TWB-DLZ1型電力系統(tǒng)綜合自動化實驗裝置

一、設(shè)備的組成

“TWB-DLZ1型電力系統(tǒng)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(fā)電機(jī)組、雙回路輸電線路、無窮大電源等一次設(shè)備組成，通過中間開關(guān)站和單回、雙回線路的組合，可構(gòu)成發(fā)電機(jī)與無窮大系統(tǒng)之間有四種不同聯(lián)絡(luò)阻抗，供電力系統(tǒng)實驗分析比較時使用。每臺原動機(jī)都配有自動調(diào)速裝置和手動調(diào)速裝置，并具有過速保護(hù)功能；每臺發(fā)電機(jī)配有自動勵磁調(diào)節(jié)器和手動勵磁調(diào)節(jié)器，具有調(diào)差、強(qiáng)勵、過勵限制欠勵限制、伏赫限制等功能；每臺發(fā)電機(jī)還配有微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置，輸電線路還配微機(jī)過流保護(hù)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(jī)勵磁的運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)可在液晶屏上在線修改。每臺發(fā)電機(jī)的電流、電壓都留有標(biāo)準(zhǔn)接口，以及對發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)壓控制也留有接口，并且各開關(guān)的狀態(tài)信號輸出和跳、合控制接口全部引到端子排，供開發(fā)人員使用。

二、基本功能及特點

（一）基本功能

1、該電力系統(tǒng)綜合自動化實驗裝置適用于電力系統(tǒng)自動化專業(yè)本、?？粕摹半娏ο到y(tǒng)自動化”、“電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ)”、“電力系統(tǒng)穩(wěn)暫態(tài)分析”、“電力系統(tǒng)自動裝置”、“電力系統(tǒng)運(yùn)動”等專業(yè)課程中的教學(xué)內(nèi)容，能夠結(jié)合生產(chǎn)實踐的實際應(yīng)用和發(fā)展，在學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計、課程設(shè)計和生產(chǎn)實習(xí)時，以真實直觀的實驗教學(xué)形式對學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)技能訓(xùn)練和實際設(shè)備的訓(xùn)練，提高學(xué)生的動手能力，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解。也應(yīng)用于本、?？粕恼n程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計試驗，同時也可作為研究生開發(fā)試驗，還可以作為電力學(xué)院技術(shù)人員的培訓(xùn)基地。 

2、實驗平臺能完成《電力系統(tǒng)自動裝置》、《電力系統(tǒng)自動化》、《電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析》、《電力系統(tǒng)暫態(tài)分析》等電氣工程及自動化專業(yè)的主要課程實驗項目。

3、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：根據(jù)功能設(shè)計成五個部分：輸電線路及監(jiān)視保護(hù)屏（含無窮大電源）、同步電機(jī)機(jī)組、自動系統(tǒng)控制柜、負(fù)載柜以及控制系統(tǒng)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(shè)計與電力工業(yè)現(xiàn)場一致，“調(diào)速系統(tǒng)”、“勵磁系統(tǒng)”、“準(zhǔn)同期控制系統(tǒng)”均采用單獨硬件系統(tǒng)和控制程序，即完全符合教材，也同樣符合工業(yè)現(xiàn)場。

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

（二）系統(tǒng)技術(shù)的安全性

1、系統(tǒng)設(shè)有電流型漏電保護(hù)，電壓型漏電保護(hù)、交直流電源的過流保護(hù)等多種安全措施，同時實驗連接導(dǎo)線采用高可靠全封閉手槍插型式，內(nèi)部為無氧銅抽絲而成發(fā)絲般細(xì)的128股線，質(zhì)地柔軟，護(hù)套用粗線徑、防硬化化學(xué)制品制成，插頭采用實芯銅質(zhì)件避免了學(xué)生雙手摸電的可能。電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)電系統(tǒng)具有跳閘保護(hù)，便與處理緊急事故。

三、系統(tǒng)主要配置及技術(shù)參數(shù)：

（一）基本參數(shù)

1、輸入電源：三相380V±5% 50Hz

2、工作環(huán)境：溫度-10℃－＋40℃；相對濕度≤85%、海拔≤4000m；

3、系統(tǒng)容量：≤15kVA

4、外形尺寸：控制屏：170cm×88cm×180cm；同步電機(jī)機(jī)組：≤110cm×30cm×50cm。

（二）電力系統(tǒng)綜合自動化實驗裝置控制屏

1、交流電源：無窮大電源指內(nèi)阻抗為零，頻率、電壓及相位都恒定不變的一臺同步發(fā)電機(jī)，在本電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)電系統(tǒng)中，由15kVA調(diào)壓器自耦調(diào)壓器組成，通過調(diào)壓器改變母線電壓（0-430V連續(xù)可調(diào)），交流電源輸出接有高靈敏度的電子線路過流保護(hù)和保險絲雙重保護(hù)功能，相間電源、線間電源過電流或直接短路均能自動保護(hù)。同時帶有三只指針式交流電壓表監(jiān)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(yuǎn)距離輸電線路模型，每回線路分成兩段，并設(shè)置中間開關(guān)站，使發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間可構(gòu)成四種不同聯(lián)絡(luò)阻抗，可以模擬雙回路電路的動態(tài)參數(shù)和結(jié)構(gòu)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)表1 只；

