电力系统及自动化综合实验指导书1

第三章 一机—无穷大系统稳态运行方式实验

一、实验目的

1．了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的各种运行状态与运行参数的数值变化范围；

2．了解和掌握输电系统稳态不对称运行的条件；不对称度运行参数的影响；不对称运行对发电机的影响等。

二、原理与说明

电力系统稳态对称和不对称运行分析，除了包含许多理论概念之外，还有一些重要的“数值概念”。为一条不同电压等级的输电线路，在典型运行方式下，用相对值表示的电压损耗，电压降落等的数值范围，是用于判断运行报表或监视控制系统测量值是否正确的参数依据。因此，除了通过结合实际的问题，让学生掌握此类“数值概念”外，实验也是一条很好的、更为直观、易于形成深刻记忆的手段之一。实验用一次系统接线图如图2所示。

图2 一次系统接线图

本实验系统是一种物理模型。原动机采用直流电动机来模拟，当然，它们的特性与大型原动机是不相似的。原动机输出功率的大小，可通过给定直流电动机的电枢电压来调节。实验系统用标准小型三相同步发电机来模拟电力系统的同步发电机，虽然其参数不能与大型发电机相似，但也可以看成是

一种具有特殊参数的电力系统的发电机。发电机的励磁系统可以用外加直流电源通过手动来调节，也可以切换到台上的微机励磁调节器来实现自动调节。实验台的输电线路是用多个接成链型的电抗线圈来模拟，其电抗值满足相似条件。“无穷大”母线就直接用实验室的交流电源，因为它是由实际电力系统供电的，因此，它基本上符合“无穷大”母线的条件。

为了进行测量，实验台设置了测量系统，以测量各种电量（电流、电压、功率、频率）。为了测量发电机转子与系统的相对位置角（功率角），在发电机轴上装设了闪光测角装置。此外，台上还设置了模拟短路故障等控制设备。

三、实验项目和方法

1．单回路稳态对称运行实验

在本章实验中，原动机采用手动模拟方式开机，励磁采用手动励磁方式，然后启机、建压、并网后调整发电机电压和原动机功率，使输电系统处于不同的运行状态（输送功率的大小，线路首、末端电压的差别等），观察记录线路首、末端的测量表计值及线路开关站的电压值，计算、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点及数值范围，为电压损耗、电压降落、沿线电压变化、两端无功功率的方向（根据沿线电压大小比较判断）等。 2．双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

按实验1的方法进行实验2的操作，只是将原来的单回线路改成双回路运行。将实验1的结果与实验2进行比较和分析。

表3-1

注：U Z —中间开关站电压；

∆U —输电线路的电压损耗；

—△U 输电线路的电压降落

3．单回路稳态非全相运行实验

确定实现非全相运行的接线方式，断开一相时，与单回路稳态对称运行时相同的输送功率下比较其运行状态的变化。

具体操作方法如下：

（1）首先按双回路对称运行的接线方式（不含QF5）；

（2）输送功率按实验1中单回路稳态对称运行的输送功率值一样； （3）微机保护定值整定：动作时间0秒，重合闸时间100秒； （4）在故障单元，选择单相故障相，整定故障时间为0"

（6）故障100"以后，重合闸成功，系统恢复到实验1状态。 表3-2

四、实验报告要求

1．整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响，并对实验结果进行理论分析。

2．根据不同运行状态的线路首、末端和中间开关站的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。

3．比较非全相运行实验的前、后实验数据，分析输电线路输送功率的变化。

五、思考题

1．影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？ 2．提高电力系统静态稳定有哪些措施？ 3．何为电压损耗、电压降落？

4．“两表法”测量三相功率的原理是什么？它有什么前提条件？

第五章 电力系统暂态稳定实验

一、实验目的

1．通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践结合，提高学生的感性认识。

2．学生通过实际操作，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措施

3．用数字式记忆示波器测出短路时短路电流的非周期分量波形图，并进行分析。

二、原理与说明

电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后，各发电机能否继续保持同步运行的问题。在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。

