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电力系统实验指导书 电力系统实验指导书 东北电力大学电气工程学院 电力系统数字物理动态模拟试验室 2006 年 6 月 目目 录录 目 录.I 第一章 电力系统实验课特点.1 一、实践教育在高等教育中的重要地位.1 二、电力系统实验课特点和目标.1 第二章 电力系统的研究方法.3 一、电力系统数学模拟.3 二、电力系统物理模拟.3 第三章 实验室简介.5 一、实验室简介.5 二、电力系统动模数字化实验平台简介.5 1、物理动模从设备级到系统级的数字监控系统.5 2、大规模实际电力系统的全数字化“影子系统”.6 3、物理动模的广域相量测量系统（WAMS）.7 第四章 实验项目.9 实验一 电力系统物理动态模拟概述.9 1.实验目的.9 2.实验内容和步骤.9 3.思考题.9 实验二 电力变压器电气特性实验.10 一、变压器空载、短路特性实验.10 1.实验目的.10 2.实验原理.10 3.实验内容.10 4.实验步骤.10 5.思考题.11 二、变压器负载特性实验.11 1.实验目的.11 2.实验原理.11 3.实验内容.12 4.实验步骤.12 5.思考题.12 实验三 同步发电机电气特性实验.12 一、同步发电机空载、短路特性实验.13 1.实验目的.13 2.实验内容与步骤.13 二、同步发电机零功率因数负载特性实验.13 1.实验目的.13 2.实验内容与步骤.13 三、同步发电机参数测定实验.14 1.实验目的.14 I 2.实验内容与步骤.14 四、同步发电机V形曲线测定实验.14 1.实验目的.14 2.实验内容与步骤.15 3.思考题.15 实验四 同步发电机并网运行实验.15 1.实验目的.15 2.实验原理.15 3.实验步骤.16 4.思考题.16 实验五 电力系统功率调节实验.17 1.实验目的.17 2.实验原理.17 3.实验内容和步骤.18 4.思考题.19 实验六 电力系统调度自动化实验.19 1.实验目的.19 2.实验原理.19 3.实验内容.20 4.思考题.20 实验七 电力系统短路实验.20 1.实验目的.20 2.实验内容.20 3.实验步骤.20 4.思考题.21 实验八 电力系统静态稳定实验.21 1.实验目的.21 2.实验原理.21 3.实验内容.22 4.实验步骤.22 5.思考题.23 实验九 电力系统暂态稳定实验.23 1.实验目的.23 2.实验原理.23 3.实验内容.24 4.实验步骤.24 5.思考题.24 参考文献.25 II 第一章第一章 电力系统实验课特点电力系统实验课特点 一、实践教育在高等教育中的重要地位一、实践教育在高等教育中的重要地位 21 世纪将以高新技术为核心的知识经济占主导地位，国家综合国力和国际竞争能力越来越取决于教育的发展、科学技术和知识创新的水平，教育将始终处于优先发展的战略地位。当前，许多国家的政府都把振兴教育作为面向新世纪的基本国策。这些动向预示未来教育将发生深刻的变革。首先，从认识论的高度看，实践教育在高等教育中占有重要地位。实践是认识的基础，在认识活动中起着决定性的作用。学校虽主要是传授理论知识的场所，但学生要获得这些知识，要发现新的知识，都离不开实践。同时，这对帮助、促进学生全面素质的提高有着积极意义。实践是学生了解理论和知识的社会意义和人生意义的重要条件，是激励和引导学生学习和掌握知识的动力源泉，是学生获得完全的知识而不是抽象的、片面的知识的必要条件，是将知识转化为学生的能力、智慧、精神、品格的必要途径。因此，实践教育是创新人才培养过程中贯穿始终的、不可缺少的重要组成部分。第二、从人才培养的角度看，实践教育对高校培养创新拔尖人才尤其重要。作为国家重点支持、社会寄予厚望的研究型大学，必须承担着培养高层次、高素质、多样化、创造性人才的重任，要为国家造就更多的学术大师、治国之士和兴业之才。这些人才是否具有较高的思想素质、较好的知识结构和较强的创新能力，对于我们国家未来的发展有着至关重要的作用。第三、从世界范围看，加强实践教育已经成为高等教育发展的潮流。