基于labview的电力系统自动化虚拟实验平台设计大学论文.doc

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1、中北大学2013届本科毕业设计说明书基于LabVIEW的电力系统自动化虚拟实验平台设计摘 要虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术等于一体，利用计算机强大的数字的处理能力来实现仪器的诸多功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。本文首先阐述了虚拟仪器技术的现状及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的相关技术、LabVIEW的相关知识，然后阐述了有关电力系统实验平台的相关理论，给出了电力系统实验平台的相关图示。在分析本设计功能的基础上，介绍了程序模块化设计、LabVIE

2、W的多线程等技术，最后给出了设计的前面板及程序框图。本设计虚拟了一个系统电源与发电机的并网的全过程，根据相关电力系统知识做出了一个完整的实验平台。 关键字：虚拟仪器；电力系统；LabVIEW；实验平台。 Design automation of electric power systems of virtual experiment platform based on LabVIEWAbstractVirtual instrument is based on computer related hardware and software is built up, with the visual

3、interface of the instrument, which combines the test theory, theory and technology equipment, computer interface technology, high-speed bus technology and graphics software programming technology is equal to one, many functions to achieve the instrument by using the digital computer processing abili

4、ty strong., breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new instrument model.This paper first introduces the development trend of the present situation of electric power system and virtual instrument technology and the future, knowledge about relevant technology, virtua

5、l instrument LabVIEW, and then expounds the theory on the experimental platform of power system, given the relevant graphic experiment platform for power system. Based on the analysis of the design function, introduces the module design, LabVIEW multithreading technology, the front panel and the pro

6、gramming flow diagram are given.The design of virtual the whole process of a power system and generator grid-connected power system, according to the knowledge of a complete experimental platform to make.Key words: Virtual Instrument; Power System Automation; LabVIEW; Experimental Platform.目录1 绪论11.

7、1 引言11.2 技术背景11.2.1 电力系统自动化平台的发展现状11.2.2 虚拟仪器的国内外现状21.3 本课题相关理论41.4 虚拟仪器的相关技术51.4.1 虚拟仪器的概念51.4.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比51.4.3 虚拟仪器的硬件技术61.4.4 虚拟仪器系统组建方案81.4.5虚拟仪器的软件技术91.5 LabVIEW的相关技术101.5.1 LabVIEW的基本概念101.5.2 LabVIEW编程相关知识102 电力系统自动化实验平台的总体方案设计122.1 实验平台的基本任务122.2 实验平台的相关设备122.2.1 发电机组122.2.2 试验操作台122

8、.2.3 无穷大系统142.2.4 模拟输电线路142.3 实验平台的操作152.3.1 无穷大系统152.3.2 发电机组的操作152.3.3 模拟输电线路的操作162.4 同步发电机的原理172.5 同步发电机的相关数据182.6 同步发电机的励磁系统182.6.1 发电机获得励磁电流的几种方式182.6.2 发电机与励磁电流的有关特性193 系统软件设计的相关技术213.1 程序模块化设计概述213.1.1 程序设计的模块化原则213.1.2 软件系统的模块化设计原则223.1.3 软件系统模块化在本设计中的应用233.2 多线程技术233.2.1 Windows的多线程机制233.2.

9、2 LabVIEW与多线程233.2.3 多线程技术在本设计中的应用244 具体的电力系统自动化实验平台的实现254.1 系统电源254.2 电机电源系统和速度提示254.3 并网及控制系统274.4 波形显示系统294.5 VI程序保护314.6 总程序框图31总结33参考文献34致谢37 第V页 共页1 绪论1.1 引言随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的智能化和虚拟化已经成为未来各级实验室以及研究机构发展的一个方向，“软件就是仪器”被广大的科技、教学工作都逐渐接受。随着社会的快速发展,为满足越来越多的社会需求,电力系统的自动化也得到高速的发展,尤其是能量管理的系统、电能量的采集系统以

10、及电能量负荷的管理系统、配网自动化等多个系统。这些系统都已经使用到各级的电力部门中。由于每个应用系统的电力对象不相同,系统的开发大多根据不同电力对象采用不同的解决方案。目前国内虽然已经推出一些一体化的主战平台,但对于实际应用之间的实时数据分流以及二次安全防护等问题,还存在着不足的情况。电力系统自动化虚拟平台能够很好地克服传统仪器的这些缺陷，它具有成本低、资源利用率高、测试速度快、使用灵活方便、开发更快速和用户界面友好等优点。此外，它还具有良好的可扩展性，随着电力系统的逐步扩容对设备需求的不断增加，可根据技术的发展和用户的需求不断进行升级，避免二次开发或降低二次开发难度，减少设备的投资，提高了电

