电力系统综合试验

电力系统综合实验指导电力系统动态模拟综合实验指导（一）实验教学目标1 其目的是在学生基本上学完专业课的基础上，对电力系统中的某些问题进行综合的试验研讨，帮助学生将课堂上所学的主要专业课程的理论知识与实践相结合，使学生了解现代化电能的生产、传输、分配和使用的全过程，了解最先进的电力科学技术，进一步掌握电力系统各种特性和理论知识。 2 引导学生综合运用所学知识，进行电力科学研究，培养学生实际动手能力，综合应用能力和创新能力；以提高学生试验研究，分析处理数据和提出科学报告的能力。3 使学生站在全局的高度，了解整个电力系统，培养学生的综合思维能力和综合处理问题的能力，促进学生综合素质的提高。（二）实验要求1 学生们在做电力系统综合实验前，应首先阅读实验指导，了解本次实验的目的和内容，根据实验内容预习相关理论知识2 熟悉实验室的一次设备和二次系统，并根据实验室的设备条件，在教师的指导下根据所选实验项目和要求独立地进行实验方案的设计，确定实验方法、系统接线图、具体操作步骤、拟定实验中所要求记录的物理量表格等，向指导老师提出实验方案，经同意后方可进行实验。3 要求学生学懂和掌握动态模拟的原理，根据原型系统建立实验模型并进行模拟计算；4 在EMS图形系统中对模型系统一次接线进行图形编辑，完成SCADA建模；5 学生们应尽量多次地、独立地进行试验，实验完成后每人应提交较完整的实验报告。使用中一定要注意人身及设备安全，严格按照操作要求使用设备。（三）考核办法（2个学分）平时考核（50%）包括：认真态度、出勤、遵守纪律、动手能力、主动性、仪器设备操作正确、实验结果正确、爱护公物、讲究卫生、不烧损设备等。实验报告20%答辩30%第一章 电力系统动态模拟一、电力系统的研究工具电力系统动态模拟也称电力系统物理模拟，是进行电力系统分析和研究的重要方法之一。电力系统研究方法和其他领域一样，主要采用理论分析和试验研究。由于电力系统具有多变的参数及其复杂的过渡过程，在进行理论分析的同时必须进行试验研究，二者缺一不可。电力系统动态模拟实验室就是专门进行电力系统试验研究的重要场所。电力系统研究工具可以分为两类：数学模拟方法和物理模拟方法。1 数学模拟方法利用数学模型进行研究称为数学模拟，数学模型是建立在数学方程式的基础上，即当各种物理现象在一定的假设条件下用一组数学方程式来描述原型系统的运动或过程。它用数学的方法对真实系统的物理特征在计算机上实现实时动态模拟。2 物理模拟方法利用物理模型进行研究称为物理模拟。而物理模型则是根据相似原理建立的一种忠实于原系统的物理本质、各项参数按一定比例缩小的模型，在模型上反映的过程和实际系统中的过程相似。并且模型上的过程和原型的过程具有相同的物理实质，所以电力系统动态模拟也就是电力系统在实验室内的复制品。二、 相似原理 1模拟的基本概念模拟也称仿真，是一种专门用来进行试验研究的方法。它不是直接对某一实际系统或实际过程进行研究，而是利用模拟理论建立一个对被研究对象进行研究的物理模型，求得模型结果，由此而得到原型系统的结论。2模拟的基本原理模拟理论也称相似理论，它指出相似现象间的关系，提出了要使模型与原型系统中的物理现象相似的充分和必要条件。相似理论在电力系统动态模拟方面的应用：由若干系统组成的复合系统，如果单个系统相似，那么整个系统就是相似。适用于线性系统中的相似条件，只要其非线性参数的相对特性是重合的，则可推广应用到非线性系统中。几何上不相似的系统的物理过程，也可以相似。在电力系统中两个系统相似，那么这两个系统相应元件的标么值参数是相等的。三、电力系统动态模拟电力系统动态模拟使电力系统物理模拟。它是根据相似理论建立起来的具有与原型相同物理性质的物理模型。是实际电力系统按一定比例关系缩小了的，而又保留其物理特性的电力系统复制品。它把实际电力系统的各个部分，如发电机、变压器、输电线路、负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置按照相似条件设计，建造并组成一个电力系统模型，用这种模型进行试验代替在实际系统进行各种正常与故障状态的试验研究，它能复制电力系统的各种运行情况。 在电力系统动态模拟实验室里，应努力使电力系统各种元件的模型具有和原型一样的特性。这样，由他们组成的电力系统模型能够反映出真实电力系统的特性。为了达到直观目的，动态模型中各种元件是经过特殊设计的。为了使模型参数尽可能接近原型参数，还要在一定范围内可以调整，因此还设计和制造一些专用的补偿装置。当然，要使模型与原型参数特性都一致，实际上使做不到的，所以实际的相似是局部的，近似的相似。如现象在时间上相似，但在空间分布上可能不相似；在电路上相似，但在电磁场方面就不相似。另外关于磁场、几何空间场的相似也很难做到，因此模拟不可能与实际完全一样。但是，只要主要参数是相似的，那么模拟出来的过程和现象还是能达到一定的精度。