电力系统及自动化综合实验指导书(第二版)

WDT-HI型电力系统综合自动化试验台，是为了适应现代化电力系统对

宽口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学试验系

统。此系统除用于试验教学以外，另可用于本、专科生的课程设计试验，也可

作为研究生、科研人员的产品开发试验，还可作为电力系统技术人员的培训

基地。

试验装置“一次系统原理接线图”见附录一。

综合自动化实验教学系统由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分

组成(如图1所示)。

图1WDTJII型电力系统综合自动化试验装置现场图

1.发电机组

它是由同在一个轴上的三相同步发电机(SN=2.5kVA,VN=400V,

nN=1500r.p.m),模拟原动机用的直流电动机(PN=2.2kW,VN=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

实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、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。其中负荷调节和同期单元是由

"TGS-04型微机调速装置”、“WL-04B微机磁励调节器”、“HGWT-03微机

准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。

（1）输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并

设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验

分析比较。

（2）“YHB-ni型微机线路保护”装置是专为实验教学设计，具有过流选

相跳闸、自动重合闸功能，备有事故记录功能，有利于实验分析。在实验中可

以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。

（3）"TGS-04型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计

的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。具有测量发电机转速、

测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调

速以及过速保护等功能。

（4）“WL-04B微机励磁调节器”其励磁方式可选择：它励、自并励两

种：控制方式可选择恒UF、恒IL、恒（、恒Q等四种；设有定子过电压保护

和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫

限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）；励磁

调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可

以记录UF、IL、UL、P、Q、（等信号的时间响应曲线，供实验分析用。

（5）HGWT-03微机准同期控制装置，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可测定合间误差角；⑤可改变频差允许值，电压

差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；⑥按定频调宽原理实现均频均压

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，测定

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。

（6）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

带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。

实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图，操作按钮与模拟接线图中

被操作的对象结合起来，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。

试验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出，还可显示出同步发电

机功率角（、可控硅（角等量。同时可以通过数字存贮示波器，观测到发电机电

压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，甚至可以观

测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步

发电机短路时的电流、电压波形等。

3.无穷大系统

无穷大电源是由15kVA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，试验操作台“台体的平面布置示意图”

见附录二。

在试验操作台的“操作面板”左下方有一个“电源开关”（开关对应的图

中符号为“QA”），此开关向整个台体提供操作电源和动力电源，以及四台微

机装置的工作电源，并给信号灯用直流24V稳压电源供电。

因此，在下面叙述的各部分操作之前，都必须先投入“电源开关”（向上

扳至ON）,此时反映各开关位置的绿色指示灯亮，同时四台微机装置上电、

数码管均能正确显示；在结束试验时，其它操作都正确完成之后，同样必须断

开操作电源开关（向下扳至OFF）。

综合自动化试验教学平台的研制，更新与加强了专业实验内容，改进了

实验方法与手段，创建了一套能进行专业课程和综合研究实验的实验装置,

建立一个开放式、研究性、综合型的专业实验现代教学体系，提高专业实验

的教学质量和水平，更有利于培养学生综合分析问题和解决问题的能力。

此外，本装置在设计中充分发挥各设备的作用，考虑到模型操作的灵活

性和方便性以及接口的通用性，在制造上符合电力系统规范，在设计中增加

一些与外部联接的功能，以便对外来设备进行性能考核实验，例如：对线路保

护、励磁或同期等自动装置进行考核实验，这在一定程度上扩大其使用范围。

注意:

应该特别指出，在进行试验前，必须先阅读本使用说明书，了解和掌握

操作方法后，方可独立地进行电力系统的试验研究。

第三章一机一无穷大系统稳态运行方式实验

一、实验目的

1.了解和掌握对笄稳定情况下，输弓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

碳调节器来实现自动调节c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，励磁、并网都采用自动方式，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