从我们调研、了解的资料和信息看，在国外尽管各国高等教育有其独特的文化背景和发展轨迹，国外教育教学与课程建设发展、改革的经验未必对我们具有直接的适用性，然而上面谈到的两点，实际上已经成为各国高等教育发展的潮流。总之，实践教育是人才培养不可缺少的重要环节。无论是对学生的业务培养、还是对学生的思想素质的培养，无论是理工科学生、还是人文社会科学领域的学生，实践教育都是非常重要的。实践教育是学生更好地理解和运用专业知识的重要环节；是培养学生批判性思维和创新能力的重要手段；是进行专业教育，使学生认识专业、热爱专业的重要方法；是使学生认识国情、明确自身责任的重要途径。二、电力系统实验课特点和目标二、电力系统实验课特点和目标 电力系统实验课面向电气工程学科的本科生开设，在电力系统动态模拟实验室（简称动模实验室）的数字化动模实验平台上完成，实验课根据学生选课情况，组成若干个实验小组（一般 5 人/组）。在老师的指导下，每个实验小组通过合作，独立完成各项研究型实验项目的设计、研究和报告撰写等工作。电力系统动模数字化实验平台首先是电力系统的物理模拟，是真实电力系统一次系统和二次系统的缩影，由模拟发电机、模拟变压器、模拟输电线路、模拟负荷、元件级数字控1 制装置、系统级数字监控系统等设备组成，反映了电力系统电能生产、输送、消费三大环节，同时也模拟了原动机特性及调速特性、发电机励磁特性，可以模拟现代数字化电力系统中各实时运行状态，反映电力系统的动态特性。因此，是研究电力系统的重要工具之一，能够浮现实际电力系统的各种运行情况（包括静态和各种动态过程）。同时，为了能进行现代大规模电力系统的教学实验，同步建成了电力系统全数字仿真系统，将大规模复杂电力系统用特高阶微分代数方程组来描述，对物理系统的运动轨迹实施实时数字跟踪仿真，逼真模拟电力大系统的稳态、机电暂态和由此引发的保护和自动装置的动作过程。该数字仿真系统可24 小时连续运转，是实际电力大系统的“影子系统”。电力系统实验课与电力系统分析理论课相配套，是一门综合性和研究型的实验课。通过该实验课，由学生自己独立动手完成发电机并列、有功无功调节、系统稳定运行、暂态运行、失磁等与理论课结合紧密的研究型实验。从实验方案的设计、参数计算、电网接线、参数调整、正常运行方式的建立、实验研究直到数据整理实验结果分析和撰写实验报告等一整套工作都由实验小组通过合作来完成，目标是培养学生的动手实践能力、综合科研能力、团队合作精神和创新精神。2 第二章第二章 电力系统的研究方法电力系统的研究方法 电力系统的研究方法和其他科学领域一样，不外乎理论分析和试验研究两种途径。理论分析无疑是极其重要的，它能够阐明物质运动的基本规律并可以探讨新的原理和方法。但由于电力系统的复杂性和实践性，光靠理论分析往往难以得全面的知识。因此必须与试验研究相结合才能获得较全面的知识。电力系统的试验方法，可以在实际电力系统上进行，也可以在电力系统模型上进行。在实际电力系统上进行试验，能够获得较全面和真实的第一手资料，这是十分可贵的。但是这种试验方法，也有它的限制条件。主要是进行现场试验无论在时间上或经济上往往要化很大的代价。弄不好可能影响正常生产，甚至引起系统故障。另外，对于一些未建成的工程项目和系统则根本不具备现场试验的客观条件，由此可见，基于电力系统模型的试验研究在电力系统的研究工作中具有十分重要的意义。模型试验又分为数学模拟和物理模拟。一、电力系统数学模拟一、电力系统数学模拟 电力系统的数学模拟研究是把所要研究的电力系统在一定的假设条件下写出数学方程式（一般是高阶微分代数方程组），然后利用计算工具进行计算分析，得出所需要的模拟结果。在计算工具中最早出现的是直流计算台，然后为交流计算台，接着是专用的模拟式计算机，到现代用的全是数字式计算机。目前本实验室建成的电力系统全数字仿真系统就是用数字式计算机进行的电力大系统的数学模拟，可以进行以下实验计算：1.电力系统潮流计算；2.电力系统短路电流计算；3.电力系统静态稳定计算；4.电力系统暂态稳定计算；5.电力系统继电保护和自动装置模拟。相对于物理模拟而言，数学模拟的主要特点是：1.