武汉华大实验室建设方案.doc

实验室建设方案前言工业上的自动化，是指用以替代人工而自动工作的技术措施。我们所研究的电力系统，它是由电力系统的基础元件，即同步发电机，升、降压变压器、高、低压输电线路、开关以及形形式式的用电负荷等，按一定规律连接而成的既复杂又庞大的系统。因此，所谓电力系统自动化，就是指在电力系统中实行的替代人工自动工作的各种技术措施。它重要涉及两个方面的内容：（1）电力系统自动装置；（2）电力系统调度自动化。前者重要研究电力系统元件级的自动化，重要内容有：同步发电机励磁自动控制、同步发电机自动准同期控制等；后者重要研究电力系统整体自动化，重要内容如：电力系统频率和有功功率控制、电力系统电压和无功功率控制、电力系统稳定控制、电力系统调度自动化等。电力系统自动化的任务是：（1）提高供电可靠性；（2）保证电能质量；（3）提高经济性；（4）减轻劳动强度；（5）保障电力系统安全；电力系统自动化的特点是：（1）实时性规定高。电力系统中，正常运营时负荷变化频繁，故障时电磁暂态过程快，所以规定电力系统的功率平衡控制、稳定控制以及故障解决等必须具有很高的实时性。（2）可靠性规定高。现代电力系统容量大，供电范围广，其供电的可靠性和供电电能质量指标，对国计民生的影响极大，而要保证电能质量和不间断供电，均需建筑在电力系统自动化高可靠性的基础上。（3）控制复杂、难度大。电力系统结构复杂而庞大，且具有时变性、非线性、多输入多输出多约束、测控信息传输距离长，信息传输量大等特点，无论是理论研究和技术实行，均具有相称难度。电力系统单一功能的自动装置，属于基础自动化装置，重要涉及：故障自动切除装置（即各种继电保护装置）、自动准同期装置、自动低频减载装置、同步发电机励磁调节器和原动机（即汽轮机和水轮机）调速器，以及远动装置等。现代电力系统调度自动化建筑在远动技术的基础上，一方面通过遥信和遥测将电力系统各点的设备投切状态和运营参数上传到调度中心，经分析决策后，再通过遥调和遥控将调度决策下达给相关发电厂和变电站，直接对厂站设备进行调节和控制。“四遥”技术提高了电力系统调度的实时性。按自动装置控制的范围划分，电力系统自动化分为设备（元件）级自动化、厂站级自动化和系统级自动化。设备级自动化重要涉及：同步发电机励磁调节器、调速器、准同期装置、各种电力系统元件的继电保护装置；厂站级自动化重要涉及：自动电压控制（AVC）、自动发电控制（AGC）、厂站计算机监控系统；系统级自动化重要涉及：电力系统频率和有功功率自动控制、电力系统电压和无功功率自动控制、自动低频减载装置、电力系统安全自动控制等。从教学的角度，将电力系统自动装置分为自动操作装置和自动调节装置两大类。自动操作装置控制的是只具有两种状态的对象，例如具有分合两种状态的断路器，属于此类的自动装置有：准同期控制器，低频减载装置，重合闸装置和各种继电保护装置等；自动调节装置控制的对象具有连续变化的特性，例如同步发电机励磁电流在零值强励电流之间连续可调，属于此类的自动装置如：同步发电机自动励磁调节器，汽轮机或水轮机调速器等。本实验室建设以实用性为原则，采用现代化的控制方式，按照实际系统的控制设备特性，使实训系统更加贴近原型系统，力争将实验室建设成为实用性强，使用、维护方便的电力系统综合实训系统的研究平台。一图1 为单台“WDTIIIC电力系统综合自动化实验台”的一次系统图：重要用途为电气工程专业课程实验，课程设计实验，毕业设计，生产实习及某些研究课题实验，它是一个完整的电力系统典型模型。是与电气工程专业的电力工程、电力系统自动化、电力系统分析、微机保护、电力系统自动装置原理等课程相配套的原理指导及教学实验台。它由发电机组、双回路输电线路及模型、无穷大电源等一次设备组成，通过中间开关站和单回、双回线路的组合，可构成发电机与无穷大系统之间有四种不同联络阻抗，供系统实验分析比较时使用。每台原动机都配有微机自动调速装置和手动调速装置，并且有微机过速保护功能，每台发电机配有微机自动准同期装置和手动同期装置，输电线路还配微机过流保护和重合闸装置。每套自动装置都有三种控制方式供选择，并且微机励磁与微机调速的运营方式和运营参数可在线修改。综合实验台具有各种微机自动装置和手动控制装置，便于学生进行比较实验。