掉电源插头，整理好示波器，以备下次使用。
四、实验报告1•准同期并列的理想条件有哪些？
实际中利用脉动电压如何表达？
2•根据绘制的脉动电压波形，分析脉动电压的变化规律，受哪些因素的影响。
3•理论分析与测试观察结果是否一致，为什么？
4•在合闸时相角误差产生的主要原因有哪些？
5•为什么准同期装置都是利用脉动电压这一特性进行工作的？
实验4自动准同期并网实验
♦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•掌握自动准同期装置的工作原理及使用方法。
3•熟悉同步发电机准同期并列过程。
、原理说明
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图61自动准同期并列装置的原理框图
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。
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，以使压差到达较小
的数值，更有利于平稳地进行并列。
三、实验内容与步骤
选定实验台上面板的旋钮开矢的位置：
将“励磁方式〞旋钮开矢打到“微机励磁〞位置：
将“励磁电源〞旋钮开矢打到“他励〞位置；将“同期方式〞旋钮开尖打到“自动〞位置。
微机励磁装置设置为“恒Ug〞控制方式；“自动〞方式。
1.发电机组起励建压，使n=1480rpm;Ug=400V。
〔操作步骤见第一章〕
2•查看微机准同期各整定项是否为附录八中表4-8-2的设置〔出厂设置〕。
如果不符，
那么进行相尖修改。
然后，修改准同期装置中的整定项：
“自动调频〞：
投入；“自动调压〞：
投入。
“自动合闸〞：
投入。
3•在自动准同期方式下，发电机组的并列运行操作
在这种情况下，要满足并列条件，需要微机准同期装置自动控制微机调速装置和微机励磁装置，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，微机准同期装置控制合闸按钮进行合闸。
⑴微机准同期装置的其他整定项〔导前时间整定、允许频差、允许压差〕分别按表3-3-7-1,
3-3-7-2，3-3-7-3修改。
注：
QFO合闸时间整定继电器设置为td・〔40〜60ms〕。
td为微机准同期装置的导前时间
设置。
微机准同期装置各整定项的设置方法可参考附录四〔微机准同期装置使用说明〕、实
验三〔压差、频差和相差闭锁与整定〕等实验内容。
⑵操作微机励磁装置上的增、减速键和微机励磁装置升、降压键，Ug=410V,n=1515rpm,待电机稳定后，按下微机准同期装置投入键。
观察微机准同期装置当“升速〞或“降速〞命令指示灯亮时，微机调速装置上有什么反响；当“升压〞或“降压〞命令指示灯亮时，微机励磁调节装置上有什么反响。
微机准同期装置“升压〞、“降压〞、“增速〞、“减速〞命令指示灯亮时，观察本记录旋转灯光整步表灯光的旋转方向、旋转速度，以及发出命令时对应的灯光的位置。
微机准同期装置压差、频差、相差闭锁与“升压〞、“降压〞、“增速〞、“减速〞灯的对应点亮矢系，以及与旋转灯光整步表灯光的位置。
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，防止二次合闸。
此时
假设要再进行微机准同期并网，须按下“复位〞按钮。
表微机准同期装置导前时间、允许频差允许压差整定值与并网冲击电流的笑系
导前时间设置td〔s〕
允许频差f〔Hz〕
允许压差Ud〔V〕
冲击电流Im〔A〕
5
3
4•发电机组的解列和停机。
〔见第一章〕
四、实验报告
1•根据实验内容分析自动准同期的工作原理及过程。
2•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。
3•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5遥控、遥测、遥信、遥调四遥实验
、实验目的
1、熟悉远动技术在电力系统中的应用。
2、理解遥控、遥测、遥信、遥调的具体意义，及实现方法。
二、原理说明
早期的电力系统调度，主要依靠调度中心和各厂站之间的联系，这种调度手段，信
息传递的速度慢且调度员对信息的汇总、分析、费时、费工，它与电力系统中正常工作的快速性和出现故障的瞬时性相比，调度实时性差。
电力系统采用远动技术后，厂站端的远动装置实时地向调度中心的装置传送遥测和遥信信息，这些信息能直观地显示在调度中心的屏幕显示器上和调度模拟屏上，使调度员随时看
到系统的实时运行参数和系统运行方式，实现对系统运行状态的有效监视。
在需要的时候，调度员可以在调度中心操作，完成向厂站中的装置传送遥控或遥调命令。
由于远动装置中信
息的生成，传输和处理速度非常快，适应了电力系统对调度工作的实时性要求，使电力系统
的调度管理工作进入了自动化阶段。
