理学电力系统实验指导书

电力系统实验指导书Electric Power System Experiment Instructor 闫丽梅 刘伟 李宏玉 编大庆石油学院电气工程自动化实验室47目 录第一章 电力系统调度自动化概述1第二章 DTS概述3第三章 实验平台介绍5第四章 实 验 项 目9实验一 电力系统有功功率分布及分析9实验二 电力系统综合调压措施分析13实验三 电力系统有功-频率分析19实验四 电力系统潮流控制分析22实验五 电力系统不对称故障计算及分析26实验六 电力系统继电保护动作特性分析30实验七 电力系统稳定性计算及分析34实验八 电力系统继电保护动作情况与系统稳定性关系分析38综合性实验一 电力系统电压调整和无功功率控制技术实验41综合性实验二 电力系统对称故障计算及分析45第一章 电力系统调度自动化概述电力系统包括发电、输电、配电和用电用户，这是一个由强电（高电压、大电流）元件组成的一次系统，它完成了能量的转换、传达等一次能量的过程。为保证一次系统的安全、经济运行，还要有一套为之服务的二次信息系统对一次系统的运行情况进行监视、分析、决策和控制，这就是电力系统的自动化系统要完成的任务。电力调度自动化系统包括三部分：数据采集和监控系统，也称SCADA系统（Supervisory Control And Data Acquisition System）、在线高级分析应用软件(PAS, Power System Analysis)和调度员培训仿真系统（DTS, Dispatcher Training System）。所谓电力系统调度，就是运行人员通过控制策略来控制电力系统的运行方式，使之无论在正常或事故情况下，都能符合安全经济及高质量供电的要求。它的主要任务是保证供电质量保证系统运行的经济性保证系统运行的安全水平保证提供有力的事故后的恢复措施。为了合理监控和协调日益扩大的电力系统的运行方式和处理影响整个系统正常运行的事故和异常情况，人们在形成电力系统的最早阶段，就注意到电力系统的远程控制问题，并提出必须设立电力系统的调度控制中心。在开始阶段，由于通讯设备等技术装备的限制(如只有电话)，上行、下行信息都是通过电话传送，调度人员须花很长时间才能掌握有限的代表电力系统运行状态的信息。为了保证电力系统运行的可靠性，在事故情况下，除了继电保护装置、电源和负荷的紧急控制装置外，大多依靠调度人员和发电厂、变电所的运行人员根据这些有限的信息和运行经验，做出判断，再进行电力系统的调度和操作。在这一发展阶段，电力系统的很大一部分监视和控制功能是由电力系统的所属发电厂和变电所的运行人员直接来完成的。所以，在这一阶段，电力系统的监视和控制的快速性和正确性都受到一定的限制。随着电力系统的进一步扩大和复杂化，要求调度人员利用原有的技术装备，在很短的时间内掌握这样复杂多变的电力系统运行状态，并做出正确的判断是很困难的，甚至是不可能的。此外电能的生产是连续性的，不能储存，或者储存非常困难，一处的故障的可能会引起整个系统发生事故。因此电力系统运行的特点就必然要求电力系统调度要实现自动化。20世纪50年代兴起了远动技术，并很快应用于电力系统。远动技术和通信技术的发展，使电力系统的实时信息直接进入调度中心成为可能，远动技术使远方仪表读数和信号继电器的位置信息及时传送到调度中心，显示在模拟盘上。调度人员可根据这些信息迅速掌握电力系统的运行状态，及时对电力系统运行方式的改变做出决定，并能及时发现和迅速处理所发生的事故。但是，在复杂的事故情况下，要求调度人员能及时地掌握和分析这么多信息并能迅速做出正确判断往往是困难的。在某些情况下，反而由于大量信息的出现，使调度人员不知所措，以致延误事故处理的时间，甚至会做出错误的决定，导致事故的进一步扩大。同时，无人值班的发电厂和变电所的发展，也加重了调度控制中心的任务。因此，电力系统的运行实践向人们提出了使电力系统监视和控制进一步自动化的要求。在20世纪60年代，开始应用数字式远动设备来代替传统的模拟式远动设备，使信息的收集和传输在精度、速度和可靠性上都有一个很大的提高，使调度控制中心能正确迅速而经济地得到调度控制用的电力系统实时数据。远动装置从1对1 发展到1对N的集中控制方式，使统一处理收集到信息成为可能，并为计算机用于信息处理和调度自动化奠定了基础。在20世纪70年代，计算机直接用于电力系统调度，使电力系统监控大为改观。在开始阶段，计算机与相应的远动装置及通讯设备组成的系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视(包括信息的收集、处理和显示)、远距离开关操作、自动出力控制及经济运行，以及制表、记录和统计等功能，一般称为监视控制和数据采集系统(SCADASupervisory Control And Data Acquisition)。20世纪60年代后期，国际上出现许多大面积停电事故以后，电力系统运行的安全性已成为人们注意的中心。解决电力系统运行的安全问题，不仅要从电力系统的结构、设备的质量及其维护、各种保护措施和自动装置等方面进行努力以外，关键在于加强全系统的安全监视、分析和控制，在出现任何局部故障以后，能迅速处理和恢复正常运行，不使任何局部故障扩大为全系统事故。同时，就尽可能做到“防患于未然”，即应在计算和分析当前运行状态的基础上估计出各种可能发生的故障，采取预防性控制措施，以尽可能避免事故的发生和发展。