电力系统综合实训实验室建设方案

电力系统综合实训实验室建设方案

前言

工业上的自动化，是指用以替代人工而自动工作的技术

措施。我们所研究的电力系统，它是由电力系统的基础元件,

即同步发电机，升、降压变压器、高、低压输电线路、开关

以及形形式式的用电负荷等，按一定规律连接而成的既复杂

又庞大的系统。因此，所谓电力系统自动化，就是指在电力

系统中实施的替代人工自动工作的各种技术措施。它主要包

括两个方面的内容：（1）电力系统自动装置；（2）电力系统

调度自动化。前者主要研究电力系统元件级的自动化，主要

内容有：同步发电机励磁自动控制、同步发电机自动准同期

控制等；后者主要研究电力系统整体自动化，主要内容如：

电力系统频率和有功功率控制、电力系统电压和无功功率控

制、电力系统稳定控制、电力系统调度自动化等。

电力系统自动化的任务是：（1）提高供电可靠性；（2）

保证电能质量；（3）提高经济性；（4）减轻劳动强度；（5）

保障电力系统安全；

电力系统自动化的特点是：（1）实时性要求高。电力系

统中，正常运行时负荷变化频繁，故障时电磁暂态过程快，

所以要求电力系统的功率平衡控制、稳定控制以及故障处理

等必须具有很高的实时性。（2）可靠性要求高。现代电力系

统容量大，供电范围广，其供电的可靠性和供电电能质量指

标，对国计民生的影响极大，而要保证电能质量和不间断供

电，均需建筑在电力系统自动化高可靠性的基础上。（3）控

制复杂、难度大。电力系统结构复杂而庞大，且具有时变性、

非线性、多输入多输出多约束、测控信息传输距离长，信息

传输量大等特点，无论是埋论研究和技术实施，均具有相当

难度。

电力系统单一功能的自动装置，属于基础自动化装置，

主要包括：故障自动切除装置（即各种继电保护装置）、自

动准同期装置、自动低频减载装置、同步发电机励磁调节器

和原动机（即汽轮机和水轮机）调速器，以及远动装置等。

现代电力系统调度自动化建筑在远动技术的基础上，首先通

过遥信和遥测将电力系统各点的设备投切状态和运行参数

上传到调度中心，经分析决策后，再通过遥调和遥控将调度

决策下达给相关发电厂和变电站，直接对厂站设备进行调节

和控制。“四遥”技术提高了电力系统调度的实时性。

按自动装置控制的范围划分，电力系统自动化分为设备

（元件）级自动化、厂站级自动化和系统级自动化。设备级

自动化主要包括：同步发电机励磁调节器、调速器、准同期

装置、各种电力系统元件的继电保护装置；厂站级自动化主

要包括：自动电压控制（AVC）、自动发电控制（AGC）、厂

站计算机监控系统；系统级自动化主要包括：电力系统频率

和有功功率自动控制、电力系统电压和无功功率自动控制、

自动低频减载装置、电力系统安全自动控制等。

从教学的角度，将电力系统自动装置分为自动操作装置

和自动调节装置两大类。自动操作装置控制的是只具有两种

状态的对象，例如具有分合两种状态的断路器，属于此类的

自动装置有：准同期控制器，低频减载装置，重合闸装置和

各种继电保护装置等；自动调节装置控制的对象具有连续变

化的特性，例如同步发电机励磁电流在零值〜强励电流之间

连续可调，属于此类的自动装置如：同步发电机自动励磁调

节器，汽轮机或水轮机调速器等。

本实验室建设以实用性为原则，采用现代化的控制方式,

按照实际系统的控制设备特性，使实训系统更加贴近原型系

统，力争将实验室建设成为实用性强，使用、维护方便的电

力系统综合实训系统的研究平台。

一图1为单台"WDT-IIIC电力系统综合自动化实

验台”的一次系统图：主要用途为电气工程专业课程实验，

课程设计实验，毕业设计，生产实习及某些研究课题实验，

它是一个完整的电力系统典型模型。是与电气工程专业的

《电力工程》、《电力系统自动化》、《电力系统分析》、《微机

保护》、《电力系统自动装置原理》等课程相配套的原理指导

及教学实验台。

它由发电机组、双回路输电线路及模型、无穷大电源

等一次设备组成，通过中间开关站和单回、双回线路的组合,

程，充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的

特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自

