基于WDT-III电力系统综合自动化试验台应用研究

杨德先,尹项根,罗 毅,吴 彤,陆继明,易长松,陈 卫,吴希再

(华中科技大学湖北省电力安全与高效重点实验室,湖北武汉430074)

0 引言

综合实践教学是素质教育的重要环节,高水平的实验室和综合实验教学是培养高素质创新人才的重要基础,我校自主研制的WDT-III型电力系统综合自动化试验台[1](简称综合试验台)、PS-5G型电力系统微机监控实验系统、DJZ-III型电气控制及继电保护综合试验台等电气工程专业实验教学设备,已经被开设有电气工程类专业的全国高等院校广泛采用,受到了各高校老师和同学们的普遍欢迎,取得了较好的教学效果,目前全国有包括香港理工大学在内的100多所高等院校使用。为了更好地发挥教学设备的作用,近几年来我校成功举办了多次“全国高校电力系统自动化专业教学实验设备应用研讨会”。来自全国各地近百所高校的代表对实验教学方法、实验教学手段以及实验中遇到的问题进行了讨论,针对实验平台如何进行课程设计、毕业设计、生产实习提出了建设性意见和建议。本文针对WDT-III型开放式综合试验台进行进一步应用研究,为了加深学生对电力系统运行状态特性的理解,提出了基于综合试验台的一些新的实验内容,这些内容已经用于实验教学中,对培养学生的科学思维能力和实际操作和实验研究能力大有帮助。

1 系统构成

综合试验系统是一个自动化程度很高的多功能实验平台,该一次系统是一个完整的电力系统典型模型,它由发电机组、试验操作台、无穷大系统等设备组成。发电机与无穷大之间采用双回路输电线路,并设有中间开关站,通过中间开关站和单回、双回线路的组合,使发电机与无穷大系统之间可构成四种不同联络阻抗,供系统实验分析比较时使用。

1.1 发电机组

它是由同在一个轴上的三相同步发电机(SN=2.5kVA,UN=400V,nN=1500r.p.m),模拟原动机用的直流电动机(PN=2.2 kW,UN=220V)以及测速装置和功率角指示器组成。直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。

1.2 试验操作台

它是由具有中间开关站的双回路模拟输电线路单元、具有单相自动重合闸功能的“YHB-A微机保护装置”、具有测量发电机功角功能的“TGS-03B微机调速装置”、具有各种励磁方式和励磁限制以及PSS[2]功能的“WL-04B微机励磁调节器”、具有测定断路器的开关时间和合闸误差角功能[3]的“HGWT-03B微机准同期控制器”、以及对应的各种手动单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。

仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮以及观测波形用的测试孔和各种类型的短路故障操作等部分组成。

1.3 无穷大系统

无穷大电源是由15kVA的自耦调压器组成,通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。

2 实验内容

(1)电力系统运行实验

发电机启动和调整实验;电力系统运行方式实验;负荷调整实验;

(2)准同期并列实验

手动准同期并列实验;半自动准同期并列实验;全自动准同期并列实验;各种信号波形观测;

(3)同步发电机微机励磁实验

不同控制角(α)的励磁电压波形观测实验;同步发电机起励实验;控制方式及其相互切换实验;逆变灭磁和跳灭磁开关灭磁实验;伏赫限制实验;同步发电机强励实验;欠励限制实验;调差特性实验;过励限制实验;PSS实验;

(4)单机——无穷大系统稳态运行方式实验

单回路稳态对称运行实验;双回路与单回路稳态对称运行比较实验;单回路稳态非全相运行实验;

(5)电力系统功率特性(功角)和功率极限(静态稳定性)实验

无调节励磁时,功率特性和功率极限的测定;手动调节励磁时,功率特性和功率极限测定;微机自并励时,功率特性和功率极限的测定;微机它励时,功率特性和功率极限的测定;单回路、双回路输送功率与功角关系实验;

(6)电力系统暂态稳定性实验

短路类型对电力系统暂态稳定性的影响实验;故障切除时间对暂态稳定的影响实验;有无强励磁对暂态稳定性影响试验;线路重合闸及其对系统暂态稳定性影响的实验;同步发电机异步运行和再同步实验;

(7)多机电力系统分析实验

电力系统潮流计算分析实验;电力系统故障计算分析实验;切机、切负荷稳定试验;

(8)电力系统调度自动化实验

电力系统实时监控实验;电力系统全网有功功率平衡与频率调整实验;电力系统全网无功功率平衡与电压调整实验;电力系统调度运行实验;电力系统低频振荡及其抑制实验;电力系统专用调度数据传输网络实验;

(9)其它实验

发电机的负载特性实验;同步发电机直轴参数的离线测定;同步发电机参数的在线测定;同步发电机静态安全运行极限的测定;

