西南交通大学电力系统实验报告2

1、电力系统及其自动化实验报告 姓名： 学号： 电力系统及其自动化实验(一)实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 2016年3月15日1.实验内容：实验的目的：1、通过模拟牵引供电系统，了解牵引供电系统的结构及工作过程；2、了解认识微电网及控制实验系统；3、了解西南交通大学施耐德电气联合实验室。实验的原理：1、牵引供电系统实验室初步设计的联合实验室平台体系架构，平台的设计在充分考虑供电可靠性、实验室布局与实现不便的客观条件的基础上，最大限度地保留了铁路牵引供电系统与配电系统的特点。采用 400V 配电网络来模拟实际铁路的 10kV 配电。同时，依托施耐德电气强大的行业背景，通过采用相应智能设

2、备方便地实现了对整个实验室系统的集中管理、保护与控制自动化、电能质量监测等。牵引供电部分模拟实际牵引变电所，通过升压变压器将 10kV 升至 27.5kV 为牵引负荷供电。配电部分模拟铁路配电网，采用 400V 电压模拟实际线路采用的 10kV 电压。在一级负荷贯通线路上设置有故障模块，模拟实际铁路配电线路的各种故障，借以观察故障后保护以及断路器等的动作情况，实际铁路配电网络中的分段装置开关房用施耐德电气的配电柜来模拟。2、微电网及控制实验系统微网系统是一种相对于配电网规模较小的分散式独立系统，它基于以现代电力电子技术，将风电，光伏发电，储能设备组合在一起，直接供小型用户使用，它可以被视为电网

3、中的一个可控单元，在短时间内动作以满足外部输配电网络及负载的需求。 微电网保证以下功能： 1) 任意电源接入对系统不造成影响，确保人员电气安全； 2) 自主可选择运行点，微电网控制应该做到能够基于本地信息对电网中的事件进行反映，并自动切换至独立运行方式； 3) 并网或脱网平滑； 4) 有功无功独立控制； 5) 具有校正电压跌落和系统不平衡能力该系统由 6 个子系统组成，每个子系统有主要控制器通过以太网上层计算机进行高速实时通讯。各子系统内部运行通过子系统逆变器独立控制。如下图所示3、西南交通大学施耐德电气联合实验室采用400V配电网络来模拟实际铁路的10kV配电。整个平台由10kV单电源供电，

4、进线侧配置施耐德电气ION7650电能质量监测仪表与Sepam微机保护等装置实现对电源进线处电流、电压、功率、电度、功率因数、频率、谐波、最大/最小值等状态量的监测、断路器的控制。10kV电源出线均配置Sepam微机保护装置确保系统安全运行。整个平台可分为3大部分，分别是牵引供电、铁路配电以及监控系统。 借助施耐德电气的 PowerLogic 配电监控系统，本部分预期实现如下功能：1设备保护：由SEPAM系列微机保护装置来满足不同高压设备（如线路、变压器、电动机、电容器、母线等）的保护功能要求。2运行监视：监视主机实时显示系统的主接线图和电气设备的运行状态以及设备的各种电气参数，数据按画面刷新

5、时间自动更新，并按整定的限制自动改变颜色以表示不同的运行状态，如过负荷时，对应的运行参数变色并发出报警信号。3远程控制：在监控主机上实现对断路器等电气设备的控制操作。4报警和事件管理：设定多种报警，在故障发生前获取相关信息，避免事故；在故障发生后，提供有关的原因、时间和电气参数值等信息，便于快速排除故障。此外，还可以对设备状态的改变、保护整定值变化的事件进行管理。5历史数据管理：系统可生成各种运行统计报表和图形（曲线、棒图、饼图等），显示、打印历史数据、报警和事件记录、各种运行统计报表，打印方式可设定为召唤、随机和定时方式。6电能管理：通过对系统数据的分析和进行成本核算得到电能消耗模式和识别主