调度自动化系统中的远动系统由远动主站、远方终端RTU和通道组成。
远动终端〔RTU〕与主站配合可以实现四遥功能：
1〕遥测：
采集并传送电力系统运行的实时参数
2〕遥信：
采集并传送电力系统中继电保护的动作信息、断路器的状态信息等
3〕遥控：
从调度中心发出改变运行设备状况的命令
4〕遥调：
从调度中心发出命令实现远方调整发电厂或变电站的运行参数
本实验平台上'可完成的四遥功能见表3-21o表3-21
远动类型
信息名称
遥测
:
线路有功、无功功率或电流
变压器有功、无功功率
发电机有功、无功功率
母线电压〔电压控制点〕
频率〔每一个可解列局部〕
发电机组功率角
遥信
断路器分、合闸状态
变压器分接头位置
发电机并、解列运行状态
遥控
断路器分、合闸
发电机开、停机控制
遥调
发电机组功率调整
发电机组电压调整
变压器分接头位置选择
1、遥信、遥测与电力系统远程监视
电力系统的遥信遥测是由安装在发电厂和变电站的远动终端〔RTU负责采集电力系统
运行的实时参数，并借助远动信道将其传送到调度中心的。
电力系统运行的实时参数有：
发电
机出力，母线电压，线路有功和无功负荷，断路器的状态信息等。
在本实验中，RTU的信息采集功能由微机励磁调节器、微机调速器和智能电力监测仪承
远动信道用有线通信信道来模拟，通信方式采用问答式〔Polling〕方式，调度中心的计算机负责管理调度自动化功能。
采用面向对象的人机交互界面，通过鼠标点击查询远方厂站实时参数并自动检测和报告断路器变位和模拟量越限。
2、遥控遥调与电力系统远程控制和调整
电力系统中的遥控遥调过程是：
厂站RTU接受并执行调度中心的调度员从主站发来的命令，完成对断路器的分、合闸操作，实现发电机组的有功出力或无功出力的调整。
本实验系统中，安装在THLDK-2型电力系统监控实验台内的PLC执行遥控功能，THLZD-2型控制柜内的微机励磁调节器和微机调速器接受调度中心通过通信网发来的命令，执行遥调
功能。
3、问答式远动〔Polling方式〕与召唤式显示或选择性控制
远动信息的传输可以采用循环传输模式或问答传输模式
循环式数字传输模式〔CDE:
厂站端将要发送的远动信息按规约的规定组成各种帧，再
编排帧的顺序，一帧一帧地循环向调度端传送。
发端不顾及收端的需要，也不要求收端给以答复。
问答传输模式〔polling〕:
调度端要得到厂站端的监视信息，必须由调度端主动向厂站端发送查询命令报文。
查询命令是要求一个或多个厂站传输信息的命令，厂站端按调度端的查询
要求发送答复报文。
用这种方式，可以做到调度端询问什么，厂站端就答复什么，即按需传送，对信道质量的要求较高，且必须保证有上下行信道。
问答式远动的遥信遥测，是由调度端主动地按顺序依次“调取〞各厂站地信息。
作为厂站端，仅在自己受到调度端“召唤〞时，才能够送出自己的信息。
问答式远动的遥控遥调是调度端发令，被选中厂站端执行，而其他厂站不动作。
问答式远动可以在一条信息传输通道上连续多个厂站端，节省信道投资。
本实验系统采
用RS485通信标准模拟问答式远动通信方式工作。
三、实验内容与步骤
本实验电力网络结构如图3・34所示。
1、监控系统软件的启动
运行“THLDK-2电力系统监控及运行管理系统〞。
2、无穷大系统的调整以及电力网的组建
1〕逆时针调整自耦调压器把手至最小，投入“操作电源〞之后，投入“无穷大系统电
源〞，合闸QF19,接通8#母线，再合闸QF18，顺时针调整自耦调压器把手至400V。
联络变压器的分接头选择为UN。
2〕依次合闸QF17TQF16TQF15〜QF14〜QF10〜QF12〜QF1〜QF2〜QF3〜QF4~QF5TQF6〜QF7,观察1#〜5#母线电压为400V左右，6#母线220V左右。
3、各发电机组的启动和同期运行
分别起动2#、3#、5#发电机组，控制方式：
常规励磁，他励，组网运行，n=1500rpm，
Ug=400V。
此时，通过2#发电厂的手同期装置，将2#发电厂并入无穷大系统，完成2#发电机组的并网运行，并手动调节微机调速装置和微机励磁装置，发出一定的有功功率和无功功率。
然后按同样操作，依次完成3#和5#发电机组的并网运行，发出一定的功率。
4、网络中，负何的投入
依次按下QF8,QF9,QF11,QF13“合闸〞按钮，投入负荷LD1、LD2、LD3、LD4。
2■发电J
Qf'5
T
QH«
QFI7
102
3s毎线
QI19厂、
无穷大系笙
图3-34电力系统“四遥〞电力网络结构
5、遥测信息的监视
调整各发电厂的运行状态，观察表中的各遥测信息，在电力系统监控及运行管理系统中，实时打印各发电厂的运行曲线，线路电量参数。
增加发电厂〔发电机〕的有功、无功功率，观察输电线路电流越限报警情况，打印报警记录表。
6、遥信信息的监视
实时观察发电厂、线路上各
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