在原有的SCADA基础上，增加了安全分析与安全控制功能以及其它调度管理和计划管理功能。这个系统被称为能量管理系统(EMSEnergy Management System)。利用这个先进的自动化管理系统，运行人员的工作已从过去监视记录为主转变为较多地进行分析判断和决策，而日常的记录工作则由计算机取代。目前，世界上已有数百个电力系统应用了以计算机为核心的调度自动化系统。第二章 DTS概述调度员培训仿真系统（Dispatcher Training Simulator, 简称DTS）的概念是1976年Latimmer在明尼苏达电力系统会上首先提出来的，1977年美国CDC公司开发出第1台DTS装置以后，1978年美国EPRI组织了关于DTS的大讨论后，DTS在国外迅速推广。我国是从1985年开始进行DTS学术研究的，1990年4月由清华大学与东北电力调度通信局合作研制的我国第1台DTS-东北电网仿真系统，在沈阳东北网调正式投入运行，此后国内多家研究单位如电科院、南自院等都开展了DTS的研制工作，开发出许多种DTS系统。经过近二十年的发展，DTS已从理论研究走向实际运用，并逐渐形成为一个产业。在我国，DTS的应用从东北、华北、和华东三大网调的试点，推广到各个网省调、大中型地调、集控中心和大型变电站，并拓展到电力培训中心和高等院校电力专业。DTS的软件功能经历了从单一到综合，从简单到复杂的发展过程。其仿真方法包括对电网的稳态仿真、准动态仿真、故障仿真、暂态仿真和全动态仿真以及对保护的逻辑仿真和定值仿真，其设备模型包括一次设备、二次设备、远动设备以及部分动力设备。早期（80年代中期前）的DTS一般是以稳态模型为主，其电力系统模型采用动态潮流算法，由于当时的硬件设备过于昂贵，对暂态过程的模拟尚不推崇。到了80年代后期，随着DTS技术和计算机技术的飞速发展，开始尝试模拟电力系统的机电暂态过程，DTS的功能更为强大。到了90年代，人们在研制DTS时，提出了系统的开放性、功能的完整性和多样性、DTS和EMS的一体化、图形化建模等更高的要求，从而大大提高了DTS的研制和应用水平。到目前，DTS已经成为成熟的商品化的仿真系统，作为调度员培训、事故分析、反事故演习、运行计划研究和编制、继电保护校核、EMS功能开发研究的有效工具，在实际的电力系统中得到了广泛的推广应用，在提高电网运行水平、防止发生事故等方面发挥着重要作用。DTS是用于培训电网调度员的计算机数字仿真系统，是电力系统仿真和调度自动化的结合，它通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障前后的系统工况，并将模拟的结果送到仿真的电力系统控制中心，为调度员提供一个不影响实际系统运行的身临其境的调度环境。通过仿真培训来提高运行人员的专业水平，预防不安全运行方式的出现，杜绝将一般事故演变成灾难性的大面积事故，已被普遍认为是最积极的反事故措施之一。因为随着电网规模的增大和商业化运营的深入开展，电网调度的日益复杂，必须要求电力系统运行操作人员拥有丰富的知识、经验和能力，能圆满地处理电力系统正常、紧急、异常和事故情况下的运行问题。而运行人员的运行经验又来自实际电力生产和操作，是在生产过程中不断总结出来的。而电力系统是一个时刻运行的关系到千家万户的系统，不允许做破坏性试验，同时出现事故的机会不多，但事故类型又多种多样，而且一旦出现事故，后果一般十分严重。另一方面，传统的调度员培训方式如跟班学习、课堂式的反事故演习、事故处理经验总结，这些方法效率低、周期长、效果差。这样一方面是电力系统的日益发展而客观上要求调度员有较强的电力系统调度运行能力，另一方面是由于相对落后的培训方式导致的调度员运行经验和能力不足，这样就产生了矛盾。图2.1DTS原理图图2.1给出了DTS的原理图。图形的右边表示实际的电网和调度系统，它通过远动设备采集电力系统中各电力设备的运行状态（如频率、潮流、电压、开关状态、继电保护信号和事故信号等），通过通信通道送到调度室的实时调度系统上，调度员坐在调度室中，面对由数据采集上图给出了DTS的原理图。图形的右边表示实际的电网和调度系统，它通过远动设备采集电力系统中各电力设备的运行状态（如频率、潮流、电压、开关状态、继电保护信号和事故信号等），通过通信通道送到调度室的实时调度系统上，调度员坐在调度室中，面对由数据采集监控（SCADA）和EMS高级应用软件共同组成的EMS系统，完成对实际电力系统的实时监控和分析决策。图形的左边表示DTS系统，它好似实际电网及调度系统的“镜像系统”，学员坐在学员室中充当“调度员”，接受培训，学员室中配备与实际调度室一致（或接近的）EMS软硬件系统（即学员台），让学员有一种身临其境的感觉；而教员一般由经验丰富的资深调度员充当，他坐在教员室里，利用教员台，在培训前准备教案，在培训中控制培训过程、设置电网事故，并充当厂站值班员，执行由学员下达的“调度命令”，并在培训结束后评价学员的调度能力。其中电力系统模型和远动设备模型分别是实际电力系统和远动设备的数字仿真。自从DTS出现后，该系统的成功运行可以大幅度提高调度员的素质和调度水平，进而大大提高电网的安全、优质、经济和商业化运行水平，具有重大的社会和经济效益。“九五”期间国电公司提出EMS应用软件要进一步规范化，并下文将EMS规范化分为4部分：发电控制类、发电计划类、网络分析类和调度员培训模拟。