11、力系统的经济效益，为保障电力系统的安全可靠运行和提高电力系统经济效益提供了一种新的途径12。1.2 技术背景1.2.1 电力系统自动化平台的发展现状综合自动化实验平台的模型是针对电力系统教学实验而设计，其工作方式是按发电机通过输电线路与无穷大系统联接，构成“一机无穷大”电力系统而设计的，主要试验项目有：同步发电机准同期并列实验、同步发电机励磁控制实验、一机无穷大系统稳态运行方式实验、电力系统功率特性和功率极限实验、电力系统暂态稳定实验等。综合自动化试验教学平台的研制，更新与加强了专业实验内容，改进了实验方法与手段，创建了一套能进行专业课程和综合研究实验的实验装置，建立一个开放式、研究性、综合型

12、的专业实验现代教学体系，提高专业实验的教学质量和水平，更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力。电力系统自动化综合实验平台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需要而研究的电气类专业的新型综合教学试验仿真系统。它可为电气工程类专业学生开设教学实验，课程设计实验，生产实习及科研实验。它是一个完整的电厂的电力系统典型模型。该系统是一个自动化程度很高的多功能试验平台。试验平台上各种自动装置都有多种控制方式选择，微机励磁的控制方式和运行参数可在线修改1。该系统能完成40个实验项目，覆盖多门专业课程。如电力系统自动化，电力系统分析，微机保护，电力工程，电力系统装置原理，电力工程等。可以将

13、多台电力系统构成一个可变多机环形电力网络，通过ERPS型电力系统综合自动化教学实验系统实现电力系统自动化遥测，遥信，遥控，遥调等功能3。该系统是具有数字化，可视化，综合化的实验平台。实验方便灵活，安全可靠。工艺制作符合电力规范，操作实验后，效果好，受到学生，老师和专家的好评。系统组成三相同步发电机，模拟原动机用的直流发电机，测速装置，功率角指示器。模拟输电线四条，按二段双回路接线，并加中间开关站，可构成四种不同大小的线路阻抗。1.2.2 虚拟仪器的国内外现状虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器的出现彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无

14、法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力10。传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。滞后的实验设备无法满足现代电力系统自动化技术所需要的速度快、实时性好、具有良好人机界面的要求，难以实现功能扩展和资源共享。运用虚拟仪器代替传统仪器，不但能满足电子信息类实验教学的需要，大大提高设备利用率实现资源共

15、享，降低实验室建设成本，用户还可以根据自己需要定义仪器的新功能。虚拟仪器的开发环境主要有Visual C+，Visual Basic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI等。VC、VB、Lab Windows/CVI虽然是可视化的开发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且开发周期较长。HPVEE是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种

16、图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：(1)外挂式虚拟仪器PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰

17、对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。(3)网络化虚拟仪器尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络5。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一

18、起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景45。1.3 本课题相关理论本设计是以实现电力系统自动化实验平台为目的，利用虚拟仪器技术、数字信号处理技术进行实验平台自动处理，实时监测、实时处理、自动并网的全过程。1) 发电机的自动并列同步发电机组并列时遵循原则：并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能的小，其瞬时最大值一般不宜超过12倍的额定电流；发电机组并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少

19、对电力系统的扰动。同步发电机的并列方法分为准同期并列和自同期并列两种。在电力系统正常运行情况下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。准同期并列条件：电压幅值相等；相角差为零；频率相等。2) 同步发电机的励磁自动控制系统同步发电机一般邮励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图11所示。励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出、整个励磁自动控制系统是邮励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。励磁功率单元励磁调节器发电机G电力系统输入信息图11同步发电机励磁系统同步发电机的励磁电源盾是一个可控的直流电

20、源。为了满足正常运行的要求，发电机励磁电源必须具备足够的调节容量，并且要有一定的强励倍数和励磁电压响应速度。在设计励磁系统方案时，首先应考虑它的可靠性。励磁系统分为直流励磁系统和交流励磁系统。直流励磁机励磁系统分为自励直流励磁机励磁系统和他励直流励磁机励磁系统。交流励磁机励磁系统分为他励交流励磁机励磁系统和无刷励磁系统。1.4 虚拟仪器的相关技术1.4.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提