7）單相同期表1 只，粗同期/精確同期控制開關(guān)1只。

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

（三）電力系統(tǒng)綜合自動化實驗裝置控制柜

1、微機(jī)準(zhǔn)同期系統(tǒng)

由多路采集系統(tǒng)組成，分別檢測無窮大電源電壓、發(fā)電機(jī)電壓等相關(guān)信號，通過信號轉(zhuǎn)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(jī)中顯示，根據(jù)并網(wǎng)條件控制雙回路輸電線路中同步發(fā)電機(jī)和無窮大電源的并網(wǎng)。

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(zhǔn)同期合閘（用信號燈指示進(jìn)行均壓與均頻操作，當(dāng)條件滿足時自動合閘）

3）可測定斷路器的開關(guān)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(jī)勵磁系統(tǒng)

1）發(fā)電機(jī)微機(jī)勵磁系統(tǒng)由微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器、人機(jī)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(guān)、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(gòu)成一個多輸入多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有多種調(diào)節(jié)方式和保護(hù)、限制功能。發(fā)電機(jī)勵磁自動控制系統(tǒng)為實際系統(tǒng)，勵磁功率與發(fā)電機(jī)配套，并滿足手/自動、強(qiáng)勵、強(qiáng)減、滅磁、響應(yīng)速度、單機(jī)運(yùn)行、并列運(yùn)行、無功功率分配及實現(xiàn)恒無功，恒功率因數(shù)等的運(yùn)行要求。通過設(shè)置，可針對系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行可觀測的實驗控制。

2）產(chǎn)品采用全數(shù)字化設(shè)計，可實現(xiàn)功角的自動測繪。

3）該系統(tǒng)用來控制同步電機(jī)勵磁電流大小，從而改變發(fā)電機(jī)輸出端電壓大小（在并網(wǎng)前）或調(diào)節(jié)輸出無功功率大?。ㄔ诓⒕W(wǎng)后）。上位機(jī)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(shè)有定子過電壓保護(hù)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(shè)有按有功功率反饋的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）；勵磁調(diào)節(jié)器參數(shù)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1）該系統(tǒng)用來接受準(zhǔn)同期控制器的控制信號，調(diào)節(jié)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出電壓頻率，在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前用來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率和相位，并網(wǎng)后用來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率，在整個實驗系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著原動機(jī)調(diào)節(jié)的功能。

2）采用全數(shù)字化設(shè)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(jié)構(gòu)；STM32作為控制核心，所有的采集、控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由微處理器來實現(xiàn)，有豐富的軟件功能模塊、完善的檢測和保護(hù)功能；上位機(jī)可對其電壓、電流、轉(zhuǎn)速等信號實時顯示和控制、LED數(shù)碼顯示。 控制方式：恒α角調(diào)速，電壓閉環(huán)調(diào)速，電流閉環(huán)調(diào)速。具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口及通訊協(xié)議，上位機(jī)也可對其電壓、電流、轉(zhuǎn)速信號實時顯示和控制。

3）保護(hù)：高性能MOVS；過電流（瞬態(tài)）；反時限過電流；勵磁故障；速度反饋故障；電動機(jī)過熱；晶閘管過熱；晶閘管觸發(fā)電路故障；晶閘管緩沖器網(wǎng)絡(luò)零速檢測；靜止邏輯；堵轉(zhuǎn)保護(hù)；

4、微機(jī)線路保護(hù)系統(tǒng)

（1）三段式相間過流保護(hù)

（2）自動重合閘功能（分相重合閘功能）

（3）后加速保護(hù)

（4）電流測量值優(yōu)于1%

5、TCP/IP以太網(wǎng)系統(tǒng)：

設(shè)備可以以太網(wǎng)通信，通過串行全雙工DMA方式與微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、微機(jī)勵磁系統(tǒng)、準(zhǔn)同期控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，實現(xiàn)并網(wǎng)狀態(tài)、有功功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)有功閉環(huán)及全自動并網(wǎng)功能。另外，三個控制系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)至TCP/IP以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，系統(tǒng)解析三個控制器各自傳送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整合成Modbus數(shù)據(jù)包，最后通過MODBUS-TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)監(jiān)控管理軟件，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

