电力系统动模实验指导书.doc

电力系统动模与自动化综合实验系统电力系统动模部分实验指导书信息科学与工程学院中南大学目 录第一章 概述 1一、电力系统组成及作用 1二、电力系统自动化 1三、发电机动模实验台概述 2四、操作注意事项 6第二章 发电机组的开机停机过程与自动控制 7一、电路操作说明 7二、开机停机过程 8第三章 发电机的自动准同期并列 9一、准同期控制的原理 9二、微机自动准同期控制器 9三、准同期并列实验11第四章 同步发电机励磁控制系统20一、励磁系统与励磁调节原理20二、励磁控制系统实验21第五章 电动机调速24一、机组调速系统概述24二、电动机调速实验25第一章 概述一、电力系统组成及作用电 力 系 统输 电 网配 电 网发 电 厂电 力 用 户辅 助 系 统图1-1 电力系统组成电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源转换成电能并输送和分派到用户的一个统一系统（如图1-1所示）。输电网和配电网统称为电网，是电力系统的重要组成部分。发电厂将一次能源转换成电能，通过电网将电能输送和分派到电力用户的用电设备，从而完毕电能从生产到使用的整个过程。电力系统还涉及保证其安全可靠运营的继电保护装置、安全自动装置、调度自动化系统和电力通信等相应的辅助系统(一般称为二次系统)。 二、电力系统自动化电力系统是世界上最为复杂的人工系统之一，其安全、稳定、经济地运营是其它产业正常发展，乃至社会稳定的基础。因此精确、有效的对电力系统进行控制是十分重要的。为保持电力系统正常运营的稳定性和频率、电压的正常水平，系统应有足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量，并有必要的调节手段。在正常负荷波动和调节有功、无功潮流时，均不应发生自发振荡。电力系统自动化的重要目的是采用各种措施使系统尽也许运营在正常运营状态。在正常运营状态下，通过制定运营计划和运用计算机监控系统实时进行电力系统运营信息的收集和解决，在线安全监视和安全分析等，使系统处在最优的正常运营状态。 同时，在正常运营时，拟定各项防止性控制，以对也许出现的紧急状态提高解决能力。当电力系统一旦出现故障进入紧急状态后，则系统可以自动（也可手动）做出反映，采用控制措施。这些控制措施涉及继电保护装置对的快速动作和各种稳定控制装置。通过紧急控制将系统恢复到正常状态或事故后状态。当系统处在事故后状态时，系统采用恢复措施，使其重新进入正常运营状态。在现代化的电力系统中，随着计算机技术和网络通信技术的快速发展，电力系统自动化建设发展越加完善，特别是在电力系统监控和电力调度自动化系统中，广泛采用了最新的计算机技术、通讯技术和图像解决等技术。借助当今计算机的强大快速综合解决能力，实行对大电网运营管理的计算机监控，实现对投入系统运营的发电厂（火力、水力等形式的发电厂）进行遥测、遥控、遥信、遥调（四遥技术），并进行统一的调度管理，密切监视大电网运营，使电力系统可以安全、经济、稳定的运营。 从八十年代以后，我国电网调度自动化系统发展非常迅速，整体功能和设备水平有很大限度提高，特别是从九十年代开始，电力调度自动化系统、电力监控系统，已从80年代的封闭式、集中式系统向开放式、分布式、集散式的集成系统发展，在保证电网安全、可靠、经济运营方面发挥了重要作用，已成为我国各级调度部门指挥电网稳定、可靠、长期运营不可缺少的重要方法和必要手段，同时也为我国的电力系统提供了稳定、可靠的解决方案。三、发电机动模实验台概述电力系统动模与自动化综合实验台是一个自动化的电力系统综合实验装置。该装置功能集成了发电机运营动态实验，发电机运营保护实验，线路保护实验，变压器保护，数字继电器保护曲线实验等。发电机动模实验装置主体是由电动机（作为该实验装置的原动机）、同步发电机、调速器、励磁器、PLC和触摸屏组成。无论从结构还是工作效果来看，它都可以说就是一个小型的发电厂。该装置可以反映现代电能的生产、传输和使用的全过程，体现现代电力系统自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护的自动化。这个适应新实验课程体系的公共实验平台，有助于提高学生创新思维与实践能力，更好地培养出高素质的复合型人才。