3 功能拓展

3.1 独立系统实验

独立系统是指没有无穷大电源的发电、输电、用电系统,实验模型如图1所示。单机带负荷运行方式与单机对无穷大系统运行方式有着截然不同的概念,单机对无穷大系统在稳定运行时,发电机的频率与无穷大频率一样,它是受大系统的频率牵制。随系统的频率变化而变化,发电机的容量只占无穷大系统容量的很小一部分。而单机带负荷它是一个独立电力网,发电机是唯一电源,任何负荷的投切都会引起发电机的频率和电压变化(原动机的调速器,发电机的励磁调节器均为有差调节)此时,也可以通过二次调节将发电机的频率和电压调至额定值。

在原有综合试验台的基础上,将无穷大电源更换成电阻负荷(也可以采用多台三相电动机负载),即将调压器副方电缆解开,接上与综合试验台相配的HDSL-2型静止负荷柜,静止负荷柜由60Ψ三相固定电阻R1和130Ψ三相同步可调电阻R2、以及仪表和冷却系统组成。在做实验时通过旋转手柄可调整电阻R2的值的大小,线路中的阻抗值X1～X4在综合试验台中有不同的抽头也可以改变。

图1 单机带负荷实验接线图

学生可以通过理论计算和实验分析比较独立电力网与大电力系统的稳定问题;测定不同性质的负荷对发电机的电压,频率的影响;通过改变不同的线路运行方式及负荷大小,得出有功功率、无功功率、发电机转速等,分析比较在负荷相同时调速器在不同的行方式时转速有什么不同;根据负荷大小不同时转速的不同,可绘出转速和有功功率的关系曲线,可以计算出原动机调速器的调差系数[4]等实验。

3.2 串补实验

超高压输电线路上装设串联补偿电容,可减少长距离输电线路的传输损耗,提高系统的暂态稳定性,抑制并行输电线间的潮流分配,同时,串补电容还可以改进系统的电压水平,串补线路的设计带来了更大的灵活性,从经济角度来看,串补是提高长线输送容量的有效又经济的方法。

在原有试验台的基础上,选择XL3号输电线路串联电容器进行补偿线路电抗,如图2所示。C为串联电容补偿电容器组,实际电力系统中一般补偿度为40%～50%之间。为了很好地观察实验效果,本串补设备的补偿度为30%～60%之间,即每组电容器的每相可选择80μ F电容器。

XLCB-101型输电线路串联电容补偿装置是为试验台相配套的实验设备,该实验设备设计有分级电容补偿投切开关和端口电压表、无功功率表、电流表、电容电压表等。根据这些表计读数与试验台上的发电机机端电流表、电压表、有功表、无功表、励磁电流表、励磁电压表、中间开关站的电压表和无穷大电源电压表的读数相结合可以进行在不同的励磁方式下,单回、双回输电线路潮流分布实验;单回、双回、“两并一串”等不同输电方式下的功率极限实验等。实验可以得出:增设串联补偿电容设备是缩短线路电气距离、提高线路输送功率及电力系统安全稳定运行水平的重要手段。

图2 串联电容补偿实验接线图

3.3 无功补偿实验

在单机带负荷运行方式下或者单机对无穷大系统运行方式下,均可以采用并联电容器方式进行无功补偿,无功补偿装置可以接在同步发电机机端或者线路中间开关站等。与综合试验台相配的HDC-1型无功补偿装置采用三级投切电容器组,每组电容器的每相电容采用10μ F电容器。

并联电容器无功补偿实验,在某个运行工况下,通过投切电容器组,记录各母线电压的变化,分析无功功率的潮流分配和电压、无功的关系。

电容器投切控制策略[5]实验,将电容器接在同步发电机机端,励磁调节器以恒IL方式运行,改变励磁调节器的励磁电流给定值ILg,或改变无穷大系统电压,可以调节安装处的电压和无功功率(大小和方向),因而可以调整U-Q工作点在任何位置,分析控制策略动作或闭锁条件,配置容量合适的电容器组可以实现在线闭环控制。

4 综合应用

4.1 课程设计

课程设计的目的是要求学生以设计者的身份出现,以设计者的眼光看待问题、思考问题,处理问题,加深对课程内容的理解,在理解的基础上牢固掌握书本知识,并且接触部分超出书本知识范围的新技术应用。

利用综合试验台进行相关课程的实验性专题研究,主要通过大量实验,记录实验数据(稳态运行数据记录,稳态波形观察和记录,暂态录波数据和波形),归纳和提炼现象中蕴藏的自然规律,借助实验研究来验证书本知识,说明书本知识的正确,以加深对书本知识的准确理解和掌握。

利用综合试验台可以进行的课程设计选题有:

(1)准同期控制器各控制参数的整定原则及其对合闸性能的影响的研究;

(2)励磁调节器的PID控制参数的整定原则及其对励磁控制系统动态性能的影响的研究;

