TWB-DLZ1型電力系統綜合自動化實驗裝置

一、設備的組成

“TWB-DLZ1型電力系統綜合自動化實驗裝置”是一個自動化程度很高的多功能試驗平臺，它是由發電機組、雙回路輸電線路、無窮大電源等一次設備組成，通過中間開關站和單回、雙回線路的組合，可構成發電機與無窮大系統之間有四種不同聯絡阻抗，供電力系統實驗分析比較時使用。每臺原動機都配有自動調速裝置和手動調速裝置，并具有過速保護功能；每臺發電機配有自動勵磁調節器和手動勵磁調節器，具有調差、強勵、過勵限制欠勵限制、伏赫限制等功能；每臺發電機還配有微機自動準同期裝置，輸電線路還配微機過流保護和重合閘裝置。每套自動裝置都有3種控制方式供選擇，并且微機勵磁的運行方式和運行參數可在液晶屏上在線修改。每臺發電機的電流、電壓都留有標準接口，以及對發電機組的調頻、調壓控制也留有接口，并且各開關的狀態信號輸出和跳、合控制接口全部引到端子排，供開發人員使用。

二、基本功能及特點

（一）基本功能

1、該電力系統綜合自動化實驗裝置適用于電力系統自動化專業本、?？粕摹半娏ο到y自動化”、“電力系統分析基礎”、“電力系統穩暫態分析”、“電力系統自動裝置”、“電力系統運動”等專業課程中的教學內容，能夠結合生產實踐的實際應用和發展，在學生進行畢業設計、課程設計和生產實習時，以真實直觀的實驗教學形式對學生進行畢業技能訓練和實際設備的訓練，提高學生的動手能力，加強學生對理論知識的理解。也應用于本、?？粕恼n程設計、畢業設計試驗，同時也可作為研究生開發試驗，還可以作為電力學院技術人員的培訓基地。 

2、實驗平臺能完成《電力系統自動裝置》、《電力系統自動化》、《電力系統穩態分析》、《電力系統暫態分析》等電氣工程及自動化專業的主要課程實驗項目。

3、系統的結構：根據功能設計成五個部分：輸電線路及監視保護屏（含無窮大電源）、同步電機機組、自動系統控制柜、負載柜以及控制系統五大部分組成。其中屏面材料無漏電隱患，保證絕緣電阻大于0.5兆歐姆，模擬方塊的面板可以自由拆卸。

4、控制器設計與電力工業現場一致，“調速系統”、“勵磁系統”、“準同期控制系統”均采用單獨硬件系統和控制程序，即完全符合教材，也同樣符合工業現場。

5、實驗平臺集中度高，三相可調阻感性負載集中在實驗臺上，無需單獨配置負載箱，并且負載連續可調。

（二）系統技術的安全性

1、系統設有電流型漏電保護，電壓型漏電保護、交直流電源的過流保護等多種安全措施，同時實驗連接導線采用高可靠全封閉手槍插型式，內部為無氧銅抽絲而成發絲般細的128股線，質地柔軟，護套用粗線徑、防硬化化學制品制成，插頭采用實芯銅質件避免了學生雙手摸電的可能。電力網絡發電系統具有跳閘保護，便與處理緊急事故。

三、系統主要配置及技術參數：

（一）基本參數

1、輸入電源：三相380V±5% 50Hz

2、工作環境：溫度-10℃－＋40℃；相對濕度≤85%、海拔≤4000m；

3、系統容量：≤15kVA

4、外形尺寸：控制屏：170cm×88cm×180cm；同步電機機組：≤110cm×30cm×50cm。

（二）電力系統綜合自動化實驗裝置控制屏

1、交流電源：無窮大電源指內阻抗為零，頻率、電壓及相位都恒定不變的一臺同步發電機，在本電力網絡發電系統中，由15kVA調壓器自耦調壓器組成，通過調壓器改變母線電壓（0-430V連續可調），交流電源輸出接有高靈敏度的電子線路過流保護和保險絲雙重保護功能，相間電源、線間電源過電流或直接短路均能自動保護。同時帶有三只指針式交流電壓表監視三相交流電壓輸出。

2、雙回路輸電線路：采用典型的雙回路遠距離輸電線路模型，每回線路分成兩段，并設置中間開關站，使發電機與系統之間可構成四種不同聯絡阻抗，可以模擬雙回路電路的動態參數和結構的變化，便于實驗比較。通過電流互感器、電壓互感器，使一次回路和二次回路分開，同時引出觀察點的電壓、電流信號進行數據采集、控制和波形分析。(xL1=xL2=15,20Ω，xL3=xL4=25,40Ω)模型。