6、要的耗电源，帮助用户有效的管理负荷以控制波峰电价时的用电，减少非正常耗电，最终实现降低电能花费的目的。7通讯功能：所有的现场智能设备均带有通讯接口，实现与监控主机的通讯。同时，系统也可以方便的与其他自动化系统进行通讯，实现自动化系统间的信息共享。实验室内综合自动化采用以太网通信代替光纤以太网。由各部分电源进线、母联断路器和负荷开关采用SCADA（供电系统管理自动化）远动控制和就地控制（实现系统的遥控、遥信、遥测）。通过通信和监测来实现远程电网管理。2.心得体会：通过对含新能源的微电网控制系统的学习，我认识了光伏发电、风力发电系统的运行与控制的关键技术，了解了光伏发电、风力发电系统运行与控制的相

7、关技术原理。通过牵引供电系统模型机车的运行参观，以及赵老师对系统各个组成部分的详细讲解，让我对铁路机车上的牵引供电系统了了更加直观的认识。该实验室平台最大限度地保留了铁路牵引供电系统与配电系统的特点，清晰明了的展示了牵引供电系统的每一个部分。通过此次参观实验，更加激发了我对牵引供电系统的兴趣。参观西南交通大学施耐德电气联合实验室之后，熟悉和掌握了铁路配电系统的结构与功能以及铁路配电系统的故障处理方案，在老师进一步讲解了供电的工作原理之后更加深了我们对知识点的理解。电力系统及其自动化实验(二)实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 2016年3月29日1.实验内容：实验的目的：1、熟悉工业监

8、控模拟系统调度中心的结构。了解调度系统软件体系，学习使用用户界面并动手操作。探索各种功能并分析原因。2、熟悉工业监控模拟系统调度中心的结构及系统配置。能够使用调度系统软件，学习使用数据库工具并动手操作调整系统配置。探索各种功能并分析原因。3、通过遥控、遥信、遥测的接线了解RTU的组成原理及各种工作方式和信息采集原理。实验的原理：GM-2000 DAS 分布式管理自动化系统结构可以分为：调度中心、 信道、 被控端子系统。系统标配：后台处理机、操作员工作站、通信处理机、等主要网络节点设备。调度中心又称主站系统。主站系统就是接收和转发信息并进行监视控制的系统。主站系统中的通信控制器从各个远动终端取得

9、信息后，主计算机进行数据处理， 检测一些参数是不是有越限现象发生，断路器有没有变位等，并将结果通过显示器或模拟屏向调度员报告。调度员向计算机输入控制命令，向各远动终端发送断路器操作命令或调整发电机出力等控制命令。主站还要将经过处理的信息向上层调度中心转发，通常这是通过数据通信网进行的。主站的上述功能就称为SCADA（supervisory control and data acquisition）即监控与数据采集功能。下图中显示了几种目前较为常见的SCADA系统的通信网络拓扑结构方式。a图的点对点方式中，调度端与每个被控站之间有一个独立的信道进行通信，这种方式实现起来较为简单，通信可靠性高，但

10、是会占用较多的通信信道，一般用于通信信道较为充足的情况。b图中的环形方式是从调度端引出的两条全双工通道与各个被控段之间通过环形连接起来。调度端将数据发往就近的两个被控端，然后通过被控端依次向相邻的两端传送数据，直到目的站。这种结构的优点是节省通道，并且在通道上某一点发生故障时，不会影响到整个系统的通信。c图中的双T型结构又叫作双总线型结构，是总线结构与环形结构相结合的拓扑方式。他从调度端引出两条总线，各个被控端通过节点开关挂接在总线上。这种方式不仅节省通道数，而且双总线又保证了通道的可靠性。d图中的网状结构方式作为以后的一个发展方向，在目前还没有广泛的应用。在网状结构中，除了调度端与各个被控端