1电力系统主要元件的模拟(1) 同步发动机的模拟同步发电机是电力系统中的最重要的元件，它的特性对系统产生很重要的影响，特别是系统中某些大容量的同步发电机的运行对整个系统运行特性起着决定性的作用。因此，同步发电机的模拟是十分重要的。同步发电机在过渡过程中所表现的物理量有两个方面： 电磁暂态过程和机电暂态过程，这两个过程有着十分紧密的联系。电机内部电磁场的分布和它的变化决定了电机电磁转矩的大小及其变化，也就影响到电机的转子的运动。而电机转子的相对运动的情况反过来又决定电磁转矩的大小和它的变化。对于研究电力系统电机过渡过程的动态模型来说，重要的是研究电磁量和转子运动的随时间的变化过程，即原型和模型以标么值形式的电磁过渡过程和机电过渡过程的方程式如果是完全相等，那么就认为两者是相似的。所以在发电机的模拟时其稳态或暂态特性的标么值参数、Td、Td、Tdo、Ta必须相等，还要求发电机的磁滞及饱和等特性相等。(2)电力变压器的模拟当研究电力系统的电磁过程时，变压器模拟的主要任务主要是要求时间上的过渡过程相似，将变压器看作一个集中参数元件来模拟，模型和原型变压器标么值相等的参数是：Xk、Pk、I0、P0，要求模型变压器的参数和特性在一定范围内调节。(3) 负荷的模拟采用近似模拟的方法，即用相对集中和比较固定的负荷去等效模拟分散和经常变化的负荷。(4) 输电线路的模拟，输电线路是具有分布参数的电路，实验室的线路模拟不可能采用分布参数的精确模拟，只能用集中参数的等值型链电路分段模拟实际线路的分布参数。用它来研究一般电磁及机电过渡过程，模型线路两端或线路线路上某些点的电压、电流随时间变化过程与原型相似。(5) 同步发电机励磁系统的模拟要求模型和原型发电机转子回路具有相同的标幺值参数及时间常数，励磁调节装置特性相同。(6) 原动机的模拟，一般采用数学模拟的方法实现对水轮机和汽轮机特性的模拟，即采用直流电动机方案。特别是包括调速器在内的整个原动机的特性对系统的行为有很大的影响。 2实现电力系统物理模拟的步骤 电力系统动态模拟是在电力系统动模实验室中的物理模型进行试验研究的过程。要实现系统物理仿真，一般包括建立物理模型和模拟试验两个步骤。 (1) 建立物理模型 建立物理模型的任务是根据模拟试验目的和原型与模型之间的物理相似原则，确立描述系统特性的模型系统。 相似判据的确定 模拟原则：根据相似理论，模型和原型系统的物理现象相似，意味着模型和原型中，用以描述现象过程的相应参数和变量在整个研究过程中，保持一个不变的、无量纲的比例系数即相似判据，相似判据是相似理论中很重要的一部分。满足这个相似判据的模拟系统，其参数和变量以标么值表示的数值在整个过程中与原型的相等。元件或系统要模拟，必须以相似判据为依据，求得相似判据就等于得到了相似指标，也就等于决定了模拟物理量比例尺选择的条件，确定了原型与模型之间物理量的关系。确定相似判据的方法有两种：量纲分析法和分析方程式法（比例系数法，积分相似法，标幺值相等法）。实际上较多采用标幺值相等法，只要模型系统的物理量的标幺值与原型系统相应的物理量标幺值相等，则两者就实现了相似。且其物理量在整个过程中将始终保存一不变的比例系数，这个比例系数是无量纲的，俗称模拟比。模拟比是原型和模型各项参数的比值，即比例系数，电力系统中主要有以下四种模拟比：功率比：电压比；电流比：阻抗比：模拟比一般根据原型系统中主要设备的参数和实验室相应设备的主要参数来决定，在四个模拟比中，只要任意确定两个后，其余两个便相应确定。 确立系统模型的统一性复杂电力系统是由多个子系统组成，动态模拟的物理模型也是由简单的元件构成，为了真实的反映原型系统中的过程，根据模拟比确定模型参数，建立相应模型，如果若干系统间对应的每一个元件都相似，则整个系统就相似。所以模型为绝大多电力系统实验研究提供了一种工具。(2) 动模试验和分析 电力系统动态模拟的任务是在实验室模拟实际系统，根据模拟完成各种试验和研究项目，并对结果进行分析和评价。四、动模实验室的测量与控制 动模实验室的测量，主要是对各种电气参量如电压、电流、频率、有功、无功功率和相角等进行测量。根据运行情况，又可以分为稳态和暂态两种情况。动模的测量系统是由测量用互感器，测量仪器仪表等组成，稳态情况，可以采用各种仪表进行测量。暂态情况必须用故障录波仪进行录波，把各种参量的过渡过程的变化情况记录下来，进行加工分析。动模的控制，主要是使模型系统能够近似地模拟原型系统所有的运行操作情况，一般在模型回路中用接触器来模拟原型电路中的断路器，并使之可能自动的切断和重合，而故障点，则是事先设置临时投入使用的。 五、动态模拟的特点电力系统动态模拟在实际应用中有如下特点是：1 系统设计可以在模型上直接观察到电力系统发生的现象，也可以直接观察到研究结果，获得明确的物理概念，并具有真实感，对电力系统特性和一些过程进行定性的研究；2 装置试验一些新的技术设备装置可以直接接入动态模拟来进行研究，在动模实验室进行试验及调试，接受各种各样的运行考验，观察这些设备在电力系统不同运行方式下的工作性能，消除缺陷，以保证设备在电力系统中的可靠运行。3 系统动态特性分析和研究。