实验指导书

第一部分 THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台

简介

概述

THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台是一套集多种功能于一体的综合型实验装置，展示了现代电能发出和输送全过程的工作原理。这套实验装置由THLZD-2电力系统综合自动化实验台（简称“实验台”）、THLZD-2电力系统综合自动化控制柜（简称“控制柜”）、无穷大系统和发电机组和三相可调负载箱等组成。 一、THLZD-2型电力系统综合自动化实验台

实验台包括以下单元：

1．输电线路单元：采用双回路输电线路，每回输电线路分两段，并设置有中间开关站，可以构成四种不同的联络阻抗。输电线路的具体结构如下图所示：

图1-3 单机－无穷大系统电力网络结构图

输电线路分“可控线路”和“不可控线路”，在线路XL4上可设置故障，该线路为“可控线路”，其他线路不能设置故障，为“不可控线路”。

⑴“不可控线路”的操作

操作“不可控线路”上的断路器的“合闸”或“分闸”按钮，可投入或切除线路。按下“合闸”按钮，红色按钮指示灯亮，表示线路接通；按下“分闸”按钮，绿色按钮指示灯亮，表示线路断开。

⑵“可控线路”的操作

在“可控线路”上预设有短路点，并在该线路上装有“微机线路保护装置”，可实现过流保护，并具备自动重合闸，通过控制QF4和QF6来实现。QF4和QF6上的两组指示灯亮或灭分别代表QF4和QF6的A相、B相和C相的三个单相开关的合或分状态。

为了实现非全相运行和分相切除故障，QF4和QF6的分、合控制与“不可控线路”上断路器操作不同，区别如下：

正常工作时，按下QF4合闸按钮，三个单相指示灯亮，而QF4红色合闸按钮灯不亮，手动分闸或微机线路保护装置动作三相全跳时，绿色分闸指示灯亮，三个单相指示灯全灭；当保护装置跳开故障相时，故障相的指示灯灭。 ⑶ 中间开关站的操作

中间开关站是为了提高暂态稳定性而设计的。不设中间开关站时，如果双回路中有一回路发

生严重故障，则整条线路将被切除，线路的总阻抗将增大一倍，这对暂态稳定是很不利的。

设置了中间开关站，即通过开关QF5的投入，在距离发电机侧线路全长的1/3处，将双回路并联起来，XL4上发生短路，保护将QF4和QF6切除，线路总阻抗也只增大2/3，与无中间开关站相比，这将提高暂态稳定性。中间开关站线路的操作同“不可控线路”。

⑷短路故障的设置

实验台面板右下方有短路类型设置模块，由短路类型设置按钮，设置短路持续时间用的数显时间继电器（量程为0～99.99s）和短路投入按钮组成。可以设置单相对地、两相对地、相间短路和三相短路故障。同时，通过实验台面板左下方有两组波形观测孔，可以观测故障时的线路电压和电流波形。以下举例说明其使用。

A相接地短路故障：按下Sba和Sbo，设置A相接地短路故障；在时间继电器（“短路持续时间设定”）上设置实验所需的短路持续时间；然后按下S1（即合上短路投入接触器），使短路故障投入运行，同时短路持续时间继电器开始计时，如果微机线路保护装置没有投入工作或保护动作的延时时间比短路持续时间长，则短路运行经过设定的短路持续时间后，短路投入接触器断开，使短路故障退出运行。

短路持续时间继电器下的清零按钮作用：短路持续时间继电器动作后，故障切除，如果此时按下此按钮，计时值清零，故障再次投入。S1弹起时，按下该按钮无效。

2．微机线路保护单元：采用TSL-300/01微机线路保护装置，主要实现线路保护和自动重合闸等功能，配合输电线路完成稳态非全相运行和暂态稳定等相关实验项目，使用说明见附录六。

3．控制方式选择单元：包括发电机组的运行方式、同期方式和励磁方式的选择，可通过调节实验台面板上的凸轮开关旋钮来实现不同的控制方式。

4．监测仪表单元：采用模拟式仪表，测量信号为交流信号。包括3只交流电压表、3只交流电流表、2只频率表、1只三相有功功率表、1只三相无功功率表、1只功率因数表和1只同期表。