可以对大规模电力系统进行模拟，在电力系统规模上没有限制；2.可以方便地改变模拟对象，改变继电保护和自动装置的配置；3.可以方便地设置各种电力系统的操作和故障；4.系统启动和计算速度快，实验效率高。但是，无论应用那种计算工具，都必须在已列出系统方程式的基础上进行计算，这些数学描述的方程式往往都有一定的假设和近似，还不能精确反映实际情况。另外，由于目前人们受到自然现象理解的限制，有些现象还不能写出数学表达式，因此，数学模拟有它的局限性。二、电力系统物理模拟二、电力系统物理模拟 电力系统物理模拟是建立在以一种叫“相似原理”的原理基础上反映实物物理过程的模拟研究方法。电力系统物理模拟是保证在模型上反映的过程和实际系3 统中的过程相似，并且模型上的过程和原型的过程具有相同的物理实质。相对于数学模拟而言，物理模拟的主要特点是：1、能够直观观察各种现象的物理过程，便于获得明确的物理概念；2、对于某些新的问题和物理现象，由于认识上的限制，不能或不完全能够用数学方程式表示时，利用物理模拟可以探索到现象的本质及其变化的基本规律。3、物理模拟的试验结果，还可以用来效验电力系统的理论和计算公式以及在建立数学方程式时，各种假设的合理性，并为理论的简化指出方向，进而使理论得到进一步完善和发展；4、对电力系统特性和过程进行定性和具有一定精度地研究；5、在物理模拟上可以接入某些实际的控制装置和测量仪表，可以直接研究各种自动调节和控制装置。6、在模型上可以方便地配置所研究的系统，重复各种运行状态。前面指出，电力系统物理模型能够考虑许多在数学模拟中难以计及的因数。如，参数随电流及频率变化的非线性关系，电机内部的过程的影响等等。另外，物理模型只要对每个单元元件和环节进行精确的模拟，就可以组合起来实现整个系统的模拟，并提供足够精度的结果。不受不能列出数学方程式或不能求解整个系统复杂的高阶微分方程式的限制。但是动态模拟也有它的问题，主要是难以模拟大规模电力系统，而且模型机组必须专门设计制造，加工比较困难。进行试验时建模比较费时，而且随着系统的复杂，参数的调整和改变比较麻烦，不够灵活，而且准确度也不太高等。所以，应根据研究的对象和问题，以及数学模拟和物理模拟各自合适的应用范围特点选择最适合的研究方法。但是，总的来讲，对电力系统的研究必须理论和实验相结合，数学模拟和物理模拟同时进行，取长补短，相互配合，以促进电力系统的研究和顺利解决其中出现的各种复杂的问题。4 第三章第三章 实验室简介实验室简介 一、实验室简介一、实验室简介 电力系统动模实验室自 1982 年筹建以来，1986 年投入使用。现有四套发电机组（包括原动机、发电机、控制柜和变压器）、两个无穷大系统（包括变压器和调压器）、三套负荷变压（负荷低压有十组不同容量的电动机、同轴直流发电机及灯载）、20 组 220kV 模拟输电线路及 500kV 双回线模拟输电线路、测量柜、控制台、微机调速器、模拟接线屏及两套故障模拟系统等电气设备。二、电力系统动模数字化实验平台简介二、电力系统动模数字化实验平台简介 最初建成的动模实验室是一个纯物理的模拟实验室。随着电力系统规模的扩大和数字化，原有的纯物理的动模实验平台已经无法满足现代电力系统实验的要求。从 2003 年 4 月开始，对物理动模实验室进行了数字化改造，2005 年 12 月建成了电力系统动模数字化实验平台，实现了物理动模从稳态到暂态的数字化、可视化和自动化，实验能力和效率发生了质的飞跃。数字化实验平台简介如下：1、物理动模从设备级到系统级的数字监控系统、物理动模从设备级到系统级的数字监控系统（1）总体结构 图 1 是物理动模数字监控系统的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，网络式 RTU（远方终端单元）和主站之间的通信规约遵循了国际标准。图 1 物理动模数字监控系统结构示意图（2）物理动模 图 1 中的物理动模系统是根据相似原理建立起来的物理模拟系统，它可以逼真地反映实际电力系统的动态过程。物理动模系统是实验室原有设备。（3）设备级数字监控 针对动模发电机，研制了不同控制方式的微机励磁和调速控制系统。