由此可见，DTS在我国电网各级调度自动化部门已受到人们的高度重视。DTS数学模型复杂，包含电力系统一次设备长过程的模拟及二次设备的模拟，数据维护量大，操作种类多，画面信息量大，包括教案制作、培训评估等，运行模块多，开发周期长，实用效果显著，又被许多专家称为EMS的宝塔尖。第三章 实验平台介绍本仿真实验教学系统是以清华大学研制的电力系统调度自动化产品 TH2100系统为平台，TH2100系统是由清华大学电机系统集多年理论研究成果和工程经验开发而成，它的研发始于70年代末，首先是电网调度自动化中的EMS高级应用软件的理论研究；80年代后半期，在东北电网开始进行实时状态估计、静态安全分析和最优潮流等EMS网络分析高级应用软件的工程应用；92年开始研制新一代基于RISC工作站的开放分布式EMS高级应用软件，采用UNIX操作系统和X-Window/Motif图形界面，使新系统可以在不同厂家的硬件平台上运行，这套操作系统于93年12月在河南省电网投入现场运行，是国内最早投入运行的开放式EMS高级应用软件。97年12开发了集SCADA/EMS/DTS一体的电力系统调度自动化系统，并首先在广西电力局中调所投入运行，这也是国内第一套投入运行的一体化调度自动化系统；基于WINDOWS NT操作系统的TH2100系统也于98年6月在江苏南通供电局投入运行，这还是国内第一套基于WINDOWS NT操作系统的一体化系统。此外，基于自由软件LINUX操作系统的TH2100系统也在1999年研制成功，并在广西玉林供电局投入运行，这是目前国际上第一套基于Linux操作系统的调度自动化系统。清华大学凭借雄厚的科研实力，还相继开发出国内第一套省网和地区网联合培训的电网仿真培训系统，于2000年吉林电力培训中心投入运行；国内第一套跨平台的TH2100一体化系统，于2000年浙江湖州地调投入运行。一、TH2100系统的特点TH2100系统是一个集SCADA/EMS /DTS三套系统的一体化系统，但它的配置又是灵活的，系统的三大功能可以随意组合而不影响系统的稳固性。一体化系统主要有如下特点： 支撑平台的一体化。采用统一的支撑平台，包括：数据库管理系统、图形和人机交互系统、网络通信系统、进程管理系统等。使SCADA、EMS和DTS应用系统的人机界面的风格保持一致，用户易于掌握和使用系统。用户只需维护好一套图形数据库，SCADA、EMS和DTS两套系统即可正常运行。另外，一体化支撑平台提供的统一的应用开发接口使系统的二次开发变得容易。 应用功能的一体化。SCADA、EMS和DTS功能一体，应用系统内部无缝连接，每台工作站可以同时运行SCADA、EMS和DTS应用系统，不但使用方便，而且节省了硬件投资。 数据结构和应用程序级的一体化。SCADA、EMS和DTS应用系统的数据结构保持一致，相同的功能和算法细节采用完全相同的源代码，即SCADA、EMS和DTS在软件上实现了最大程度的可重用性，从而实现了传统EMS和DTS功能的互补，使TH2100-DTS成为一套集电网仿真、调员培训和电网分析研究功能于一体的功能强大的综合系统。 跨平台。服务器/工作站模式下既可以选全UNIX方案、也可以选全WINDOWS NT方案，还可以选优越的“UNIX服务器+WINDOWS NT工作站”的跨操作系统方案。在仿真教学实验系统中我们先用的是服务器采用Windows NT操作系统，工作站采用Windows 2000操作系统，集系统的安全可靠性和简单易用性于一体。二、仿真实验系统的结构和功能：1 硬件结构及功能本仿真实验系统的主要硬件配置如下：教员工作站（教员台），学员工作站（学员台），视需要可以配更多的微机，打印机，投影仪，HUB等网络设备。如果需要还可配上一个EMS工作站，用于独立运行某些PAS应用程序。硬件结构图如下图所示，由教员台、学员台、投影仪、打印机，这些设备组成基于服务器/客户机模式，其中教员台同时充当服务器的角色。虚线方框外是仿真实验系统的主站端，通过一个数据映射接口程序与模拟厂站端联系，并从模拟厂站端中获取运行数据，所有学员台从教员台中获得仿真实验的教案，独立进行各自实验；所有学员还可从投影仪观看教员的实验演示。教员台Instructor Position（IP），Instructor ：也称教员系统，教员使用的硬件和软件环境的总称，包括教案制作与管理、教员对培训过程进行监视、控制和评价功能的软件模块。教员台上运行的是SCADA的后台功能和PAS分析功能，它接收模拟厂站端采集过来的数据，进行规约转换、打包并向DTS网广播，这样各个学员台通通信系统过可获得电网运行数据， DTS的教员工作站在相当于这里起一个网桥的作用。学员台Trainee Position（TP）：也称学员系统，学员使用的硬件和软件环境的总称，应尽可能与实际的控制中心环境一致，它具有EMS的各种功能，是培训仿真器中学员所面对的环境，包括网络分析（NA）、数据采集和监控（SCADA）、自动发电控制（AGC）等功能。DTS给用户提供了两种运行环境，控制中心环境和电力系统仿真环境。其中控制中心模型一般是能量管理系统的完整拷贝，而电力系统模型应该是对电力系统高度逼真的模拟。在培训过程中，教员可以面对两种环境，而学员只能面对控制中心环境，即只能从模拟的控制中心环境（即SCADA和AGC等）中观察电力系统的运行状态。