電力系統及自動化綜合實驗報告

1、電力系統及自動化綜合實驗指導書 電力系統及自動化綜合實驗報告學院：專業(yè)：電氣工程及其自動化 姓名：學號：第三章 一機無窮大系統穩(wěn)態(tài)運行方式實驗一、實驗目的1了解和掌握對稱穩(wěn)定情況下，輸電系統的各種運行狀態(tài)與運行參數的數值變化范圍；2了解和掌握輸電系統穩(wěn)態(tài)不對稱運行的條件；不對稱度運行參數的影響；不對稱運行對發(fā)電機的影響等。二、原理與說明電力系統穩(wěn)態(tài)對稱和不對稱運行分析，除了包含許多理論概念之外，還有一些重要的“數值概念”。為一條不同電壓等級的輸電線路，在典型運行方式下，用相對值表示的電壓損耗，電壓降落等的數值范圍，是用于判斷運行報表或監(jiān)視控制系統測量值是否正確的參數依據。因此，除了通過結合實際

2、的問題，讓學生掌握此類“數值概念”外，實驗也是一條很好的、更為直觀、易于形成深刻記憶的手段之一。實驗用一次系統接線圖如圖2所示。圖2 一次系統接線圖本實驗系統是一種物理模型。原動機采用直流電動機來模擬，當然，它們的特性與大型原動機是不相似的。原動機輸出功率的大小，可通過給定直流電動機的電樞電壓來調節(jié)。實驗系統用標準小型三相同步發(fā)電機來模擬電力系統的同步發(fā)電機，雖然其參數不能與大型發(fā)電機相似，但也可以看成是一種具有特殊參數的電力系統的發(fā)電機。發(fā)電機的勵磁系統可以用外加直流電源通過手動來調節(jié)，也可以切換到臺上的微機勵磁調節(jié)器來實現自動調節(jié)。實驗臺的輸電線路是用多個接成鏈型的電抗線圈來模擬，其電抗值

3、滿足相似條件?！盁o窮大”母線就直接用實驗室的交流電源，因為它是由實際電力系統供電的，因此，它基本上符合“無窮大”母線的條件。為了進行測量，實驗臺設置了測量系統，以測量各種電量（電流、電壓、功率、頻率）。為了測量發(fā)電機轉子與系統的相對位置角（功率角），在發(fā)電機軸上裝設了閃光測角裝置。此外，臺上還設置了模擬短路故障等控制設備。三、實驗項目和方法 1單回路穩(wěn)態(tài)對稱運行實驗 在本章實驗中，原動機采用手動模擬方式開機，勵磁采用手動勵磁方式，然后啟機、建壓、并網后調整發(fā)電機電壓和原動機功率，使輸電系統處于不同的運行狀態(tài)（輸送功率的大小，線路首、末端電壓的差別等），觀察記錄線路首、末端的測量表計值及線路開關

4、站的電壓值，計算、分析、比較運行狀態(tài)不同時，運行參數變化的特點及數值范圍，為電壓損耗、電壓降落、沿線電壓變化、兩端無功功率的方向（根據沿線電壓大小比較判斷）等。2雙回路對稱運行與單回路對稱運行比較實驗按實驗1的方法進行實驗2的操作，只是將原來的單回線路改成雙回路運行。將實驗1的結果與實驗2進行比較和分析。表3-1PQIUFUZUaDU單回路001.63803803900.102.83803803900.304505.1368372390雙回路001.33803833900.101.83803823900.303504.3375380390注：

5、UZ 中間開關站電壓；DU 輸電線路的電壓損耗； 輸電線路的電壓降落3單回路穩(wěn)態(tài)非全相運行實驗確定實現非全相運行的接線方式，斷開一相時，與單回路穩(wěn)態(tài)對稱運行時相同的輸送功率下比較其運行狀態(tài)的變化。具體操作方法如下：（1）首先按雙回路對稱運行的接線方式（不含QF5）；（2）輸送功率按實驗1中單回路穩(wěn)態(tài)對稱運行的輸送功率值一樣；（3）微機保護定值整定：動作時間0秒，重合閘時間100秒；（4）在故障單元，選擇單相故障相，整定故障時間為0²<t<100²；（5）進行單相短路故障，此時微機保護切除故障相，準備重合閘，這時迅速跳開“QF1”、“QF3”開關，即只有一回線路的