11、之间相连外，各个被控端之间也都有通道进行连接。这使得通信信道的可靠性大大增强，但同时也增大了系统的复杂程度。在实际工程中，以上几种网络结构往往同时存在于一个监控系统中。在本课题中，拟实现通信前置机对点对点、环形和双总线型等多种网络拓扑结构类型的处理。GM-2000型 RTU系统主要完成遥控、遥信、遥测等远动功能，主要由总控单元，控制、采集单元，交流采样单元等三个主要部分构成。系统采用多处理器分散式原则，内部采用现场局域网连接各单元。实验对象原理图：2.心得体会：通过老师对调度系统和被控站等实验平台的讲解和操作演示，我对电力系统和电气化铁道牵引供电系统远动监控技术的基本原理、构成、设计选择和通讯

12、计算原则与方法，对调度中心的系统网络构成原理，系统软件配置，调度系统的分配原则有了一定理解。本次实验较为系统和全面地介绍了最新的工业安全监控及综合自动化系统技术，对开拓自身眼界起到很好的作用。电力系统及其自动化实验(三)实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 2016年4月26日1.实验内容：实验的目的：1、熟悉和掌握高电压试验的基本技术。2、通过实验，培养同学分析问题和解决问题的能力，使同学们初步掌握进行实验研究的一些基本方法。3、树立安全第一的观点，保证人身和设备的安全是进行高压试验特别强调的问题，思想上必须自始至终保持高度的重视。4、培养同学重视实际、遵守制度、爱护国家财产和严谨踏实

13、的工作作风。实验的原理：1、绝缘电阻、泄漏电流的测量电气设备绝缘的预防性试验是保证设备安全运行的重要措施。通过试验，掌握电气设备绝缘的情况，及早发现其缺陷，从而进行相应的维护与检修，以保证设备的正常运行，防止运行中设备在工作电压或过电压作用下击穿所造成的停电甚至严重损坏设备的事故，起着预防作用。电器设备的绝缘缺陷通常有两种情况，一种是制造时潜伏下的，另一种是运行中在外界作用的影响下发展起来的。外界作用有工作电压、过电压、大气影响(如潮湿)、机械力、热化学等作用，当然这些外界作用的影响程度也和制造质量有关。目前，还不能做到电气设备的绝缘在运行中不发生明显的劣化。在电力系统中由于经常进行预防性试验

14、，发现了许多缺陷，从而减少了事故的发生。1）缘电阻及吸收比试验：一般用兆欧表测量。所谓的吸收比，就是设备绝缘60秒时的绝缘电阻与15秒的绝缘电阻的比值。对于未受潮的变压器，吸收比在1.3到2的范围内。电器设备受潮时，此比值接近。1.对于电容量不大，绝缘正常的试品，因吸收现象不显著，故无实用价值。对于电机和电力电缆，还规定测试各相绝缘电阻的不平衡系数不应大于。2.不平衡系数是指最大相绝缘电阻与最小绝缘电阻比值。2）泄露电流试验：因所加电压比兆欧表高，所以更能发现一些尚未完全贯通的集中性缺陷。如变压器套管开裂、内部受潮、绝缘油劣化、绝缘纸沿面炭化等缺陷。在不同的电压下测量绝缘的泄漏电流，对判断绝缘

15、质量有很大的作用，因为若绝缘没有什么缺陷，泄漏电流将随电压大致按线性增长。反之，如有缺陷，则泄漏电流的增长就比电压增长快，尤其在电压较高时，泄漏电流急剧增加，这是兆欧表所不能发现的。为了避免测到绝缘的吸收电流，应在加压l分钟后读取泄漏电流值。另外，还应注意消除电晕电流等干扰。还须指出：无论绝缘电阻或泄漏电流值都和绝缘的温度密切相关。温度升高时，泄漏电流急剧上升，绝缘电阻很快下降，所以在测量泄漏电流和绝缘电阻时，都要记录温度，对有的试品还要进行温度校正，本实验不作校正。2、介质损耗角正切的测量介质损耗因数和电容C用Q S-1型西林电桥测量。其接线图如下：1）测量前的准备： 、用接地线一端接仪器的