建成了5 发电机、变压器、输电线和负荷等各类电力设备的网络式 RTU，建成的 RTU 共18 台，实现了发输用各类电力设备的全数字式远程监控功能。（4）系统级数字监控 在系统级别上，摈弃了多年来一直使用的模拟监控盘台。数字化前学生利用监控盘台做实验；数字化后，学生在控制中心，利用计算机可视化的人机界面（MMI）做实验，由计算机来自动记录电网全局动态。图 2 给出了控制中心计算机网络结构和配置，通过双前置机和双以太网与网络式 RTU 通讯，采用客户服务器分布式体系结构。主SCADA/EMS服务器SQL Server 2000工作站1工作站2工作站3工作站4实时网前置机1前置机2RTU1RTU18主站端前置网设备端兼备用服务器备用前置机 图 2 控制中心计算机网络结构和配置 该系统不但实现了遥信、遥测、遥调和遥控等 SCADA 功能，还实现了先进的网络拓扑分析、状态估计和在线潮流等能量管理系统（EMS）高级应用功能，在功能和性能上与现代电网调度控制中心几乎完全一致。（5）可视化画面 为了满足教学实验对本系统的实时性、灵活性、人机交互的方便和高效性的要求，建成了上百幅可视化人机交互画面，开发了适用于实验的各种遥控和遥调模块，开发了适用于实验的报表子系统，可自定义的灵活的采样曲线，可视化的实时数字仪表和灵活的组态功能等。发电机有功无功调节、发电机同期并网、负荷调节、开关分合、故障设置、变压器分头调节均在可视化画面上进行。另外，可以在电网组态元件图上进行组态操作，从而组织出不同的电网结构，满足不同电力系统实验的用途，十分灵活和方便。2、大规模实际电力系统的全数字化“影子系统”、大规模实际电力系统的全数字化“影子系统”为了进行现代大规模电力系统的各种教学实验，建成了我国某实际省级电力6 系统的全数字仿真系统，可以实时逼真地模拟电力大系统的稳态、机电暂态和由此引发的保护和自动装置的动作过程。该数字仿真系统可 24 小时连续运转，是实际电力大系统的“影子系统”，可模拟负荷变化、出力变化，故障前后电网的动态变化，可完成拓扑分析、潮流控制、调频、故障分析、稳定分析和控制、保护和自动装置配置等实验。3、物理动模的广域相量测量系统（、物理动模的广域相量测量系统（WAMS）(1)总体结构 图 3 是动模实验室 PMU 系统体系结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，PMU（相量测量单元）和主站之间实现了实时高速通信，可在 50ms 内实时地完成电力系统机电暂态量的实时同步监控。图 3 动模实验室 PMU 系统体系结构（2）设备级相量监控（PMU）PMU 基于卫星全球定位系统（GPS）技术，实现了实时对时和同步功能：GPS 接收器能够提供理论精度为 110ns 的对时时钟，由于 PMU 采用硬件进行时钟同步和信号调制，保证不同装置之间同步采样精度即为 GPS 对时精度，实测对时精度优于 200ns；暂态量的实时同步采集和计算功能：PMU 能够实现 10 路电流和电压的同步采样，采样频率为 10kHZ。最快能每 5 毫秒计算出电压和电流的幅值和相角，正序负序和零序分量，根据发电机的参数可计算出发电机的正序功角，实际测试结果装置的测量误差为幅值0.5,相位0.1；高速通信功能：功角测量装置采用高度集成的双 TCP/IP 网络实现高速网络通信功能，采用100M 网络，实际测试最快每隔 5 毫秒发送一批数据能够保证可靠传输；PMU 能够测量 16 路数字信号输入量，并具有 16 路数字信号输出量，完成实时遥控遥调功能。7（3）系统级相量监控 在 WAMS 主站系统上，可对实测的动模发电机的功角曲线进行监视。8 第四章第四章 实验项目实验项目 实验一实验一 电力系统物理动态模拟概述电力系统物理动态模拟概述 1.实验目的实验目的 研究电力系统数字化建模、组态及实际物理模拟系统连接的方法。2.实验内容和步骤实验内容和步骤 1)根据实验目的，设计所需的电力系统的结构和参数；2)选择电气元件，在数字化监控系统（SCADA）上画出一个所设计的电力系统的电气接线图，包括发电机、变压器、线路、无穷大系统、分相开关(可以单相断开的开关)、负荷、短路开关等；3)对选定的电气元件，在画面中输入相应的电气参数，完成电力系统的数字化建模和组态；4)在对应的电气元件画面上，关联上相应的遥测、遥信、遥控和遥调等四遥量，实现电力系统的实时数字化监控。