二图2为“PS5G型电力系统微机监控实验台”的一次系统图和监控系统图：它是一个高度自动化的、开放式多机电力网综合实验系统，它是建立在WDT-型电力系统综合实验平台的基础之上，将多个实验平台联接成一个大的电力系统，并配置微机监控系统实现电力系统“四遥”功能。它可以反映现代电能的生产、传输、分派和使用的全过程，充足体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化。这个适应新实验课程体系的开放式公共实验平台，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。图2PS5G微机监控实验台由35台电力系统综合自动化实验台及6条输电线路和3组负荷组成，构成一个灵活多变的环型电网，便于理论计算和实验分析。每条输电线路和负荷都配有微机型的标准电力监测仪，可以显示各支路的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数共计30多个电量，并且都通过RS485通讯口与微机相联（图3所示），实时显示电力系统的运营状况，以及各开关的动作情况。人机接口打印报表等局 域 网 监 控 管 理 上 位 机A电站LCUB电站LCUE电站LCUA开关站电量监测B开关站电量监测G开关站电量监测P L C报 警各电站开关状态各电站开关控制各电站负荷调节各开关站开关状态各开关站开关控制RS-485通讯网络图3一台“PS5G型电力系统微机监控实验台”和四台“WDTIIIC电力系统综合自动化实验台”，可以组成一套“41”实验系统。可完毕以下八大项共四十多小项实验。“4+1”系统的通信网络采用拓扑结构，可支持254台客户机（或称从站）访问管理服务器（或称主站），实现了多用户共享（或指定）监控权的功能。此功能极大地方便了实验教学，提高了实验效率，方便实验室管理；同时也提高了实验室建设的水平和档次。三图4是“电网实习培训系统”的一次系统图，实验教学是高等理工科学校的重要实验性环节之一，它在培养学生的实际操作能力、分析问题和解决问题的能力方面，起着极重要的作用；专业综合实验课程还肩负着综合运用所学基础知识和专业知识，培养学生创新能力的作用。一个可以反映现代电厂、电力系统的高度自动化、信息化、数字化的特点，可以实现电厂系统检测、控制、监视的实训式模拟电厂系统，对提高电气类学生对现代电厂（电力系统）的结识，提高学生的动手能力、分析和解决问题的能力有着十分重要的作用。它由发电机、升压变压器、线路、负荷变压器、无穷大系统、负荷等电力设备组成。其中发电机配有微机励磁装置、微机调速装置、微机准同期装置、发变组微机保护装置等按实际电厂设计的控制设备。系统由4条线路组成一个典型环型网络，其中在线路XLA、XLB还设有多个短路点，可以完毕输电线路的电流、电压、方向等微机保护实验；整定阻抗保护动作值实验；运营方式变化对阻抗保护影响的实验；三段式保护动作配合实验；过流保护与三相自动重合闸装置综合实验；低电压启动过电流保护与自动重合闸实验；复合电压启动过电流保护与自动重合闸实验；电压闭锁电流速断保护与自动重合闸实验；三段式电流保护与自动重合闸装综合实验；微机保护的配合实验；重合闸实验。输电线路的母线侧留有备用标准TA、TV的二次侧接口，必要时可接入自动装置进行实验。还在三绕组负荷变压器中加入了多条配电线路，每条配电线路提供有三相电压、电流接口，可以接入自动装置或继电保护，可以开出多组实验，如微机变压器保护、备用电源自动投入、残压快切等自动装置实验。在该系统中还预留有多机接口，可以方便的接入如太阳能、风能等新能源。为老师开展研究提供实验平台。风力发电模拟系统风力机特性模拟屏 风力发电机励磁系统屏模拟风力机双馈异步发电机机组一、风力机特性模拟屏在不同风速下的功率速度特性的模拟是由风力机模拟控制屏实现的，风力机特性模拟屏具有以下功能：1、风力机功率特性曲线；2、四种风速的模式及其组合：恒定风速、斜坡风、阵风、随机风及其组合；二、风力发电机励磁系统屏双馈风力发电机组采用直流电动机作为原动机，绕线式异步电机作为双馈发电机。