在已建立的模型设备上可以研究实际电力系统的各种运行方式，可以研究电力系统不够清楚的现象改变各种物理量，模拟各种故障，以研究系统的稳定性。4 系统故障设计。在动态模拟实验室中可以很方便的模拟实际系统中发生的故障，重现故障过程，研究故障发生的原因，找出解决的办法。5. 动态模拟的缺点是模拟设备加工比较困难，建设周期长，投入经费比较大，同时参数的调整受到一定的限制，对比较复杂的原型系统一般需要进行一些简化，才能在动模上进行试验研究。第二章 湖南大学电力系统动态模拟实验室的概况湖南大学电力系统动态模拟实验室建于1980年实验室,2003年作为国家重点学科建设又投入近200万元进行了改造，该实验室现已成为教育部输变电新技术工程研究中心的重要组成部分。二十多年来，依托实验室开展了大量具有重大理论和应用价值的科研及开发工作，同时为学生特别是本科生的培养和教师的成长提供了良好的环境和条件。实验室具有3台模拟发电机组、6台模拟变压器、1台无穷大电源、2组不同类型的模拟负荷（包括电阻负荷、电感负荷、电动机负荷）及10组222KV电压等级的模型线路。在国家教育部和学校的支持下，基于最新计算机技术、通信技术和电力电子技术，电力系统动态模拟实验室已形成了数字化动态模拟数字化实验平台，其包括微机数据采集装置（RTU）、基于微计算机的数据采集与监控系统（SCADA）、能量管理系统（EMS）、发电机励磁与调速控制系统。其中采用微机数据采集系统，配置了多种综合监控模块完成对发电机、变压器、线路的监测与控制，利用先进的技术进行联网，实现三机系统小规模的电力系统调度自动化。数字化实验平台简介： (1) 总体结构图1-1是物理动模数字监控系统的结构示意图，系统基于全网络式和分布式设计和开发，网络式RTU（远方终端单元）和主站之间的通信规约遵循了国际标准。实现物理模拟从设备级到系统级的数字监控系统图1-1 物理动模数字监控系统结构示意图(2) 物理动模图1-1中的物理动模系统是根据相似原理建立起来的物理模拟系统，它可以逼真地反映实际电力系统的动态过程。(3) 设备级数字监控建成了发电机、变压器、输电线和负荷等各类电力设备的网络式RTU，实现了生产、传输和消耗电能的各类电力设备的全数字式远程监控功能。(4) 系统级数字监控在系统级别上，学生在控制中心，利用计算机可视化的人机界面（MMI）做实验，由计算机来自动记录电网全局动态。图1-2所示，给出了控制中心计算机网络结构和配置，通过双前置机和双以太网与网络式RTU通讯，基于GPS时钟同步技术，实现不同装置不同RTU的同步数据采集。可以提供两套相互独立的实时数据，以保证实验系统的稳定运行，又提供了良好的开发环境，图1-2 控制中心计算机网络结构和配置该系统不但实现了遥信、遥测、摇调和遥控等SCADA功能，还实现了先进的网络拓扑分析、状态估计和在线潮流等能量管理系统（EMS）高级应用功能，在功能和性能上与现代电网调度控制中心几乎完全一致。(5) 可视化画面该系具有统的实时性、灵活性、人机交流方便及高效性，系统可以建成了上百幅可视化人机交互画面，具有适用于实验的各种遥控和遥调模块、适用于实验的报表子系统，可自定义的灵活的采样曲线，可视化的实时数字仪表和灵活的组态功能等。发电机有功无功调节、发电机同期并网、负荷调节、开关分合、故障设置、变压器分头调节均在可视化画面上进行，另外，可以在电网组态元件图上进行组态操作，从而组织出不同的电网结构，满足不同电力系统实验的用途，十分灵活和方便。 第三章 模拟系统方案的设计在电力系统动态模拟实验室实现真实电力系统的模拟时，利用模型系统进行试验和研究是一种有效的途径，根据实验室已有的设备恰当选择模拟方案，即通常所说的“建模”，是利用电力系统动态模拟工具进行研究的最重要步骤之一。一、模拟系统的计算方法 在对真实系统进行模拟时，首先要对原始资料进行分析研究，抓住原形系统的特点，明确研究的范围，影响研究过程的因素及参数，在这个基础上得出简化的原型系统的接线图及元件的等值参数，在对哪些元件参数要模拟的比较准确，哪些只要大致模拟，做到心中有数。有了简化原型系统接线图和参数，在进行电力系统模拟计算时，必须满足以下的基本关系，这就是：上式四个系数，只有两个是可以任意选择的，另外两个必须根据上述方程式计算出来，这样才能满足相似的条件。根据标么值相等的原则，我们可以计算模型的参数，选择实验设备。由于实验室的设备的某些参数可以在一定的范围内进行调整，如线路阻抗参数，变压器的漏抗，发电机的惯性时间常数及转子的时间参数等。但有些参数调整是比较困难的，如发电机的 、 、等参数。因此，要选择与原型发电机参数尽量相近的模型发电机。也可用改变功率基值或电压基值的方法，在小范围内调整这些参数。1.模拟发电机参数的调整(1)改变功率比 根据标么值计算公式可知为了改变模拟机的电抗标么值使它等于或接近原型机的电抗标么值，可以改变其基准容量也就是改变了功率比。但改变时还要考虑对的影响问题。