模拟厂站端：它模拟的是远动系统，将实际电网运行的断面数据从接口文件中映射到实时数据库中，供状态估计程序使用。数据包括：功率、频率、电压幅值、开关/刀闸状态、事故信号、变压器分接头档位等。投影仪：用于教员进行教学实验演示。2 软件结构及功能仿真教学实验系统由三部分构成，即系统软件、应用支撑软件及应用软件三部分组成。系统软件包括：操作系统（采用WINDOWS NT）；开发平台（采用VC+）；商业数据库（采用SQL SERVER 2000）。应用支撑软件包括：分布式实时数据库系统；全动态图形系统；网络通信系统；人机界面系统；在线事件处理软件。应用软件包括：电力系统模型；学员系统；教员系统。其结构如图3.2所示。操作系统平台(UNIX、Windows NT或Linux)系统支撑平台（数据库、图形维护、设备建模、事件处理、网络通信等）电力系统模型教员系统学员系统仿真运行评估系统图3.2 DTS系统结构图3.3展示了DTS系统主要软件部分的功能构成。图3.3 仿真教学实验系统软件组成结构DTS中的电力系统模型包括稳态模型和动态模型两部分。其中稳态模型考虑系统操作或调整后电网潮流的变化和系统频率变化，采用动态潮流算法来模拟，不考虑机电暂态过程，可用稳态电量来启动自动装置，并用逻辑方法来模拟继电保护，这种模型主要应用于调度员培训、运行方式安排和反事故演习等。动态模型考虑故障或操作后发电机的机电暂态变化过程，可用暂态变化过程中电量值来启动自动装置和继电保护。这种模型考虑了暂态过程，主要应用于运行方式研究、事故分析和继电保护校核等。学员系统包括SCADA模型和EMS模型两部分。SCADA模型中的前置模拟模块负责扫描接收和处理“教员台”上远动系统模型发送过来的遥测、遥信等数据，并负责处理各种遥调遥控命令，将合法的调控命令通过网络通讯、远动系统模型作用到“教员台”上的电力系统模型上去，来实现遥调遥控功能的仿真。SCADA应用实现了SCADA系统的各种后台功能。还能完成EMS系统的各种应用功能。在“教员台”上，电力系统仿真服务器负责对电力系统进行仿真，一体化系统启动初始化时，可在教案库中指定某一教案作为电力系统的运行工况，而电力系统模型按照指定在教案初始条件中的负荷/发电曲线以及指定在事件表中的操作事件等运行工况来运行。在仿真运行过程中，可以通过教员操作台实时地方便地对电力系统模型进行各种操作和事件设置，来灵活地改变电力系统的运行工况。仿真运行评估系统。一方面，可利用EMS高级应用软件功能，采集电力系统模型的状态进行电网的安全经济运行评估，功能如：研究态潮流、安全经济评估、校正对策分析、自动故障选择、灵敏度分析、最优潮流、电压稳定分析、暂态稳定分析等。另一方面，可以实现培训评估：报告系统的功率、电压、电流和频率越限的情况、失电情况、网损情况等，以供教员在评估学员水平时参考；另外教员可根据培训教案的难易确定基准分，计算机根据培训过程中电网运行的误操作情况、供电可靠性、安全性、电能质量、经济性等几个方面的调度失误自动分门别类给出评估报告。图3.4 高级应用软件模块结构图TH2100系统是新一代调度员培训仿真系统，它实现了DTS与SCADA和EMS的真正一体化，可以应用于调度员培训、电网安全稳定经济分析、事故重演和分析、运行计划研究和制订、EMS功能开发和研究、电力系统调度自动化的教学和科研等目的。 第四章 实 验 项 目 实验一 电力系统有功功率分布及分析一、 实验简介本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行，该模型有三台发电机与三台双卷变压器各自形成单元接线，高压侧电压220kV，六条220kV线路彼此连接形成环网。通过本实验，让学生了解电力系统潮流分布中有功功率P的一些特点。二、 实验目的首先通过本实验让学生认识及学会应用本仿真教学实验系统，学会对相关电力元件进行简单操作；学会观察电力系统的潮流分布状况，并记住某些元件(节点)的具体潮流值；本实验主要内容是让学生认识电力系统潮流中有功功率P的分布特点，通过实验操作了解影响有功功率P分布的因素。三、实验原理图4.1所示为一条线路的等值电路图。假设和为线路ij的有功及无功潮流，两端节点电压分别为和，其它参数如图所示。则有假设图4.1 线路等值电路图图1 线路等值电路图, sin, cos,上式可以简化为式中是线路电抗。 四、实验内容1 记录全网各节点电压的幅值及其相角；观察并记录有功P方向；2 依据实验要求，按照实验步骤调节发电机的有功功率P值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的有功P方向；3 重复以上实验操作步骤，调节负荷的有功功率P值并记录下变化后的节点电压的幅值及其相角值；观察并记录操作后的有功P方向；4 分别对上述两个步骤的实验数据进行对比分析，观察有功P对各个电气量影响的不同，并按要求作图予以分析说明；5 对比(2)、(3)步骤的实验数据结果，并根据(4)所作的图示予以分析说明；6 最后对所做实验及其数据结果，结合课本的相关知识点做实验总结，并回答文后问题。五、实验步骤及要求1 启动仿真系统运行桌面的仿真系统启动快捷方式文件desktop.exe，启动EMS，点击屏幕左下方出现一个图标，右键点击图标，选择“切换到EMS”菜单项，左键点击图标的右下方，则可以收缩或展开工具条，（注：在图标的左上方按下鼠标左键不释放，则可以拖动图标，用户选择屏幕合适的位置后松开左键即可），在弹出的登录窗口中点击“确认”；后在展开的EMS菜单条中点击“系统工具”中的“工作平台”项。