具体操作方法详见电力系统动模数字主站系统技术手册。5)根据在 SCADA 系统中建模的电力系统的电气接线，将实验室中的实际物理设备（发电机、变压器、线路、无穷大系统、分相开关、负荷、短路开关等）连接起来，构成一个物理的电力系统，作为后续实验的研究对象。3.思考题思考题 1)电力系统由哪些部分组成？2)电力系统的数字监控系统（SCADA）由哪些部分组成？分别有哪些硬件和软件？3)各种电气设备数字化建模时需要输入的参数分别有哪些？4)各种电气设备分别有哪些四遥量？5)详细描述电力系统四遥的实现原理。9 实验二实验二 电力变压器电气特性实验电力变压器电气特性实验 一、变压器空载、短路特性实验一、变压器空载、短路特性实验 1.实验目的实验目的 1)学习变压器的结构和接线方式，掌握电力变压器运行特性的测量方法。2)学习变压器在空载、短路情况时的工作特性。3)学会如何利用测得的变压器运行特性求取有关的参数，如短路阻抗参数Zk、rk。4)提高学生的动手能力和科研工作能力。2.实验原理实验原理 变压器的参数是计算其继电保护整定参数的主要依据之一。标在变压器铭牌上的阻抗电压大小反映了变压器额定负载下运行时，漏阻抗压降的大小。从运行角度来看，希望阻抗压降小一些，使变压器输出电压随负载变化波动小一些；但阻抗电压太小时，变压器短路时电流太大，可能损坏变压器。通过变压器短路实验数据可求得变压器的阻抗电压值。3.实验内容实验内容 1)根据单相变压器空载运行接线图和三相变压器空载运行接线图接线，测量变压器单相空载和三相空载运行时的参数。2)根据接线，测量变压器单相空载和三相空载运行时的参数。3)改变不同的运行参数值，重复上述步骤，计算相关参数。观察测量参数的变化情况与哪些相关参数的大小有关。4.实验步骤实验步骤 变压器空载实验变压器空载实验 1)将各设备准备就绪，分别按变压器单相空载和三相空载运行接线图接线。2)将自耦变压器置于最小输出电压位置，将变压器投入运行。然后调节其10 输出电压，使输出电压为 1.2 倍变压器低压侧额定电压，记录此时的空载电压、电流和功率。3)逐次降低施加的电压，并适时记录该时刻的空载电压、电流和功率。4)对记录的数据进行比较分析，得出结论。变压器短路实验变压器短路实验 1)设备准备就绪，分别按变压器单相短路和三相短路运行接线图接线。2)将自耦变压器置于最小输出电压位置，将变压器投入运行。然后调节其输出电压，使变压器高压绕组中流过的电流达到1.1 倍额定电流，记录此时的短路电压、电流和功率。3)减小施加的电压，使变压器高压绕组中流过的电流为 1.051.1 倍额定电流，并适时记录该时刻的短路电压、电流和功率。根据记录参数，计算出相关短路参数。4)对记录的数据进行比较分析，得出结论。5.思考题思考题 1)分析变压器的空载和短路实验的特点，实验时电压的施加侧。2)变压器空载和短路实验中，为了减少误差，电压表、电流表及功率表在实验线路中的合理布置。3)试分析变压器空载损耗可看作铁耗，短路损耗可看作铜耗的原因。二、变压器负载特性实验二、变压器负载特性实验 1.实验目的实验目的 1)学习变压器的结构和接线方式，掌握电力变压器运行特性的测量方法。2)学习变压器在电阻性负载和电感性负载情况时的工作特性。3)学会如何利用测得的变压器运行参数，绘制相应负载性质下的外特性曲线，并计算电压变化率等参数。2.实验原理实验原理 变压器的电压变化率和效率是变压器的主要性能指标。前者的大小反映了变11 压器运行时二次电压的稳定，后者则表明运行时经济性。变压器的运行参数对两者有很大影响，对已制成的变压器，参数可通过实验测出，电压变化率和效率也可通过实验获取。3.实验内容实验内容 1)按照单相和三相变压器负载接线方式接线。2)分别在不同接线方式下改变负载性质，测量变压器运行参数。3)改变不同的运行参数值，观察测量参数的变化情况。4.