现将本实验装置各重要元件介绍如下：(a) 发电机组：发电机组是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kVA，UN=400V， Nn=1500r/min），模拟原动机用的是直流电动机（PN=2.2Kw，UN=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。具体参数见电机铭牌。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。(b) 无穷大系统：无穷大电源是由15kVA的自耦变压器组成。通过调整自耦变压器的电压可以改变无穷大母线的电压。同期装置：“准同期控制装置”它按恒定越前时间原理工作，重要特点如下：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；可改变频率差允许值，电压差允许值，观测不同整定值时的合闸效果；按定频调宽原理实验均频均压控制，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；观测不同整定值时的均频均压效果；可观测合闸脉冲相对于三角波的位置，测量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，供实验录波之用。本实验采用 DZZB-502微机自动准同期装置，是新一代微机型数字式全自动并网装置，它采用80C196单片机为核心，以高精度的时标计算频差、相位差，以毫秒级的精度实现合闸提前时间，可实现快速全智能调频、调压。(c) 主控制器及显示：本实验装置选用西门子S7-200型PLC做为主控制器，由于电力系统综合实验装置的控制规定并不复杂，且输入、输出控制信号只是一些低压的开关量和少量的模拟量，因此只需选择具有逻辑运算、定期器、计数器和D/A模块等基本功能的PLC即可。西门子的S7-200 CPU226就是一款适合作为该实验装置主控制器的PLC。触摸屏的规格规定不高，所选用的触摸屏必须与西门子PLC S7-226相匹配，即彼此可以实现通讯。因此选用威纶公司出品的MT-506T触摸屏可以满足规定。断路器发电机电网原动机调速器励磁器准同期图1-2 电力自动化综合实验装置基本结构(d) 调速回路：原动机调速采用直流电动机调压调速，主回路为可控晶闸管三相桥式电路，晶闸管采用晶闸管智能控制模块，控制信号为010V。(e) 励磁回路： 本装置可采用他励或自并励励磁方式，并可切换。本装置基本结构如图1-2所示。自励接线图为图1-3，他励接线图为图1-4。* 自励方式图1-3 自并励可控硅励磁* 他励方式 图1-4 有副励磁机的他励可控硅励磁 本实验装置原理框图如图1-5所示。图1-5 实验装置原理框图四、操作注意事项：1、实验前必须仔细阅读电力系统动模部分实验指导书，熟悉电力系统动模与自动化实验系统的各个部件和仪表的操作使用后方可进行实验。2、实验电流较大时，不得长期工作，特别是系统的信号源测试仪。3、接线完毕后，要由另一人检查线路。第二章 发电机组的开机停机过程与自动控制一、电路操作说明 发电机动模实验所涉及的电路图如下：图2-1 电力系统动模实验涉及的面板图图2-1中各元件相应：1#PT检测机端电压，2#PT检测系统电压，18CJ相应面板上18QF，系线路中各断路器，112L用于模拟高压输电线路电感，1113FU，交流保险管，用于线路过流保护，DK14系屏后右下方空气开关，只在做本实验时使用，T变压器为自藕变压器，用于调压调相。发电机及原动机接线如下：图2-2 接线图二、开机/停机过程随着自动化技术的发展，电力系统必然走向只能化的潮流。本实验系统可以形象的演示发电站机组发电到并网的全过程。下面以水电站为例子介绍一下机组开停机过程。1、 开机过程当开机条件具有时（断路器跳位，无电气故障等），若按下开机指令，启动调速器（假如调速器启动失败，则跳出开机过程）。当调速器升速至95%额定转速，若灭磁开关合闸，励磁装置合起励开关（起励过程一般小于5s，若大于20s,则起励失败，由励磁装置跳起励开关）。当机端电压大于40%额定电压时，跳起励开关。当机端电压为95%额定电压时，进行并网调节，直到并网条件满足，合并网断路器。并网后，调速器和励磁器进入负载运营状态。至此，开机过程结束。2、 正常停机过程发停机指令给调速器，调速器自动卸掉负载进入空载状态，之后断路器跳闸，机组解列。当转速降至80%额定值时，励磁逆变灭磁（若小于3转速则灭磁结束，否则自动跳灭磁开关，设故障标志以阻止下次开机）。