动化。这个适应新实验课程体系的开放式公共实验平台，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。

MA

o

W-G

OKMD

G-B

MB

o

G-D

GCRC

O-£OG-E

图2

PS-5G微机监控试验台由3〜5台电力系统综合自动化

试验台及6条输电线路和3组负荷组成，构成一个灵活多变

的环型电网，便于理论计算和实验分析。每条输电线路和负

荷都配有微机型的标准电力监测仪，可以显示各支路的电

流、电压、有功功率、无功功率、功率因数共计30多个电

量，并且都通过RS485通讯口与微机相联（图3所示），实

时显示电力系统的运行状况，以及各开关的动作情况。

图3

一台“PS—5G型电力系统微机监控实验台”和四台

“WDT—HIC电力系统综合自动化实验台”，可以组成一套

“4+1”实验系统。可完成以下八大项共四十多小项实验。

“4+1”系统的通信网络采用拓扑结构，可支持254台客户

机（或称从站）访问管理服务器（或称主站），实现了多用

户共享（或指定）监控权的功能。此功能极大地方便了实验

教学，提高了实验效率，方便实验室管理；同时也提高了实

验室建设的水平和档次。

三图4是“电网实习培训系统”的一次系统图，实

验教学是高等理工科学校的主要实验性环节之一，它在培养

学生的实际操作能力、分析问题和解决问题的能力方面，起

着极重要的作用；专业综合实验课程还肩负着综合运用所学

基础知识和专业知识，培养学生创新能力的作用。一个能够

反应现代电厂、电力系统的高度自动化、信息化、数字化的

特点，能够实现电厂系统检测、控制、监视的实训式模拟电

厂系统，对提高电气类学生对现代电厂（电力系统）的认识,

提高学生的动手能力、分析和解决问题的能力有着十分重要

的作用。

负荷

，XUjXLB

—•一一"1c—＜一~无穷大

XLD

Xl£

A、B.C,D点接入

微机保护装的.

_公~I——工厂变电站

接入备自投、快切等自动

4*JJJ,装置

负荷负荷

实训机组

它由发电机、升压变压器、线路、负荷变压器、无穷大

系统、负荷等电力设备组成。其中发电机配有微机励磁装置、

微机调速装置、微机准同期装置、发变组微机保护装置等按

实际电厂设计的控制设备。系统由4条线路组成一个典型环

型网络，其中在线路XLA、XLB还设有多个短路点，可以

完成输电线路的电流、电压、方向等微机保护实验；整定阻

抗保护动作值实验；运行方式变化对阻抗保护影响的实验；

三段式保护动作配合实验；过流保护与三相自动重合闸装置

综合实验；低电压启动过电流保护与自动重合闸实验；复合

电压启动过电流保护与自动重合闸实验；电压闭锁电流速断

保护与自动重合闸实验；三段式电流保护与自动重合闸装综

合实验；微机保护的配合试验；重合闸实验。输电线路的母

线侧留有备用标准TA、TV的二次侧接口，必要时可接入自

动装置进行试验。还在三绕组负荷变压器中加入了多条配电

线路，每条配电线路提供有三相电压、电流接口，可以接入

自动装置或继电保护，可以开出多组实验，如微机变压器保

护、备用电源自动投入、残压快切等自动装置实验。

在该系统中还预留有多

机接口，可以方便的接入如太

阳能、风能等新能源。为老师

开展研究提供实验平台。

风力发电模拟系统

风力机特性模拟屏风

力发电机励磁系统屏

模拟风力机一双馈异步

发电机机组

一、风力机特性模拟屏

在不同风速下的功

率一速度特性的模拟是

由风力机模拟控制屏实

现的，风力机特性模拟屏具有以下功能：

1、风力机功率特性曲线；

2、四种风速的模式及其组合：恒定风速、斜坡风、阵风、

随机风及其组合；

二、风力发电机励磁系统屏

双馈风力发电机组采用直流电动机作为原动机，绕线式

异步电机作为双馈发电机。在绕线式异步电机的转子侧接入

背靠背双SPWM变换器，可以独立控制定子侧的有功功率和

无功功率。

在该实验平台上可实现：

1、自动判断进入起动状态或从电网退出。

2、双馈发电机的空载并网；

3、风电发电机组的并网运行：超同步和亚同步运行状态

的实现，以及两种状态的平滑过渡；

4、最大风能追踪（MPPT）的实现;