通过“工作平台”窗口中的默认首页画面可以选择不同的典型电网系统，点击相应的跳转图元即可以进入潮流图画面。在当前窗口菜单栏中部有一个选择性下拉式菜单，当前的默认应用模式为“SCADA”，左键点击菜单，选择“状态估计”项，可以观察到“报警窗口”中出现的系统遥测的统计信息和状态估计的统计结果。当“状态估计”的结果为99左右时，表示系统的模型与数据正常。从该下拉式菜单中选择“调度员潮流”项，就进入实验平台窗口。为方便起见，一般建议大家都选择九节点系统的全网图进行实验操作，打开九节点系统树形结构图，点击“其它”项，选择“九节点全网潮流图”。2 实验项目及操作步骤在当前的九节点全网潮流图中，观察各线路有功功率P的方向和线路首末端电压相角的差值方向；记录各节点电压幅值和相角数据。（待改）母线名S9Bus1S9Bus2S9Bus3S9BusAS9BusBS9BusCU(幅值)(相角) 选择1号发电机进行操作。在窗口中选中1号发电机，按右键，在弹出的菜单中选择“功率调节”，在出现的对话窗中调节1号发电机有功功率P，依次调节功率，每次递增10MW，共操作十次，记录下每次操作后1号发电机有功功率P的值、各节点电压的幅值和电压相角值。参照下表发电机有功P母线名S9Bus1S9Bus2S9Bus3S9BusAS9BusBS9BusCU 第步实验完成后，重新点击“量测分析”、“状态估计”、“调度员潮流”重新返回基态潮流，或者点击“调度员潮流”窗口上菜单栏“调度操作”项，选择“清除操作”项，系统便返回初始基态潮流。选择母线C上的负荷进行操作，在窗口中选中负荷，按右键，在弹出的菜单中选择“负荷功率调节”，在出现的对话窗中调节负荷有功功率P。依次调节功率，每次递增10MW，共操作十次，记录下每次操作后负荷有功功率P的值、各节点电压的幅值和电压相角值。负荷有功P母线名S9Bus1S9Bus2S9Bus3S9BusAS9BusBS9BusCU六、实验数据记录1 首先用以下表格记录基态下的发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压和其它母线电压，并同时记录下此时1号发电机的有功P值。2 每一次操作后用以下表格分别记录调节发电机功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角以及其它母线电压幅值和相角，并同时记录下每一次1号发电机的有功P值。3 重复利用表格分别记录调节负荷功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角、其它母线电压幅值和相角的值，并同时记录下每一次负荷的有功P值。七、实验数据分析1. 分别对发电机机端电压、变压器高压母线电压、普通线路(连接处)的节点电压幅值和相角，记录各自实验数据；2. 分析有功功率P的变化分别对发电机机端电压、变压器高压侧母线电压、及其它母线电压的影响；3. 分析有功功率P的变化分别对发电机机端电压相角、变压器高压侧母线电压相角、及其它母线电压相角的影响；4. 以表格的实验记录作为数据源，作图分别表示、的曲线。例如下图分别为有功功率对母线电压相角和电压幅值的关系。八、实验报告1、给出实验采用的仿真电网模型图。2、给出每一次实验步骤所记录的实验数据。3、采用图、表或文字手段，分析实验数据，得出实验结论。4、回答本节实验文后的问题。5、实验小结和体会。九、问题1请给出本实验的理论依据；2欲调节电压相角，调有功P有效还是调无功Q有效？3想要调节水轮发电机的出力P应调节什么控制量？如想要调节汽轮发电机的出力P又应调节什么控制量？实验二 电力系统综合调压措施分析一、 实验简介本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行。本实验内容与课程“电力系统稳态分析”第三章“简单电力网络的计算与分析”中第一节的内容相关，通过本实验，让学生了解电力系统对电压调整的各种手段。二、 实验目的1. 让学生学会应用仿真系统对模拟电网的节点电压进行调节；2. 对比发电机和负荷无功功率对节点电压的影响；3. 了解电抗器与电容器对电压调节的不同作用；4. 让学生能借助仿真电网的潮流状态进行初步的无功补偿容量计算；5. 让学生用电压损耗公式验算计算结果；三、实验原理1. 先以一条线路作例子。图4.2.1所示为一条线路的等值电路图，其模型与实验一的线路模型相同。线路潮流如图所示，则首末端节点电压有如下关系：图4.2.1 线路等值电路图由于可以近似认为其中 另外，在实际中常通过灵敏度分析找出被控变量和控制变量之间的线性关系。假设潮流方程用以下式子表示：f(x，u)=0其中x是状态量，通常取为节点电压的幅值和相角；u为控制量，通常取为发电机有功出力、机端电压、变压器分接头等可调变量。将上式在某一初值附近展开为一级泰勒级数两个偏导数分别在x(0)和u(0)处取值，就有就称为状态变量和控制变量之间的灵敏度矩阵，其元素表示控制变量的单位变化引起的状态变化的变化量。为便于理解，下面以一个例子来说明：如图4.2.2，1为PQ节点，2为PV节点，3为平衡节点，支路1-3为变压器支路。状态变量、控制变量和被控变量分别为 试求其灵敏度矩阵。图4.2.2三节点系统2. 