（四）同步電機(jī)機(jī)組

實驗發(fā)電機(jī)組由三相同步發(fā)電機(jī)、直流電動機(jī)、速度傳感器經(jīng)彈性聯(lián)軸器對軸聯(lián)結(jié)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(jī)：采用國標(biāo)Z2系列直流電動機(jī)，參數(shù)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(zhuǎn)速：1500r/min；

（6）散熱方式：風(fēng)機(jī)散熱；

2、三相同步發(fā)電機(jī)：采用定制三相交流同步發(fā)電機(jī)，參數(shù)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(zhuǎn)速：1500r/min；

（5）勵磁方式：自并勵/他勵/三次諧波勵磁；

3、電機(jī)底座

鋼結(jié)構(gòu)機(jī)座，強(qiáng)度能承受實驗機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和暫態(tài)運(yùn)行試驗的震動不變形基礎(chǔ)上增加50%的安全裕量；機(jī)座設(shè)計有減震裝置、定位固定支撐柱、用于移動的高強(qiáng)度萬向輪、定向輪、轉(zhuǎn)動部分安裝防護(hù)罩、不銹鋼推桿。

4、光電測速系統(tǒng)

光電測速系統(tǒng)采用1000線增量型光電編碼器，精度高、線性度好。

（五）上位機(jī)軟件

采用力控電力版6.0（FCPower）監(jiān)控軟件。 系統(tǒng)不僅擁有一個專業(yè)的、穩(wěn)定可靠的、完善的電力SCADA平臺(四遙數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)的二次實時統(tǒng)計分析計算、事件報警實時/歷史記錄、專業(yè)報表、打印管理、監(jiān)控界面、實時歷史負(fù)荷曲線/棒圖、用戶權(quán)限管理、電力操作習(xí)慣(遙控、遙調(diào)、復(fù)歸、閉鎖等)、雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)支持等等)，且擁有專業(yè)的實時及歷史數(shù)據(jù)庫的定義及表達(dá)工具,支持面向變電站一次間隔(回路)對象的實時數(shù)據(jù)庫建模。系統(tǒng)具有多種獨立的功能模塊，如保護(hù)設(shè)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(shù)據(jù)管理、操作票、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)管理、關(guān)系數(shù)據(jù)接口模塊，支持基于EXCEL插件的運(yùn)行、生產(chǎn)報表等，這些特色將為您定制客戶化的電力監(jiān)控系統(tǒng)提供便利。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)模塊內(nèi)置多種行業(yè)和國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，如：CDT規(guī)約，DNP3.0規(guī)約，IEC870-5-101/102/103/104規(guī)約，SC1801規(guī)約，Modbus/Jbus（RTU/ASCII/TCP）規(guī)約，部頒多功能電度表規(guī)約、CANBus規(guī)約、LonWorks規(guī)約等，配置操作簡單。

四、實驗項目

1、發(fā)電機(jī)組的起動與運(yùn)轉(zhuǎn)

（1）恒α角調(diào)速

（2）轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速

2、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制實驗

（1）微機(jī)勵磁系統(tǒng)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(fā)電機(jī)起勵實驗

（4）控制方式及其相互切換實驗

（5）跳滅磁開關(guān)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(fā)電機(jī)強(qiáng)勵實驗

（9）調(diào)差實驗

（10）過勵限制實驗

3、同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列運(yùn)行

（1）微機(jī)準(zhǔn)同期系統(tǒng)基本操作實驗

（2）自動準(zhǔn)同期條件測試

（3）線性整步電壓形成（相敏環(huán)節(jié)）測試

（4）壓差、頻差和相差閉鎖與整定

（5）導(dǎo)前時間整定及測量方法

（6）手動準(zhǔn)同期并網(wǎng)實驗

（7）半自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)實驗

（8）自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)實驗

4、自并勵實驗

（1）電壓閉環(huán)

（2）電流閉環(huán)

5、單機(jī)－無窮大系數(shù)穩(wěn)定運(yùn)行方式實驗

（1）單回路穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行實驗

（2）雙回路和單回路的穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行比較實驗

（3）單回路穩(wěn)態(tài)非全相運(yùn)行實驗

6、單機(jī)帶負(fù)荷實驗

（1）投、切不同負(fù)荷的實驗

（2）甩負(fù)荷實驗

7、電力系統(tǒng)功率特性（功角）和功率極限（靜態(tài)穩(wěn)定性）實驗

（1）無調(diào)節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定

（2）微機(jī)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(guān)系實驗

8、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性實驗

9、同步發(fā)電機(jī)實驗

（1）同步發(fā)電機(jī)空載實驗和短路實驗

（2）同步發(fā)電機(jī)外特性實驗