电力系统综合实验 电力系统动态模拟实验室编 华北电力大学 二OO五年六月
电力系统综合实验 电力系统动态模拟实验室 编 华北电力大学 二○○五年六月
前言 电力系统综合实验是根据1982年电力系统及自动化专业武汉会议确定的教学大纲编写 的。其目的是在学生基本学完专业课的基础上，对某些问题进行综合的实验探讨，以提高 学生实验研究、分析处理数据和提出科学报告的能力。 通过实验，使学生对电力系统的结构、系统中各元件的性能、电力系统正常运行、故 障运行、失步特征等建立比较完整的概念。 通过实验，使学生在实验方案设计、仪器仪表的选择与使用、实验电路的接线与调试、 数据处理与误差分析、曲线与向量图的绘制等方面得到训练。 实验内容包括：电力系统静态稳定、电力系统暂态稳定、同步发电机静态运行安全极 限测定、用不同方法测定同步发电机参数等。 为了使学生掌握动态模拟方法，以便利用动模实验室进行实验，首先简略介绍了模拟 理论及动模的作用、电力系统中各元件的模拟、模拟计算举例等，最后对实验室的某些专 用仪器进行了介绍。 所列实验内容可根据专业设置选做其中部分项目
前 言 电力系统综合实验是根据 1982 年电力系统及自动化专业武汉会议确定的教学大纲编写 的。其目的是在学生基本学完专业课的基础上，对某些问题进行综合的实验探讨，以提高 学生实验研究、分析处理数据和提出科学报告的能力。 通过实验，使学生对电力系统的结构、系统中各元件的性能、电力系统正常运行、故 障运行、失步特征等建立比较完整的概念。 通过实验，使学生在实验方案设计、仪器仪表的选择与使用、实验电路的接线与调试、 数据处理与误差分析、曲线与向量图的绘制等方面得到训练。 实验内容包括：电力系统静态稳定、电力系统暂态稳定、同步发电机静态运行安全极 限测定、用不同方法测定同步发电机参数等。 为了使学生掌握动态模拟方法，以便利用动模实验室进行实验，首先简略介绍了模拟 理论及动模的作用、电力系统中各元件的模拟、模拟计算举例等，最后对实验室的某些专 用仪器进行了介绍。 所列实验内容可根据专业设置选做其中部分项目
目 录 前言 电力系统动态模拟介绍…小 实验一电力系统静态稳定… …l6 实验二电力系统暂态稳定…19 实验三同步发电机静态安全运行极限的测定…22 实验四三相突然短路法测定同步发电机参数 …26 实验五电压恢复法测定同步发电机参数…30 实验六静测法测定同步发电机次暂态电抗X。和X。…33 实验七同步发电机空载特性、短路特性及参数测定… …36 实验八同步发电机纯电感性负载特性实验…39 附一DF1024波形记录仪使用介绍…41 附二微机式保护/故障模拟控制装置使用说明…47
目 录 前言 电力系统动态模拟介绍 ………………………………………………………………………1 实验一 电力系统静态稳定……………………………………………………………………16 实验二 电力系统暂态稳定……………………………………………………………………19 实验三 同步发电机静态安全运行极限的测定………………………………………………22 实验四 三相突然短路法测定同步发电机参数………………………………………………26 实验五 电压恢复法测定同步发电机参数……………………………………………………30 实验六 静测法测定同步发电机次暂态电抗 X” d 和 X” q ……………………………………33 实验七 同步发电机空载特性、短路特性及参数测定………………………………………36 实验八 同步发电机纯电感性负载特性实验…………………………………………………39 附一 DF1024 波形记录仪使用介绍……………………………………………………………41 附二 微机式保护/故障模拟控制装置使用说明 ……………………………………………47