5、风电系统的独立运行。

风电实验项目

一、起励试验

1、跟踪系统电压起励（恒电压、非试验状态下，系

统电压在85%115%之间跟踪，否则取100%）

［（1）调整系统电压在额定电压，起励，记录发电机机

端电压稳定值，计算发电机机端电压与系统电压的相对误

差，得到跟踪精度的指标数据；

（2）在85%115%之内改变系统电压，重复起励、记录与

精度计算；

（3）调整系统电压在85Q115%之外，重复起励和记录，

验证是否起励到额定值，而不跟踪系统电压；】

2、恒励磁电流起励（恒电流零起手动升压，按励磁

电流闭环控制）

3、升速自动起励（转速大于40Hz,自动起励），

二、灭磁试验

1、手动灭磁（人工操作灭磁按钮或远方灭磁接点进

行灭磁）

2、低转速自动火磁（转速低于34Hz自动火磁）【发

电机空载额定稳定运行条件下，调节转速下降。

三、给定电压调节范围与调节速度

1、恒Ut运行方式下的电压调节范围和调节速度;

（0115%）【记录恒Ut控制方式下的发电机空载运行时的

机端电压和励磁电流的调节范围，调节速度】

2、恒L.运行方式下的电压调节范围和调节速度;

（0^110%）【记录恒L控制方式下的发电机空载运行时的

机端电压和励磁电流的调节范围，调节速度】

四、空载阶跃试验

1、机端电压给定阶跃±5%额定电压；（上位机操

作）；

2、机端电压给定阶跃士10%额定电压；（上位机操

作）。

五、运行方式切换试验与稳定运行

1、恒Utf恒II.；

2、恒II恒Ut；

六、变速恒频试验

1、业同步速;【调节转速低于同步速运行，例如1400

转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频

率，验证三者关系】

2、同步速；【调节转速等于同步速运行，例如1500

转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频

率，验证三者关系】

3、超同步速;【调节转速高于同步速运行，例如1600

转/分附近，记录机端电压频率和励磁电流频率与系统频

率，验证三者关系】

七、转速、励磁电流与机端电压的关系试验

给定转速和励磁电流频率（自动跟踪转速变化维持定子

电压频率为额定值），改变励磁电流大小，记录励磁电流与

机端电压之间的关系数据；改变转速从40Hz~55Hz,每隔3Hz

重复试验，记录励磁电流与机端电压的关系数据；

八、并网条件跟踪试验

1、电压幅值跟踪；【即跟踪系统电压起励】

2、频率跟踪；【改变转速后，励磁电流频率会自动

跟踪转速变化，维持机端电压频率与系统电压频率在允许

范围内】

3、电压相角跟踪；【自动跟踪系统电压相角，维持

相角差在一定范围内】

以上是空载试验。以下是并网试验。

九、并网运行与负荷调节试验

1、合闸冲击；

2、无功负荷调节；（增减励磁）【观察调节的平滑性

和运行的稳定性】

3、有功负荷调节；（调节风力机风速）【观察调节的

平滑性和运行的稳定性】

十、并网状态下的运行方式切换试验

1、恒Ut-恒k【主要观察方式切换的平稳性】

2、恒。一恒Ut；【主耍观察方式切换的平稳性】

十一、并网状态下的阶跃试验

1、机端电压给定阶跃±3%额定电压；

（即并网运行时的电压阶跃，上位机操作）

2,机端电压给定阶跃±5%额定电压；

3,风力机风速突增；

（风力机上位机操作实现风力阶跃）

4,风力机风速突减;