正常运行时发电机功率特性为：P1＝（Eo ×Uo ）×sin δ1/X1； 短路运行时发电机功率特性为：P2＝（Eo ×Uo ）×sin δ2/X2； 故障切除发电机功率特性为： P3＝（Eo ×Uo ）×sin δ3/X3； 对这三个公式进行比较，我们可以知道决定功率特性发生变化与阻抗和功角特性有关。而系统保持稳定条件是切除故障角δc 小于δmax ，δmax 可由等面积原则计算出来。本实验就是基于此原理，由于不同短路状态下，系统阻抗X2不同，同时切除故障线路不同也使X3不同，δmax 也不同，使对故障切除的时间要求也不同。

同时，在故障发生时及故障切除通过强励磁增加发电机的电势，使发电机功率特性中Eo 增加，使δmax 增加，相应故障切除的时间也可延长；由于电力系统发生瞬间单相接地故障较多，发生瞬间单相故障时采用自动重合闸，使系统进入正常工作状态。这二种方法都有利于提高系统的稳定性。

三、实验项目与方法

（一）短路对电力系统暂态稳定的影响

1．短路类型对暂态稳定的影响

本实验台通过对操作台上的短路选择按钮的组合可进行单相接地短路，两相相间短路，两相接地短路和三相短路试验。

固定短路地点，短路切除时间和系统运行条件，在发电机经双回线与“无穷大”电网联网运行时，某一回线发生某种类型短路，经一定时间切除故障成单回线运行。短路的切除时间在微机保护装置中设定，同时要设定重合闸是否投切。

在手动励磁方式下通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，测定不同短路运行时能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，并进行比较，分析不同故障类型对暂态稳定的影响。将实验结果与理论分析结果进行分析比较。P max 为系统可以稳定输出的极限，注意观察有功表的读数，当系统出于振荡临界状态时，记录有功表读数，最大电流读数可以从YHB －Ⅲ型微机保护装置读出，具体显示为：

GL-⨯⨯⨯ 三相过流值 GA-⨯⨯⨯ A 相过流值 GB-⨯⨯⨯ B 相过流值 GC-⨯⨯⨯ C 相过流值

微机保护装置的整定值代码如下：

01： 过流保护动作延迟时间

02： 重合闸动作延迟时间 03： 过电流整定值 04： 过流保护投切选择

05： 重合闸投切选择

另外，短路时间T D 由面板上“短路时间”继电器整定，具体整定参数为表5-1。

表5-1

微机保护装置的整定方法如下：按压“画面切换”按钮，当数码管显示『PA － 』时，按压触摸按钮“＋”或“－”输入密码，待密码输入后，按下按键“△”，如果输入密码正确，就会进入整定值修改画面。进入整定值修改画面后，通过“△”“▽”先选01整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当保护时间（s ）；通过“△”“▽”选03整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护值；通过“△”“▽”选04整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护投切ON ；通过“△”“▽”选05整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择重合闸投切为OFF 。（详细操作方法WDT －Ⅲ综合自动化试验台使用说明书。）

表5-2 短路切除时间t=0.5s 短路类型：单相接地短路

(0：表示对应线路开关断开状态 1：表示对应线路开关闭合状态)

表5-3 短路切除时间t=0.5s 短路类型：两相相间短路

表5-4 短路切除时间t=0.5s 短路类型：两相接地短路

表5-5 短路切除时间t=0.5s 短路类型：三相短路

2．故障切除时间对暂态稳定的影响

固定短路地点，短路类型和系统运行条件，通过调速器的增速按钮增加发电机向电网的出力，在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳定的影响。

一次接线方式： QF1＝1 QF2＝1 QF3＝1

QF4＝1 QF5= 0 QF6＝1

表5-6 短路类型： 例：QF1＝0 QF2＝1 QF3＝1 QF4＝1 QF5=1 QF6＝1 QF1＝1 QF2＝1 QF3＝0 QF4＝1 QF5=1 QF6＝1 （二）研究提高暂态稳定的措施 1．强行励磁