在绕线式异步电机的转子侧接入背靠背双SPWM变换器，可以独立控制定子侧的有功功率和无功功率。在该实验平台上可实现：1、自动判断进入起动状态或从电网退出。2、双馈发电机的空载并网；3、风电发电机组的并网运营：超同步和亚同步运营状态的实现，以及两种状态的平滑过渡；4、最大风能追踪（MPPT）的实现；5、风电系统的独立运营。风电实验项目一、 起励实验1、 跟踪系统电压起励（恒电压、非实验状态下，系统电压在85%115%之间跟踪，否则取100%）【（1）调整系统电压在额定电压，起励，记录发电机机端电压稳定值，计算发电机机端电压与系统电压的相对误差，得到跟踪精度的指标数据；（2）在85%115%之内改变系统电压，反复起励、记录与精度计算；（3）调整系统电压在85%115%之外，反复起励和记录，验证是否起励到额定值，而不跟踪系统电压；】2、 恒励磁电流起励（恒电流零起手动升压，按励磁电流闭环控制）3、 升速自动起励（转速大于40Hz，自动起励），二、 灭磁实验1、 手动灭磁（人工操作灭磁按钮或远方灭磁接点进行灭磁）2、 低转速自动灭磁（转速低于34Hz自动灭磁）【发电机空载额定稳定运营条件下，调节转速下降。三、 给定电压调节范围与调节速度1、 恒Ut运营方式下的电压调节范围和调节速度；（0115%）【记录恒Ut控制方式下的发电机空载运营时的机端电压和励磁电流的调节范围，调节速度】2、 恒IL运营方式下的电压调节范围和调节速度；（0110%）【记录恒IL控制方式下的发电机空载运营时的机端电压和励磁电流的调节范围，调节速度】四、 空载阶跃实验1、 机端电压给定阶跃5%额定电压；（上位机操作）；2、 机端电压给定阶跃10%额定电压；（上位机操作）。五、 运营方式切换实验与稳定运营1、 恒Ut恒IL； 2、 恒IL恒Ut； 六、 变速恒频实验1、 亚同步速；【调节转速低于同步速运营，例如1400转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频率，验证三者关系】2、 同步速；【调节转速等于同步速运营，例如1500转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频率，验证三者关系】3、 超同步速；【调节转速高于同步速运营，例如1600转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频率，验证三者关系】七、 转速、励磁电流与机端电压的关系实验给定转速和励磁电流频率（自动跟踪转速变化维持定子电压频率为额定值），改变励磁电流大小，记录励磁电流与机端电压之间的关系数据；改变转速从40Hz55Hz，每隔3Hz反复实验，记录励磁电流与机端电压的关系数据；八、 并网条件跟踪实验1、 电压幅值跟踪；【即跟踪系统电压起励】2、 频率跟踪；【改变转速后，励磁电流频率会自动跟踪转速变化，维持机端电压频率与系统电压频率在允许范围内】3、 电压相角跟踪；【自动跟踪系统电压相角，维持相角差在一定范围内】以上是空载实验。以下是并网实验。九、 并网运营与负荷调节实验1、 合闸冲击；2、 无功负荷调节；（增减励磁）【观测调节的平滑性和运营的稳定性】3、 有功负荷调节；（调节风力机风速）【观测调节的平滑性和运营的稳定性】十、 并网状态下的运营方式切换实验1、 恒Ut恒IL；【重要观测方式切换的平稳性】2、 恒IL恒Ut；【重要观测方式切换的平稳性】十一、 并网状态下的阶跃实验1、 机端电压给定阶跃3%额定电压；（即并网运营时的电压阶跃，上位机操作）2，机端电压给定阶跃5%额定电压；3,风力机风速突增；（风力机上位机操作实现风力阶跃）4,风力机风速突减； 十二、 电力系统短路实验1、 单相接地短路；2、 两相短路和两相接地短路；3、 三相短路；观测暂态过程，检测暂态稳定性；十三、 失步再同步功能实验大幅度增长风速（功率）时或短路故障时，机组失步后再自动同步的功能检查。