补偿容量计算图4.2.3如图4.2.3所示简单系统，列出设置补偿设备前电压降落表达式(忽略横分量)，有式中，为补偿后归算到高压侧的变电所低压母线电压值。列出设置补偿设备后式中，为补偿后归算到高压侧的变电所低压母线电压值。由此式可解得略去第二部分后，得到简化表达式可用此式近似估算补偿容量，或已知电容器容量，近似估算补偿后的母线电压。四、实验内容1. 任选验证公式是否成立。2. 调节各发电机的无功Q，对比不同发电机对某一母线的调压作用。3. 调节负荷的无功功率Q值对比不同负荷对某一母线的调压作用。4. 调节各变压器分接头，对比不同变压器对某一母线的调压作用。5. 比较第2、3步骤的实验数据，按要求作图予以分析说明。6. 应用仿真系统中的灵敏度分析法对指定母线电压进行灵敏度分析。7. 对比电抗器和电容器的调压作用。8. 估算并验证电容器补偿容量。9. 对实验数据做小结，回答文后问题。五、实验步骤及要求1 启动仿真系统运行桌面的仿真系统，登录后，选择“ems”模式，选择“系统工具”“工作平台”，启动工作平台，选择“调度员潮流”，进入EMS的“调度员潮流”项，选择“九节点全网潮流图”作为实验平台。2. 实验项目及操作步骤1) 手工验算电压损耗在当前的九节点全网潮流图中，观察并记录各线路首末端有功功率P、无功功率Q以及各节点电压的幅值，任选线路如lineAto2，根据第三章第一节中的电压损耗计算公式，手工计算电压损耗，并验证首末端电压。线路功率LNAto1LNAto2LNBto1LNBto3LNCto2LNAto3P(首端)Q(首端)P(末端)Q(末端)在当前“调度员潮流”窗口中，右键选中线路lineAto2，选“线路参数查询”，获得该线路电阻、电抗标么值，将其变换为有名值后，便可进行计算。2)参阅报警窗口的遥测统计信息，选择九节点全网图中电压最低点如母线A，并对该点电压进行调节。2号发电机进行操作。在窗口中选中2号发电机，按右键，在弹出的菜单中选择“功率调节”，在出现的对话窗中调节21号发电机无功功率Q，使Q增大约20MVar，记录下母线A的节点电压的幅值和电压相角。参照以下表格。母线名基态QG+Q1QG+Q2QG+Q3QG+QnS9Bus2电压S9Bus2相角3) 第2)步实验完成后，重新返回系统基态，选择母线S9Bus2上的负荷进行操作。在窗口中选中负荷，按右键，在弹出的菜单中选择“负荷功率调节”，在出现的对话窗中调节负荷无功功率Q，使Q增加约20MVar，记录下每次操作后母线A的电压的幅值和电压相角；4) 返回系统基态潮流，分别调整1，2，3发电机所连接的变压器1、2、3的分接头，比较哪一台变压器对改变母线A的节点电压的最有效。具体做法，在“调度员潮流”状态，选中1号变压器，按右键，选“分接头调节”，将其分接头位置上调或下调一个档位，观察并记录下所有变压器高压侧母线的电压变化情况（对于1变压器为S9Bus1，对于2变压器为S9Bus2，对于3变压器为S9Bus3）。返回系统基态潮流，分别对变压器2、3重复这一实验步骤，观察并分别记录下，变压器高压侧母线的电压变化情况。5) 作母线S9BusA电压的灵敏度分析。“在研究态1”运行环境下，点击“量测分析”、“状态估计”、“静态安全分析”进入实验操作平台，继续点击“状态”用鼠标点击并选中“母线S9BusA”，点击右键，选择 “灵敏度分析”，在弹出窗口中的“受控参数”框中选择“电压”，在右侧的“控制参数”框选中复选项 “负载无功功率”、“发电机电压”、和“电容无功功率”三项，按“确定”后仿真系统便会自动计算并给出各台发电机的负荷无功功率、发电机电压以及各个电容无功功率对母线S9BusA电压影响的报表；六、实验数据记录1. 用以下表格记录线路lineAto2首末端有功功率P、无功功率Q及其首末端节点电压之值。2. 每一次操作后用以下表格分别记录调节发电机无功功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角以及其它母线电压幅值和相角，并同时记录下每一次1号发电机的无功Q值。3. 重复利用以下表格分别记录调节负荷功率后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角、其它母线电压幅值和相角的值，并同时记录下 每一次负荷的无功Q值。4. 重复利用以下表格分别记录调节变压器分接头后，发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压幅值和相角、其它母线电压幅值和相角的值，并同时记录下变压器档位的位置。七、实验数据分析1分别对发电机无功功率Q对各节点电压幅值和相角的影响，记录各自实验数据；2分析负荷无功功率Q的变化分别各节点电压的影响；记录各自实验数据；3分析变压器分接头位置分别对系统各节点电压及相角的影响；4记录灵敏度分析结果数据表，并利用该结果分析电容器补偿容量；八、实验总结及实验报告1电网模型图2实验数据记录3实验结果的分析论证4实习总结和体会九、问题1步骤2中，哪一种调压手段更有效些？为什么？2从本实验的结果看出，要调整电压不合格点电压，最优先采用的调压手段是哪一种？为什么？而最有效的手段又是哪一种？3如果想降网损，前提不能减出力、不能减负荷，如何通过各种调压手段进行调节？实验三 电力系统有功-频率分析一、 实验简介本实验采用仿真教学实验系统中的九节点电网模型来进行。