当转速降至35%额定值时，机组制动装置启动制动，直至转速降为5%额定值，解除制动。到机组完全停机后，复归制动回路。至此，正常停机过程结束。3、 正常停机过程当机组转速大于115%额定值，调速器启动失败，励磁器故障以及电气事故时，启动事故停机。此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。之后，发出事故停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。4、 紧急停机过程当机组转速达成140%额定值或紧急停机按钮按下时，启动紧急停机过程。此时，断路器跳闸，跳灭磁开关。之后，发出紧急停机信号（信号保持，应手动解除），进入停机过程。实验系统对机组的开机过程、正常停机过程、正常停机过程和紧急停机过程都能实现。下面是该实验系统机组部分的开机环节：（a） 合上墙壁上电源总开关；（b） 合上面板上总电源开关DK13，检查面板上各绿灯均亮；（c） 合上系统电源开关DK14；（d） 调节调压器，观测面板上系统电压表指示，使系统电压线电压为340350V；（e） 依次合上8CJ，7CJ，5CJ，3CJ，视红灯亮；（f） 接面板上转换开关打至左位；（g） 用万用表检查面板上2#PT电压，PT变比为380/V100V，原边接相电压，正常值在57V左右；（h） 合上发电机回路总开关DK1（在前面左下方）；（i） 检测PLC电源正常，检测电动机励磁电压为直流220V；（j） 合上面板上触摸屏电源，视显示正常；（k） 触摸屏操作。停机环节如下：(a)正常停机，事故停机操作见触摸屏操作说明，面板上“紧急刹车”按钮用于紧急停机。(b)等机组停转后，按开机顺序倒过来操作，将实验台停电。第三章 发电机的自动准同期并列一、准同期控制的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。准同期并列规定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”，由运营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限度不同，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，在不满足规定期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。二、微机自动准同期控制器本实验采用 DZZB-502微机自动准同期装置，是新一代微机型数字式全自动并网装置，它采用80C196单片机为核心，以高精度的时标计算频差、相位差，以毫秒级的精度实现合闸提前时间，可实现快速全智能调频、调压。由于不仅考虑了并网时的频差，还考虑了其变化率 (通常说的加速度 )，同时还采用了合闸角的预测技术，因此可以保证在频差压差合格的第一个滑差周期将待并侧在无相差的情况下并入电网。不仅节约发电机并网前的空转能耗，更关键的是对于保证电力系统事故时快速投入备用机组，保证电力系统事故解列后快速再并网，保证系统安全稳定运营具有重大意义。是所有发电厂和需要对联络线路进行并列操作的变电站的抱负准同期设备。本装置具有极好的人机界面，参数设立简朴、方便、直观。装置性能稳定，毋需调试。所具有的微机通讯的接口，为实现机组的实时控制和全自动化奠定了基础。其重要功能有： 1）对待并发电机自动智能调频、调压，自动精确合闸。2）采用RS485 串行通信接口与上位计算机系统通信。所有参数及功能均可通过本机或上位机设立，并可在线修改，断电保存。3）能自动精确测量并记忆开关合闸的实际动作时间。4）本装置可以对PT误差进行在线修正。 5）可自动判别无压状态，方便地实现无压合闸。6）面板上的四块数字表可同时显示以下参数：系统PT电压、待并PT电压、系统频率、待并频率。通过按键选择，还可显示提前时间、允许频差、允许压差、波特率等。面板上的十三个指示灯可以非常直观地反映装置当前的状态。7）用38个发光二极管组成的圆环模拟整步表，当待并频率高于系统频率时，灯光沿顺时针方向转动；当待并频率低于系统频率时，灯光沿逆时针方向转动。灯光转动到最上访0位置表达相位差趋向于零，灯熄灭时表达完全同步，转动到最下方180处表达相位完全反向。8当待并侧和系统频率几乎相等时，装置发出合适的调速脉冲，破坏这种现象，以加速并网。