在微机励磁方式下短路故障发生后，微机将自动投入强励以提高发电机电势。观察它对提高暂态稳定的作用。

2．单相重合闸

在电力系统的故障中大多数是送电线路（特别是架空线路）的“瞬时性” 故障，除此之外也有“永久性故障”。

在电力系统中采用重合闸的技术经济效果，主要可归纳如下： ① 大提高供电可靠性；

② 高电力系统并列运行的稳定性；

③ 对继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起到纠正的作用。 对瞬时性故障，微机保护装置切除故障线路后，经过延时一定时间将自动重合原线路，从而恢复全相供电，提高了故障切除后的功率特性曲线。同样通过对操作台上的短路按钮组合，选择不同的故障相。

通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，观察它对提高暂态稳定的作用，观察它对提高暂态稳定的作用。

其故障的切除时间在微机保护装置中进行修改，同时要设定进行重合闸投切，并设定其重合闸时间。其操作步骤同上，不同的是在05整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”选择投合闸投切on ，并选02整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”设定重合闸动作延时时间。瞬时故障时间由操作台上的短路时间继电器设定，当瞬时故障时间小于保护动作时间时保护不会动作；当瞬时故障时间大于保护动作时间而小于重合闸时间，能保证重合闸成功，当瞬时故障时间大于重合闸时间，重合闸后则认为线路为永久性故障加速跳开整条线路。 表5-7

（三）异步运行和再同步的研究

1．在发电机稳定异步运行时，观察并分析功率，发电机的转差，振荡周期及各表的读数变化的特点。

2．在不切除发电机的情况下，研究调节原动机功率，调节发电机励磁对

振荡周期，发电机转差的影响，并牵入再同步。

注意事项：

1．在做单相重合闸实验时，进行单相故障操作的时间应该在接触器合闸10秒之后进行，否则，在故障发生时会跳三相，微机保护装置会显示，且不会进行重合闸操作。

2．实验结束后，通过励磁装置使无功至零，通过调速器使有功至零，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电源关断开关，并断开其他电源开关。

3．对失步处理的方法如下：通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大；如系统没处于短路状态，且线路有处于断开状态的，可并入该线路减小系统阻抗；通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率。

四、实验报告要求

1．整理不同短路类型下获得实验数据，通过对比，对不同短路类型进行定性分析，详细说明不同短路类型和短路点对系统的稳定性的影响。

2．通过试验中观察到的现象，说明二种提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

五、思考题

1．不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是什么？ 2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？

3．对失步处理的方法（注意事项3中提到）的理论根据是什么？ 1． 自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么？

第七章 复杂电力系统运行方式实验

一、实验目的

1．了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的网络结构和各种运行状态与运行参数值变化范围。

2．理论计算和实验分析，掌握电力系统潮流分布的概念。

3．加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践相结合，提高学生的感性认识。

二、原理与说明

现代电力系统电压等级越来越高，系统容量越来越大，网络结构也越来越复杂。仅用单机对无穷大系统模型来研究电力系统，不能全面反映电力系统物理特性，如网络结构的变化，潮流分布，多台发电机并列运行等等。

“LHPS —5G 型电力系统微机监控实验台”是将五台“LHWDT —Ⅲ型电力系统综合自动化实验台”的发电机组及其控制设备作为各个电源单元组成一个可变环型网络，如图4所示

图4 多机系统网络结构图

此电力系统主网按500KV 电压等级来模拟，MD 母线为220KV 电压等级，

每台发电机按600MW 机组来模拟，无穷大电源短路容量为6000MV A 。

A 站、B 站相联通过双回400KM 长距离线路将功率送入无穷大系统，也可将母联断开分别输送功率。在距离100KM 的中间站的母线MF 经联络变压器与220KV 母线MD 相联，D 站在轻负荷时向系统输送功率，而当重负荷时则从系统吸收功率（当两组大小不同的A ，B 负荷同时投入时）从而改变潮流方向。