十二、电力系统短路试验

1、单相接地短路；

2、两相短路和两相接地短路;

3、三相短路；

观察暂态过程，检测暂态稳定性；

十三、失步再同步功能试验

大幅度增加风速（功率）时或短路故障时，机组失步后

再自动同步的功能检验。

【检验失步再同步的成功率，再同步的动态过程，记录

失步前后的稳态运行数据：有功功率、无功功率、励磁电压、

励磁电流、转速、风速等；录波失步前后相应物理量的变化

波形；】

十四、甩负荷试验

1、甩50%额定负荷；【记录机端电压、定子电流、

有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流波形，记录

最高转速数值】

2、甩100%额定负荷;【记录机端电压、定子电流、

有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流波形，记录

最高转速数值】

电网实习培训系统实验项目

(-)同步发电机及自动装置实验

1.直流电动机的调速实验；

2.微机励磁调节实验；

3.同步发电机的起励实验；

4.励磁系统控制方式及其相互切换实验；

5.逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁实验；

6.同步发电机的强励实验；

7.欠励限制实验；

8.过励限制实验；

9.微机准同期基本操作实验；

10.手动准同期并网实验；

11.半自动准同期并网实验；

12.自动准同期并网实验；

13.发电机的空载特性实验；

14.发电机的负载特性实验；

15.发电机的外特性实验；

16.发电机的调整特性实验。

17.无调节励磁时，功率特性和功率极限的测定;

18.手动调节励磁时，功率特性和功率极限测定;

19.微机自并励时，功率特性和功率极限的测定;

20.微机它励时，功率特性和功率极限的测定；

21.单回路、双回路输送功率与功角关系实验；

22.

（二）发电机微机保护实验

1.比率制动式差动保护；

2.TA断线；

3.定子一点接地保护；

4.失磁静稳阻抗保护；

5.复合电压记忆过流保护；

6.定子过负荷保护；

（三）变压器微机保护实验

1.比率差动保护；

2.差流速断保护；

3.高压侧TA断线；

4.差流越限告警；

5.高压侧过流I段保护；

6.高压侧过流II段保护；

7.高压侧负序过流保护；

8.高压侧过负荷保护；

9.低压侧过流I段保护；

io.低压侧过流n段保护；

11.低压侧过流ni段保护；

12.低压侧负序过流保护；

13.低压侧过负荷保护；

（四）输电线路微机保护实验

1.相间距离I段保护；

2.相间距离n段保护；

3.相间距离in段保护；

4.距离加速保护；

5.电流I段保护；

6.电流n段保护；

7.电流in段保护；

8.过流加速保护；

9.三相一次重合闸；

10.过负荷保护；

11.低电压保护；

12.TV断线检测；

13.电流相序检测。

（五）负荷变压器微机保护实验

a.学习变压器保护中CT的接线方式;

b.模拟变压器正常运行方式实验；

C.模拟变压器中、低压侧短路实验；

d.微机保护的动作参数整定实验；

e.空投变压器时涌流对变压器保护影响实验；

f.变压器内部短路、外部短路时的变压器微机差动保护

实验；

g.变压器内部短路、外部短路时的变压器微机后备保护

实验；后备保护包括：过流、低电压起动过电流、复

合电压过流；

h.变压器主保护，后备保护的配合动作实验；

i.模拟变压器瓦斯保护动作实验；

j.发生接地故障时，接地故障保护（零序I段、n段零

序过压过流实验）；

k.改变制动特性拐点，对差动保护动作影响实验；

（六）工厂变微机馈电保护

1.变压器保护实验

1）模拟变压器短路实验；

2）模拟变压器内部故障差动保护实验；

3）模拟变压器外部故障实验；

4）改变制动特性拐点，对差动保护动作影响实验。

5）变压器主保护与后备保护配合实验

2.交流电动机及发电机组综合实验；

1）电动机相间短路保护保护实验;