9）装置在出现以下情况时，发出故障信号：(a)在电网PT或发电机PT一侧无压时；(b)在系统或待并侧电压高于120V或低于80V时；(c)在系统或待并侧频率高于53Hz或低于47Hz时；(d)在断路器辅助接点已经连通的情况下将装置投入运营时。三、准同期并列实验1、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的使用方法；3）熟悉同步发电机准同期并列过程；4）观测、分析有关波形。2、实验项目和方法1）基本信号与波形观测(a) 按照3.1节中的开机环节开机，在实验台上连接无穷大系统到同期装置，操作触摸屏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。观测同期装置旋转灯光旋转方向及旋转速度与频差方向及频差大小的相应关系；观测并记录不同频差方向，不同频差大小时整步表的灯光旋转方向及旋转速度，直到频率合格灯亮即表达频率达成规定：(b) 操作触摸屏上的调压按钮调节发电机端电压，观测并记录不同电压差方向、不同电压差大小时的同期装置上系统电压与待并电压的大小变化；(c) 调节转速和电压，观测并记录微机准同期控制器的频差合格、压差合格、合闸完毕灯亮熄规律；(d) 将示波器跨接在“发电机电压”测孔与“系统电压”测孔间，见图2-1，观测正弦整步电压（即脉动电压）波形，观测并记录整步表旋转速度与正弦整步电压的周期的关系；观测并记录电压幅值差大小与正弦整步电压最小幅值间的关系：观测并记录正弦整步电压幅值达成最小值得时刻所相应的整步表灯光位置；图3-1 触摸屏主页图3-2 操作界面2）手动准同期实验(a) 按同期并列条件合闸在触摸屏上将“同期方式”设立为 “手动方式”。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。观测微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压，相应操作触摸屏上的调压按钮进行调压，直至“压差合格”灯亮。观测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“频差合格”灯亮。此时表达压差、频差均满足条件，观测整步表上旋转灯位置，当旋转至 0度位置前某一合适时刻时，即可合闸。观测并记录合闸时的冲击电流。(b) 偏高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；（1） 电压差相角差条件满足，频率差不满足，在fFfX和fFVX时手动合闸，观测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，分别填入表3-1；注意：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,VFVX和 VFVX时手动合闸，观测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，分别填入表3-1;注意：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，观测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，分别填入表3-1注意：相角差不要大于30度。说明：本实验所有表格见附录一3) 自动准同期实验将触摸屏上同期方式设立为自动方式；打开准同期控制器，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，观测系统和发电机的频率与电压的变化，以及整步表上旋转灯的转动，注意“压差合格”、“频差合格”和“合闸合格”灯亮时的条件。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。4) 准同期条件的整定表3-2微机自动准同期控制器的参数整定表。按动“参数”键即进入参数设立状态。在参数设立过程中，装置将闭锁同期输出。进入每一项功能设立，面板上相应的指示灯都会闪烁予以提醒。任何一种参数的改动，均需按“确认”按键予以确认，方能生效，按“确认”后会在系统PT电压窗口显示“口口”予以指示。设立好一种参数确认后，再按“参数”键即可进入下一个参数的设立，可以循环进行。要退出参数设立状态，再按一次“确认”键即可。频差设立值f=0.2HZ。压差设立值U=3V，导前时间t=0.1S，通过改变实际开关动作时间，即整定“同期开关时间”的时间继电器。