C 站，一方面经70KM 短距离线路与B 站相联，另一方面与E 站并联经200KM 中距离线路与无穷大母线MG 相联，本站还有地方负荷。

此电力网是具有多个节点的环形电力网，通过投切线路，能灵活的改变接线方式，如切除XL C 线路，电力网则变成了一个辐射形网络，如切除XL F 线路，则C 站、E 站要经过长距离线路向系统输送功率，如XL C 、XL F 线路都断开，则电力网变成了T 型网络等等。

在不改变网络主结构前提下，通过分别改变发电机有功、无功来改变潮流的分布，可以通过投、切负荷改变电力网潮流的分布，也可以将双回路线改为单回路线输送来改变电力网潮流的分布，还可以调整无穷大母线电压来改变电力网潮流的分布。

在不同的网络结构前提下，针对XL B 线路的三相故障，可进行故障计算分析实验，此时当线路故障时其两端的线路开关QF C 、QF F 跳开（开关跳闸时间可整定）。

三、实验项目与方法

1．网络结构变化对系统潮流的影响

在相同的运行条件下，即各发电机的运行参数保持不变，改变网络结构，观察并记录系统中运行参数的变化，并将结果加以比较和分析。

实验方案同学们自己设计，并记录下各开关状态。

表7-1 网络结构变化前

表7-2

网络结构变化后

2．投、切负荷对系统潮流的影响

在相同的网络结构下各发电机向系统输送一定负荷，投入各地方负荷

LD A 、LD B 和LD C 。观察并记录系统中运行参数的变化并将结果加以分析和比较。

网络结构和各发电机输出功率大小由同学们自己设计，并记录下各开关状态。

表7-3 投地方负荷前

表7-4

投地方负荷后

注：LD A 负荷的性质可以通过台后三刀三掷开关切换。即纯电阻负荷，感性负荷，纯电感负荷。

3．短路对电力系统暂态稳定的影响

同学们自己设计网络结构，发电机运行参数以及切除故障线路的保护动作时间，分析比较实验结果。

注意：在此多机电力系统中，三相短路时故障电流很大，故线路保护动作时间整定在0.1～0.3秒以内。

四、实验报告要求

1．整理实验数据，分析比较网络结构的变化和地方负荷投，切对潮流分布的影响，并对实验结果进行理论分析

2．通过实验中观察到的现象，说明提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

五、思考题

1．影响电力系统静态稳定性的因素有哪些？ 2．如何提高电力系统的静态稳定性？ 3．提高电力系统的暂态稳定的措施有哪些？

附录一：LHWDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验装置简介

电力系统综合自动化实验台是一个自动化程度很高的多功能实验平台，它由发电机组、实验操作台、无穷大系统等设备组成。如附图1所示，发电机与无穷大之间采用双回路输电线路，并设有中间开关站，通过中间开关站和单回、双回线路的组合，使发电机与无穷大系统之间可构成四种不同联络阻抗，供系统实验分析比较时使用（如第三章图2所示）。

附图1 电力系统综合自动化试验台外形图

1．发电机组

它是由同在一个轴上的三相同步发电机（S N =2.5kVA ，V N =400V ，n N =1500r.p.m ），模拟原动机用的直流电动机（ P N =2.2 kW ，V N =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．试验操作台

它是由输电线路及保护单元、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。

输电线路采用具有中间开关站的双回路输电线路模型，并对其中一段线路设有“微机保护”，此线路的过流保护还具有单相自动重合闸功能。

功率调节和同期单元，由“微机调速装置”、微机励磁调节器”、“微机准同期装置”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。

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、各种带灯操作按钮以及观测波形用的测试孔和各种类型的短路故障操作等部分组成。在做电力系统试验时，全部的操作均在试验操作屏台上进行。