实验步骤实验步骤 1)将各设备准备就绪，分别按变压器单相和三相接线方式接线。2)在不同接线方式下，将自耦变压器置于最小输出电压位置，将可变电阻器调最大，将变压器投入运行。然后调节自耦变压器输出电压，使之等于变压器一次侧额定电压。3)接入可变电阻器，保持输出电压不变，减小阻值。在负载电流从 0 到二次侧额定电流的范围内时，记录负载电流及对应的二次侧输出电压。4)将负载由纯阻性改为感性，在保持输出电压不变和功率因数为 0.8 的前提下，重复上述步骤，记录运行参数数据。5)对记录的数据进行比较分析，得出结论。5.思考题思考题 1)分析变压器的空载和短路实验的特点，实验时电压的施加侧。2)变压器空载和短路实验中，为了减少误差，电压表、电流表及功率表在实验线路中的合理布置。3)试分析变压器空载损耗可看作铁耗，短路损耗可看作铜耗的原因。实验三实验三 同步发电机电气特性实验同步发电机电气特性实验 表征同步发电机稳定运行性能的主要参数和数据有：短路比、直轴和交轴同步电抗、各种电抗等。短路比是表征发电机静态稳定度的一个重要数据，短路比小，说明同步电抗大，发电机造价便宜。当短路发生时，短路电流较小，但当负载变化时发电机的电压变化较大，且并联运行时发电机的稳定度较差；短路比大则发电机性能较好，但发电机造价较高，发电机气隙较大，励磁电流和转子用铜12 量增大，通过空载和短路特性可确定直轴电抗不饱和值，进而可求得短路比大小。各个电抗参数是定量分析电机稳定运行状态的有用工具，由零功率因数特性和空载特性可确定定子漏抗和电枢磁动势等参数。所以，空载特性、短路特性和零功率因数负载特性是测量电机参数用的特性曲线，其实验测定具有重要的实用价值。一、同步发电机空载、短路特性实验一、同步发电机空载、短路特性实验 1.实验目的实验目的 1)掌握三相同步发电机对称运行特性的测量方法。2)学习发电机空载和短路时的运行特性。3)学会如何利用测得的三相同步发电机对称运行特性求取有关的参数，如短路比、直轴同步电抗Xd（不饱和值）。2.实验内容与步骤实验内容与步骤 1)分别按发电机空载和短路运行接线图接线。2)在空载接线方式下，将支流电动机励磁回路接通，调节电枢回路的起动电阻至最大，将发电机转速为额定转速，并在实验过程中保持不变。3)给发电机接入励磁电流，逐渐调节励磁电流，直到发电机端电压为额定电压 1.3 倍为止。读取发电机定子端电压及励磁电流。4)减小励磁电流，并记录发电机定子端电压及励磁电流。5)将接线方式改为短路接线，重复上述实验，在励磁电流为零时，将电枢三相绕组短路，记录数据。二、同步发电机零功率因数负载特性实验二、同步发电机零功率因数负载特性实验 1.实验目的实验目的 掌握三相同步发电机零功率因数负载特性的运行特点和测量方法。2.实验内容与步骤实验内容与步骤 1)分别按电感性负载和与电网并联运行时的零功率因数负载接线图接线。2)在电感性负载接线方式下，将支流电动机励磁回路接通，调节电枢回路13 的起动电阻至最大，将发电机转速为额定转速，并在实验过程中保持不变。3)调节负载阻抗和可调变阻，直到发电机端电压为额定电压 1.1 倍为止。读取发电机定子端电压及励磁电流。4)减小励磁电流，并记录发电机定子端电压及励磁电流。5)按照与电网并联运行方式接线，其原理接线与 V 形曲线测定实验一致。6)记录零功率负载特性的两个关键点。先调节原动机使发电机有功功率为零，再调节励磁回路，使无功电流达到额定值，记录此时的发电机端电压和励磁电流为一个关键点；零功率负载特性的另一个关键点可通过发电机稳态短路实验获取，即短路电流为额定电流对应的励磁电流，此时电压为零，这是第二个关键点。三、同步发电机参数测定实验三、同步发电机参数测定实验 1.实验目的实验目的 1)学习并掌握同步发电机的电抗接线图。2)学习各种同步发电机参数测定方法。2.实验内容与步骤实验内容与步骤 1)使用低转差法测定同步电抗Xd和Xq。2)使用反同步旋转法测量负序电抗X2。1)学习零序电抗X0测定方法。2)使用静止法测量超顺变电抗Xd、Xq 或瞬变电抗Xd、Xq 四、同步发电机四、同步发电机 V 形曲线测定实验形曲线测定实验 1.实验目的实验目的 1)学习同步发电机与电网并联运行的实验接线图。