21、出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 “软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和IO部件来构建虚拟仪器20。灵活高效的软件能帮助我们创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。1.4.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机构成的电子测试仪器，而软件则是虚拟仪器的核心。我们所用到的虚拟仪器主要是由高效的软件，

22、模块化的I/O硬件以及用于集成的软硬件平台13。正由于虚拟仪器的核心是软件，它的性能高、扩展性强、开发时间少以及无缝集成等优势都是传统仪器所无法比拟的。图2.1为虚拟仪器与传统仪器的比较。图2.1 传统仪器与虚拟仪器的比较1.4.3 虚拟仪器的硬件技术（1）卡式仪器传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式仪器自身不带仪器面板，它必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。以数据采集卡为例，它通常具有A/D转换、D/A转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件(Virt

23、ual Hardware，简称VH)的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。（2）总线技术仪器总线GPIB总线(即IEEE 488总线)是一种数字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。该总线最多可以连接15个设备(包括作为主控器的主机)。如果采用高速HS488交互握手协议，传输速率可高到8MBps。VXI总线(即IEEE 1

24、155总线)是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展。它是在1987年，由五家测试和仪器公司(Hewlett-Packard,Wavetek,Tektronix,ColoradoDataSystems,Racal-Dana Instruments)制订的仪器总线标准。VXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达40MBps，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。不过，由于价格较高，推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防军工领域。PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来(NI公司于1997年

25、提出)。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了PCI总线的全部优点。PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。PXI还有高度的可扩展性，它有8个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率已经达到132Mbps(最高为500Mbps)，是目前已经发布的最高传输速率。因此，基于PXI总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。计算机总线ISA总线是一种8位或16位非同步数据总线，工作

26、频率为8MHz，最高数据传输率在8位时为24MBps，16位时为48MBps。这种总线对于低速数据采样与处理来说是有效的，但对于基于高性能PC机的多任务操作系统和高速数据采集系统来说，ISA总线由于其带宽、位数等的限制，故不能满足系统工作的要求。新型主板和高版本操作系统已不再支持ISA总线。PCI总线是一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132264MBps，PCI总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即

27、插即用”(plug&play)。PCI总线由于上述优点而得到了广泛应用，已成为PC工业的事实标准。USB通用串行总线(Universal serial bus)和IEEE 1394总线(又叫Fireware总线)是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。USB总线能以雏菊链方式连接127个装置，需要一对信号线及电源线。USB 2.0标准的数据传输率能达到480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。IEEE1394总线是由苹果公司于1989年设计的高性能串口总线，目前传输速率为100、200、400M

28、bps，将来可达3.2Gbps。这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的6。USB及IEEE-1394总线均具有“即插即用”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。工业现场总线为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，有很多现场总线标准，如ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和DeviceNet等，它们竞争非常激烈。通用现场总线的发展需要一段时间。1.4.4 虚拟仪器系统组建方案虚拟

29、仪器的突出成就是不仅可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案：(1)GPIB仪器通过GPIB接口卡与计算机组成GPIB系统。(2)VXI仪器与计算机组成VXI系统。(3)PXI仪器组成PXI系统。(4)以DAQ和信号调理部分为硬件组成PC-DAQ测试系统。(5)并行总线仪器组成并行总线系统。(6)串行总线仪器组成串行总线系统。(7)现场总线设备组成现场总线系统。一般来说，GPIB、VXI、PXI适合大型高精度集成测试系统；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如USB式)系统适合普及型

30、的廉价系统；现场总线系统主要用于大规模的网络测试。有时，可以根据不同需要组建不同规模的自动测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测试系统。1.4.5虚拟仪器的软件技术软件是虚拟仪器的关键，以下介绍虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及I/O接口软件。（1）软件开发平台LabVIEW是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程

31、技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台28。（2）仪器驱动程序仪器驱动程序是测试系统中最重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信、控制功能。传统的仪器驱动程序由仪器硬件厂商随硬件提供，由于不同厂家仪器硬件的差异，使得在更换仪器硬件的同时不得不修改测试代码。为了能自由互换仪器硬件而无需修改测试程序，即解决仪器的互操作问题，VXI plug&play联盟开发了仪器驱动标准VISA。VISA用G语言(图形语言)或ANSIC语言写成，它可以用于多种虚拟仪器开发环境和多种操作系统。1999年NI公司提出了可互换虚拟仪器标准IVI(Interchangeable Virt

