单机一无穷大系统稳态运行方式实验.doc
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电力系统分析实验指导书
实验一单机一无穷大系统稳态运行方式实验
一、实验目的
通过实验分析，进一步掌握简单电力系统潮流分布的概念。
了解和掌握对称稳定情况下，输电系统网络结构和运行方式变化对简单电力系统潮流分布的影响。
二、实验原理
电力系统稳态对称和不对称运行分析，除了包含许多理论概念之外，还有一些重要的“数值概念”。
为一条不同电压等级的输电线路，在典型运行方式下，用相对值表示的电压损耗，电压降落等的数值范围，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。
因此，除了通过结合实际的问题，让学生掌握此类“数值概念”外，实验也是一条很好的、更为直观、易于形成深刻记忆的手段之一。
实验用一次系统接线图如图1.1所示。
图1.1一次系统接线图
本实验系统是一种物理模型。
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，因为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。
三、实验内容
（一）单回路稳态对称运行实验
在本章实验中，原动机采用手动模拟方式开机，励磁采用手动励磁方式，然后启机、建压、并网后调整发电机电压和原动机功率，使输电系统处于不同的运行状态（输送功率的大小，线路首、末端电压的差别等），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、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点及数值范围，为电压损耗、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。
（二）双回路对称运行与单回路对称运行比较实验
按实验
（一）的方法进行实验
（二）的操作，只是将原来的单回线路改成双回路运行。
将实验
（一）的结果与实验
（二）进行比较和分析。
表1.1单双回路对称运行比较
P
Q
I
UF
US
△U
单回路
双回路
注：
US—系统电压；
△U—输电线路的电压损耗。
四．实验报告要求
1．整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响，并对实验结果进行理论分析。
2．根据不同运行状态的线路首、末端的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。
五、思考题
1．何为电压损耗、电压降落？
2．潮流计算的目的是什么？
实验二复杂电力系统运行方式实验（设计性）
一、实验目的
通过实验分析，进一步掌握复杂电力系统潮流分布的概念。
了解和掌握对称稳定情况下，输电系统网络结构和运行方式变化对复杂电力系统潮流分布的影响。
通过课堂理论教学与实践相结合，提高学生的感性认识。
二、实验设备
PS—4G型电力系统微机监控实验台、WDT-Ш型电力系统综合自动化实验台（1—4台）。
三、实验内容
“PS—4G型电力系统微机监控实验台”是将四台“WDT-Ш型电力系统综合自动化实验台”的发电机组及其控制设备作为各个电源单元组成一个可变环形网络，如图所示：
图2.1系统一次接线图
1、起动：
将G-A,G-B,G-C,G-D四个由“WDT-Ш型电力系统综合自动化实验台”模拟的模拟发电厂中的发电机起动起来建立发电机母线电压。
（发电机的起动在“WDT-Ш型电力系统综合自动化实验台”装置的介绍中有详细介绍这里就不再叙述）
2、选择运行方式：
根据网络结构的需要，闭合相应开关。
把系统电压送至各模拟发电厂和负荷母线。
3、发电机并网：
按照运行方式要求将所需发电机准同期并网。
（发电机的准同期并网只能在发电厂进行既只能在“WDT-Ш型电力系统综合自动化实验台”上进行操作）
4、投入负荷：
按照所选运行方式投入所需要的负荷。
5、数据记录：
利用PSM-820三相多功能数字式电表或微机监控台主机的监控主界面对各个潮流分布数据进行观察记录。
示例：
全网络全负载运行
图2.2全网络全负载运行线路图
实验数据：
表2.1全电网全载运行网络潮流分布实验结果
Uan（V）
MC
MD
TT
XLA
XLB
XLC
XLD
XLF
XLE
Ubn（V）
Ucn（V）
Uab（V）
Ubc（V）
Uca（V）
频率HZ
功率因数
Ia（A）
Ib（A）
Ic（A）
有功功率kw
无功功率kvar
视在功率kva
四、实验总结
分析运行方式变化（网络结构、发电机出力、负荷投切等）对电力系统的潮流分布的影响。
实验三各种不同类型短路实验
一、实验目的
加深理解各种不同类型短路的概念，在实验中理解各种不同类型短路的短路电流和短路电压变化。
二、实验原理
在对称短路情况下发电机可用暂态电动势和次暂态电抗等值，短路交流电流初始值的计算实质上是一个稳态交流电路的计算问题。