【检查失步再同步的成功率，再同步的动态过程，记录失步前后的稳态运营数据：有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、转速、风速等；录波失步前后相应物理量的变化波形；】十四、 甩负荷实验1、 甩50%额定负荷；【记录机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流波形，记录最高转速数值】2、 甩100%额定负荷；【记录机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流波形，记录最高转速数值】电网实习培训系统实验项目（一） 同步发电机及自动装置实验1. 直流电动机的调速实验；2. 微机励磁调节实验；3. 同步发电机的起励实验；4. 励磁系统控制方式及其互相切换实验；5. 逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁实验；6. 同步发电机的强励实验；7. 欠励限制实验；8. 过励限制实验；9. 微机准同期基本操作实验；10. 手动准同期并网实验；11. 半自动准同期并网实验；12. 自动准同期并网实验；13. 发电机的空载特性实验；14. 发电机的负载特性实验；15. 发电机的外特性实验；16. 发电机的调整特性实验。17. 无调节励磁时，功率特性和功率极限的测定；18. 手动调节励磁时，功率特性和功率极限测定；19. 微机自并励时，功率特性和功率极限的测定；20. 微机它励时，功率特性和功率极限的测定；21. 单回路、双回路输送功率与功角关系实验；22.（二）发电机微机保护实验1. 比率制动式差动保护；2. TA断线；3. 定子一点接地保护；4. 失磁静稳阻抗保护；5. 复合电压记忆过流保护；6. 定子过负荷保护；(三) 变压器微机保护实验1. 比率差动保护；2. 差流速断保护；3. 高压侧TA断线；4. 差流越限告警；5. 高压侧过流I段保护；6. 高压侧过流II段保护；7. 高压侧负序过流保护；8. 高压侧过负荷保护；9. 低压侧过流I段保护；10. 低压侧过流II段保护；11. 低压侧过流III段保护；12. 低压侧负序过流保护；13. 低压侧过负荷保护； (四) 输电线路微机保护实验1. 相间距离I段保护；2. 相间距离II段保护；3. 相间距离III段保护；4. 距离加速保护；5. 电流I段保护；6. 电流II段保护；7. 电流III段保护；8. 过流加速保护；9. 三相一次重合闸；10. 过负荷保护；11. 低电压保护；12. TV断线检测；13. 电流相序检测。(五) 负荷变压器微机保护实验a. 学习变压器保护中CT的接线方式；b. 模拟变压器正常运营方式实验；c. 模拟变压器中、低压侧短路实验；d. 微机保护的动作参数整定实验；e. 空投变压器时涌流对变压器保护影响实验；f. 变压器内部短路、外部短路时的变压器微机差动保护实验；g. 变压器内部短路、外部短路时的变压器微机后备保护实验；后备保护涉及：过流、低电压起动过电流、复合电压过流；h. 变压器主保护，后备保护的配合动作实验；i. 模拟变压器瓦斯保护动作实验；j. 发生接地故障时，接地故障保护（零序段、段零序过压过流实验）；k. 改变制动特性拐点，对差动保护动作影响实验；（六）工厂变微机馈电保护1变压器保护实验1) 模拟变压器短路实验；2) 模拟变压器内部故障差动保护实验；3) 模拟变压器外部故障实验；4) 改变制动特性拐点，对差动保护动作影响实验。 5） 变压器主保护与后备保护配合实验2交流电动机及发电机组综合实验；1) 电动机相间短路保护保护实验；2) 电流速段保护灵敏度检查实验；3) 电动机的过负荷保护实验；4) 电动机的低电压保护实验；5) 降压启动控制实验3微机接地选线装置1) 不同相别单相接地短路实验。2) 馈电线路单相接地发生后，装置能准确的选出接地线路并发出报警信号或跳闸。4母线保护装置1) II 段母线故障保护动作实验；2) I 段母线故障保护动作实验； (七) 微机厂用电源快切保护实验1. 正向快动切实验；2. 反向快动切实验；3. 残压切实验。(八) 电力系统分析实验1. 单回路稳态对称运营实验；2. 电力系统故障计算分析实验；3. 切机、切负荷稳定实验；4. 无调节励磁时功率特性及功率极限的测定；5. 手动调节励磁时功率特性和功率极限的测定；6. 