6、兩相在運行。觀察此狀態(tài)下的三相電流、電壓值與實驗1進行比較；（6）故障100²以后，重合閘成功，系統恢復到實驗1狀態(tài)。表3-2UAUBUCIAIBICPQS全相運行值2102102100000002102102100000.101.1非全相運行值2102102050000002122152000000.100.121522518000.50.750.300.322023017001.221.320.500.52052152100000002122052100000.100.12251902100.350.500.300.32301752151.221.2300.500.5四、實驗報告

7、要求1整理實驗數據，說明單回路送電和雙回路送電對電力系統穩(wěn)定運行的影響，并對實驗結果進行理論分析。2根據不同運行狀態(tài)的線路首、末端和中間開關站的實驗數據、分析、比較運行狀態(tài)不同時，運行參數變化的特點和變化范圍。3比較非全相運行實驗的前、后實驗數據，分析輸電線路輸送功率的變化。五、思考題1 影響簡單系統靜態(tài)穩(wěn)定性的因素是哪些？答：由靜穩(wěn)系數SEq=EV/X，所以影響電力系統靜態(tài)穩(wěn)定性的因素主要是：系統元件電抗，系統電壓大小，發(fā)電機電勢以及擾動的大小。2 提高電力系統靜態(tài)穩(wěn)定有哪些措施？答：提高靜態(tài)穩(wěn)定性的措施很多，但是根本性措施是縮短"電氣距離"。主要措施有: (1

8、)、減少系統各元件的電抗:減小發(fā)電機和變壓器的電抗，減少線路電抗(采用分裂導線); (2)、提高運行電壓水平; (3)、改善電力系統的結構; (4)、采用串聯電容器補償; (5)、采用自動勵磁調節(jié)裝置; (6)、采用直流輸電。3 何為電壓損耗、電壓降落？答：電壓損耗指的是輸電線路首末兩端電壓的數值差；電壓降落指的是首末兩端電壓的相量差。4 “兩表法”測量三相功率的原理是什么？它有什么前提條件？答：原理：在測A、B、C三相總功率時，可以用兩只功率表接在AB及BC間，測得的值相加即可。功率表的測量原理是測得電壓、電流及其功率角，然后由P=UIcos

9、得到功率的大小，該種接法測得的是線電壓、線電流及其夾角，相對于相電壓相電流之間夾角而言，增加了120°，若相角為0°，則總功率P=3UI，采用兩表發(fā)測得的功率為P=2UIcos120°3=3UI，所以可以用兩表法測得。 前提條件：在負荷平衡的三相系統中可以用兩表法測三相功率-三相三線系統可以用兩表法測量,但是三相四線系統只有在三相平衡時才可以采用兩表法。第四章 電力系統功率特性和功率極限實驗一、實驗目的1 初步掌握電力系統物理模擬實驗的基本方法；2 加深理解功率極限的概念，在實驗中體會各種提高功率極限措施的作用；3 通過對實驗中各種現象的觀察，結合所學的

10、理論知識，培養(yǎng)理論結合實際及分析問題的能力。二、原理與說明所謂簡單電力系統，一般是指發(fā)電機通過變壓器、輸電線路與無限大容量母線聯接而且不計各元件的電阻和導納的輸電系統。對于簡單系統，如發(fā)電機至系統d軸和q軸總電抗分別為XdS和XqS，則發(fā)電機的功率特性為：當發(fā)電機裝有勵磁調節(jié)器時，發(fā)電機電勢Eq隨運行情況而變化。根據一般勵磁調節(jié)器的性能，可認為保持發(fā)電機E¢q（或E¢）恒定。這時發(fā)電機的功率特性可表示成：或這時功率極限為隨著電力系統的發(fā)展和擴大，電力系統的穩(wěn)定性問題更加突出，而提高電力系統穩(wěn)定性和輸送能力的最重要手段之一是盡可能提高電力系統的功率極限，從簡單電力系統功率極限

11、的表達式看，提高功率極限可以通過發(fā)電機裝設性能良好的勵磁調節(jié)器以提高發(fā)電機電勢、增加并聯運行線路回路數或串聯電容補償等手段以減少系統電抗、受端系統維持較高的運行電壓水平或輸電線采用中繼同步調相機或中繼電力系統以穩(wěn)定系統中繼點電壓等手段實現。三、實驗項目和方法（一）無調節(jié)勵磁時功率特性和功率極限的測定1網絡結構變化對系統靜態(tài)穩(wěn)定的影響（改變x）在相同的運行條件下（即系統電壓Ux、發(fā)電機電勢保持Eq保持不變，即并網前Ux=Eq），測定輸電線單回線和雙回線運行時，發(fā)電機的功一角特性曲線，功率極限值和達到功率極限時的功角值。同時觀察并記錄系統中其他運行參數（如發(fā)電機端電壓等）的變化。將兩種情況下的結果