(3)励磁调节器的无功调差单元对无功功率分配的影响;

(4)励磁调节器的不同状态量的闭环控制(恒Ug,恒IL,恒Q,恒COS?)特点的实验研究;

(5)励磁调节器对电力系统稳定性的影响研究;

(6)自动重合闸装置对电力系统稳定性的影响研究。

4.2 毕业设计

毕业设计是培养学生综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题的能力;理论联系实际,提倡创新,勇于实践;进行科研能力基础训练[6];

要求着重训练学生的理论知识运用能力,实际动手能力,独立工作能力,了解科学研究的一般过程,培养初步的科学研究能力。毕业设计是学生在校学习的最后阶段,也是学时最多的一项训练项目。

利用综合试验台可以进行的毕业设计选题有:

(1)准同期控制器中越前时间控制软件模块的设计;

(2)准同期控制器的均压均频控制软件模块的设计;

(3)准同期控制器对断路器开关时间的测量研究;

(4)励磁调节器的PID调节软件模块的设计;

(5)励磁调节器的PSS软件模块的设计;

(6)励磁调节器的线性最优控制软件模块设计;

(7)自动重合闸控制软件模块设计;

(8)继电保护算法研究;

(9)各通信软件模块设计;

(10)电力系统监控程序设计;等等。

研究生做论文,也可以利用实验台提供的试验环境,开展一些理论研究工作或实验研究工作,或者进行新产品的研发工作。

4.3 生产实习

生产实习是学生理论联系实际的重要手段,学生下厂进行生产实习的主要目的是:了解电力生产过程的整个流程、认识主要电力生产设备,了解其工作原理,生产运行的监视与控制等。

生产实习的通常形式是:参观(自己看)、请厂方工程师讲课(听)、值班跟班(看、问、听、讨论)、阅读书面资料(安全规程、操作规程、电气原理图等)。缺少的是亲手操作,只能看,不能做,缺少这样重要的一环使得生产实习不够圆满,可以利用综合试验台来弥补这一缺憾。

电厂电气运行操作主要有:开机停机,并网,负荷调节(机炉电协调控制),在配备了计算机监控系统的电厂,开停机往往通过操作鼠标来完成,这一点在PS-5G电力系统微机监控实验台上可以同样进行;准同期并网操作是与现场完全相同的,可以实现手动准同期,半自动准同期和全自动准同期操作,并且可以多次重复进行,通过反复练习积累手动准同期合闸的经验。负荷调节包括有功负荷调节和无功负荷调节,由于原动机调速器具有仿真模拟功能,励磁调节器与现场原型完全一致,实验台的单机-无穷大系统与实际电力系统相似,所以,有功调整和无功调整操作也与电厂实际操作表现出来的现象是相似的。

4.4 科学研究和新产品开发

(1)可以利用综合试验台进行科学研究,例如:系统性试验,定性研究、初期研究。

(2)可以利用综合试验台作为新产品开发的试验平台,用所开发的新产品替代实验台上的相应设备工作,调试其硬件和软件,发现问题解决问题。

5 结论

WDT-III型电力系统综合自动化试验台是一个开放式的综合型实验平台,能进行课程实验、课程设计、毕业设计、生产实习、科学研究和新产品开发,受到了学生们普遍欢迎,收到了良好的教学效果。

该平台在设计中充分发挥各设备的作用,考虑到模型操作的灵活性和方便性以及接口的通用性,在制造上符合电力系统规范,在设计中增加一些与外部联接的功能,以便对外来设备进行性能考核实验,例如:对线路保护、励磁或同期等自动装置进行考核实验,这在一定程度上扩大其使用范围。

该平台具有很好地拓展空间,可以根据电力系统教学的发展需要,增加实验项目,如本应用研究新增的实验项目:独立系统实验、并联电容无功补偿实验、输电线路串联电容补偿实验等,这些实验可以让同学们了解电力系统提高输送能力和安全稳定运行水平的各种手段。

该新增实验内容已经用于实验教学中,提高了专业实验的教学质量和水平,对培养学生的科学思维能力和实际操作和实验研究能力大有帮助。

[1] 杨德先、陆继明.多功能电力系统综合自动化试验平台研制.北京:实验技术与管理,2003(5)

[2] 陆继明、毛承雄编著.同步发电机微机励磁控制.北京:中国电力出版社,2006

[3] 杨德先、陆继明、尹项根.电气工程专业综合实验平台和实验教材建设.南京:电气电子教学学报,2007.1

[4] 何仰赞、温增银等编.电力系统分析.武汉:华工理工大学出版社,2003

[5] 杨德先、陆继明等编.电力系统综合实验原理与指导.北京:机械工业出版社,2004

[6] 吴彤、涂光瑜.新时期电力工程类专业生产实习探索.天津:电力系统及其自动化学报,2004.4