电力系统综合实验A文档.docx
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电力系统综合实验A文档
《电力系统综合实验A》
实验指导书
编
华北电力大学
二零零七年三月
前言
1．实验总体目标
该课是为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要而设置的一个教学环节。
通过该环节的学习，可以帮助学生进一步认识电力系统的各种物理现象并增强对电力系统相关课程理论的理解；可以培养学生的实际操作能力，分析问题和解决问题的能力。
⒉适用专业
电气工程及其自动化专业各方向（高压方向除外）、电力工程与管理专业
⒊先修课程
电路理论、电机学、线性代数、自动控制理论B、电力系统分析基础、电力系统暂态分析、电力系统稳定
⒋实验课时分配
实验项目
学时
实验一同步发电机准同期并列实验
2天
实验二单机—无穷大系统稳态运行方式实验
2天
实验三电力系统功率特性和功率极限实验
2天
实验四电力系统暂态稳定实验
2天
实验五复杂电力系统运行方式实验
2天
⒌实验环境
（1）WDT-III型电力系统综合自动化实验台，三台；
（2）PS-5G型电力系统微机监控实验台，一台；
（3）打印机一部。
⒍实验总体要求
（1）对教师的要求：
1）教师要自己动手做所有的实验；
2）在实验开始的前一周，指导实验的教师要将与实验有关的文件上传到校园网的电子课堂，并通知学生下载；
3）实验开始前，给学生讲实验的任务，纪律要求，实验要求等。
（2）对学生的要求：
1）实验前要预习实验内容；
2）实验时遵守实验室的规章制度，不要违反实验设备的操作规程；
3）认真做记录和观察实验现象，实验后整理数据，分析原因，回答思考题。
⒎本实验的重点、难点及教学方法建议
五个实验内容都是重点。
难点是学生不能把理论课的知识转化为实践操作以及对实验数据的分析。
对教学方法的建议：
将课堂知识与实验内容联系起来，启发学生积极思考，用于动手做实验，自己设计一些实验方案。
实验一同步发电机准同期并列实验
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．掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法；
3．熟悉同步发电机准同期并列过程；
二、实验类型
综合型
三、实验仪器
WDT-III型电力系统综合自动化实验台。
四、实验原理
将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。
准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速，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。
根据并列操作的自动化程度不同，又分为手动准同期、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。
它能反映两个待并系统间的同步情况，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。
它能反映两个待并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（同相点）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。
准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差，不断地检查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，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。
五、实验内容和要求
（一）机组启动与建压
1．检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0位置；
2．合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：
各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。
调速器上“并网”灯和“微机故障”灯均为熄灭状态，“输出零”灯亮；
3．按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮；
4．励磁调节器选择它励、恒UF运行方式，合上励磁开关；
5．把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置；
6．合上系统电压开关和线路开关QF1，QF3，检查系统电压接近额定值380V；
7．合上原动机开关，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速器将自动启动电动机到额定转速；
8．当机组转速升到95%（47.5Hz）以上时，微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。
（二）观察与分析
1．操作调速器上的“增速”或“减速”按钮调整机组转速，记录微机准同期控制器显示的发电机和系统频率。
观察并记录旋转灯光整步表上灯光旋转方向及旋转速度与频差方向及频差大小的对应关系；
2．将“同期方式”旋钮旋转至“手动”方式，观察并记录不同频差方向，不同频差大小时的模拟式整步表的指针旋转方向及旋转速度、频率平衡表指针的偏转方向及偏转角度的大小的对应关系；
3．操作励磁调节器上的“增磁”或“减磁”按钮调节发电机端电压，观察并记录不同电压差方向、不同电压差大小时的模拟式电压平衡表指针的偏转方向和偏转角度的大小的对应关系；
4．调节转速和电压，观察并记录微机准同期控制器的频差闭锁、压差闭锁、相差闭锁灯亮和熄灭的规律；
（三）手动准同期
1．按准同期并列条件合闸
将“同期方式”转换开关置“手动”位置。
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。
操作过程如下：
1．观察微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压，相应操作微机励磁调节器上的“增磁”或“减磁”按钮进行调压，直至“压差闭锁”灯熄灭。
2．观察微机准同期控制器上显示的发电机频率和系统频率，相应操作微机调速器上的“增速”或“减速”按钮进行调速，直至“频差闭锁”灯熄灭。