16、接地柱，另一端接可靠的大地，保证仪器外壳在地电位上。、正接线时：将高压电缆插头插入仪器HV插座中，将一的黑色鳄鱼夹夹到被测试品的高端引线上，红色的鳄鱼夹悬空。将Cx低压电缆插入Cx插座中，另一端红色夹子试品的低压端或末屏等，黑色夹子悬空或接屏蔽装置。、反接线时，将高压电缆插头插入仪器HV插座中，将一的红色鳄鱼夹夹到被测试品的高端引线上，黑色的鳄鱼夹悬空或接屏蔽装置。Cx插座不用。 2）打开来电源开关，计算机进行自检，液晶屏显示中文主菜单。 3）菜单选择： 选择接线方式；选择频率；选择测量电压；选择使用电容的种类。 4）测试：当光标在“启动”位置时，按“”键，并保持大约5秒钟，测试加压过程启动开

17、始。测试结束，自动显示打印结果。3、工频高压演示实验工频实验装置如图1所示。图1 工频高压试验线路图T1调压器T2高压试验变压器。Vl交流电压表。V2静电电压表。V3交流电压表或示波器。R1变压器保护电阻，1020K 。R2球隙保护电阻。Cx试品 工频高电压试验装置通常由调压器、试验变压器、保护电阻、分压器和静电电压表以及球隙等组成。试验变压器的工作原理与电力变压器相同，但由于工作条件和工作任务的不同，试验变压器具有工作电压高、变比大、漏抗大、绝缘裕度小、容量小、工作时间短等特点。其主要类型有单套管金属外壳型试验变压器、双套管金属外壳型试验变压器、绝缘外壳型试验变压器和串级试验变压器。进行工频

18、高电压试验时，要求试验电压从零开始，均匀升压，因此必须使用调压设备。调压设备主要有四种：自藕调压器、感应调压器、移卷调压器和电动发电机组。保护电阻用固体电阻或水电阻。R1的阻值一般按每伏0.1 选取，R2的阻值可按每伏0.10.5 选取，并应校验R1、R2的外表面绝缘强度。在试验电压下，当试品发生击穿、闪络或球隙放电时，R1、R2不应发生沿面闪络，且具有相应的热容量，其长度可按每米150200kV(有效值)选取。静电电压表是测量工频高电压的常用电压表，它是一种测量静电力大小的表计。根据测量原理的不同，可分为绝对静电电压表和相对静电电压表，后者被广泛用于工程测量。由于静电电压表的输入阻抗及固有振

19、荡频率都很高，所以常被用于直流电压及宽频带范围的交流电压的测量。2.心得体会：绝缘内部有了缺陷后，其特性要发生一定的变化。我们可以通过一些试验把隐藏的缺陷检查出来。对绝缘电阻的测量，可以发现贯通的集中性缺陷，整体受潮或有贯通的受潮部分。对泄漏电流的测量则能发现贯通的集中性缺陷，整体受潮或有贯通的受潮部分，以及一些未完全贯通的集中性缺陷。而对介质损耗角正切的测量则能发现整体受潮、劣化，被试品绝缘体积小时的贯通及未贯通缺陷。由于目前，还不能做到电气设备的绝缘在运行中不发生明显的劣化。所以在电力系统中进行预防性试验，发现缺陷，可以有效减少事故的发生。试验工作常常是高电压技术工作者的重要工作内容。高压

20、实验课主要作为培养掌握必要的电力系统高电压实验技术理论知识与进入实验研究初始阶段的一门重要的课程，对于培养实践能力起到重要作用。电力系统及其自动化实验(四)实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 2016年5月10日1.实验内容：实验的目的：基于MATLAB语言的直流电机调速控制仿真系统，通过MATLAB语言中的simulink模块实现模糊控制仿真实验的原理：1、电动机参数一台直流并励电动机，铭牌额定参数为，电枢回路总电阻，励磁回路总电阻，电动机转动惯量。仿真该电动机的直接起动的过程。 通过计算，有：励磁电流为 I=220/181.5=1.21A励磁电感在恒定磁场控制时可取零点数电阻Ra=