同期表用于监测断路器QF0两侧的压差、频差和相差；

除同期表外，其他仪表测量如下电量参数：发电机定子电压、电流和频率；输电线路发电机侧（送端）和无穷大系统侧（受端）的有功功率、无功功率和功率因数；开关站电压；无穷大系统侧电压和频率。

调节电压表下方的凸轮开关，可实现线电压显示值和相电压显示值之间的切换；调节功率表下方凸轮开关，可实现送端显示值（包括有功功率、无功功率和功率因数）和受端显示值（包括有功功率、无功功率和功率因数）之间的切换。各测量仪表的量程和精度等级见表1-1。

注：各仪表请不要超量程使用，以免损坏设备。 5．指示单元：包括光字牌指示和并网指示。 ⑴光字牌指示

包括四种指示：原动机启动、跳闸信号、合闸信号和备用。具体功能如下： ①“原动机启动”：打开控制柜上的“原动机电源”，“原动机启动”光字牌被点亮； ②“跳闸信号”：微机线路保护装置发出断路器跳闸命令，断路器跳闸成功后，“跳闸信号”光字牌被点亮；

③“合闸信号”：微机线路保护装置发出重合闸命令，断路器合闸成功后，“合闸信号”光字牌被点亮；

④“备用”：升级使用。

⑵并网指示：当并网断路器QF0成功合闸后，发出声光指示。 表1-1

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 仪表名称 发电机电压表 发电机频率表 开关站电压表 A相电流表 B相电流表 C相电流表 有功功率表 无功功率 功率因数 系统频率表 系统电压表 同期表 量程 0～450V（线电压）；0～300V（线电压） 45～55Hz 0～450V 0～5A 0～5A 0～5A 0～4kW 0～3.6kVar 超前0.5～滞后0.5 45～55Hz 0～450V（线电压）；0～300V（线电压） 频差：-3～+3Hz；压差：-10～+10V 精度 1.5 2.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 2.5 1.5 2.5 6．设置单元：包括合闸时间设置、短路故障类型设置及短路时间设置。 ⑴合闸时间设置

采用数显时间继电器延时来模拟断路器的合闸时间。延时时间范围：0～99.99s。配合微机准同期装置使用。

⑵短路故障类型设置 详见“1.输电线路单元”。 ⑶短路时间设置

采用数显时间继电器延时来模拟短路故障持续时间。延时时间范围：0～99.99s。 7．外围设备接口单元：外设接口分布在实验台的两侧，如图1-1所示，共有15个接口，具体说明如下：

