TWB-DLZ1型電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)裝置

一、設(shè)備的組成

“TWB-DLZ1型電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)裝置"是一個自動化程度很高的多功能試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)

（一）基本功能

1、該電力系統(tǒng)綜合自動化實(shí)驗(yàn)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(shí)踐的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展，在學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)時，以真實(shí)直觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式對學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)技能訓(xùn)練和實(shí)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(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，同時也可作為研究生開發(fā)試驗(yàn)，還可以作為電力學(xué)院技術(shù)人員的培訓(xùn)基地。

2、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：根據(jù)功能設(shè)計(jì)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(jì)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(dú)硬件系統(tǒng)和控制程序，即符合教材，也同樣符合工業(yè)現(xiàn)場。

5、實(shí)驗(yàn)平臺集中度高，三相可調(diào)阻感性負(fù)載集中在實(shí)驗(yàn)臺上，無需單獨(dú)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(shí)驗(yàn)連接導(dǎo)線采用高可靠全封閉插型式，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(shí)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(shí)驗(yàn)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(xiǎn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(diǎn)：

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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)控制。

2）產(chǎn)品采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，可實(shí)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(shí)驗(yàn)波形記錄功能，可以記錄Uf、IL、UL、P、Q、α等信號的實(shí)時波形曲線，供實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jì)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

（四）同步電機(jī)機(jī)組

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和暫態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)的震動不變形基礎(chǔ)上增加50%的安全裕量；機(jī)座設(shè)計(jì)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(shí)時統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算、事件報(bào)警實(shí)時/歷史記錄、專業(yè)報(bào)表、打印管理、監(jiān)控界面、實(shí)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(shí)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(shí)時數(shù)據(jù)庫建模。系統(tǒng)具有多種獨(dú)立的功能模塊，如保護(hù)設(shè)備定值在線管理、事件報(bào)警管理、電能量實(shí)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(bào)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)

（1）微機(jī)勵磁系統(tǒng)基本操作實(shí)驗(yàn)

（2）不同α角（控制角）勵磁電壓波形觀測實(shí)驗(yàn)

（3）典型方式下的同步發(fā)電機(jī)起勵實(shí)驗(yàn)

（4）控制方式及其相互切換實(shí)驗(yàn)

（5）跳滅磁開關(guān)滅磁和逆變滅磁

（6）伏赫限制實(shí)驗(yàn)

（7）欠勵限制實(shí)驗(yàn)

（8）同步發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵實(shí)驗(yàn)

（9）調(diào)差實(shí)驗(yàn)

（10）過勵限制實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)

（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(shí)驗(yàn)

（7）半自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

（8）自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

4、自并勵實(shí)驗(yàn)

（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(shí)驗(yàn)

（1）單回路穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

（2）雙回路和單回路的穩(wěn)態(tài)對稱運(yùn)行比較實(shí)驗(yàn)

（3）單回路穩(wěn)態(tài)非全相運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

6、單機(jī)帶負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

（1）投、切不同負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)

（2）甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)

（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(shí)驗(yàn)

8、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

9、同步發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)

（1）同步發(fā)電機(jī)空載實(shí)驗(yàn)和短路實(shí)驗(yàn)

（2）同步發(fā)電機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)