21、0.087，电枢电感估算L=0.0032H式中，p为极对数；C为计算系数，对于无补偿电机C=0.1，补偿电机C=0.4。因为 N=0.0708V/r=0.676s/rad所以 L=0.676/1.21=60.1N额定负载转矩为T=0.67688=60.1N2、仿真及其结果在MATLAB/simulink环境下提取直流电动机、电源等元件模块。联结模块绘制直流电动机直接起动的仿真模型如图1所示。在模型中电动机励磁绕组和电枢的输入端并联后与直流电源电压Vd的正极端相连接，电动机励磁绕组和电枢的输出端通过T形节点并联后与直流电源Vd的负极端连接在一起。电动机的负载转矩由常数模块TL设定。然后在电动机模

22、块的m端接上示波器，用于观察电动机的各项波形，由于在m端可以输出转速、电枢电流、励磁电流和转矩四项参数，因此需要用Demux模块分解。直流电动机模型输出转速的单位是rad/s，在模型中使用了一个放大器（Gain）将rad/s转换为习惯的r/min，变换系数C。图1 直流电动机直接起动的仿真模型仿真结果如下：1)电动机转速2）电枢电流波形3）励磁电流波形4、转矩波形2.心得体会：通过仿真结果可以看出：通过以上的仿真过程分析，可以得到下列结论：(1)直流电机全压起动，通过电网输入额定电压，产生较大的励磁电流，和较小的转矩的启动方式。利用Simulink对全压斩波电路和升降压斩波的仿真结果进行了详细

23、分析，与采用常规电路分析方法所得到的输出电流，励磁电流，转速，转矩波形，进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。MATLAB/simulink仿真环境功能很强大，是一个不错的仿真平台，我们应该认真学习，利用它丰富的资源和强大的功能实现各种复杂电力系统的仿真与分析。电力系统及其自动化实验(五)实验报告姓名： 班级： 学号： 实验时间： 2016年5月24日1.实验内容：实验的目的：了解列车运行的时序与牵引传动的原理及其仿真平台系统的组成。对牵引传动系统有初步的整体认识，认识到牵引传动在铁路电气化中的重要作用。实验的原理：列车运行与牵引传动分布式综合仿真平台以“列车运行”与“牵引传动”为核心基于A

24、技术创建核心，基于HLA技术创建的分布式仿真平台，包含总控台、牵引供电系统、总控台、牵引供电系统、地面信号系统、列车运行三维视景、故障诊断、司控台、车载DMI、车载MMI、中央控制单元CCU、车载ATP车载CCU、车载ATP、车载ATO、牵引传动系统、制动系统等子系统。HLA高层体系结构，High Level Architecture、是由美国国防部提出的新型分布式仿真框架通过提供通用的相对独立的运行支撑框架RTI，Run Time Infrastructure，将应用层与其底层支撑环境功能分离，隐蔽各自的实现细节。使用户不需要关注底层通信的细节，只专注于专业方面的应用开发。系统各子节点之间的

25、数据交互如下图1所示，总控台负责发送仿真控制指令、 管理系统时间推进、监控子系统的仿真运行状态，司控台、车载DMI、车载 MMI、中央控制单元CCU、车载ATP、车载ATO、牵引传动系统和制动 系统等作为车载运行子系统，与牵引供电系统及地面信号系统进行交互。图1 系统各子节点之间的数据交互总控台软件主要负责列车运行综合仿真平台的仿真过程控制，发送仿真同步并开始、仿真结束等指令，监控各个子系统与RTI的连接状态，并在仿真运行过程中向各个子系统发送仿真系统时间校对信号。其过程及操作界面如下图所示。车载CCU中央控制单元、负责整车级逻辑控制、牵引/制动力分配状态数据/故障数据的采集处理和记录等工作是