电力系统动态模拟介绍 一.概述 电力系统的研究方法可以概括为理论研究和科学实验研究两种途径。理论分析是非常重 要的，它阐明电力系统的基本原理并探索新的理论和方法。但是，由于电力系统的复杂性， 很多问题仅靠理论分析是不够的，只有把理论分析和科学实验结合起来，才能得到正确的结 论。 电力系统的实哈研究可在实际的申力系统（一般称原型）上讲行，也可在模拟的申力系 统（一般称模型）上进行。在原型上进行实验研究，往往受电力系统的安全、经济运行的限 制。如短路实验等一般不能在原型系统进行：对于发展规划中的一些问题，有时更难以在现 有的电力系统上进行。在模拟系统上进行实验研究，显然没有这些限制，因此模拟实验在电 力系统研究工作中占有重要地位。 电力系统模拟方法有数学模拟和动态模拟两种方法。 数学模拟是建立在数学方程式的基础上的一种模拟研究方法。首先建立原型的数学模 型，然后通过求解方程从而得出结论。随着计算机的快速发展，利用计算机仿真研究电力系 统的数学模拟方法有着广阔的前景。只要能建立相应的数学模型，就可以方便的利用数字计 算机进行研究。这种方法投资小，方案、参数调整方便，且速度快。但建立数学模型受到诸 多因素的影响，其准确与否受到主观限制。比如某些简化是否合理，某些因素忽略是否正确 等，直接影响到建模的正确性和得出的结论。 电力系统动态模拟是电力系统的物理模拟。是根据相似理论，用和原型系统具有相同物 理性质的相似元件建立起来的。电力系统动态模拟是建立与原型相似的物理模型，通过模拟 实验得出结论的方法。电力系统动态模拟主要由模拟发电机、模拟励磁系统、模拟变压器、 模拟输电线路、模拟负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置组成。动态模拟实验物 理概念清晰，直观，且能真实反映实际系统的特征。但建立动态模型投资大，且实验方案、 参数调整复杂。 由于数学模拟和动态模拟各具优缺点，互相补充验证，也是目前研究电力系统的重要方 法。 二.模拟理论及动态模拟的作用 1.棋拟理论 根据相似理论，模型和原型的物理现象相似，意味着在模型和原型中，用以描述现象过 程的相应参数和变量在整个研究过程中，保持一个不变的、无量纲的比例系数。满足这个相 似判据的模拟系统，其参数和变量以标么值表示的数值在整个过程中与原型的相等。在动态 模拟中，希望模型和原型的物理现象有相同的时间标尺，即模型和原型各元件的时间常数， 例如发电机励磁回路的时间常数T,机组的惯性时间常数T等，以秒为单位表示应该相等。 电力系统动态模拟又可描述为：将实际电力系统参数按一定比例缩小，并保留其物理特
1 电力系统动态模拟介绍 一．概述 电力系统的研究方法可以概括为理论研究和科学实验研究两种途径。理论分析是非常重 要的，它阐明电力系统的基本原理并探索新的理论和方法。但是，由于电力系统的复杂性， 很多问题仅靠理论分析是不够的，只有把理论分析和科学实验结合起来，才能得到正确的结 论。 电力系统的实验研究可在实际的电力系统（一般称原型）上进行，也可在模拟的电力系 统（一般称模型）上进行。在原型上进行实验研究，往往受电力系统的安全、经济运行的限 制。如短路实验等一般不能在原型系统进行；对于发展规划中的一些问题，有时更难以在现 有的电力系统上进行。在模拟系统上进行实验研究，显然没有这些限制，因此模拟实验在电 力系统研究工作中占有重要地位。 电力系统模拟方法有数学模拟和动态模拟两种方法。 数学模拟是建立在数学方程式的基础上的一种模拟研究方法。首先建立原型的数学模 型，然后通过求解方程从而得出结论。随着计算机的快速发展，利用计算机仿真研究电力系 统的数学模拟方法有着广阔的前景。只要能建立相应的数学模型，就可以方便的利用数字计 算机进行研究。这种方法投资小，方案、参数调整方便，且速度快。但建立数学模型受到诸 多因素的影响，其准确与否受到主观限制。比如某些简化是否合理，某些因素忽略是否正确 等，直接影响到建模的正确性和得出的结论。 电力系统动态模拟是电力系统的物理模拟。是根据相似理论，用和原型系统具有相同物 理性质的相似元件建立起来的。电力系统动态模拟是建立与原型相似的物理模型，通过模拟 实验得出结论的方法。