12、加以比較和分析。實驗步驟：（1）輸電線路為單回線；（2）發(fā)電機與系統并列后，調節(jié)發(fā)電機使其輸出的有功和無功功率為零；（3）功率角指示器調零；（4）逐步增加發(fā)電機輸出的有功功率，而發(fā)電機不調節(jié)勵磁；（5）觀察并記錄系統中運行參數的變化，填入表4-1中；（6）輸電線路為雙回線，重復上述步驟，填入表4-2中。表4-1 單回線d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.30.50.6311.21.31.41.451.5IA000.50.81.62.02.452.62.903.25

13、Uz388385380372361350335325315290UF38037837237035534533833032030Ifd2222222222Q0000000000表4-2 雙回線d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.30.6511.41.82失步IA00.111.52.453.254Uz390385380378365350325UF380380375370360340320Ifd2222222Q0000000注意：（1）有功功率應緩慢調節(jié)，每次調節(jié)后，需

14、等待一段時間，觀察系統是否穩(wěn)定，以取得準確的測量數值。（2）當系統失穩(wěn)時，減小原動機出力，使發(fā)電機拉入同步狀態(tài)。2發(fā)電機電勢Eq不同對系統靜態(tài)穩(wěn)定的影響在同一接線及相同的系統電壓下，測定發(fā)電機電勢Eq不同時（Eq<Ux或Eq>Ux）發(fā)電機的功一角特性曲線和功率極限。實驗步驟：（1） 輸電線為單回線，并網前Eq<Ux；（2） 發(fā)電機與系統并列后，調節(jié)發(fā)電機使其輸出有功功率為零； （3） 逐步增加發(fā)電機輸出的有功功率，而發(fā)電機不調節(jié)勵磁；（4） 觀察并記錄系統中運行參數的變化，填入表4-3中；（5） 輸電線為單回線，并網前Eq>Ux，重復上述步驟，填入表4-4中。表4-3

15、單回線 并網前Eq<Uxd0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.20.450.70.951.11.31.41.45失步IA000.2511.51.852.452.652.85Uz385380378370355345330315300UF375375369360350345328319302Ifd222222222Q000000000表4-4 單回線 并網前 Eq>Uxd0°10°20°30°40°50

16、76;60°70°80°90°P00.30.50.811.31.41.61.71.8IA000.51.151.552.152.633.33.75Uz400400395385378360345330310280UF405400395389380365360345335310Ifd2.42.42.42.42.42.42.42.42.42.4Q0+000000000（二）手動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定給定初始運行方式，在增加發(fā)電機有功輸出時，手動調節(jié)勵磁保持發(fā)電機端電壓恒定，測定發(fā)電機的功一角曲線和功率極限，并與無調節(jié)勵磁時所得的結果比較分析，說明勵

17、磁調節(jié)對功率特性的影響。實驗步驟：（1）單回線輸電線路；（2）發(fā)電機與系統并列后，使P=0，Q=0，d=0，校正初始值；（3）逐步增加發(fā)電機輸出的有功功率，調節(jié)發(fā)電機勵磁，保持發(fā)電機端電壓恒定或無功輸出為零；（4）觀察并記錄系統中運行參數的變化，填入表4-5中。表4-5 單回線 手動調節(jié)勵磁d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.350.811.31.51.61.92失步IA0011.52.02.52.753.253.75Uz400420412405395385375

18、35533UF400440432425420410400390380Ifd2.43.43.43.43.43.43.43.43.4Q000000.150.20.30.45表4-6 雙回線 手動調節(jié)勵磁d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.551.11.41.9失步IA00.51.652.153Uz390420410405395UF390430420415405Ifd03.43.43.43.4Q00.40.40.40.4（三）自動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定將自

19、動調節(jié)勵磁裝置接入發(fā)電機勵磁系統，測定功率特性和功率極限，并將結果與無調節(jié)勵磁和手動調節(jié)勵磁時的結果比較，分析自動勵磁調節(jié)器的作用。1微機自并勵（恒流或恒壓控制方式），實驗步驟自擬；表4-7 單回線 微機自并勵方式d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.20.450.811.41.6失步IA000.251.11.52.352.75Uz395392390385381370365UF390390390388389388388Ifd2.32.32.32.22.533Q000