3．无穷大系统

无穷大电源是由15kV A 的自耦调压器组成。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。

本试验装置主要是为开设与电力系统运行（稳态及暂态）有关的教学实验而设计的。虽然试验装置中的发电机、原动机、励磁系统及输电线路，并未按与大型实际电力系统的相似条件来，进行物理仿真，然而，它们不失为一个真实的“一机—无穷大”的简单电力系统，并且可以定性地、反复地、直观地实验，观测实际电力系统的各种运行状态，而且由于小型发电机与大型发电机参数（标幺值）的差别。在实验中可以观测与教科书中对大型发电机所作的分析差别，这更有利于引导学生进行思考，从而进一步加深对电力系统运行状态特性的理解，也有利于培养学生的科学思维能力，有利于对学生进行实际操作和实验研究能力的培训和训练。

附录二：同步发电机组启动和建压操作简介

实验前首先检查WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台、同步发电机组、感应调压器是否具备开机条件，符合要求后合试验台上“操作电源”开关，此时反映各开关位置的绿色指示灯亮，同时4台微机装置上电，数码管均能正确显示。

1．开机方式选择

在试验台的“型微机调速装置”中有三种开机方式供选择，即“手动方式”、“微机自动方式1”、“微机手动方式0”。

（1）当选择“手动方式”时，应首先将指针电位器调至零，然后合上“原动机开关”再顺时针旋转指针电位器，当发电机旋转之后，应观察机组稳定情况，然后缓慢加速到额定转速。

（2）当选择“微机自动方式”时，先合上“原动机开关”，然后按下“停机/开机”按钮，发电机组自动增速到额定转速。

（3）当选择“微机手动方式”时，先合上“原动机开关”，然后按下“停机/开机”按钮，按下“增速”按钮，可以看到控制量的大小，监视发电机转速，直至将发电机调整为额定转速。

2．励磁方式选择

在试验台上有一个“励磁方式”切换开关，它可选择三种励磁方式，即“手动励磁方式”、“微机它励方式”、“微机自并励方式”。

（1）当选择“手动励磁方式”时，应先将“手动励磁”调节旋钮反时针旋到零，然后合上“励磁开关”，顺时针调节“手动励磁”旋钮增加励磁电压，在维持发电机为额定频率时，增加励磁电压，使发电机为额定电压。

（2）当选择“微机它励”或“微机自并励”时，微机励磁调节器选择“恒U F ”运行方式，然后合上“励磁开关”，松开“灭磁”按钮，调节器自动起励至给定电压。

3．无穷大电流和线路开关操作

（1）合上无穷大电源“系统开关”。观察“系统电压”表是否为实验要

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的电压，调整到实验的要求值（一般为380V ）

（2）合上线路开关“QF1”和“QF3”则发电机的母线上得电，此时可以从微机准同期控制器上观察到系统的频率和电压，同时也能看到发电机的频率和电压。

4．同期方式选择

在试验台上有一个“同期方式”切换开关，它提供三种同期方式供选择，即“手动同期方式”、“全自动同期方式”、“半自动同期方式”。

（1）当“同期方式”选择为“手动”方式时，则“发电机开关”两侧的电压施加到“同期表”上，根据“同期表”中的“电压差”和“频率差”调整发电机的转速和电压，使之接近为零。然后，在“相角差”趋向零时的“导前角”时间合闸，即发电机与系统并列。

（2）当“同期方式”选择为“全自动”方式时，然后按下“微机准同期控制器”上的“同期命令”，则发电机“调频”、“调压”和“合闸出口”均由微机准同期控制器完成。

（3）当“同期方式”选择为“半自动”方式时，则准同期控制器通过指示灯的亮或者熄，指示实验人员进行“升压”、“降压”、“增速”、“减速”操作。当合闸条件满足时，准同期控制器发出合闸命令，实现同步发电机同期并列操作。

说明：有关实验中的接线方式改变及操作位置、参数整定等，以及注意事项，在《LHWDT-Ⅲ电力系统综合自动化试验台使用说明书》中已作了说明，这里不再赘述。学生在实验前，必须先认真阅读该《使用说明书》方可进行实验