在电网方面，为了避免复数运算可以近似用阻抗模值Z（=）进行计算。
短路前负荷只需应用潮流计算所得的发电机端电压和发电机注入功率，由下式求得各发电机的次暂态电动势：
=+ji=1,2,…….G（3-1）
G为发电机的台数
短路后电网中的负荷可近似用恒定阻抗表示，阻抗值由短路前潮流计算结果中的负荷端电压和负荷功率求得：
=I=1,2……,L（3-2）
L为负荷总数。
下面针对一简单系统对对称短路故障进行介绍。
图3.1（a）是为两台发电机向负荷供电的简单系统。
母线1，2，3上均接有综合性负荷，现分析母线3发生三相短路时，短路电流交流分量的初始值。
图（b）是系统的等值电路。
在采用了和忽略负荷的近似后，计算用等值电路如图（c）对于这样的发电机直接与短路点相连的简单电路，短路电流可直接表示为:
（3-3）
另一种计算方法是应用叠加原理，其等值电路如图（d）所示，则短路点电流可直接由故障分量求得，即开路电压除以电网对该点的等值阻抗。
即：
（3-4）式中为电网对短路点的等值阻抗。
如果是经过阻抗后发生短路，则短路点电流为：
（3-5）
（a）
图3.1简单系统等值图
（a）系统图（b）等值电路（c）简化等值电路（d）应用叠加原理的等值电路
当电力系统中发生不对称故障时，除故障点外三相系统中的元件参数都是对称的，但三相电流、电压等运行参量的基频份量都变成不对称的相量。
利用对称分量法或正序等效定则求出短路电流值。
三、实验步骤
实验接线方式为图3.2，发电机经双回输电线路与无限大容量系统相接，短路故障点为第回线路中点。
图3.2短路实验接线图
在做本实验时，在实验台上通过对操作面板上通过短路选择按钮的组合可进行单相接地、两相相间短路、两相接地短路和三相短路共四种短路类型故障实验。
将原动机调速器和发电机励磁调节器均设为手动方式,实验接线图不变,发电机并网以后,通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力,测定不同短路故障时能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功率,并进行比较、分析不同短路类型对暂态稳定的影响。
实验数据填入表3.2中,将实验结果与理论分析结果进行分析比较。
电流读数可以从YHB一Ill型微机保护装置读出，具体显示为：
GL-XXX三相过流值
GA-XXXA相过流值
GB-XXXB相过流值
GC-XXXC相过流值
微机保护装置的整定值代码如下：
01：
过流保护动作延迟时间
02：
重合闸动作延迟时间
03：
过电流整定值
04：
过流保护投切选择
05:
重合闸投切选择
另外，短路时间TD由面板上“短路时间”继电器整定。
表3.1整定参数值
整定值代码
01
02
03
04
05
TD
整定值
0.5（s）
1.5（s）
5.00（A）
On
On
1.0（s）
微机保护装置的整定方法如下：
按压“画面切换”按钮，当数码管显示[PA－]时，按压触摸按钮“＋”或“一”输入密码，待密码输入后，按下按键“△”，如果输入密码正确，就会进入整定值修改画面。
进入整定值修改画面后，通过“△”“▽”先选中整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当保护时间（S）；通过“△”“▽”选03整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“一”选择当过电流保护值：
通过“△”“▽”选04整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护投切ON；通过“△”选05整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择重合闸投切OFF。
实验步骤：
（1）起动电源选择微机启动类型选择微机自动；
（2）起动发电机至额定转速,并建立电压至额定；
（3）发同期命令让系统自动并列，调节转速使p=0；
（4）整定保护动作时间和重合闸时间表同3.1；
（5）进行不同类型情况的故障模拟,观察实验现象，记录数据；
（6）每短路实验一次要隔十几秒钟；
（7）实验结束，正常退出；
（8）将记录数据填入下表；
表3.2不同短路类型短路电流
短路类型
短路电流
单相短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路
表3.3不同运行方式下三相短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
短路电流（A）
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
四、实验报告要求
1、在实验报告中，要求注明实验台号、运行方式、输出功率的大小。
2、通过测量结果分析不同类型短路电流的大小。
3、通过测量结果分析不同运行方式对三相短路短路电流的影响。
五、思考题