本实验内容与课程“电力系统稳态分析”第五章“电力系统的有功功率和频率调整”第三节的内容相关，通过本实验，让学生了解电力系统有功与频率的关系，有功缺额的后果，对比单台发电机和系统所有发电机对频率的调节效应。二、 实验目的1. 应用仿真系统进行电网功频特性计算。2. 通过实验数据求各台发电机对频率的单位调节功率。3. 通过实验数据求系统对频率的单位调节功率。三、 实验原理图4.3.1如图4.3.1所示，分别有发电机功-频曲线和负荷功频曲线，系统初始状态在()。当负荷突增时，发电机响应不及，系统频率下降。此时发电机在“一次调频”作用下，增发，负荷也在本身的调节效应下减少，其实际增量为。在二者作用下，当时，系统在()达到新平衡。即如果系统有多台发电机参与调节， 有四、实验内容1. 求单机参与功率调节时的系统单位调节功率。2. 求三台发电机均参与功率调节时的系统单位调节功率。五、实验步骤（应该在DTS中进行）启动仿真系统。运行桌面的仿真系统，登录后，选择进入“调度员潮流”项，打开九节点系统树形结构图，选择“九节点全网潮流图”。1. 实验项目1)调整负荷容量，从“报表系统”中的“子系统信息表”中查看系统当前频率值、有功缺额等。每次增加负荷P=10MW，记录频率差值，求每个小系统的，描出系统功频曲线。第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次第十次PD值f值2) 返回初始状态。退出2、3号发电机，形成1个单机系统，发电机满载，调整任一负荷的有功功率，使负荷P大于发电机的Pmax，从“报表系统”中的“子系统信息表”中查看当前频率值、有功缺额等。在基础上每次增加负荷P=10MW，记录频率差值，求此时系统的，描出系统的功频曲线。对另两台发电机重复该实验步骤。第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次第十次PD值f值3) 返回初始状态。将九节点系统三台发电机均投入运行并参与功率调节，每台发电机的出力调到最大后，参照上述做法，增大负荷的有功P，共调十个值，记录下每次P与f的值，求系统的，描出系统发电机和负荷的功频曲线。第一次第二次第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九次第十次PD值f值六、实验数据分析1. 利用记录下的P和f的数据计算各和。2. 描出和功频曲线；3. 能否根据功频曲线，在图上做出功频曲线？七、实验总结及实验报告1电网模型图2实验数据记录3实验结果的分析论证4实习总结和体会八、问题1在一个实际运行的电网中，假设系统有功出力缺额，单独依靠发电机自身“一次调频”能力使系统重新平衡（不计负荷调节），系统的频率值为f1；单独依靠负荷自身调节效应使系统重新平衡（不计发电机调节），系统的频率值为f2。问二者是否相等？2有人说，一号发电机的发电容量大于2号发电机，因此选调频机的时候应优先选一号机？实验四 电力系统潮流控制分析一、实验简介本实验采用九节点电网模型，本实验内容与课程“电力系统稳态分析”中第三章“简单电力网络的计算与分析”中第一节的内容、第四章“复杂电力系统潮流的计算机算法”第三节及第四节的部分内容相关。通过本实验，了解影响系统潮流分布的特点和影响系统潮流分布的因素。二、 实验目的1. 了解有功功率P对系统潮流分布的影响。2. 了解无功功率Q对系统潮流分布的影响。3. 了解变压器变比K对系统潮流分布的影响。4. 了解影响系统网损和线损的因素。三、 实验内容1. 对比发电机及负荷的有功功率P对线路潮流分布及线损的影响。2. 对比发电机及负荷的无功功率Q对线路潮流分布及线损的影响。3. 观察并理解变压器分接头的位置或变比对系统线路潮流分布及线损的影响。4. 验证对比变压器分接头在优化位置下和非优化位置下对系统线损的影响。四、 实验步骤及要求运行仿真系统，进入 “调度员潮流”项，打开九节点系统树形结构图，选择“九节点全网潮流图”。1 实验项目及操作步骤调发电机有功P在“调度员潮流”窗口中，先记录当前状态下的发电机出力、线路潮流和节点电压。再选中1号发电机，按右键，在弹出的菜单中选择“调节发电机功率”，拖动滑条，让有功P递增20MW，按“确定”后，观察各线路潮流P、Q及节点电压U的变化。用以下参考表格(表1表3)记录数据。表1：发电机出力发电机功率值1号机2号机3号机PQ表2 母线电压 母线电压值Bus1Bus2Bus3BusABusBBusCU表3 线路潮流(只记录首端)功率值线路名LineAto1LineAto2LineBto1LineBto2LineCto1LineCto2PQ调发电机无功Q步骤1完成后，选择“调度员潮流”窗口上菜单栏“调度操作”项，选择“清除操作”，系统便返回初始基态潮流。重新调节2号发电机的无功功率Q，按功率递增10MVar，观察各线路潮流P、Q的变化及节点电压U的变化。用步骤1的参考表格(表1表3)记录数据。调负荷有功P参照上述做法将系统返回基态。选中负荷LD21，按右键，选择“调节负荷功率”，拖动滑条，改变负荷有功功率P值，使功率递减10MW，观察各线路潮流P、Q的变化及节点电压U的变化。并将结果第1项结果比较。用步骤1的参考表格(表1表3)记录数据。调负荷无功Q将系统返回到初始状态。