26、高速列车的中枢，状态数据/故障数据的采集处理和记录等工作，是高速列车的中枢神经。因而，针对CCU的功能细致分析，研究CCU的工作机制，数据/指令接口设计相应的仿真模块在对列车开展实验室环境下的据/指令接口，设计相应的仿真模块，在对列车开展实验室环境下的仿真研究中有着重要意义。车载CCU接收司机操纵指令或ATO指令、ATP指令，通过逻辑控车载接收司机操纵指令或指令指令，通过辑控制进行对列车牵引和制动指令的分配，保证列车的安全运行。CCU诊断单元主要包括故障数据采集和分析模块故障诊断单元主要包括故障数据采集和分析模块、故障警报模块、故障记录模块以及故障处理措施模块。通过接收外部监测的信息，该单元能

27、够实现故障的实时分析、预警，提供解决方案，是列车故障诊断系统中不可或缺的重要部分系统中不可或缺的重要部分高速动车组司机控制台如下图4所示，是司机室的重要组成部分，是用于人工驾驶时的列车操纵器。司机通过点击相应按钮与改变相关手柄级位，向综合仿真系统的其他子部件如CCU、发送驾驶指令。图3 高速动车组司机控制台列车运行解算模块考虑轮轨间粘着，建立轮轨耦合模型及列车多质点模型，针对相应的线路进行列车运行模拟仿真，最终得到运行区段的列车速度距离曲线、加速度/减速度时分曲线、能耗曲线、故障模拟运行结果等牵引计算要求的所有参数与曲线。制动系统仿真软件模拟动车组的各级制动效果，并提供与综合仿真平台其他子系统

28、额信息和指令交互接口平台其他子系统额信息和指令交互接口。制动系统接收司控台制动手柄级位或ATP/ATO装置发出的制动指令通过制动控制计算与牵引传动系统交互再生制动指令和反馈信，通过制动控制计算，与牵引传动系统交互再生制动指令和反馈信息，确定列车各项制动参数。牵引供电系统分别与综合仿真牵引供电系统分别与综合仿真平台中的总控台、传动系统与车线耦合解算三大子系统产生数据交耦合解算三大子系统产生数据交互。总控台向本模块发布仿真启动、暂停与终止指令；传动系统与车线耦合解算模块向本模块发布线路中运行列车的车型、车次需求功率位置时间与速度、需求功率、位置、时间与速度；本模块综合以上信息对列车供电电压与实际发

29、挥功率进行解算电电压与实际发挥功率进行解算，并反馈给传动系统子模块在分布式仿真系统中，牵引传动系统在牵引工况时实现从受电弓获得电能最后转化为牵引电机的机械能再生制动工况时实现牵引电机机能，最后转化为牵引电机的机械能；再生制动工况时，实现牵引电机机械能转换为电能，经牵引变流器变换，输出电能质量合格的电能，回馈牵引供电网。地面设备主要功能是为列车的安全行驶提供数据支持和调度运行全行驶提供数据支持和调度运行指令。车站列控中心负责控制轨道电路编码、信号机显示、有源应答器报文的存储和调用以及相邻车站列控中心之间的安全信息传输等。车站联锁根据列车进路传输等。车站联锁根据列车进路信息，控制信号机、道岔等站内信号设备，使之具有一定的制约关系确保列车在站内的行车安关系，确保列车在站内的行车安全。轨道电路负责检查列车是否完全进入轨道区段以及区段的空完进轨段以及段的闲/占用情况，并不间断向列车传输前方空闲闭塞分区数量等信息应答器向列车发送前方线路参。应答器向列车发送前方线路参数、限速及定位等数据。车载ATP，即自动列车防护。主要接收来自地面信号系统的轨道电路信息、应答器信息。车载ATP根据地面应答器发送的信息实时绘制出前方两个应答器范答器信息。车载ATP根据地面应答器发送的信息实时绘制出前方两个应答器范围内的紧急制动曲线，最大常用制动曲线，和