1、短路计算的目的是什么？
2、哪些因素对短路电流有影响？
实验四发电机功率特性和功率测定实验
一、实验目的
加深理解功率极限的概念，在实验中体会不同情况下发电机功率特性测定；通过对实验中各种现象的观察，结合所学的理论知识，培养理论结合实际及分析问题的能力。
二、实验原理
简单电力系统（如图4.1所示）一般是指发电机通过变压器、输电线路与无限大容量母线联接而且不计各元件的电阻和导纳的输电系统。
图4.1单机无穷大系统接线图
在上图中若令
（4-1）
（4-2）
如果不考虑发电机的励磁调节器的作用，即认为发电机的空载电动势Eq恒定，则可写出发电机的功角特性方程如下：
（4-3）
当发电机装有励磁调节器时，发电机电势Eq随运行情况而变化。
根据一般励磁调节器的性能，可认为保持发电机Eq′（或E′）恒定。
这时发电机的功率特性可表示成：
（4-4）
或
（4-5）
其中为暂态电势与无穷大系统电压夹角。
（4-6）
三、实验内容
（一）无自动励磁调节时的功率特性测定
发电机经单回输电线路与无穷大容量系统相连接，发电机励磁主回路采用它励方式，进行手动调节，即开环调节测定发电机的功一角特性曲线，功率极限值和达到功率极限时的功率角值，同时观察并记录系统中其他运行参数的变化。
1.无调节励磁时功率特性和功率极限的测定
无调节励磁是指发电机与系统并列以后,调节发电机有功功率时，而不调节发电机励磁时的功率特性。
实验步骤如下:
（1）起动发电机组至额定转速。
（2）采用手动励磁方式,建立发电机电压至额定值。
（3）合上无限大系统和单回路输电线路开关。
（4）在发电机与系统之间的频率差、电压差、相位差很小时使发电机与系统并列。
（5）功率角指示器调零。
（6）逐步调节原动机功率增加发电机输出的有功功率,而不调节发电机励磁。
（7）观察系统中各运行参数的变化并记录于表4.1中。
（8）记录发电机功率极限值和达到功率极限时的功率角值。
表4.1无调节励磁时功率特性实验数据（恒If=1.50A）
功率角δ（o）
0
10
20
30
40
50
60
70
有功功率P（W）
定子电流I（A）
无功功率Q（var）
机端电压UG（V）
2.手动调节励磁时功率特性和功率极限的测定
在相同的运行方式下,增加发电机有功功率输出时,手动调节励磁保持发电机端电压恒定,测定发电机的功一角曲线和功率极限,并与无调节励磁时所得的结果进行分析比较。
实验步骤如下:
（1）起动发电机组至额定转速。
（2）采用手动励磁方式,建立发电机电压至额定值。
（3）合上无限大系统和单回路输电线路开关。
（4）发电机与系统并列后,使P=0、Q=0、δ=0，
（5）逐步增加发电机输出的有功功率,调节发电机励磁,保持发电机端电压恒定。
（6）观察系统中各运行参数的变化,并记录于表4.2中。
表4.2手动调节励磁时功率特性实验数据（恒Uf=380v）
功率角
δ（o）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
有功功率
P（W）
定子电流
I（A）
无功功率
Q（var）
转子电流I（A）
（二）采用自动励磁调节器时功率特性测定
将自动励磁调节装置接入发电机励磁系统,分别测定在自并励方式下、他励方式下的功率特性和功率极限,并将结果与无调节励磁和手动调节励磁时的结果相比较,分析自动励磁调节器的作用。
1.自并励励磁方式下功率特性测定
实验接线如图4.2所示,发电机的励磁功率单元的励磁电源,取自于发电机自身的机端。
这种励磁方式称为自并励方式,此励磁方式在起励建压时,需外加助磁电源起励。
图4.2自并励励磁方式的实验接线图
实验步骤如下:
（1）起动发电机组至额定转速。
（2）励磁调节器自动投助磁建压至额定值（自动励磁调节器采用恒压控制方式），
（3）发电机与系统并列,使各初始值为零。
（4）逐步增加发电机输出的有功功率,同时励磁调节器自动调节。
（5）观察系统中各运行参数的变化,并记录于表4.3中。
表4.3自并励方式的功率特性实验数据
功率角δ（o）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
88
有功功率P（W）
定子电流I（A）
无功功率Q（var）
转子电流If（A）
机端电压UG（V）
2.他励励磁方式下功率特性测定
实验接线如图4.3所示,发电机的励磁功率单元的励磁电源,取自于无限大容量系统,这种励磁方式称为他励方式。
图4.3他励励磁方式的实验接线图
实验步骤如下:
（1）起动发电机组至额定转速。
（2）励磁调节器自动建压至额定值（励磁调节器采用恒压控制方式）。
（3）发电机与系统并列,使各初始值为零。
（4）逐步增加发电机输出的有功功率,并将实验数据记录于表4.4中。
表4.4他励方式的功率特性实验数据
功率角
δ（o）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
有功功率
P（W）
定子电流
I（A）
无功功率Q（Var）
转子电流If（A）
机端电压U（V）
四、实验报告要求