电力系统动态模拟主要由模拟发电机、模拟励磁系统、模拟变压器、 模拟输电线路、模拟负荷和有关调节、控制、测量、保护等模拟装置组成。动态模拟实验物 理概念清晰，直观，且能真实反映实际系统的特征。但建立动态模型投资大，且实验方案、 参数调整复杂。 由于数学模拟和动态模拟各具优缺点，互相补充验证，也是目前研究电力系统的重要方 法。 二．模拟理论及动态模拟的作用 1. 模拟理论 根据相似理论，模型和原型的物理现象相似，意味着在模型和原型中，用以描述现象过 程的相应参数和变量在整个研究过程中，保持一个不变的、无量纲的比例系数。满足这个相 似判据的模拟系统，其参数和变量以标么值表示的数值在整个过程中与原型的相等。在动态 模拟中，希望模型和原型的物理现象有相同的时间标尺，即模型和原型各元件的时间常数， 例如发电机励磁回路的时间常数 Td0，机组的惯性时间常数 TJ 等，以秒为单位表示应该相等。 电力系统动态模拟又可描述为：将实际电力系统参数按一定比例缩小，并保留其物理特
性不变，建立一个模型，通过在模型上进行实验得出结论的方法。 原型系统参数的有名值与模型系统参数的有名值之比称作模拟比。模拟比一般有四个， 即功率模拟比mp、电压模拟比m、电流模拟比m小、阻抗模拟比mx,分别定义如下。 S. m元 m1=儿-SA-m Γis.八.U,/八。m X U/S y U/U mv2 mx=X,U,/5.S/S。m 时间t、时间常数T、角度6、频率f模拟比取1：1。 按模拟比缩小后，原型和模型参数若取各自基准值，则描述原型和模型的参数的标么值 是完全一样的。取阻抗证明如下。 mv2 U/U2 U/Sy U Sm 因为 mx mS/S。US。s,×U 代入 Xy=mx X Xm 则 Xy=S×UxX Sy S 整理得 Xyx Xmx U 取原型基准值 Xy8-S 取模型基准值 XmB2S 所以 Xy=Xm 即原型的电抗标么值等于模型的电抗标么值。 保留物理特性是指过渡过程一样，也就是时间常数等一样。 大家知道，描述电力系统一般是微分方程。按上述理论，描述原型的微分方程和描述模 型的微分方程对应参数的标么值一样，过渡过程一样，则从数学角度看，两个方程完全一样
2 性不变，建立一个模型，通过在模型上进行实验得出结论的方法。 原型系统参数的有名值与模型系统参数的有名值之比称作模拟比。模拟比一般有四个， 即功率模拟比 m p、电压模拟比 m v、电流模拟比 m I、阻抗模拟比 m x，分别定义如下。 m p= m y S S m v= m y U U m I = m y I I = m m y y S /U S /U = y m y m U /U S /S = v p m m m x = m y X X = m m y y U /S U /S 2 2 = y m y m S /S U /U 2 2 = p v m m 2 时间 t、时间常数 T、角度δ、频率 f 模拟比取 1 ：1。 按模拟比缩小后，原型和模型参数若取各自基准值，则描述原型和模型的参数的标么值 是完全一样的。取阻抗证明如下。 因为 m x = p v m m 2 = y m y m S /S U /U 2 2 = m m y y U /S U /S 2 2 = y y S U 2 × 2 m m U S 代入 X y = m x × X m 则 X y = y y S U 2 × 2 m m U S × X m 整理得 X y× 2 y y U S = X m× 2 m m U S 取原型基准值 X y B = y 2 y S U 取模型基准值 X m B = m 2 m S U 所以 X y* = X m* 即原型的电抗标么值等于模型的电抗标么值。 保留物理特性是指过渡过程一样，也就是时间常数等一样。 大家知道，描述电力系统一般是微分方程。按上述理论，描述原型的微分方程和描述模 型的微分方程对应参数的标么值一样，过渡过程一样，则从数学角度看，两个方程完全一样