电力系统动模实验指导书

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电力系统动模部分实验指导书I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电力系统动模部分实验指导书1第一章概述一、电力系统组成及作用图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配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，经过电网将电能输送和分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统还包括保证其安全可靠运行的继电保护装置、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、经济地运行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行的稳定性和频率、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。电力系统自动化的主要目的是采取各种措施使系统尽可能运行在正常运行状态。在正常运行状态下，通过制定运行计划和运用计算机监控系统实时进行电力系统运行信息的收集和处理，在线安全监视和安全分析等，使系统处于最优的正常运行状态。同时，在正常运行时，确定各项预防性控制，以对可能出现的紧急状态提高处理能力。当电力系统一旦出现故障进入紧急状态后，则系统能够自动（也可手动）做出反应，采取控制措施。这些控制措施包括继电保护装置正确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。当系统处于事故后状态时，系统采取电力系统输电网配电网发电厂电力用户辅助系统电力系统动模部分实验指导书2恢复措施，使其重新进入正常运行状态。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，尤其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、通讯技术和图像处理等技术。借助当今计算机的强大快速综合处理能力，实施对大电网运行管理的计算机监控，实现对投入系统运行的发电厂（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，密切监视大电网运行，使电力系统能够安全、经济、稳定的运行。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程度提高，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、经济运行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、长久运行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试验装置。该装置功能集成了发电机运行动态实验，发电机运行保护实验，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。该装置能够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，有利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。现将本实验装置各主要元件介绍如下：(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=2.5kV·A，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15kV·A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：电力系统动模部分实验指导书3“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：①可选择全自动准同期合闸；②可选择半自动准同期合闸；③可测定断路器的开关时间；④可测定合闸误差角；⑤可改变频率差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；⑥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；观察不同整定值时的均频均压效果；⑦可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测量越前时间和越前角度；⑧可自由整定越前（开关）时间；⑨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要求并不复杂，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、定时器、计数器和D/A模块等基本功能的PLC即可。西门子的S7-200CPU226就是一款适合作为该实验装置主控制器的PLC。触摸屏的规格要求不高，所选用的触摸屏必须与西门子PLCS7-226相匹配，即彼此能够实现通讯。因此选用威纶公司出品的MT-506T触摸屏能够满足要求。图1-2电力自动化综合实验装置基本结构断路器发电机电网原动机调速器励磁器准同期电力系统动模部分实验指导书4(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0~10V。(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。电力系统动模部分实验指导书5SCRSCR半控模块～220V励磁绕组电枢绕组励磁给定高速计数单元T=40ms～380VPG1000prM－2.2kW1500rpm220V/12.5A55A/250V30A/250VExc:220V/A励磁变励磁绕组升压变压器PT准同期装置G～2kW1500rpm400V/3.61AExc:56V/3.54APT能耗制动CT计算回路执行机构CTA/DA/DD/A调速器电流环PI励磁控制器D/AUI减磁增磁减速加速开机停机COM1MT506T触摸屏参数显示IpIq转速检测0～10VSCR0～10VA/D灭磁装置MK辅机油气水工况8无穷大系统A/D合闸脉冲DLA/DA/DIA/DA/D6机组控制与保护停机断路器RS485通信辅机油气水运行控制自并励他励～380VCOM2调试下载口COM2当地监控机COM1CDT100MLAN通讯控制器CDT去其他实验台PLC开发、调试电站综合自动化调度工作站/服务器实验室LAN自动发电控制AGC负荷分配管理：经济调度遥测遥信遥控遥调遥视运行控制：自动发电控制AGCGPS(5,35,85,95,110,120)%RTU参数整定趋势曲线PLC（CPU226+EM235+EM235+EM223）水闸水位水闸蝶阀分闸合闸UxnUab22--+KpKpKiKiKiKpKdA/DA/Ddf/PdU/Q整流变温度2231233456蝶阀GPS30A/250VCT起励图1-5实验装置原理框图电力系统动模部分实验指导书6四、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，尤其是系统的信号源――测试仪。3、接线完毕后，要由另一人检查线路。电力系统动模部分实验指导书7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电力系统动模部分实验指导书8图2-1中各元件对应：1#PT检测机端电压，2#PT检测系统电压，1~8CJ对应面板上1~8QF，系线路中各断路器，1~12L用于模拟高压输电线路电感，11~13FU，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备时（断路器跳位，无电气故障等），若按下开机指令，启动调速器（如果调速器启动失败，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，励磁装置合起电力系统动模部分实验指导书9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行状态。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到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