秒（2）改变电压比改变模拟机的基准电压也就改变了电抗值X，但必须空载特性与原型相似，一般只要求咱额定运行点附近即可。（3）更换转子（4）外串电抗当模拟机组阻抗值较原型小时，可以用定子回路外串电抗的方法进行补偿，但应考虑 的比值在外串电抗后是否能保持与原型相等，可用式进行校验。（5）调整励磁绕组时间常数：主要靠改变负电阻的补偿度加以调整。1. 模拟变压器参数的调整：2. 模拟线路参数的调整根据原型系统的标么值及模型系统的基值，可以计算出模拟系统的线路的有名值，当要求模拟线路的零序阻抗时，需要在零线串接零序阻抗不足部分。由于零线中流经的电流是正序电流的3倍，所以需串接的阻抗为线路零序阻抗与正序阻抗之差的三分之一。二、模拟计算实例：计算提示：在动模实验室对系统进行模拟时，首先要对原始资料进行分析研究，抓住原形系统的特点，研究课题的范围，影响研究过程的因素及参数，在这基础上得出简化的原型系统的接线图及元件的等值参数，对哪些元件参数要模拟的比较准确，哪些只要大致模拟，做到心中有数。有了简化原型系统接线图和参数，根据标么值相等的原则，我们可以计算模型的参数，选择实验设备。由于实验室的设备的某些参数可以在一定的范围内进行调整。如线路阻抗参数、变压器的漏抗、发电机的惯性时间常数及转子的时间参数等。但有些参数调整是比较困难的，如发电机的Xd、Xq、Xd、Xd等参数。因此，要选择与原型发电机参数尽量相近的模型发电机，当然也可用改变功率基值或电压基值的方法，在小范围内调整这些参数。为了简化计算复杂性，让学生掌握模型系统参数与原型系统标么值相等的概念，根据实验要求，在此模型计算中要准确模拟，并兼顾；Hj和Td0按机组实际情况尽量满足。其模型参数见发电机参数表和变压器参数表。下面我们通过一个例子来说明模拟方案计算的具体步骤。简化后的原型系统的接线图和参数如下。 其参数如下：发电机： , =6秒 秒 变压器： , %线路： 正序阻抗 零序阻抗 电容 解：1 把原型系统的标么值参数归算到统一功率基值下，功率基值可以任意选择，在此我们选择功率基值为=100MVA，电压基值分别选择为18KV和363KV，以发电机的为例，它的新标么值为： SB是发电机的额定容量, 是以额定值作基值的标么值发电机其它电抗计算结果为：=0.1336 =0.0891 =0.266 =0.0938 =0.288 =0.0913变压器： 线路： 线路阻抗标么值：正序阻抗标么值：零序阻抗标么值：电纳有名值：（西）电纳标么值：以上数据与动模实验室模拟机的参数对比，可以选择实验室模拟机。此机的参数如下： =1.06 每片飞轮片的惯量为佳0.403秒。计算模型系统的基值,即计算模拟系统的功率基值和电压基值，根据标么值相等的原则，上面计算原型的标么值参数也应该是模型系统的标么参数。但所有模拟的参数不可能都完全相等，所以根据我们的研究的问题去确定那些参数是准确的模拟。那些参数是近似模拟。例如若研究稳态运行特性问题，那么就要求发电机的稳态电抗模拟的比较正确 若研究发电机的暂态稳定问题，则要求暂态电抗模拟的准确一些。我们实验主要是以模拟稳态情况为主，因此要求原型与模型的一样2初步选模拟发电机的额定电压为电压基值，1号机的电压低压侧为400伏，高压侧为800伏，又要求相等，所以根据从而计算出功率基值。式中是所求的功率基值，是模拟发电机的额定视在功率, 是模拟发电机以额定视在功率为基值的标么值。计算功率基值： 核算模拟发电机新的额定功率：因原型与模型功率比, 即实验室的相当原型发电机的,所以对应原型额定功率为300MW的模型机的额定功率为： 此值超过模拟发电机的额定容量，说明所选的模拟发电机的电压基值不适合，应重选。3再选电压基值：为了降低模型发电机与原型机额定容量所对应的容量同时仍满足参数的要求，可适当变化模拟机的额定电压（可在15%变化），再通过上面的计算可以得出，我们把模型发电机的额定电压的90%作为电压基值，即低压侧为此360V，再计算功率基值。 根据 此值略小于模拟发电机的额定容量,是合适的。计算模拟变压器的容量：， 此值略小于模拟发电机的额定容量,是合适的。计算模拟系统线路的有名值： 模拟线路阻抗有名值：若选用实验室1号无穷大系统，从实验室设备参数表查出1号感应调压器的漏抗折算到720V时的漏抗XT 1号无穷大变压器漏XTG折算到高压侧为这两部分阻抗应算在线路上。所以实验室需要的线路元件阻抗为： 零序中应补入零序阻抗ZL0不足部分为:= 计算模拟发电机的时间常数原型机组秒（相对发电机额定容量而言）模型机组应该有相同的 (相对模拟发电机),因而折算到模型发电机原来的额定容量30MVA的钟 秒 由于机组本身的惯性时间常数为4.41秒,加装三片飞轮片,每片的时间为0.4033秒所以秒,所以秒，是合适的。