实验台左侧 实验台右侧

图1-1 实验台外设接口分布示意图

1－左侧圆孔：备用。

2－送端母线接口（左侧的黄、绿、红和黑色强电护套座）：分别对应发电机电压的A、B、C和N相，用于引出发电机电压信号（仅做同步发电机特性实验时用）。

3－多机组网接口（左侧19芯航空插座）：用于和THLDK-2型电力系统监控实验平台的19芯航空插座的对接。

4－三芯插座：为其他设备提供单相电源AC220V。

5－小四芯插座（额定电流16A）：为其他设备提供三相电源AC380V。

6－发电机三相输入接口（左侧大四芯插座，额定电流25A)：用于接入发电机的输出电压信号。

7－右侧圆孔1：备用。 8－右侧圆孔2：备用。

9－受端母线接口（右侧的黄、绿、红和黑色强电护套座）：对应接入三相可调负载箱（做单机带负载实验时用）。

10－右侧19芯航空插座：用于和控制柜的19芯航空插座的对接。 11－42芯航空插座：用于和控制柜的42芯航空插座的对接。

12－系统电源接入口（右侧大四芯插座1，额定电流25A）：用于接入自耦调压器的副边插头。

13－受端母线接口（右侧大四芯插座2，额定电流25A）：用于接入自耦调压器的原边插头（仅做单机带负载实验时，将自耦调压器作为感性负载用）。

14－RJ45口：发电机出口电量采集模块的通信输出口，用于和控制柜的左侧RJ45口对接。

15－DB9孔：备用。

8．电源单元：包括手动励磁电源和实验台电源 ⑴手动励磁电源

在实验台右下方有一个单相调压器，该调压器用于给发电机手动励磁提供电源，顺时针增大，逆时针减小。

⑵实验台电源

在实验台左侧有两个微型断路器：三相电源（额定电流16A）和单相电源(额定电流10A)。操作时，先合三相总电源，再合单相电源。 二、THLZD-2型电力系统综合自动化控制柜

控制柜包括以下单元：

1．测量仪表单元：采用指针式测量仪表，包括2只直流电压表、2只直流电流表和1只交流电压表。可测量如下电量参数：原动机电枢电压，原动机电枢电流，发电机励磁电压，发电机励磁电流和单相电源电压（该电源为隔离电源）。各测量仪表的量程和精度等级见表1-2所示。

注：各仪表请不要超量程使用，以免损坏设备。

2．原动机控制单元：包括原动机电源，ZKS-15型调速器和THLWT-3型微机调速装置。具体功能如下：

⑴原动机电源：为ZKS-15型调速器提供电源。

⑵ZKS-15型调速器：为原动机提供电枢电压和励磁电压，具有过流保护功能。 ⑶THLWT-3型微机调速装置：并网前，测量并调节原动机转速；并网后，调节原动机的有功功率输出，同时测量功角。

表1-2 序号 1 2 仪表名称 原动机电枢电压表 原动机电枢电流表 量程 0～500V 0～10A或0～15A 精度 1.5 1.5 3 4 5 发电机励磁电压表 发电机励磁电流表 单相电源电压表（交流） 0～150V 0～5A 0～450V 1.5 1.5 1.5 注：未标注的仪表，测量信号为直流信号。

3．发电机励磁单元：包括励磁电源、THLCL-1型常规励磁装置、THLWL-3型微机励磁装置和波形观测孔。具体功能如下：

⑴励磁电源：为THLCL-1型常规励磁装置和THLWL-3型微机励磁装置功率部分提供电源。 ⑵THLCL-1型常规励磁装置：采用PI调节；具有恒U（发电机电压），恒压精度为0.5%UgNg

（发电机额定电压）；具有最小、最大励磁电流值的限制。

⑶THLWL-3型微机励磁装置：能够测量三相电压，电流，有功功率，无功功率，频率，功率因数，励磁电压和励磁电流等电量参数；具有恒给定电压UR、恒励磁电流Ie、恒发电机电压Ug、恒无功Q 四种自动调节功能；具有定子过电压保护、过励限制、欠励限制、伏赫限制和强励功能；采用液晶中文菜单操作；具有在线修改控制参数的功能。

⑷波形观测孔：用于观测发电机励磁回路同步信号波形、6路触发脉冲波形和整流输出波形。

4．准同期单元：包括THLWZ-2型微机准同期装置。该装置能实时显示发电机和系统的压差和频差；采用液晶中文菜单操作；具有在线整定和修改频差、压差允许值和导前时间等参数的功能；具有波形观测孔，可观察合闸脉冲相对于三角波的位置、发电机电压波形、系统电压波形和矩形波波形等。

5．外围设备接口单元：外设接口分布在控制柜的两侧，如图1-2所示，共有7个接口，具体如下：

控制柜左侧 控制柜右侧

图1-2 控制柜外设接口分布示意图

1－19芯航空插座：用于和实验台的右侧19芯航空插座的对接。 2－42芯航空插座：用于和实验台的42芯航空插座的对接。

3、4－大四芯插座1、2（额定电流25A）：用于接入自耦调压器的原边插头和实验台的电源插头，二者可通用。

5－转速信号接口（DB9孔）：接原动机的光电编码器的输出信号。 6－内部通信接口（左侧RJ45口）：用于和实验台的RJ45口对接。

7、8－右侧RJ45口1、2：其中一个用于和THLDK-2型电力系统监控实验平台上对应的通信口对接，另一个备用，二者可通用。

6．电源单元：具有三个微型断路器：

2) 检查THLWL-3微机励磁装置显示菜单的“系统设置”的相关参数和设置。具体如下： “励磁调节方式”设置为实验要求的方式，此处为“恒Ug”。 “恒Ug预定值”设置为设定的发电机电压，此处为发电机额定电压。 “无功调差系数”设置为“+0”