2）电流速段保护灵敏度检查实验；

3）电动机的过负荷保护实验；

4）电动机的低电压保护实验；

5）降压启动控制实验

3.微机接地选线装置

1）不同相别单相接地短路实验。

2）馈电线路单相接地发生后，装置能准确的选出接地

线路并发出报警信号或跳闸。

4.母线保护装置

1）II段母线故障保护动作实验；

2）I段母线故障保护动作实验；

（七）微机厂用电源快切保护实验

1.正向快动切实验；

2.反向快动切实验；

3.残压切实验。

（八）电力系统分析实验

1.单回路稳态对称运行实验；

2.电力系统故障计算分析实验；

3.切机、切负荷稳定实验；

4.无调节励磁时功率特性及功率极限的测定；

5.手动调节励磁时功率特性和功率极限的测定；

6.短路类型对电力系统暂态稳定性的影响实验；

7.故障切除时间对暂态稳定的影响实验；

8.有无强励磁对暂态稳定性影响实验；

9.线路重合闸及其对系统暂态稳定性影响的实验；

10.同步发电机异步运行和再同步实验；

11.甩负荷实验；

12.单机带负荷实验；

13.单机带负荷与单机无穷大系统时频率特性实验

14.低周减载实验。

（九）多机系统环网实验

1.电力系统运行方式实验；

2.切机、切负荷等稳定实验；

3.电力系统负荷调整实验；

4.电力系统潮流分析实验；

5.电力系统故障计算分析实验；

6.电力系统实时监控；

7.电力系统有功功率平衡和频率调整实验；

8.电力系统无功功率平衡和电压调整实验；

9.电力网的电压和功率分布实验；

10.遥控、遥测、遥信、遥调四遥实验。

（十）电力监控自动化系统实验

1.电力系统实时监控实验；

2.报表及报警浏览；

3.遥测、遥信、遥控功能实验

四、图5是山“4+1”系统和“电网实习培训系统”纽成的一个复杂的“5+2”电力系统。该

系统由两套实验系统在无穷大系统处相联而成,即可以独立运行又可以相互联系。

W-G

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[1)i实训机处

负荷负荷

0GC抄0G-E

4+1系统电网实训系统

图5

电力系统动态模拟综合实训系统设备清单

序

型号及名称数量主要元器件（每台）

号

TGS—03B微机调速装置，10KVA整流变压器，80A

整流模块，30A平波电抗，阻容吸收装置，直流电

3SXFT发机调速屏1台

压表，直流电流表，交流接触器，继电器，电玲，

保险，按钮等。

WL-04B微机励磁装置，1KVA励磁变压器，25A

整流模块，阻容吸收装置，直流电压表，交流电压

4SXFL发电机励磁屏1台

表，直流电流表，交流接触器，继电器，保险，IOA

整流桥，按钮，万能转换开关等。

HGWT-03B微机准同期装置，万能转换开关，交流

5SXTQ准同期控制屏1台

电压表，交流接触器，辨电器，保险，同期检测表，

电压互感器，电流互感器，按钮，指示灯等。

YHB-III微机保护装九，电抗器，交流电流表，

6SXFB发电机故障模拟屏1台

电流互感器，

YHB-III微机保护装置，10KVA三相变压器，电

7SXZB主变压器故障模拟屏1台

抗器，交流电流表，电流互感器，

西门子PLC,触摸屏，中间继电器，按钮，指示灯，

8SXKZ就地控制屏1台

有功功率表，无功功率表等。

9SXLB线路故障模拟屏I1台YHB-III微机保护装置（两套），线路电抗，交流电

压表，交流电流表，电压互感器，电流互感器，交

1()SXLB线路故障模拟屏II1台

流接触器，中间继电器，按钮，保险，指示灯等。

11SXBB负荷变压器保护屏I1台YHB-III微机保护装置（两套），10KVA三绕组变

压器，电抗器，电流互感器，交流电压表，交流电

12SXBB负荷变压器保护屏H1台

流表，电压互感器，电流互感器，交流接触器，中

间继电器，按钮，保险，指示灯，万能转换开关等。

13SXBZ工厂变电站微机装置I1台微机备自投装置，控制仪表等

14SXKQ工厂变电站微机装置II