3．此时表示压差、频差均满足条件，观察整步表上旋转灯位置，当旋转至0º位置（正中）前某一合适时刻时，即可合闸。
观察合闸时的冲击电流。
2．偏离准同期并列条件合闸
本实验项目仅限于实验室进行，不得在电厂机组上使用！
！
！
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（下标F表示发电机，下标X表示系统）：
（1）电压差相角差条件满足，频率差不满足，在fF>fX和fF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，VF>VX和VF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，以及冲击电流Im的大小，分别填入表1-1。
注意：
相角差不要大于30度。
表1-1
fF>fX
fFVF>VX
VF超前
滞后
P（kW）
Q（kVAR）
Im（A）
注：
有功功率P和无功功率Q也可以通过微机励磁调节器的显示观察。
（四）半自动准同期
将“同期方式”转换开关置“半自动”位置，按下准同期控制器上的“同期”按钮即向准同期控制器发出同期并列命令，此时，同期命令指示灯亮，微机正常灯闪烁加快。
准同期控制器将给出相应操作指示信息，运行人员可以按这个指示进行相应操作。
调速调压方法同手动准同期。
“频差闭锁”时调节调速器上的“增速”或“减速”按钮；“压差闭锁”时调节励磁控制器上的“增磁”或“减磁”按钮；“相差闭锁”时调节“增速”或“减速”按就增大相对运动，使得尽快减小相差闭锁后再调节“增速”或“减速”按钮使之接近同步速。
当压差、频差条件满足时，整步表上旋转灯光旋转至接近0º位置时，整步表圆盘中心灯亮，表示全部条件满足，准同期控制器会自动发出合闸命令，“合闸出口”灯亮，随后DL灯亮，表示已经合闸。
同期命令指示灯熄，微机正常灯恢复正常闪烁，进入待命状态。
（五）全自动准同期
将“同期方式”转换开关置“全自动”位置；按下准同期控制器的“同期”按钮，同期命令指示灯亮，微机正常灯闪烁加快，此时，微机准同期控制器将自动进行均压、均频控制并检测合闸条件，一旦合闸条件满足即发出合闸命令。
在全自动过程中，观察当“升速”或“降速”命令指示灯亮时，调速器上有什么反应；当“升压”或“降压”命令指示灯亮时，微机励磁调节器上有什么反应。
当一次合闸过程完毕，控制器会自动解除合闸命令，避免二次合闸；此时同期命令指示灯熄，微机正常灯恢复正常闪烁。
（六）停机
当同步发电机与系统解列之后，按调速器的“停机/开机”按钮使“停机”灯亮，即可自动停机，当机组转速降到85%以下时，微机励磁调节器自动逆变灭磁。
待机组停稳后断开原动机开关，跳开励磁开关以及线路和无穷大电源开关。
切断操作电源开关。
（七）实验报告要求
1．比较手动准同期和自动准同期的调整并列过程；
2．分析合闸时发电机有功无功在不同条件下有何差异；
3．分析合闸冲击电流的大小与哪些因素有关；
4．回答思考题。
六、注意事项
1．手动合闸时，仔细观察整步表上的旋转灯，在旋转灯接近0º位置之前某一时刻合闸。
2．当面板上的指示灯、数码管显示都停滞不动时，此时微机准同期控制器处于“死机”状态，按一下“复位”按钮可使微机准同期控制器恢复正常。
3．微机自动励磁调节器上的增减磁按钮按键只持续5秒内有效，过了5秒后如还需调节则松开按钮，重新按下。
4．在做三种同期切换方式时，做完一项后，需做另一项时，断开发电机机端断路器开关，然后选择“同期方式”转换开关。
七、思考题
1．相序不对（如系统侧相序为A、B、C，而发电机侧相序为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．准同期并列与自同期并列，在本质上有何差别？
如果在这套机组上实验自同期并列，应如何操作？
4．合闸冲击电流的大小与哪些因素有关？
频率差变化或电压差变化时，正弦整步电压的变化规律如何？
5．当两侧频率几乎相等，电压差也在允许范围内，但合闸命令迟迟不能发出，这是一种什么现象？
应采取什么措施解决？
6．在fF>fX或者fFVX或者VF为什么？
实验二单机—无穷大系统稳态运行方式实验
一、实验目的
1．了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的各种运行状态与运行参数的数值变化范围；
2．了解和掌握输电系统稳态不对称运行的条件；不对称度运行参数的影响；不对称运行对发电机的影响等。
二、实验类型
综合型
三、实验仪器
WDT-III型电力系统综合自动化实验台。
四、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2所示。
图2一次系统接线图
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。
五、实验内容和要求
1．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。
2．双回路对称运行与单回路对称运行比较实验
按实验1的方法进行实验2的操作，只是将原来的单回线路改成双回路运行。
将实验1的结果与实验2进行比较和分析。
表3-1
P
Q
I
UF
UZ
Uα
∆U
单回路
双回路
注：
UZ—中间开关站电压；
∆U—输电线路的电压损耗；
3．单回路稳态非全相运行实验
确定实现非全相运行的接线方式，断开一相时，与单回路稳态对称运行时相同的输送功率下比较其运行状态的变化。
具体操作方法如下：
（1）首先按双回路对称运行的接线方式（不含QF5）；
（2）输送功率按实验1中单回路稳态对称运行的输送功率值一样；
（3）微机保护定值整定：
动作时间0秒，重合闸时间100秒；
（4）在故障单元，选择单相故障相，整定故障时间为0"（5）进行单相短路故障，此时微机保护切除故障相，准备重合闸，这时迅速跳开“QF1”、“QF3”开关，即只有一回线路的两相在运行。
观察此状态下的三相电流、电压值与实验1进行比较；
（6）故障100"以后，重合闸成功，系统恢复到实验1状态。
表3-2
P
Q
UA
UB
UC
IA
IB
IC
全相运行值
非全相运行值
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、末端和中间开关站的实验数据、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。
3．比较非全相运行实验的前、后实验数据，分析输电线路输送功率的变化。
六、注意事项
1．在发电机建压后，“励磁方式”开关不允许动，否则发电机会失磁
2．严格禁止非同期并网，如不能用线路开关使发动机和无穷大系统联结