反复进行自动同期实验，观测在不同开关时间tyq下并列过程有何差异，并记录三相冲击电流中最大的一相的电流值Im，填入表3-3。 据此，估算出开关操作回路固有时间的大体范围，根据上一次开关的实测合闸时间，整定同期装置的导前时间。在此状态下，观测并列过程时的冲击电流的大小。改变频差允许值f，反复进行全自动同期实验，观测在不同频差允许值下并列过程有何差异，并记录三相冲击电流中最大的一相的电流值Im，填入表3-4。改变压差允许值V，反复进行全自动同期实验，观测在不同压差允许值下并列过程有何差异，并记录三相冲击电流中最大的一相的电流值Im，填入表3-5。当同步发电机与系统解列之后，按触摸屏的“停机”按钮，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。碰到紧急情况，可以立即按下实验台上的紧急刹车按钮。切断操作电源开关。5) 实验报告规定 (a) 比较手动准同期和自动准同期的调整并列过程；(b) 分析合闸冲击电流的大小与哪些因素有关；(c) 分析正弦整步电压波形的变化规律； (d) 滑差频率fs，开关时间tyq的整定原则。6) 思考题(a) 相序不对(如系统侧相序为A、B、C、为发电机侧相序为A、C、B，能否并列？为什么？(b) 电压互感器的极性假如有一侧(系统侧或发电机侧)接反，会有何结果？(c) 准同期并列与自同期并列，在本质上有何差别？假如在这套机组上实验自同期并列，应如何操作？(d) 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？(e) 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？应采用什么措施解决？(f) 在fF fX 或者fF VX 或者VFfXfFVXVFfXfFVXVF=47Hz）,将“灭磁”按钮松开，然后手动增磁，直到发电机起励建压。2、灭磁实验灭磁是励磁系统保护不可或缺的部分。由于发电机转子是一个大电感，当正常或故障停机时，转子中贮存的能量必须泄放，该能量泄放的过程就是灭磁过程。灭磁只能在空载下进行（发电机并网状态灭磁将会导致失去同步，导致转子异步运营，感应过电压，危及转子绝缘）。三相全控桥当触发控制角大于90时，将工作在逆变状态下。本实验的逆变灭磁就是运用全控桥的这个特点来完毕的。1）逆变灭磁环节：（a）选择“微机自励”励磁方式或者“微机它励”方式，励磁控制方式采用“恒UF”；（b）启动机组，投入励磁并起励建压，增磁，使同步发电机进入空载额定运营；（c）按下“灭磁”按钮，灭磁指示灯亮，发电机执行逆变灭磁命令，注意观测励磁电流表和励磁电压表的变化以及励磁电压波形的变化。2）跳灭磁开关灭磁实验环节：（a）选择微机自并励励磁方式或者“微机它励”方式，励磁控制方式采用恒UF；（b）启动机组，投入励磁并起励建压，同步发电机进入空载稳定运营；（c）直接按下“励磁开关”绿色按钮跳开励磁开关，注意观测励磁电流表和励磁电压表的变化。以上实验也可在它励励磁方式下进行。3、实验报告规定（a）分析比较各种励磁方式和各种控制方式对电力系统安全运营的影响；（b）比较各项的实验数据，分析其产生的因素。（c）分析励磁调节器、空载实验的各项测试结果。（d）分析励磁调节器、负载实验的各项测试结果。4、思考题（a）三相可控桥对触发脉冲有什么规定？（b）为什么在恒 方式下，必须手动“增磁”才干起励建压？（c）比较恒UF 方式起励、恒IL 方式起励和恒 方式起励有何不同？（d）逆变灭磁与跳励磁开关灭磁重要有什么区别？（e）为什么在并网时不需要伏赫限制？（f）比较在它励方式下强励与在自并励下强励有什么区别？（j）比较在它励方式下逆变灭磁与在自并励下逆变灭磁有什么差别？第5章 电动机调速一、机组调速系统概述并列运营的每一台发电机组的转速与系统频率的关系为：f=P*n/60式中P发电机组转子极对数 n发电机组的转数（r/min）f电力系统频率（Hz） 显然，电力系统的频率控制事实上就是调节发电机组的转速。而发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。发电机组的调速原理：由上可知，发电机组的转速调整由原动机的调速系统实现，故发电机组的调速系统可以设计为典型的双闭环调速系统。其原理框图如下所示：图5-1 双闭环PID调速系统框图 本实验装置采用PLC作为主控制器，将PID控制器离散化由PLC来实现，具体方案如