具体操作见THLWL-3微机励磁装置使用说明书。

3)按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“启动”键，发电机开始起励建压，直至THLWL-3微机励磁装置面板上的“增磁”指示灯熄灭，表示起励建压完成。

2．发电机组停机 ⑴减小发电机励磁至0。

⑵按下THLWT-3微机调速器装置面板上的“停止”键。

⑶ 当发电机转速减为0时，将THLZD-2电力系统综合自动化控制柜面板上的“励磁电源”打到“关”，“原动机电源”打到“关”。

3．发电机组并网

⑴ 首先投入无穷大系统，具体操作参见第一部分“无穷大系统”，将实验台上的“发电机运行方式”切至“并网”方式。打开控制柜的“总电源”、“三相电源”和“单相电源”的电源开关；再打开实验台的“三相电源”和“单相电源”开关。

⑵发电机与系统间的线路有“单回”和“双回”可选。根据实验要求选定一种，此处选“单回”。单回：断路器QF1和QF3（或者QF2、QF4和QF6）处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态；双回：断路器QF1、QF2、QF3、QF4和QF6处于“合闸”状态，其他处断路器处于“分闸”状态。

⑶合上断路器QF7，调节自耦调压器的手柄，逐渐增大输出电压，直到接近发电机电压。 ⑷投入同期表。将实验台上的“同期表控制”旋钮打到“投入”状态。

⑸发电机组并网有三种方式，可根据实验要求选定。一是手动并网；一是半自动并网；一是自动并网。为了保证发电机在并网后不进相运行，并网前应使发电机的频率和电压略大于系统的频率和电压。

①手动并网

所谓“手动并网”，就是手动调整频差和压差，满足条件后，手动操作并网断路器实现并网。

1) 选定“同期方式”。将实验台上的“同期方式”旋钮旋到“手动”状态。 2) 观测同期表的指针旋转。同期时，以系统为基准，fg> fs 时同期表的相角指针顺时针旋转，频率指针转到“+”的部分；Ug>Us时压差指针转到“+”。反之相反。fg和Ug表示发电机频率和电压；fs 和Us表示系统频率和电压。

根据同期表指针的位置，手动调整发电机的频率和电压，直至频率指针和压差指针指向“0”位置。表示频率差和压差接近于“0”，此时相角指针转动缓慢，当相角指针转至中央刻度时，表示相角差为“0”，此时按下断路器QF0的“合闸”按钮。完成手动并网。

②半自动并网

所谓“半自动并网”，就是手动调整频差和压差至满足条件后，系统自动操作并网断路器实现并网。

1) 选定“同期方式”。将THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“同期方式”旋钮旋到“半自动”状态。

2) 检查THLWZ-2微机准同期装置的系统设置菜单的“系统设置”的相关参数和设置。

具体如下：

“导前时间”设置为200ms “允许频差”设置为0.3Hz “允许压差”设置为2V “自动调频”设置为“退出” “自动调压”设置为“退出” “自动合闸”设置为“投入”

上述的设置操作可参见附录八，同时，还需设置合闸时间，即设定THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“QF0合闸时间设定”为0.11 s～0.12s（考虑控制回路继电器的动作时间），该时间继电器的显示格式为00.00s。如实验中对上述参数没有要求，为了延长设备的寿命，一律按上述设置设定。