PQIUF功角Ux△U

00

单回路500250

1200600

00

双回路500250

1200600

注：UX一系统电压；

△L输电线路的电压降落

思考：如何计算△

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）首先按单回路对称运行的接线方式；

（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（vt<100（；

（5）进行单相短路故障，此时微机保护切除故障相，准备重合闸，这时

只有一回线路的两相在运行。观察此状态下的三相电流、电压值与实验1进

行比较；

（6）故障100（以后，重合闸成功，系统恢复到实验1状态。

表3・2（单回路）

功角

UAUBUcIAIBIcPQ

（并网时P=500全相

Q=250）非全相

（并网时全相

P=1200Q=600）非全相

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•0

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。

第四章电力系统功率特性和功率极限实验

一、实验目的

1.初步掌握电力系统物理模拟实验的基本方法；

加深理解功率极限的概念，在实验中体会各种提高功率极限措施

的作用；

通过对实验中各种现象的观察，结合所学的理论知识，培养

理论结合实际及分析问题的能力。

二、原理与说明

所谓简单电力系统，一般是指发电机通过变压器、输电线路与无限大容量

母线联接而且不计各元件的电阻和导纳的输电系统。

对于简单系统，如发电机至系统d轴和q轴总电抗分别为Xd(和Xq(,则发电

机的功率特性为：

pEqU.,U?X庇-X工.

P..=——sin8+——x-------sin2(>

7

X庇2X匝•X在

当发电机装有励磁调节器时，发电机电势Eq随运行情况而变化。根据一般励

磁调节器的性能，可认为保持发电机E(q(或E()恒定。这时发电机的功率

特性可表示成：

+—x-^-^sin2^

这时功率极限为

P=包

Emyr

Adl

随着电力系统的发展和扩大，电力系统的稳定性问题更加突

出，而提高电力系统稳定性和输送能力的最重要手段之一是

尽可能提高电力系统的功率极限，从简单电力系统功率极限

的表达式看，提高功率极限可以通过发电机装设性能良好的

励磁调节器以提高发电机电势、增加并联运行线路回路数或

串联电容补偿等手段以减少系统电抗、受端系统维持较高的

运行电压水平或输电线采用中继同步调相机或中继电力系统

以稳定系统中继点电压等手段实现。

三、实验项目和方法

（一）无调节励磁时功率特性和功率极限的测定

1.网络结构变化对系统静态稳定的影响（改变X）

在相同的运行条件下（即系统电压Ux、发电机电势保持Eq保持不变，即

并网前Ux=Eq）,测定输电线单回线和双回线运行时，发电机的功一角特性

曲线，功率极限值和达到功率极限时的功角值。同时观察并记录系统中其他

运行参数（如发电机端电压等）的变化。将两种情况下的结果加以比较和分

析。

实验步骤：

（I）输电线路为单回线；

（2）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出的有功和无功功率为零;

（3）功率角指示器调零；

（4）逐步增加发电机输出的有功功率，而发电机不调节励磁；

（5）观察并记录系统中运行参数的变化,

填入表4-1中;

（6）输电线路为双回线，重复上述步骤,

填入表4-2中。

表4・1单回线

d0°10°20。30。40c

P0

IA0

Uz

Ui-

Ir<i

Q0

表4・2双回线

80°10°20°30°40°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

注意:

（1）有功功率应缓慢调节，每次调节后，需等待一段时间，观察系统是否

稳定，以取得准确的测量数值。

（2）当系统失稳时，减小原动机出力，使发电机拉入同步状态。

2.2.发电机电势Eq不同对系统静态稳定的影响

在同一接线及相同的系统电压下，测定发电机电势Eq不同时（Eq<Ux或

Eq>Ux）发电机的功一角特性曲线和功率极限。

（1）实验步骤：

（2）输电线为单回线，并网前Eq<Ux；

（3）发电机与系统并列后，调节发电机使其输出有功功率为零；

逐步增加发电机输出的有功功率，而发电矶不调节励磁；

（4）观察并记录系统中运行参数的变化，填入表4-3中；

（5）输电线为单回线，并网前Eq>Ux,重复上述步骤，填入表4-4

中。

表4・3双回线并网前EqVUx

63°10°20°30°40°

P0

1A0

Uz

UF

IfU

Q0

表4・4双回线并网前Eq>Ux

80°10°20°30°40°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Qo4

（二）自动调节励磁时，功率特性和功率极限的测定

将自动调节励磁装置接入发电机励磁系