4：计算变压器：原型变压器的,模型变压器=15KVA时的标么值也应是其有值为:从低压侧看进去从高压侧看进去 原型与模型参数对应如下额定有功额定电压功率基值原型 300MVA18KV100MVA0.3760.13360.08910.2660.0940.02880.00910.0091模型 27.86KVA360V8.12KVA0.3570.13360.10030.2140.1070.02620.100330.10033变压器额定容量原型0.0091360MVA 6.0 4.89模型0.10033 2924KVA 6.02 4.89二、系统模拟计算题目学生可根据下列原型系统的参数进行模拟计算，设计和建立物理实验模型系统。 1 原型发电机：型 , 变压器：型: 线路： 单回线220KV架空输电线路 系统： 从线路末端向系统看，等值电抗计算模型参数，在计算中要求准确模拟发电机并兼顾o，按机组实际情况满足以及 2. 设计和建立模型系统。原型一次主接线： 原型发电机参数： （吨-米2） (转/分) 原型变压器参数： 原型线路的参数：线路、每公里电阻，阻抗角82，每公里电容3. 两机一线对无穷大系统的模拟计算 某电厂用两台125MW发电机通过主变压器和一条500KV的线路与系统联网运行，其主接线： 原型发电机参数： （吨-米2） (转/分) 原型变压器参数： 原型线路参数：线路长：，每公里电阻，阻抗角85，每公里电容计算模型的参数4一台300MW水轮发电机由升压变压器经、双回路线路连至无穷大系统， 参数如下：原型系统发电机： 原型变压器参数： 线路： 模型系统： 模拟变压器：DGM-5单相变压器组，每台参数： 计算模型参数，在计算中要求兼顾发电机和o，按机组实际情况满足以及注意：模拟系统可以任选实验室的模拟机组、变压器和1无穷大系统。三、画模拟系统的主接线图实验前应根据实验的具体内容及实验室的实际设备选择元件，画出一张模拟系统接线图，并在SCADA/EMS 系统中的图形界面进行模拟系统一次接线图的绘制，实现SCADA建模，其目的是为了把画面上的图形与数据库的遥信、遥测、遥控、遥调模型关联起来，使这些模型的实时数据可以在画面上显示，并可以通过画面对某一个实验系统进行遥控操作。SCADA建模具体方法见电力系统动态模拟数字主站系统学生手册。四、模拟发电机参数表1MF2MF3MFS15KVA5KVA5KVAPU400V230V230VI22.8A12.55A12.55A0.80.80.8转子形式凸极隐极凸极气隙1.7mm0.75mm1.2mm0.491.340.7950.311.340.430.1430.1030.1410.1160.06020.0760.1470.1150.07350.0810.04050.024590.1160.0250.01950.2210.04080.04081.2442.022.150.2250.1550.374Td 0.0560.0280.042Ta0.129第四章 电力系统综合实验实验一、同步发电机正常操作和安全运行极限测定一、实验目的1通过实验掌握发电机正常运行的基本操作2确定同步发电机的静态安全运行极限，明确安全极限的意义。3熟悉发电机在不同功率因数运行时所受之不同限制的条件。二、原理与说明同步发电机的静态安全运行极限，即安全运行的PQ曲线，见图E1。受定子发热和绝缘、转子发热、原动机极限输出功率、静态稳定运行极限等条件的限制。在冷却条件和发电机定子电压一定时，定子的发热主要由定子电流决定，转子发热主要由转子电流决定。三、实验项目1. 确定实验用发电机定子电流、转子电流、原动机输出功率的极限值，并确定保持恒定的定子电压值；2. 受转子励磁电流极限约束AB段的测定；3. 受定子励磁电流极限约束BC段的测定；4. 受原动机输出功率极限约束直线段的测定； 5.，求得定子电流和静态稳定极限约束EG段。【实验方法提示】1 确定实验系统：“单机直接与无穷大电源并网”系统。2 实验时首先测B点，此点是在额定电压下，定子电流和励磁电流都达到额定值的运行点。3 测AB段：保持发电机励磁电流为额定值，减小发电机有功输出。4 BC线段的测定：从B点开始，在增加发电机有功输出的同时相应地减少励磁电流，以维持定子电流的额定值。 5 当发电机的有功输出等于原动机额定值时，即为C点，此时发电机有功输出和定子电流都达到了允许极限值的运行状态。6 直线段的测定：维持发电机的有功输出等于额定值，减少发电机励磁电流值，可测直线段。在DE段，发电机处于进相运行状态。 7 EG段：降低发电机的有功输出和降低励磁电流值，求得进相运行状态下，受定子电流约束的EF段。运行点F受定子电流和静态稳定极限得约束，此时要在减小的某个有功输出的情况下，维持定子电压恒定，逐步减小励磁电流，接近发电机失步，并读取有功和无功功率。此时应注意进相深度不能太大，避免发电机失步。8 记录数据：将上述26项的实验项目所测的量记录于表11。表11 静态安全极限实验数据表测量值AB段B点BC段C点CE段E点EF段F点FG段UIPQIf四、实验要求1. 在熟悉本实验室一次设备的前提下拟定同步发电机启动、并列和停机操作的详细步骤，并进行操作。2. 了解实验用电机的额定运行参数，安全约束条件。3. 根据给定的电机参数和定子电流、励磁电流以及原动机输出额定值，用作图法绘制同步发电机的静态安全运行极限曲线。