3、測量儀表：提供實驗過程中需要的直流電壓表、直流電流表、交流電壓表、交流電流表、頻率表、有功功率表、無功功率表。

1）電壓表3 只（量程0-450V）；

2）電流表3 只（量程0-5A）；

3）頻率表2 只（量程45Hz-55Hz)；

4）三相有功功率表1 只；

5）三相無功功率表1 只（量程-4kVar-0-4kVar)；

6）三相功率因數表1 只；

7）單相同期表1 只，粗同期/精確同期控制開關1只。

4、三相負載：負載由三只70Ω/2kW、六只30Ω/2kW電阻組成、通過開關切換，可分別得到70Ω、100Ω、130Ω三組不同的電阻。

（三）電力系統綜合自動化實驗裝置控制柜

1、微機準同期系統

由多路采集系統組成，分別檢測無窮大電源電壓、發電機電壓等相關信號，通過信號轉換、隔離、取樣后送入主控制芯片，并計算相序、電壓、頻率、相位差（功角）、壓差、頻差，然后在觸摸屏或上位機中顯示，根據并網條件控制雙回路輸電線路中同步發電機和無窮大電源的并網。

具有下列的特點：

1）可選擇全自動合閘（自動均壓、均頻與合閘）

2）半自動準同期合閘（用信號燈指示進行均壓與均頻操作，當條件滿足時自動合閘）

3）可測定斷路器的開關時間，可測定合閘誤差角，可改變頻差允許值，電壓差允許值，觀察不同整定值時的合閘效果。

4）頻率差整定范圍：±0.5Hz；

5）電壓差整定范圍：±10V；

6）同期倒前時間：100-600ms；

7）合閘精度：頻差≤0.3Hz 時，合閘相角差≤1.5°。

2、微機勵磁系統

1）發電機微機勵磁系統由微機勵磁調節器、人機界面、勵磁變壓器、三相晶閘管整流橋、滅磁回路、起勵回路、交、直流開關、交、直流電壓、電流表、各電量傳感器、接觸器等元件及控制回路組成，構成一個多輸入多輸出的閉環控制系統，有多種調節方式和保護、限制功能。發電機勵磁自動控制系統為實際系統，勵磁功率與發電機配套，并滿足手/自動、強勵、強減、滅磁、響應速度、單機運行、并列運行、無功功率分配及實現恒無功，恒功率因數等的運行要求。通過設置，可針對系統靜態和動態穩定性進行可觀測的實驗控制。

2）產品采用全數字化設計，可實現功角的自動測繪。

3）該系統用來控制同步電機勵磁電流大小，從而改變發電機輸出端電壓大?。ㄔ诓⒕W前）或調節輸出無功功率大?。ㄔ诓⒕W后）。上位機勵磁方式為自并勵，操作的時候有他勵和自并勵兩種；控制方式可選擇恒Ug、恒IL等兩種；設有定子過電壓保護和勵磁電流反時限過勵限制、峰值勵磁電流瞬時限制、欠勵限制、伏赫限制等勵磁限制功能；設有按有功功率反饋的電力系統穩定器（PSS）；勵磁調節器參數可在線修改保存、靈活方便；具有實驗波形記錄功能，可以記錄Uf、IL、UL、P、Q、α等信號的實時波形曲線，供實驗分析使用。

3、微機調速系統

1）該系統用來接受準同期控制器的控制信號，調節同步電機轉速和輸出電壓頻率，在發電機并網前用來調節發電機的輸出電壓頻率和相位，并網后用來調節發電機的有功功率，在整個實驗系統中擔負著原動機調節的功能。

2）采用全數字化設計，輸入為三相電源，額定電樞電流為12.5A，電樞回路采用三相全控橋（晶閘管）結構；STM32作為控制核心，所有的采集、控制、調節、監視及附加功能都由微處理器來實現，有豐富的軟件功能模塊、完善的檢測和保護功能；上位機可對其電壓、電流、轉速等信號實時顯示和控制、LED數碼顯示。 控制方式：恒α角調速，電壓閉環調速，電流閉環調速。具有標準通訊接口及通訊協議，上位機也可對其電壓、電流、轉速信號實時顯示和控制。

3）保護：高性能MOVS；過電流（瞬態）；反時限過電流；勵磁故障；速度反饋故障；電動機過熱；晶閘管過熱；晶閘管觸發電路故障；晶閘管緩沖器網絡零速檢測；靜止邏輯；堵轉保護；