2)掌握不同发电机输功率时 V 形曲线测定方法。14 2.实验内容与步骤实验内容与步骤 1)设备准备完毕，将发电机并网运行。2)测取当同步发电机输出有功为零时的 V 形曲线。3)测取当同步发电机输出有功为一半额定功率时的 V 形曲线。3.思考题思考题 1)短路比如何表征发电机静态稳定度？短路比又是如何求得的？2)零功率因数特性和空载特性如何确定定子漏抗和电枢磁动势等参数？实验四实验四 同步发电机并网运行实验同步发电机并网运行实验 1.实验目的实验目的 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DF1725A模块的同期操作使用方法；3）熟悉同步发电机准同期并列过程；4）观察、分析有关波形。2.实验原理实验原理 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15 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。Q4A4GSA3Q3+RfgV4W1WQW2V5 同步发电机与电网并联运行实验接线图 3.实验步骤实验步骤 1)启动机组：缓慢顺时针方向调节速度给定旋扭，使发电机转速慢慢地从零升到额定转速。当发电机转速高于额定转速时，应缓慢逆时针方向调节速度给定旋扭，使发电机转速降下来。2)发电机电压的建立：以较长间隔时间不断按动增磁按扭，使发电机电压慢慢地从残压升到额定电压。当发电机电压高于额定电压时，应以较长间隔时间不断按动减磁按扭，使发电机电压降下来。3)发电机准同期并网：合系统及相应开关，使系统电压加到发电机同期开关一侧。不断缓慢调节速度给定旋扭使发电机转速维持在 50 赫兹附近和以较长间隔时间不断按动增、减磁按扭，使发电机电压接近系统电压，然后合同期开关等待自同期。同期后，观察发电机电流曲线，检验同期的好坏。过大的合闸电流会产生大量热量使定子绕组过热，从而使绝缘加速老化；过大的合闸电流还会产生危险的电动力，使转子绕组变形受损；同时，合闸电流的有功分量还会产生有功功率冲击，对机组转轴施加过大的冲击力矩，严重时会损坏同步发电机的联轴器；此外，过大的冲击电流对电力系统稳定也会产生不利影响。所以必须严格控制合闸冲击电流。4)发电机增减负荷：缓慢顺时针、逆时针方向调节速度给定旋扭和以较长间隔时间不断按动增、减磁按扭观察发电机运行状态的变化。5)解列操作：缓慢调节速度给定旋扭和以较长间隔时间不断按动增、减磁按扭使发电机的有功功率、无功功率为零，然后跳掉同期开关，观察解列现象。4.思考题思考题 1)发电机准同期条件是什么?2)准同期时若合闸角、频率、电压分别不满足要求时会产生什么结果？3)为什么准同期并列时有合闸提前量？4)在准同期并列时，发电机的频率高于还是低于系统频率好？5)自同期操作方法及优缺点是什么，在实际系统中什么时候用自同期？16 6)从物理概念上说明为什么增加 P、Q 时要分别增开汽门和增加励磁？实验五实验五 电力系统功率调节实验电力系统功率调节实验 1.实验目的实验目的 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。2.实验原理实验原理 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：2sin*sin22dqEqddqXXEqUUPXXX=+i 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：2sin*sin22dddqqEqqXXE UUPXXX=+i 或sindqEE UPX=这时功率极限为dqEmE UPX=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。17 3.实验内容和步骤实验内容和步骤（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）功率角指示器调零；（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；（6）输电线路为双回线，重复上述步骤。