4. 根据实测数据，绘制同步发电机的静态安全运行极限曲线。5. 分析实测曲线与理论曲线之间的误差以及产生的原因。五、参考书 电机学电力系统稳态分析实验二 高压输电线路的空载特性及自然功率实验一、实验目的1 了解高压输电线路空载运行时首末端电压的关系及线路无功功率损耗的特点。2 了解输电线路自然功率的意义及各电压等级线路的输送能力与自然功率的关系。二、实验方法及要求：1 组建一个“单机带空载输电线路系统”。【建模要求】：计算或查表确定一回220KV实验线路单位长度参数x1、b1，并计算其波阻抗 ,模拟线路长度大于150KM。2 按拟定的系统在线路首端加额定电压，末端空载，记录首末端电压幅值U1与U2，比较其大小，并观察线路首端无功功率的性质。如果线路长度增加，观察末端电压有何变化。3 在线路末端加有功功率负荷，记录首末端电压幅值相等时对应的有功负荷，及首端无功功率为零时对应的有功负荷。4 计算线路的自然功率为 ，比较、与的误差，并分析其原因。5 查表了解220KV线路的输送能力及输送距离，其输送能力与的关系如何?二、 参考书电力系统稳态分析实验三 电力系统正常运行状态（潮流）分布与调整实验一、实验目的通过本实验，深入理解潮流分布与调整的相关原理与方法，特别是网络结构、网络特点对潮流分布的影响；超高压电网中线路首端电压幅度差与电压相角差对有功传输与无功传输的影响程度；均一网潮流分布特点；有功功率与系统频率及无功平衡与系统电压的关系等基本概念和原理。二、 实验系统模型：构建一个由三机组成的独立电力系统，参考图E1，在保持系统各节点电压在允许范围前提下，给定网络组态下的初始节点类型和负荷水平及分布，改变系统支路的有功潮流和无功潮流，将其调整到要求潮流。三、 实验内容与实验方法提示：1初始基本状态的调整设定1MF为平衡机，2MF、3MF为PQ机，将2FB、3FB的负载逐步投入（使2FB、3FB的总负荷为其额定容量的85%左右），同步增加2MF、3MF的有功功率、无功功率，使之达到，余下有功功率由1MF承担。调整后的系统状态要求：，2FB、3FB高压母线电压不低于（），此时为系统的初始基本状态。然后，将2MF、3MF的励磁调节器开环运行，即励磁调节器控制方式由“恒UF”方式改为“恒”方式。2 平衡机的作用及使用在2FB、3FB上适当再增加额定容量15%左右的负载（先增加有功负载，后增加感应电动机负载）。观察并记录各母线电压与相角、系统频率的变化情况，调整1MF的有功、无功出力，同时使系统达到、各负荷母线电压维持附近（5%以内）。观察并记录此时各机组有功、无功出力的变化情况。3 网络结构变化对潮流分布的影响不调整负载量，分别退出各线路（注意：各节点之间不能失去电气联系），观察并记录每一操作前后各线路潮流、母线电压、机组出力等变化。4均一环网潮流分布特点的检验将2MF、3MF的励磁调节器AVR投入（闭环）运行，将2MF、3MF的负荷逐步向1MF转移，直至2MF、3MF的有功、无功出力近似为零，退出2MF、3MF及线路2，调整1MF的有功、无功出力，使系统保持，负荷母线电压为附近。观察并记录下各线路潮流分布。5功率输送量的变化与电压相角差与幅值差的关系 在实验4的基础上，先将无穷大电源接入1FB高压母线，再退出线路2或9。逐步增加1MF有功出力（无功不调整），观察并记录线路4首末端电压及相角的变化（以1MF最终出力不大于额定有功功率为限）。然后逐步减小1MF有功出力（无功不调节），使之回到原始影响状态，观察并记录线路4两侧电压及相角的变化。 逐步增加1MF的励磁（无功出力），有功不调整，无功增加应以1MF不过负荷为限，观察并记录线路4两侧电压及相角的变化。注意：调节无功功率时注意发电机的机端电压不能太高，控制在额定电压的10%以内。四、实验报告内容整理并分析实验结果，将之与理论计算结果比较，从机理上阐述下述问题： 电力系统中如何实现有功功率和无功功率的调整? 为什么要平衡机?如何实现平衡机的的调度? 何谓均一环网?其功率分布有何规律?根据你的实验结果，分析多机系统是否满足上述规律?为什么? 线路两端电压幅值或电压相角的变化与线路传输的有功和无功变化有何关系?绘出有关实验曲线：、，并给出机理解释。如果增加传输线路的电阻与电抗相等，你估计会存何结果，为什么?五、参考书电力系统稳态分析电力系统自动控制技术实验四 电力系统调度运行实验(一)电力系统的有功功率与频率调整一、 实验目的1直观地了解电力系统有功功率变化对系统频率的影响；2理解频率调整的基本概念与基本原理；3掌握频率调整的基本实现方法；4掌握机组、负荷及系统频率调节效应系数的确定方法。二、实验内容与要求：1 机组调差系数及调频特性实验【实验方法提示】：确定实验系统，将实验系统构建成“单机单负荷”系统； 按操作要求启动机组：在空载条件下，将实验用发电机调至额定转速，高压侧母线电压调至额定电压；观察并记录下相应的系统送端电压、受端电压和系统频率。 