3．为了保护同期表，“同期方式”选择钮不要置到“手动”位置。
只有在选择手动同期时才置到“手动”位置。
4．发动机运行时，不允许打开励磁开关
5．发动机运行时不允许打开原动机开关
七、思考题
1．影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？
2．提高电力系统静态稳定有哪些措施？
3．何为电压损耗、电压降落？
4．“两表法”测量三相功率的原理是什么？
它有什么前提条件？
实验三电力系统功率特性和功率极限实验
一、实验目的
1．初步掌握电力系统物理模拟实验的基本方法；
2．加深理解功率极限的概念，在实验中体会各种提高功率极限措施的作用；
3．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、实验类型
综合型
三、实验仪器
WDT-III型电力系统综合自动化实验台。
四、实验原理
所谓简单电力系统，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。
对于简单系统，如发电机至系统d轴和q轴总电抗分别为Xd∑和Xq∑，则发电机的功率特性为：
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E'q（或E'）恒定。
这时发电机的功率特性可表示成：
或
这时功率极限为
随着电力系统的发展和扩大，电力系统的稳定性问题更加突出，而提高电力系统稳定性和输送能力的最重要手段之一是尽可能提高电力系统的功率极限，从简单电力系统功率极限的表达式看，提高功率极限可以通过发电机装设性能良好的励磁调节器以提高发电机电势、增加并联运行线路回路数或串联电容补偿等手段以减少系统电抗、受端系统维持较高的运行电压水平或输电线采用中继同步调相机或中继电力系统以稳定系统中继点电压等手段实现。
五、实验内容和要求
（一）无调节励磁时功率特性和功率极限的测定
1．网络结构变化对系统静态稳定的影响（改变x）
在相同的运行条件下（即系统电压Ux、发电机电势保持Eq保持不变，即并网前Ux=Eq），测定输电线单回线和双回线运行时，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角值。
同时观察并记录系统中其他运行参数（如发电机端电压等）的变化。
将两种情况下的结果加以比较和分析。
实验步骤：
（1）输电线路为单回线；
（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出的有功和无功功率为零；
（3）记录功率角指示器的刻度；
（4）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；
（5）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-1中；
（6）输电线路为双回线，重复上述步骤，填入表4-2中。
表4-1单回线
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0
表4-2双回线
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0
注意：
（1）有功功率应缓慢调节，每次调节后，需等待一段时间，观察系统是否稳定，以取得准确的测量数值。
（2）当系统失稳时，减小原动机出力，使发电机拉入同步状态。
2．发电机电势Eq不同对系统静态稳定的影响
在同一接线及相同的系统电压下，测定发电机电势Eq不同时（EqUx）发电机的功一角特性曲线和功率极限。
实验步骤：
（1）输电线为单回线，并网前Eq（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出有功功率为零；
（3）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；
（4）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-3中；
（5）输电线为单回线，并网前Eq>Ux，重复上述步骤，填入表4-4中。
表4-3单回线并网前Eqδ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0－
表4-4单回线并网前Eq>Ux
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0+
（二）手动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定
给定初始运行方式，在增加发电机有功输出时，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比较分析，说明励磁调节对功率特性的影响。
实验步骤：
（1）单回线输电线路；
（2）发电机与系统并列后，使P=0，Q=0，δ=0，校正初始值；
（3）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或无功输出为零；
（4）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-5中。
表4-5单回线手动调节励磁
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
100︒
110︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0
表4-6双回线手动调节励磁
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
100︒
110︒
P
0
IA
0
Uz
UF
Ifd
Q
0
（三）自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定
将自动调节励磁装置接入发电机励磁系统，测定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比较，分析自动励磁调节器的作用。
1．微机自并励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟；
表4-7单回线微机自并励方式
δ
0︒
10︒
20︒
30︒
40︒
50︒
60︒
70︒
80︒
90︒
100︒
110︒
P
0
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