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EqUx，重复上述步骤。（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，=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。手动调节励磁（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；18 2微机它励（恒流或恒压控制方式），实验步骤自拟。注意事项：1调速器处停机状态时，如果“输出零”灯不亮，不可开机；2实验结束后，通过励磁调节使无功输出为零，通过调速器调节使有功输出为零，解列之后按下调速器的停机按钮使发电机转速至零。跳开操作台所有开关之后，方可关断操作台上的操作电源开关。4.思考题思考题 1多机系统的输送功率与功角的关系和简单系统的功-角特性有什么区别？2自并励和它励的区别和各自特性是什么？3自动励磁调节器对系统静态稳定性有何影响？4实验中，当发电机濒临失步时应采取哪些挽救措施才能避免电机失步？实验六实验六 电力系统调度自动化实验电力系统调度自动化实验 1.实验目的实验目的 1）了解电力系统自动化的遥测、遥信、遥控和遥调等功能 2）了解电力系统调度的自动化 3）掌握TH2100软件系统的初步使用方法 2.实验原理实验原理 电力系统是由许多发电厂，输电线路和各种形式的负荷组成的。由于元件数量大，接线复杂，因而大大地增加了分析计算的复杂性。作为电力系统的调度和通信中心担负着整个电力网的调度任务，以实现电力系统的安全优质和经济运行的目标。TH2100系统相当于电力系统的调度和通信中心。通过RTU实现对动模实验室的发电机组、输电线路、变压器及负荷的监测，可以显示各支路的所有电气量及系统的运行状况。所有常规监视和操作除在现地进行外，均可以在远方的监控系统上完成，计算机屏幕显示整个电力系统的主接线的开关状态和潮流分布，通过画面切换可以显示每台发电机的运行状况，包括励磁电流、励磁电压、通过鼠标的点击，可远方投、切线路或负荷，还可以通过鼠标的操作增、减有功或无功功率，实现电力系统自动化的遥测、遥信、遥控、遥调等功能。运行中可以打印实验接线图、潮流分布图、报警信息、数据表格以及历史记录等。19 3.实验内容实验内容 1）电力网的电压和功率分布实验；2）电力系统有功功率平衡和频率调整实验；3）电力系统无功功率平衡和电压调整实验。4.思考题思考题 1）电力系统无功功率补偿有哪些措施？为了保证电压质量采取了哪些调压手段？2）何为发电机的一次调频、二次调频？3）电力系统经济运行的基本要求是什么？实验七实验七 电力系统短路实验电力系统短路实验 1.实验目的实验目的 了解电力系统不对称运行的种类，研究复合序网的构成方法。2.实验内容实验内容 1)线路开关一相断线；2)系统三相短路；3)系统二相接地短路；4)系统两相短路；5)系统单相接地短路。GS无限大系统无限大系统QF1QF2QF3QF4A相相C相相I回回II回回A相相C相相短路试验原理图 3.实验步骤实验步骤 发电机并列运行后，退出自动励磁调节器，缓慢调节速度给定旋扭和以较长间隔时间不断按动增、减磁按扭，使发电机P=0.3PN、Q=0.3QN。20 1)断开发电机A 相开关，记录断开前后的高、低压侧电流及电压，合上A 相开关。2)断开发电机B 相开关，重复1）。3)断开发电机C 相开关，重复1）。4)短路时间设定0.5 秒，在发电机高压侧做三相短路，记录电流及电压变化。5)短路时间设定0.5 秒，在发电机高压侧做二相接地短路，记录电流及电压变化。6)短路时间设定0.5 秒，在发电机高压侧做两相短路，记录电流及电压变化。7)短路时间设定0.5 秒，在发电机高压侧做单相接地短路，记录电流及电压变化。4.思考题思考题 1)画出单相接地的复合序网。2)断线与短路分别属于那类故障？3)已知变压器的接线方式，如何仅从变压器的低压三相电流判断出高压侧哪相断线？4)