32、ual Instruments)，使程序的开发完全独立于硬件。IVI是建立在VXI plug&play驱动程序标准之上的，它解决了仪器的互操作问题。IVI驱动器通过一个通用的类驱动器实现对仪器的控制。类驱动器是仪器的功能和属性集，通过这些功能和属性集实现对一种仪器类(示波器、数字电压表、函数发生器等)中的仪器进行控制。应用程序调用类驱动器，类驱动器再通过专用的驱动器与物理的仪器通信。专用的仪器驱动器(和对应的物理仪器)可以被改变，但应用程序代码保持不变。采用IVI技术，可以降低软件的维护费用，减少系统停运时间，提高测试代码的可重用性，使仪器编程更简单。（3）I/O接口软件I/O接口软件是虚拟仪

33、器系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议。当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化I/O接口软件组件的通用内核之上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口(API)，使用户的测试系统能够选择不同的计算机平台和仪器硬件7,8。1.5 LabVIEW的相关技术1.5.1 LabVIEW的基本概念LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。L

34、abVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能19。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX的软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用软件的易操作及已修改性，使其更好的应用于个人的操作中。图形化的程序语言，又称为 “” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实

35、现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW最大特点是形象生动可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器9。1.5.2 LabVIEW编程相关知识LabVIEW编写的程序是由一个VI前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成，各部分功能如下：（1）前面板前面板是VI的监护室用户接口，与真实物理仪器面板相似，前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或者鼠标获取数据显示结果。（2）数据流框图程序VI从数据流框图中接收指令，框图程序是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是VI的程序代码。（3）图标连接端口VI图标和连接端口的功能就像一个图

36、形化参数列表，可在VI与SubVI之间传递数据。一个VI既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序的子程序，当一个VI作为子程序是，称作SubVI.虚拟仪器概念是LabVIEW的精髓，也是G语言区别于其他高级语言的最显著特征。正是由于LabVIEW和虚拟仪器的互相作用，才给了二者更长远的发展空间10。2 电力系统自动化实验平台的总体方案设计2.1 实验平台的基本任务电力系统综合自动化试验台，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研制的电力类专业新型教学试验系统。此系统除用于试验教学以外，另可用于本、专科生的课程设计试验，也可作为研究生、科研人员的产品开发试验，还可作为电

37、力系统技术人员的培训基地。本平台可以完成：同步发电机准同期并列实验；同步发电机励磁控制实验；一机无穷大系统稳态运行方式实验；电力系统功率特性和功率极限实验；电力系统暂态稳定实验；单机带负荷实验；复杂电力系统运行方式实验；电力系统调度自动化实验等。2.2 实验平台的相关设备2.2.1 发电机组它是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kVA，VN=400V，nN=1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（PN=2.2kW，VN=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优

38、点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。2.2.2 试验操作台实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、功率调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中负荷调节和同期单元是由“TGS-04型微机调速装置”、“WL-04B微机磁励调节器”、“HGWT-03微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。（1）输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。（2）“YHB-型微机线路保护”装置是专为实验教学设计，具有过流选 相跳闸、自动重合闸功能，备有事

39、故记录功能，有利于实验分析。在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。（3）“TGS-04型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。（4）“WL-04B微机励磁调节器”其励磁方式可选择：它励、自并励两种：控制方式可选择恒UF、恒IL、恒a、恒Q等四种；设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）；励磁调节

40、器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可以记录UF、IL、UL、P、Q、a等信号的时间响应曲线，供实验分析用。（5）HGWT-03微机准同期控制装置，它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：可选择全自动准同期合闸；可选择半自动准同期合闸；可测定断路器的开关时间；可测定合闸误差角；可改变频差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；按定频调宽原理实现均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均频均压效果；可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测定越前时间和越前角度；可自由整定越前（开关）时间；输出合闸出口电平信号，供实验录

41、波之用。（6）仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图，操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合起来，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。试验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出，还可显示出同步发电机功率角d、可控硅a角等量。同时可以通过数字存贮示波器，观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，甚至可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步发电机短路时的电流、电压波形等。2.2.3 无穷大系统无穷大电源是由15kVA自耦调压

42、器组成。通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。红色灯亮表示开关在合闸位置，绿色灯亮表示开关在分闸位置在试验操作台的“操作面板”左下方有一个“电源开关”。此开关向整个台体提供操作电源和动力电源，以及四台微机装置的工作电源，并给信号灯用直流24V稳压电源供电。因此，在下面叙述的各部分操作之前，都必须先投入“电源开关”（按下电源开关），此时反映各开关位置的绿色指示灯亮，同时四台微机装置上电、数码管均能正确显示；在结束试