20、00.20.20.2表4-8 雙回線 微機自并勵方式d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.40.71.11.6失步IA00.250.851.62.65Uz395392395391400UF390390395392410Ifd2.252.252.52.73.5Q000002微機它勵（恒流或恒壓控制方式），實驗步驟自擬。表4-9 單回線 微機它勵方式d0°10°20°30°40°50°60°70

21、76;80°90°P00.20.450.60.91.21.41.71.9失步IA000.50.751.522.533.5Uz390388382382375368360350330UF380380379379378375375375370Ifd22222.252.42.52.73Q0000000.20.30.4表4-10 雙回線 微機它勵方式d0°10°20°30°40°50°60°70°80°90°P00.30.61.21.82.3失步IA000.751.752.753.75

22、Uz390388385392395395UF380380380395400400Ifd2222.533Q0000.20.30.4注意事項：1調速器處停機狀態(tài)時，如果“輸出零”燈不亮，不可開機；2實驗結束后，通過勵磁調節(jié)使無功輸出為零，通過調速器調節(jié)使有功輸出為零，解列之后按下調速器的停機按鈕使發(fā)電機轉速至零。跳開操作臺所有開關之后，方可關斷操作臺上的操作電源開關。四、實驗報告要求1根據實驗裝置給出的參數以及實驗中的原始運行條件，進行理論計算。將計算結果與實驗結果進行比較。2認真整理實驗記錄，通過實驗記錄分析的結果對功率極限的原理進行闡述。同時對理論計算和實驗記錄進行對比，說明產生誤差的原因。并

23、作出Uz(d)，P(d) Q(d)特性曲線，對其進行描述。3分析、比較各種運行方式下發(fā)電機的功角特性曲線和功率極限。五、思考題1功率角指示器的原理是什么？如何調節(jié)其零點？當日光燈供電的相發(fā)生改變時，所得的功角值發(fā)生什么變化？答：2多機系統的輸送功率與功角d的關系和簡單系統的功角特性有什么區(qū)別？3自并勵和它勵的區(qū)別和各自特性是什么？4自動勵磁調節(jié)器對系統靜態(tài)穩(wěn)定性有何影響？5實驗中，當發(fā)電機瀕臨失步時應采取哪些挽救措施才能避免電機失步？第五章 電力系統暫態(tài)穩(wěn)定實驗一、實驗目的1通過實驗加深對電力系統暫態(tài)穩(wěn)定內容的理解，使課堂理論教學與實踐結合，提高學生的感性認識。2學生通過實際操作，從實驗中觀察

24、到系統失步現象和掌握正確處理的措施。3用數字式記憶示波器測出短路時短路電流的非周期分量波形圖，并進行分析。二、原理與說明電力系統暫態(tài)穩(wěn)定問題是指電力系統受到較大的擾動之后，各發(fā)電機能否繼續(xù)保持同步運行的問題。在各種擾動中以短路故障的擾動最為嚴重。正常運行時發(fā)電機功率特性為：P1（Eo×Uo）×sin1/X1；短路運行時發(fā)電機功率特性為：P2（Eo×Uo）×sin2/X2；故障切除發(fā)電機功率特性為： P3（Eo×Uo）×sin3/X3；對這三個公式進行比較，我們可以知道決定功率特性發(fā)生變化與阻抗和功角特性有關。而系統保持穩(wěn)定條件是切除故

25、障角c小于max，max可由等面積原則計算出來。本實驗就是基于此原理，由于不同短路狀態(tài)下，系統阻抗X2不同，同時切除故障線路不同也使X3不同，max也不同，使對故障切除的時間要求也不同。 同時，在故障發(fā)生時及故障切除通過強勵磁增加發(fā)電機的電勢，使發(fā)電機功率特性中Eo增加，使max增加，相應故障切除的時間也可延長；由于電力系統發(fā)生瞬間單相接地故障較多，發(fā)生瞬間單相故障時采用自動重合閘，使系統進入正常工作狀態(tài)。這二種方法都有利于提高系統的穩(wěn)定性。三、實驗項目與方法（一）短路對電力系統暫態(tài)穩(wěn)定的影響1短路類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響本實驗臺通過對操作臺上的短路選擇按鈕的組合可進行單相接地短路，兩相相間短路，