从零负载起逐步增加负荷变压器2FB(或3FB)的纯电阻负载（电灯或电炉），使发电机出力至其额定出力的85%左右，且使系统频率达到并维持额定频率,这一过程如下所示：（a） 增加投入电灯或电阻负载量（b） 增加送端发电机出力（原动机“加速”）（c） ,在此过程中，注意观察每一步操作之后的系统频率、机组出力、发电机端电压、线路两端电压变化。 (4) 增加有功负载投入量（）,且不调节发电机出力，观察系统频率及机组出力变化,记录终了（稳定）状态的发电机出力和系统频率。【实验要求】：分析总结实验结果。 分析“有功功率频率”调整过程中各母线电压变化规律。 根据（3）分析“负载增长系统频率变化”、“机组出力变化增加机组出力系统频率变化”的变化规律，在此基础上深入理解“一次调频”与“二次调频”的现象、意义和实现方法与过程，注意调节过程中负载对“一次调频”的贡献。视负载为频率的“零次方”负荷，计算机组的单位频率调节功率（）及调差系数（）。 验证：2. 系统的一次调频与二次调频的实验【实验方法提示】： 在前一实验之终了状态基础上，逐步切除有功负载，同时逐步投入感应电动机负载，且使机组出力维持左右, ，记录下此时机组出力负荷大小（、） 继续增加负载左右，与（1）之相等，观察机组出力、系统频率变化，记录下此时的、以及静态负荷比例，计算此时的、。 在之终了稳态下，逐步减少，直至。注意：相应的、可以不同于且。【实验要求】：分析总结实验结果。（a） 注意每一调整过程中母线电压变化规律，并与实验1比较，给出合理的机理解释。（b） 更进一步理解一次调频与二次调频的实现原理与方法。（c） 分析不同动态负荷比例情况下的KL，总结出其变化规律，给出合理的机理解释。（d） 同样情况下的与实验1比较，并给出合理的机理解释。3 多（两机）系统有功功率分配实验。【实验方法提示】： 构建成两端供电网。 按照实验1之、的方法，逐步调整负荷投入量及机组出力，同时根据需要调整机组励磁，使系统频率，机端电压在额定电压附近，此时记录负荷与机组出力：、,且使、大致相等。 增加负荷，基值与实验1、2相等，观察系统频率变化并记录相应，由此计算系统的及（机组、已知）。 记录下引起的、。【实验要求】：分析总结实验结果。（a） 的大小与实验1、2比较，给出机理解释。（b） 、的比例分析，总结规律，给出机理解释。（二）联合电力系统和联络线有功功率控制实验一、实验目的通过实验了解区域电网分区调频的方法。二、实验原理将几个区域电力系统相互连接起来构成的大型电力系统即联合电力系统。联合电力系统的调频原则是：区域内部有功功率就地平衡，区域之间联络线有功功率按协议计划值传送。电力系统频率和有功功率控制的主要任务是：1 使系统的总发电出力满足系统总负荷的要求调速控制（一次调频）2 使电力系统的运行频率与额定频率之间的误差趋于零通过调节发电机的频率特性实现（二次调频）。3 在联合电力系统各成员之间合理分配发电出力，使联络线交换的功率按满足预先商定的计划值。三、实验模型将A、B两个独立的区域电网构建成容量比12KW：4KW的模拟联合电力系统，通过一条联络线相互连接起来，联络线流过固定协议功率500W。A区：1MF1MB线路2FB负载B区：2MF2MB线路3FB负载联络线：模拟约400KM四、实验步骤： 首先，将A和B发电机投入，使其分别独立空载运行，调节2个区域系统频率均达到50Hz左右，记录该原始频率。然后，将A、B2个区域电网联网运行，观察并记录联网后的系统频率和联络线上的有功功率。（一）要求协议交换功率为0，即PAB=0，2个区域之间无有功功率交换。1. 在B区加有功负载，观察并记录系统频率及联络线上开关221和222上流过的有功功率大小和方向。2. 调整机组出力，使协议交换功率为0，系统频率恢复到原始频率。记录所调整的机组名称及出力。3. 在A区加有功负载，观察并记录系统频率及联络线上开关221和222上流过的有功功率大小和方向。4 调整机组出力，使协议交换功率为0，系统频率恢复到原始频率。记录所调整的机组名称及出力。（二）要求协议交换功率为A区向B区输送1KW 有功功率，即PAB=1KW。1. 在B区减有功负载，观察并记录系统频率及联络线上开关221和222上流过的有功功率大小和方向。2. 调整机组出力，使协议交换功率为PAB=1KW，系统频率恢复到原始频率。记录所调整的机组名称及出力。3. 在A区加有功负载，观察并记录系统频率及联络线上开关221和222上流过的有功功率大小和方向。4 调整机组出力，使协议交换功率为PAB=1KW，系统频率恢复到原始频率。记录所调整的机组名称及出力。五、实验报告内容：1. 根据实验内容和记录下的数据说明分区调频策略，并说明在调频的过程中，各机组如何调频。2. 回答思考题。六、思考题：1. 实验步骤1中，2台机组是否均参与了调频，各采用何种调频方式？2. 实验步骤2中，2台机组是否均参与了调频，各采用何种调频方式？