3) 投入微机准同期。按下THLWZ-2微机准同期装置面板上的“投入”键。

4) 根据THLWZ-2微机准同期显示的值，手动调整频差和压差，满足条件后，自动并网。 ③ 自动并网

所谓“自动并网”，就是自动调整频差和压差，满足条件后，自动操作并网断路器，实现并网。

1) 选定“同期方式”。将THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“同期方式”旋钮旋到“自动”状态。

2) 检查THLWZ-2微机准同期装置的系统设置内显示菜单的“系统设置”的相关参数和设置。具体如下：

“导前时间”设置为200ms “允许频差”设置为0.3Hz “允许压差”设置为2V “自动调频”设置为“投入” “自动调压”设置为“投入” “自动合闸”设置为“投入”

上述设置的操作可参见附录八，同时，还需设置合闸时间，即设定THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“QF0合闸时间设定”为0.11 s～0.12s（考虑控制回路继电器的动作时间），该时间继电器的显示格式为00.00s。如实验中对上述参数没有要求，为了延长设备的寿命，一律按上述设置设定。

3) 投入微机准同期。按下THLWZ-2微机准同期装置面板上的“投入”键。

4) 检查THLWT-3微机调速装置和THLWL-3微机励磁装置是否处于“自动”状态，如果不是，调整到“自动”状态，操作可参见THLWT-3微机调速装置使用说明书和THLWL-3微机励磁装置使用说明书。

5) 满足条件后，并网完成。

6) 退出同期表。将THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“同期表控制”旋钮打到“退出”状态。

4．发电机组发出有功和无功功率

⑴调节励磁装置，调整发电机组发出的无功，使Q=0.75kVar，PF=0.8。具体操作： ①手动励磁：调节THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“手动调压”旋钮，逐步增大励磁，直到达到要求的无功值。

②常规励磁：调节THLCL-2常规可控励磁装置面板上的“给定输入”旋钮，逐步增大给定，直至达到要求的无功值

③微机励磁：多次按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“＋”键，逐步增大励磁，直至达到要求的无功值。

⑵调节调速器，调整发电机组发出的有功，具体操作：多次按下THLWT-3微机调速装置“+”键，逐步增大发电机有功输出，使P=1kW。

5．发电机组解列

⑴将发电机组输出的有功和无功减为0。具体操作：

①多次按下THLWT-3微机调速装置“－”键，逐步减少发电机有功输出，直至有功接近0。

②调节励磁，减小无功。多次按下THLWL-3微机励磁装置面板上的“－”键，逐步减少发电机无功输出，直至无功接近于0。

备注：在调整过程中，注意不要让发电机进相。

⑵按下THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的断路器QF0的“分闸”按钮，将发电机组和系统解列。然后发电机停机，具体参照实验内容“⒉发电机组停机”。

6．发电机组组网运行

该功能是配合THLDK-2电力系统监控实验台而设定的。

⑴将THLZD-2电力系统综合自动化实验台上的“发电机运行方式”切至“联网”方式。 ⑵将THLZD-2电力系统综合自动化实验台左侧的电缆插头接入THLDK-2电力系统监控实验台。

⑶重复实验1发电机组起励建压步骤。

⑷采用手动并网方式，将发电机组并入THLDK-2电力系统监控实验台上的电力网。具体操作参见THLDK-2电力系统监控实验指导书。 四、实验报告

1．简述发电机组起励建压，并网，解列和停机的操作步骤。 2．为什么发电机组送出有功和无功时，先送无功？ 3．为什么要求发电机组输出的有功和无功为0时才能解列？

第三章 同步发电机准同期并列运行

实验一 自动准同期条件测试实验

一、实验目的

1．掌握实验设备和仪器的使用方法，深入理解准同期条件。 2．掌握准同期条件的测试方法。 3．熟悉脉动电压的特点。 二、原理说明

早期的准同期装置是利用脉动电压这一特性进行工作的。所谓脉动电压是指待并发电机

的电压Ug和系统电压US之间的电压差，通常用Ud来表示。

发电机电压和系统电压的瞬时值，可用下式表示：

ug?Ug.msin(Wgt??(1)) 3-3-1-1

us?Us.msin(?st??(2)) 3-3-1-2

式中：Ug.m、Us.m为发电机和系统电压的幅值；δ1 、δ2为发电机电压和系统电压的初相。 设Ug.m?Us.m?Um，从式3-3-1-1和3-3-1-2可得脉动电压：