4、微機線路保護系統

（1）三段式相間過流保護

（2）自動重合閘功能（分相重合閘功能）

（3）后加速保護

（4）電流測量值優于1%

5、TCP/IP以太網系統：

設備可以以太網通信，通過串行全雙工DMA方式與微機調速系統、微機勵磁系統、準同期控制系統進行通信，實現并網狀態、有功功率、轉速等參數的協調控制，實現有功閉環及全自動并網功能。另外，三個控制系統傳送數據至TCP/IP以太網通信系統，系統解析三個控制器各自傳送的數據，將數據整合成Modbus數據包，最后通過MODBUS-TCP協議將數據發給上位機監控管理軟件，通過以太網實現系統的遠程控制。

（四）同步電機機組

實驗發電機組由三相同步發電機、直流電動機、速度傳感器經彈性聯軸器對軸聯結后組裝在金屬底盤上，底盤安裝萬向輪和減震裝置，方便用戶移動。

1、直流電動機：采用國標Z2系列直流電動機，參數如下：

（1）額定電樞電壓：DC220V；

（2）額定功率：2.2kW；

（3）額定勵磁電壓：220V；

（4）額定勵磁電流：1.84A；

（5）額定轉速：1500r/min；

（6）散熱方式：風機散熱；

2、三相同步發電機：采用定制三相交流同步發電機，參數如下：

（1）額定電樞電壓：AC400V；

（2）額定功率：2kW；

（3）額定功率因素：0.8（滯后）；

（4）額定轉速：1500r/min；

（5）勵磁方式：自并勵/他勵/三次諧波勵磁；

3、電機底座

鋼結構機座，強度能承受實驗機組的穩態運行和暫態運行試驗的震動不變形基礎上增加50%的安全裕量；機座設計有減震裝置、定位固定支撐柱、用于移動的高強度萬向輪、定向輪、轉動部分安裝防護罩、不銹鋼推桿。

4、光電測速系統

光電測速系統采用1000線增量型光電編碼器，精度高、線性度好。

（五）上位機軟件

采用力控電力版6.0（FCPower）監控軟件。 系統不僅擁有一個專業的、穩定可靠的、完善的電力SCADA平臺(四遙數據采集與處理、數據的二次實時統計分析計算、事件報警實時/歷史記錄、專業報表、打印管理、監控界面、實時歷史負荷曲線/棒圖、用戶權限管理、電力操作習慣(遙控、遙調、復歸、閉鎖等)、雙網結構支持等等)，且擁有專業的實時及歷史數據庫的定義及表達工具,支持面向變電站一次間隔(回路)對象的實時數據庫建模。系統具有多種獨立的功能模塊，如保護設備定值在線管理、事件報警管理、電能量實時采集管理、錄波數據管理、操作票、數據轉發管理、關系數據接口模塊，支持基于EXCEL插件的運行、生產報表等，這些特色將為您定制客戶化的電力監控系統提供便利。系統的數據采集及轉發模塊內置多種行業和國際標準規約，如：CDT規約，DNP3.0規約，IEC870-5-101/102/103/104規約，SC1801規約，Modbus/Jbus（RTU/ASCII/TCP）規約，部頒多功能電度表規約、CANBus規約、LonWorks規約等，配置操作簡單。

四、實驗項目

1、發電機組的起動與運轉

（1）恒α角調速

（2）轉速閉環調速

2、同步發電機勵磁控制實驗

（1）微機勵磁系統基本操作實驗

（2）不同α角（控制角）勵磁電壓波形觀測實驗

（3）典型方式下的同步發電機起勵實驗

（4）控制方式及其相互切換實驗

（5）跳滅磁開關滅磁和逆變滅磁

（6）伏赫限制實驗

（7）欠勵限制實驗

（8）同步發電機強勵實驗

（9）調差實驗

（10）過勵限制實驗

3、同步發電機準同期并列運行

（1）微機準同期系統基本操作實驗

（2）自動準同期條件測試

（3）線性整步電壓形成（相敏環節）測試

（4）壓差、頻差和相差閉鎖與整定

（5）導前時間整定及測量方法

（6）手動準同期并網實驗

（7）半自動準同期并網實驗

（8）自動準同期并網實驗

4、自并勵實驗

（1）電壓閉環

（2）電流閉環

5、單機－無窮大系數穩定運行方式實驗

（1）單回路穩態對稱運行實驗

（2）雙回路和單回路的穩態對稱運行比較實驗

（3）單回路穩態非全相運行實驗

6、單機帶負荷實驗

（1）投、切不同負荷的實驗

（2）甩負荷實驗

7、電力系統功率特性（功角）和功率極限（靜態穩定性）實驗

（1）無調節勵磁時，功率特性和功率極限的測定

（2）微機他勵時，功率特性和功率極限的測定

（3）單回路、雙回路輸送功率與功率角關系實驗

8、電力系統暫態穩定性實驗

9、同步發電機實驗

（1）同步發電機空載實驗和短路實驗

（2）同步發電機外特性實驗