按照上述做法改变负荷LD21的无功功率Q值，使无功递减10MVar，观察各线路潮流P、Q的变化及节点电压U的变化。并将结果第2项结果比较。用步骤1的参考表格(表1表3)记录数据。调变压器分接头将系统返回到初始状态，实验开始前，点击“报表分析”项，在“结果列表”项中选择“系统总加”项，在打开的文本表格中记录当前系统的有功功率值P和无功功率值Q。选中1号机升压变，按右键后选择“调整变压器分接头”，将分接头调高一档，观察各线路潮流P、Q的变化及节点电压U的变化。并重新打开“系统总加”项，记录当前系统的有功功率值P和无功功率值Q。将系统返回到初始状态。重选中1号变，将其分接头调低一档，观察各线路潮流P、Q的变化及节点电压U的变化。并重新打开“系统总加”项，记录当前系统的有功功率值P和无功功率值Q。参照下表记录数据。 功率值档位 LineAto1LineAto2LineBto1LineBto2LineCto1LineCto2系统总加P(档位+1)Q(档位+1)P(正常档位)Q(正常档位)P(档位-1)Q(档位-1)线损分析返回基态潮流。参照步骤方法调整负荷有功，使P增加20MW，无功不变。然后点击“报表分析”项，在“结果列表”项中选择“线路损耗”，在打开的文本表格中记录当前运行状态中各线路的线损值。返回基态潮流。参照步骤方法调整负荷无功，使Q增加20MVar，有功不变。然后点击“报表分析”项，在“结果列表”项中选择“线路损耗”，在打开的文本表格中记录当前运行状态中各线路的线损值。功率值档位LineAto1LineAto2LineBto1LineBto2LineCto1LineCto2系统总加P(档位+1)Q(档位+1)P(优化档位)Q(优化档位)P(档位-1)Q(档位-1)五、实验数据记录1. 首先记录基态下的发电机端电压幅值和相角、变压器高压侧母线电压、各线路潮流，并同时记录下此时1号发电机有功P和无功Q值。2. 每一次操作后记录相应的线路潮流、节点电压等。3. 可以利用系统的“报表系统”选择与实验相关的数据表。六、实验数据分析1. 对实验项目、和，可以多做几组数据，便于图示分析。七、实验总结及实验报告1电网模型图2实验数据记录3实验结果的分析论证4实习总结和体会八、问题1. 步骤1和步骤5实验结果一样吗？二者有些什么区别呢？2. 对比步骤3和4的有何区别？为什么？3. 为什么会有线损？线损的构成主要有哪些成分？ 4. 从实验步骤3中的记录情况，谈谈你对线路损耗的认识。5. 如果各110kV线路承担的输送功率长期满负荷运行，有何方法可较好地解决线损过高问题？实验五 电力系统不对称故障计算及分析一、实验简介本实验采用九节点电网模型进行，调用EMS中的“故障分析”高级应用功能。本实验内容与课程“电力系统暂态分析”第四、五章“对称分量法及元件序参数和等值电路”、“不对称故障的分析计算”中内容相关，通过本实验，加深对不对称故障现象的认识和理解。二、实验目的1. 让学生加深理解不对称故障的特点，对不对称故障后各相的电气量变化规律有初步和形象的认识。2. 对比不对称故障与对称故障下的短路电流大小。3. 对比不接地系统与接地系统的故障电流特点。4. 对比不接地系统与接地系统的序网状况。三、实验内容1. 对比线路两相短路前后各故障相和非故障相的电气量的变化。2. 比较线路在相同地点三相短路和两相短路时的短路电流的关系。3. 比较线路在相同地点两相相间与两相接地短路时三序分量及特点。4. 对比中性点不接地和中性点接地时，在线路相同地点发生单相接地，接地点故障电流的区别及各节点电压的分布状况。四、实验步骤及要求启动仿真系统。运行桌面仿真系统启动文件，进入EMS下“工作平台”，在当前窗口下拉式菜单中依次执行“状态估计”、“故障分析”，在“故障分析”窗口下将所有接地刀合上。具体操作方法是：选中接地刀，按右键，选“执行中性点接地刀操作”，则原来断开的接地刀就闭合。执行同样操作，也能使原来闭合的接地刀就断开。1.实验项目及步骤两相短路故障相与非故障相对比为便于实验，首先“调度员潮流”状态下分别断开2号、3号升压变高压侧断路器，构成单电源辐射线路。具体做法是：点击选中断路器，按右键，选“开关(刀闸)变位”，在弹出窗口中选“确定”，便完成操作。而后再进入“故障分析”。在九节点全网图中对线路LineAto2设置两相故障：点击选中线路LineAto2，按右键，在出现的菜单项中选“设置故障”，在弹出的窗口中的“故障类型”选择“AB相短路”，故障位置在线路首端(50%)，故障持续时间设为50ms，按确定后，在菜单栏上选择“请求故障计算”，系统便进行故障计算。再点击菜单栏窗口中部“功率潮流”下拉式菜单，分别选择“故障正序”、“故障负序”、“故障零序”、及“故障A相”、“故障B相”、“故障C相”等，电网元件模型上便会出现相应的不同的值，记录下各状态下各线路的故障电流和母线电压。参考以下表格。表1 母线电压电压值母线Bus1Bus2Bus3BusABusBBusCU电流值线路名LineAto1LineAto2LineBto1LineBto2LineCto1LineCto2I(首端)I(末端)比较三相短路和两相短路故障电流是否满足为便于实验，首先“调度员潮流”状态下分别断开2号、3号升压变高压侧断路器，构成单电源辐射线路。具体做法是：点击选中断路器，按右键，选“开关(刀闸)变位”，在弹出窗口中选“确定”，便完成操作。而后再进入“故障分析”。在九节点全网图中对线路