参考书电力系统稳态分析电力系统自动控制技术实验六 电力系统静态稳定实验一、 实验目的1 深入理解电力系统静态稳定的本质机理；2 深入理解传输系统阻抗，同步发电机励磁调节、送端（高压）母线电压等因素对静态稳定性的影响的机理，了解提高系统静态稳定性的工程措施。二、 实验内容（一） 简单电力系统的静态稳定实验【实验系统模型】：构成“单机无穷大”系统，不带负载或仅带少量负载1 时的静态稳定实验 【实验方法提示】： 机组励磁调节器系统设置为“闭环调节”状态，机组空载启动、并网。 逐步增加机组出力，观察功角变化，描出机组的曲线，由此得出机组输出功率极限及相应的极限角。 逐步减少机组出力至某一值（,记下此时的和对应的；在2FB负荷侧投入少量负荷，观察的变化；在2FB负荷侧切除少量负荷，观察的变化，描出上述情况下的曲线（示意）。针对不同的、，重复上述实验23次，直至将运行点调整至左右。 实验确定保持静态稳定储备系数所对应的、并与理论计算值比较。 2 时的静态稳定实验机组在并网后，发电机自动励磁调节器AVR开环。 重复上一实验之的实验。3传输系统阻(电)抗的影响实验参考前述过程，分别对“发电机2、5#线路无穷大”、“发电机4线路无穷大” 系统，重复实验2的实验内容【实验要求】：实验结果分析与总结。将实验13三种情况下的曲线描于同一（）平面，进行比较分析，从机理上阐述下述问题： 同样网络结构条件下，AVR对提高静态稳定（功角）稳定性有何意义？应当从多方面综合分析并于理论计算比较。提示：可以从以下方面分析：(a)保持同样的，有何不同？(b) 保持同样的，有何不同？(c) 各自的、稳定区？(d) 同样下各自的？ 同样电抗电势条件下，网络参数对静态稳定性有何影响？分析要求同。(二) 三机电力系统的静态稳定实验： 图6-1 三机系统接线图【实验提示】：1 按图6-1拟定一实验模型接线；2 在下述不同运行方式下，调整电机在不同的负荷下研究三机系统的功角特性：节点2的电机被切断，这相当于单机对无穷大系统状态。节点2连接过励的同步电动机，即从系统吸收有功功率并发出无功功率。节点2连接欠励的同步电动机，即向系统吸收有功功率和无功功率。节点2连接过励的同步发电机，即从系统发出有功功率并发出无功功率。节点2连接欠励的同步发电机，即从系统发出有功功率并吸收无功功率。 即研究下列各量的变化：各节点电压，特别是母线2电压的变化。各线路传输的功率极限的变化各母线电压间相角 12、23、31的变化。各电机功角的变化。【实验要求】：1. 分析多机系统的输送功率与功角的关系和简单系统的功角特性有什么区别？2. 绘制实验测得得发电机功角特性曲线，将各种运行方式下得发电机功角特性曲线绘制在同一坐标上。3. 分析比较各种运行方式下发电机的功角特性曲线和功率极限。4. 分析三机系统在不同运行方式下，各节点电压变化曲线、各段线路传输的功率极限变化曲线、各母线电压间的相角12、23、31变化曲线和各发电机功角的变化曲线，并说明原因。5. 分析实验用三机系统得静态稳定功率极限。参考书电力系统暂态分析电力系统自动控制技术实验七 电力系统暂态稳定性实验三、 实验目的 通过实验观察大扰动条件下机组摇摆特性，并直观理解扰动大小对系统暂态性的影响程度。四、 实验系统接线组建强联系的“单机无穷大”系统。参考图E-1.五、 实验内容、步骤与要求：1 投入1MF的AVR（励磁闭环调节），从机组空载起开始逐步增加机组出力，描出系统（机组）的曲线，并确定对应的、。然后，将系统运行在某一，其对应保证。2 依次按下列三种情况制造大扰动： 线路2突然退出，2s后重合；线路2突然退出，不重合 线路4突然退出，2s后重合线路4突然退出，不重合线路9突然退出，又尽可能快地重合 对上述的每一种扰动，观察机端电压、功角、发电机出力的变化，并描出示意曲线、。注意：上述的每一操作（扰动），都必须在第一次操作后系统处于稳定运行状态进行。各示意曲线上要标出有关的关键状态参考值、的初始值，扰动后的瞬间的值，暂态过程中的最大、最小值、振荡周期数、稳态值。实验要求：实验结果分析与总结。 根据三种情况绘制大扰动的实验曲线，比较分析扰动大小对暂态稳定性的影响并给出符合客观实际和原理的阐述与结论。参考书电力系统稳态分析电力系统自动控制技术附表发电机铭牌数据：原 动 机发 电 机P(kw)U(V)I(A)NS(kvA)U(v)I(A)cos1#f发电机组22220118.310001538022.80.82发电机组17220901500523012.550.83发电机组17220901500523012.550.83模拟线路电感线圈参数表234567891011121A1R0.14460.2980.460.630.8082.2662.5132.7693.0243.2973.579X0.2561.0622.4164.3576.91344.32852.84262.26672.60283.78696.164B1R0.14520.2980.460.6310.812.2732.5232.7823.053.3283.614X0.2641.0682.4324.3896.95