短路类型对电力系统暂态稳定性的影响实验；7. 故障切除时间对暂态稳定的影响实验；8. 有无强励磁对暂态稳定性影响实验；9. 线路重合闸及其对系统暂态稳定性影响的实验；10. 同步发电机异步运营和再同步实验；11. 甩负荷实验；12. 单机带负荷实验；13. 单机带负荷与单机无穷大系统时频率特性实验14. 低周减载实验。(九) 多机系统环网实验1电力系统运营方式实验；2切机、切负荷等稳定实验；3. 电力系统负荷调整实验；4. 电力系统潮流分析实验；5. 电力系统故障计算分析实验；6. 电力系统实时监控；7. 电力系统有功功率平衡和频率调整实验；8. 电力系统无功功率平衡和电压调整实验；9. 电力网的电压和功率分布实验；10. 遥控、遥测、遥信、遥调四遥实验。(十) 电力监控自动化系统实验1. 电力系统实时监控实验；2. 报表及报警浏览；3. 遥测、遥信、遥控功能实验四、图5 是由“41”系统和“电网实习培训系统”组成的一个复杂的“52”电力系统。该系统由两套实验系统在无穷大系统处相联而成，即可以独立运营又可以互相联系。电力系统动态模拟综合实训系统设备清单序号型号及名称数量重要元器件（每台）3SXFT 发机调速屏1台TGS03B微机调速装置，10KVA整流变压器，80A整流模块，30A平波电抗，阻容吸取装置，直流电压表，直流电流表，交流接触器，继电器，电玲，保险，按钮等。4SXFL 发电机励磁屏1台WL04B微机励磁装置，1KVA励磁变压器，25A整流模块，阻容吸取装置，直流电压表，交流电压表，直流电流表，交流接触器，继电器，保险，10A整流桥，按钮，万能转换开关等。5SXTQ 准同期控制屏1台HGWT03B微机准同期装置，万能转换开关，交流电压表，交流接触器，继电器，保险，同期检测表，电压互感器，电流互感器，按钮，指示灯等。6SXFB 发电机故障模拟屏1台YHBIII微机保护装置，电抗器，交流电流表，电流互感器，7SXZB 主变压器故障模拟屏1台YHBIII微机保护装置，10KVA三相变压器，电抗器，交流电流表，电流互感器，8SXKZ 就地控制屏1台西门子PLC，触摸屏，中间继电器，按钮，指示灯，有功功率表，无功功率表等。9SXLB 线路故障模拟屏I1台YHBIII微机保护装置（两套），线路电抗，交流电压表，交流电流表，电压互感器，电流互感器，交流接触器，中间继电器，按钮，保险，指示灯等。10SXLB 线路故障模拟屏II1台11SXBB 负荷变压器保护屏I1台YHBIII微机保护装置（两套），10KVA三绕组变压器，电抗器，电流互感器，交流电压表，交流电流表，电压互感器，电流互感器，交流接触器，中间继电器，按钮，保险，指示灯，万能转换开关等。12SXBB 负荷变压器保护屏II1台13SXBZ 工厂变电站微机装置I1台微机备自投装置，控制仪表等14SXKQ 工厂变电站微机装置II1台微机快切装置，电动机等15SXFH 负荷模拟屏1台电容器，电阻器，电抗器，孔开，接触器等165KW机组1台三相同步发电机，直流电动机，平台，测速装置，功角盘等17操作控制台1台IPC810工业级控制计算机，打印机，显示器等，18无穷大系统1台20KVA 三相调压器19培训提供培训计划、大纲，针对本实验系统完毕教师培训一套电网实习培训系统（设备图片如下）5+1系统序号型号及名称数量重要元器件（每台）1WDTIIIC 电力系统综合自动化实验台4台机组一套，TGS03B微机调速装置，WL04B微机励磁装置，HGWT03B微机准同期装置，YHBA微机保护装置，4KVA整流变压器，50A整流模块，15A平波电抗，5A线路电抭，电压互感器，电流互感器，阻容吸取装置，直流电压表，直流电流表，有功功率表，无功功率表，频率表，交流电流表，交流电压表，交流接触器，继电器，保险，按钮等。数字存储示波器TDS1002B-SC2PS5G 电力系统微机监控实验台1台IPC810工业控制计算机；PLC控制器（S7-200西门子）；17英寸液晶显示屏；三星1610PC激光打印机；20kVA三相自耦调压器；模拟负荷电阻；模拟输电线路和负荷电抗器；智能电量监测仪；交流接触、继电器；一套（41）电力系统综合自动化实验系统（设备图片如下）