26、兩相接地短路和三相短路試驗。固定短路地點，短路切除時間和系統運行條件，在發(fā)電機經雙回線與“無窮大”電網聯網運行時，某一回線發(fā)生某種類型短路，經一定時間切除故障成單回線運行。短路的切除時間在微機保護裝置中設定，同時要設定重合閘是否投切。在手動勵磁方式下通過調速器的增（減）速按鈕調節(jié)發(fā)電機向電網的出力，測定不同短路運行時能保持系統穩(wěn)定時發(fā)電機所能輸出的最大功率，并進行比較，分析不同故障類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響。將實驗結果與理論分析結果進行分析比較。Pmax為系統可以穩(wěn)定輸出的極限，注意觀察有功表的讀數，當系統出于振蕩臨界狀態(tài)時，記錄有功表讀數，最大電流讀數可以從YHB型微機保護裝置讀出，具體顯示為：G

27、L-´´´ 三相過流值GA-´´´ A相過流值GB-´´´ B相過流值GC-´´´ C相過流值微機保護裝置的整定值代碼如下： 01： 過流保護動作延遲時間 02： 重合閘動作延遲時間03： 過電流整定值 04： 過流保護投切選擇 05： 重合閘投切選擇 另外，短路時間TD由面板上“短路時間”繼電器整定，具體整定參數為表5-1。表5-1整定值代碼0102030405TD整定值0.5(s)/5.00(A)OnOff1.0(s)微機保護裝置的整定方法如下：按壓“畫面切換”按鈕，當數

28、碼管顯示PA 時，按壓觸摸按鈕“”或“”輸入密碼，待密碼輸入后，按下按鍵“”，如果輸入密碼正確，就會進入整定值修改畫面。進入整定值修改畫面后，通過“”“”先選01整定項目，再按壓觸摸按鈕“”或“”選擇當保護時間（s）；通過“”“”選03整定項目，再按壓觸摸按鈕“”或“”選擇當過電流保護值；通過“”“”選04整定項目，再按壓觸摸按鈕“”或“”選擇當過電流保護投切ON；通過“”“”選05整定項目，再按壓觸摸按鈕“”或“”選擇重合閘投切為OFF。（詳細操作方法WDT綜合自動化試驗臺使用說明書。）表5-2 短路切除時間t=0.5s 短路類型：單相接地短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W

29、) 最大短路電流（A） 11110124.00101011.20.051101111.20.050111111.84.1 (0：表示對應線路開關斷開狀態(tài) 1：表示對應線路開關閉合狀態(tài))表5-3 短路切除時間t=0.5s 短路類型：兩相相間短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W) 最大短路電流（A） 111101010101110111011111 表5-4 短路切除時間t=0.5s 短路類型：兩相接地短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W) 最大短路電流（A） 111101010101110111011111 表5-5 短路切除時間t=0.5s 短路類型：三相短路Q

30、F1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W) 最大短路電流（A） 1111010101011101110111112故障切除時間對暫態(tài)穩(wěn)定的影響固定短路地點，短路類型和系統運行條件，通過調速器的增速按鈕增加發(fā)電機向電網的出力，在測定不同故障切除時間能保持系統穩(wěn)定時發(fā)電機所能輸出的最大功率，分析故障切除時間對暫態(tài)穩(wěn)定的影響。一次接線方式： QF11 QF21 QF31 QF41 QF5= 0 QF61表5-6 短路類型：過流保護動作時間Pmax(W)Idl最大短路電流(A)0.5 (s)1.0 (s)1.5 (s)例：QF10 QF21 QF31 QF41 QF5=1 QF61 QF11 QF21 QF30 QF41 QF5=1 QF61（二）研究提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施1強行勵磁在微機勵磁方式下短路故障發(fā)生后，微機將自動投入強勵以提高發(fā)電機電勢。觀察它對提高暫態(tài)穩(wěn)定的作用。2單相重合閘在電力系統的故障中大多數是送電線路（特別是架空線路）的“瞬時性”故障，除此之外也有“永久性故障”。在電力系統中采用重合閘的技術經濟效果，主要可歸納如下： 提高供電可靠性； 提高電力系統并列運行的穩(wěn)定性； 對繼電保護誤動作而引起的誤跳閘，也能起到糾正的作用。對瞬時性故障，微機保護裝置切除故障線路后，經過延時一定時間將自動重合原線路，從而恢復全相供電，提高了故障切除后的功率特性曲線。同