ud?ug-us?2Umsin[(?gt??1)/2-(?st??2)/2]?cos[(?gt??1)/2?(?st??2)/2]3-3-1-3

若初始相角?1??2?0，则式3-3-1-3可简化为:

ud?2Umsin[(?g-?s)t/2]cos[(?g??s)t/2] 3-3-1-4

脉动电压ud随时间变化的轨迹示于图3-3-1-1。 令Ud.m?2Umsin[(?g-?s)t/2]为脉动电压ud的幅值，则

ud?Ud.mcos[(?g??s)t/2] 3-3-1-5

令ωd= ωg-ωs，式中ωd为滑差角速度，则

ud ?2Umsin[(?dt)/2 ]3-3-1-6

图3-3-1-1 脉动电压变化轨迹

关于脉动电压的概念还可以用相量来描述。图3-3-1-2是滑差电压相量图。

图中用Ug和Us表示发电机电压和系统电压的相量，当ωd不等于零时，Ug和Us之间的相角差（滑差）δ=ωdt，将随时间t不断改变。假定以Us为参考相量保持不动，则Ug将以角速度ωd作逆时针旋转。因而脉动电压Ud的瞬时值也在不断变化。

图3-3-1-2 脉动电压相量图

脉动电压不仅反映Ug和Us的相角差特性，而且与它们的幅值有关，所以可以利用自动装置检测滑差电压，判断准同期并网条件，完成发电机组的准同期并网操作。因此研究滑差电压的特性是非常必要的。 三、实验内容与步骤

根据发电机电压信号和系统电压信号测试准同期条件, 当电压幅值和频率有变化时，观测脉动电压Ud波形的变化。实验步骤如下：

实验准备：选定实验台上面板的旋钮开关的位置：将“励磁方式”旋钮开关打到“手动”位置；将“励磁电源”旋钮开关打到“他励”位置；将“同期方式”旋钮开关打到“自动”位置。

1．发电机组起励建压，使发电机端电压为400V（操作步骤见第一章）

2．检查微机准同期各整定项是否为附录八中表4-8-2的设置（出厂设置）。如果不符，则进行相关修改。

3．波形测试

⑴在综合自动化控制柜上安放双踪数字示波器，电源接在示波器位置平架后部的单相电源插座上（已经通过隔离变压器隔离市电），将一个探头的正极接入“发电机电压”测试孔，负极接入“参考地”测试孔，另一个探头的正极接入“系统电压”测试孔，观测系统和发电机电压波形，以及二者相位差的变化，记录实验波形。

⑵上述实验完成后，将示波器一路探头拔下，将另一路探头的正极接入“发电机电压”测试孔上，负极接入“系统电压”测试孔，此时示波器观测的波形为脉动电压波形。

⑶按下THLWL-3型微机调速装置上的“＋”键和“－”键，调节转速，使n=1470 rpm；调节实验台上的“手动调压”旋钮，调节励磁，使Ug=390V，此时按下微机准同期装置面板上的“投入”键，通过双踪数字示波器可观测到脉动电压波形。待波形稳定后，捕捉一个周期内完整的脉动电压波形，测量脉动电压的频率，将其与当前频差比较，确定两者的关系。观察脉动电压幅值达到最小值的时刻所对应的整步表指针位置和微机准同期装置旋转灯灯光位置。根据捕捉到的波形，绘制脉动电压波形图。

注：微机准同期装置测量的系统电压和发电机电压均为经过电压互感器后的电压，电压互感器变比400 ：100

4．数据全部记录完成后，发电机组停机（见第一章） 5．实验台和控制柜设备的断电操作以及示波器的整理

依次断开实验台的“单相电源”、“三相电源”和“总电源”以及控制柜的“单相电源”、

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