43、验时，其它操作都正确完成之后，同样必须断开操作电源开关（按出电源开关）。此外，本装置在设计中充分发挥各设备的作用，考虑到模型操作的灵活性和方便性以及接口的通用性，在制造上符合电力系统规范，在设计中增加一些与外部联接的功能，以便对外来设备进行性能考核实验，例如：对线路保护、励磁或同期等自动装置进行考核实验，这在一定程度上扩大其使用范围。2.2.4 模拟输电线路在实际电力系统中的远距离输电，往往采用双回路输电线路并设中间开关站来提高暂态稳定，在本试验台中输电线路按双回路来模拟，并将每回线路分成两段，也设置了中间开关站。双回输电线路接线示意图如图2.2所示。每相的电抗参数设定为：XL1=XL2=20

44、W；XL3=XL4=40W。短路点的N相对发电机中性点电抗为8W；短路点的N相对无穷大电源的中性点电抗为12W。图2.2 双回输电线路接线示意图在进行暂态稳定试验时，在输电线路XL4上发生短路故障，继电保护要将线路XL4切除。即跳“QF4”、“QF6”线路开关，此开关为分相操作开关，圆形的红色指示灯分别代表“QF4”、“QF6”的A相、B相、C相的三个单相开关状态，为后面叙述方便，称该线路为“可控线路”，其它线路仅能用手动进行操作，称为“不可控线路”。2.3 实验平台的操作2.3.1 无穷大系统所谓无穷大电源可以看作是内阻抗为零，频率、电压及其相位都恒定不变的一台同步发电机，在本试验系统中，是

45、将交流380V市电经15kVA自耦调压器，通过输电线路与实验用的同步发电机构成“一机无穷大”的简单电力系统。(1)无穷大电源的投入操作在投入“电源开关”之后，自耦调压器原方已接通了动力电源，按下无穷大系统的“系统开关”的“红色按钮”，“系统开关”合上后，其“红色按钮”的指示灯亮，“绿色按钮”指示灯灭，表示无穷大母线得电，观察操作面板上“系统电压”表的指示是否为试验要求值。调整自耦调压器的把手，顺时针增大或逆时针减少输出至无穷大母线上的电压，调整到试验的要求值（一般为380V）后，即完成无穷大电源的投入工作，此时，可通过“系统电压”表下方对应的“电压切换”开关观测三相电压是否对称。(2)无穷大电

46、源的切除操作无穷大电源的切除操作大多数是在试验完成之后，发电机已与系统解列，所有线路均已退出工作之后进行。按下“系统开关”的“绿色按钮”，其“绿色按钮”的指示灯亮，“红色按钮”的指示灯灭，表示系统开关已断开，无穷大电源切除操作即告完成。2.3.2 发电机组的操作在电力系统中，同步发电机的同期并列操作是一项经常性的基本操作。不恰当的并列将导致很大的冲击电流，甚至造成损坏发电机组的严重后果。为了保证安全、快速地并列，必须借助于自动准同期控制装置，传统的模拟式自动准同期装置由于其快速性和准确性欠佳，已渐不适应现代电力系统运行的高质量要求，采用微机自动准同期装置实现同步发电机自动准同期并列操作，可以做

47、到既安全可靠，又快速准确，现已在电力系统中得到广泛的应用。一般说来，同步发电机有三种励磁方式可供选择：一、手动励磁方式，它是电交流220V通过变压器降压后，经自耦调压器调至需要电压，再通过整流桥整成直流向同步发电机励磁绕组供电，励磁调节由试验人员手动操作自耦调压器来实现；二、微机它励方式，它是市电交流380V通过变压器降压后，经可控硅整流向发电机励磁绕组供电；三、微机自并励方式，它是发电机机端电压通过变压器降压后，经可控硅整流向发电机励磁绕组供电。励磁系统一次接线图如图2.3所示。图2.3励磁系统一次接线图2.3.3 模拟输电线路的操作（1）此线路由两端开关“QF1”和“QF3”来接入系统，按下开关“QF1”的“红色按钮”，其“红色按钮”的指示灯亮，“绿色按钮”的指示灯灭，表示开关“QF1”已投入；按下开关“QF3”的“红色按钮”，其“红色按钮”的指示灯亮。“绿色按钮”的指示灯灭，表示开关“