1．在实验报告中，要求注明实验台号、运行方式。
2．认真整理实验数据，并作出P（δ）、Q（U）特性曲线，对其进行分析。
五、思考题
1．简述发电机的功一角特性。
2．励磁调节器对发电机功一角特性有何影响？
实验五电力系统暂态稳定实验
—不同短路类型下的极限功率测定
一、实验目的
通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践结合，提高学生的感性认识。
学生通过实际操作，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措施。
二、实验原理
电力系统的暂态稳定性指的是电力系统在大干扰下的稳定性。
这种扰动可能相当急剧，例如短路，以致描述电力系统运行状态的非线性微分方程式不允许线性化，只能分段求数值解。
而且，由于这种扰动可能相当急剧，电力系统中出现这类扰动的可能性虽然存在，却不很经常。
电力系统在受到大干扰后，发电机转子上存在较大的过剩功率（机械功率与电磁功率的功率差额），使转子加速或减速而产生振荡，即过剩功率是导致暂态稳定破坏的主要原因。
因此，提高电力系统暂态稳定的措施，一般首先考虑采用减少大干扰后功率差额的临时措施。
电力系统短路故障（横向故障）包括三相对称短路、单相接地短路、两相短路、两相接地短路。
后三者为不对称故障，而电力系统断相（纵向故障）包括断一相、断两相的故障，也属于不对称故障。
三、实验内容
实验接线方式为，发电机经双回输电线路与无限大容量系统相接，短路故障点为第回线路中点。
在作本实验时，在实验台上通过对操作面板上通过短路选择按钮的组合可进行单相接地、两相相间短路、两相接地短路和三相短路共四种短路类型故障实验。
将原动机调速器和发电机励磁调节器均设为手动方式,实验接线图不变,发电机并网以后,通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力,测定不同短路故障时能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功率,并进行比较、分析不同短路类型对暂态稳定的影响。
实验数据填入表5.2中,将实验结果与理论分析结果进行分析比较。
Pmax为系统可以稳定输出的极限,注意观察有功功率表的读数,当系统处于振荡临界状态时,记录有功功率表读数,最大电流读数可以从YHB一Ill型微机保护装置读出，具体显示为：
GL-XXX三相过流值
GA-XXXA相过流值
GB-XXXB相过流值
GC-XXXC相过流值
微机保护装置的整定值代码如下：
01：
过流保护动作延迟时间
02：
重合闸动作延迟时间
03：
过电流整定值
04：
过流保护投切选择
05:
重合闸投切选择
另外，短路时间TD由面板上“短路时间”继电器整定。
表5.1整定参数值
整定值代码
01
02
03
04
05
TD
整定值
0.5（s）
/
5.00（A）
On
Off
1.0（s）
微机保护装置的整定方法如下：
按压“画面切换”按钮，当数码管显示[PA－]时，按压触摸按钮“＋”或“一”输入密码，待密码输入后，按下按键“△”，如果输入密码正确，就会进入整定值修改画面。
进入整定值修改画面后，通过“△”“▽”先选中整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当保护时间（S）；通过“△”“▽”选03整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“一”选择当过电流保护值：
通过“△”“▽”选04整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护投切ON；通过“△”选05整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择重合闸投切OFF。
表5.2不同短路类型下的极限功率实验数据
短路类型
最大功角（o）
极限功率Pmax
（W）
最大短路电流Imax（A）
单相接地短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路
注：
如该实验作为设计性，除测定不同短路类型下的极限实验数据外，还应考虑继电保护的动作时限对暂态稳定的影响，可以进行各种短路的极限切除时间实验。
表5.3整定参数值
整定值代码
01
02
03
04
05
TD
整定值
0.5/1.0/1.5（s）
/
3.00（A）
On
Off
4.0（s）
表5.4两相相间短路的极限切除时间实验数据
过流保护动作时间/s
最大功角（o）
极限功率Pmax（W）
最大短路电流Imax（A）
0.5
1.0
1.5
四、实验报告要求
1．在实验报告中，要求注明实验台号、运行方式。
2．整理不同短路类型下获得实验数据，说明不同短路类型对系统暂态稳定的影
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