电力系统数据采集与实时监控实验

1.实验目的

1)掌握组建电网仿真实验系统的方法与步骤；

2)掌握数据采集和实时监控SCADA的作用、基本功能、实现原理和操作方法；

3)掌握表征发电厂和变电站当前运行状态的参数类型和特点、获取方式、表现形式。如母线电压、有功功率、无功功率、电流和开关状态等；

4)掌握厂站终端的结构、特点和主要功能；

5)掌握改变发电厂和变电站当前运行方式的控制命令信息的类型和特点、下发方式。

2.调度自动化系统结构简介

电力系统是由许多发电厂、输电线路、变电站、配电线路和各种形式的负荷组成的。电力系统调度中心担负着整个电力网的调度任务，以实现电力系统的安全优质和经济运行的目标。

电力系统调度中心必须具有两个功能：第一是与所辖电厂、变电站及上级调度等进行测量读值、状态信息及控制信号的远距离、高可靠性的双向交换，简称为电力系统监控系统，即SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）；另一个是本身应具有的协调功能（安全监控及其它调度管理与计划等）。

图1-1 调度系统结构图

TQWR-II微机型RTU具有以下特点：

1、标准的编程语言环境；

2、极强的环境适应能力，工作温度-40℃—70℃，环境湿度5%—95%RH；

3、极强的抗电磁干扰能力；

4、丰富的通信接口、支持多种通信方式、通信距离长；

5、大容量存储能力；

2.1通信接口

两路RS485通信接口，可分别响应主机召唤（任一时刻仅一个RS485接口响应主机通讯）。两路RS485通信接口都有防雷措施，输入输出之间有光电隔离器件进行隔离，以保证高质量的通讯传输。串口通讯初始默认波特率为9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验。

2.2调度系统“四遥”功能

遥信：本终端有48路遥信输入接口，每一路的遥信输入信号都有防雷措施和光电隔离器件进行保护，保证系统的运行稳定。

用于采集厂站设备运行状态等无源节点，并按规约传送给调度中心，包括：断路器和隔离刀闸的位置信号、继电保护和自动装置的位置信号、发电机和远动设备的运行状态等。

遥测：本终端共有48路电压电流信号输入，用于采集变电所电压、电流、有功功率、无功功率，功率因数等模拟信号。

遥控：本终端有32路（对）遥控输出，用于执行调度中心改变设备运行状态的命令，如操作厂站各电压回路的断路器、投切补偿电容和电抗器、发电机组的启停等。为了保证终端遥控的准确性和寿命，本终端的遥控输出均采用松下的继电器。

遥调：可以通过32路遥控输出对远程的设备进行远程调试；

3.实验步骤

本实验采用‘2MF—无穷大’系统，一次接线图如图1-2。利用无穷大系统屏、系统升压屏、机组、机组控制屏、变压器屏、网络屏等构成电网供电系统，利用变电站低压模拟屏、负载屏等构成配电系统。图1-2中，断路器对应顺序如表1-1：

表1-1 断路器对应顺序

图1-2 调度系统实验一次接线图

接线步骤如下：

接线屏上无穷大系统连接至升压变压器入端，升压变压器出端连接网络屏1QF入端，同时将网络屏3QF入端并入1QF入端；

1QF出端连接至线路L1入端，线路L1出端连接至2QF入端，2QF出端连接至5QF入端，5QF出端连接至线路L2入端，线路L2出端连接至6QF入端；

6QF出端连接至线路4QF出端，3QF出端连接至L3入端，L3出端连接至4QF入端，4QF出端连接至6QF出端；

接线屏上机组1连接至变压器T1入端，变压器T1出端连接网络屏5QF入端，同时机组2连接至变压器T2入端，变压器T2出端连接网络屏4QF出端；

低压屏进线1连接至3QF入端，低压屏进线2连接至6QF出端；低压屏出线1连接至负载1，低压屏出线2连接至负载2；

图1-3 调度系统实验接线图

注意：接线前务必断开所有电源以及无穷大系统出线开关。

4.关于“四遥”操作实验

(1)遥控某条输电线路出线断路器分闸、合闸，观察系统潮流变化情况：

断路器216跳闸：

断路器216合闸：

(2)遥控负载1或负载2屏上某断路器分闸、合闸，观察系统潮流变化情况：

负载11QF 合闸：

负载11QF 跳闸：

(3)操作监控界面的增速、减速、升压、降压按钮，调节发电机的有功出力、无功功率和机端电压：

2MF升压：

2MF降压：

PS:增速与减速不能做

5.关于事件记录、报警记录操作实验

5.1事件记录

点击工作站管理栏中事件记录，可弹出实时事件记录界面，记录界面显示事件发生的名称和时间等信息结构和内容。

5.2报警信息

通过点击工作站管理栏中报警信息。观察系统的报警汇总，可为各种事故分析，提供有用参考。记录系统报警信息结构和内容。

6.实验总结及探究

1.分析遥控命令的下达方式，怎样进行遥控闭锁，保证系统运行的安全性。

答：下达遥控命令时，仅仅依靠软件判断符合防误逻辑后，就直接出口，一般系统运行的安全性不是很高，但如果在遥控回路增加了电气闭锁硬接点，通过和遥控闭锁控制器相结合来解决集中控制中心、子站遥控操作的强制闭锁问题，就可以使系统的运行安全性提高。 

2.说明调度自动化系统结构

答：发电厂、变电站的计算机，地区调度中心、地区调度所的计算机，省网调度中心的计算机以及联合调度中心的计算机，通过各种通信手段连接起来，用优化的方法和技术对整个电力系统进行调度和管理，这样就构成了现代的调度自动化系统。

3.实验总结与体会

    答：通过本次实验，从调度的实际操作中深入认识了调度自动化系统的结构和其主要的功能。调度中心作为电力系统运行的中枢，是连接发电厂、输电线路、变电站、配电线路和各种形式的负荷之间的契合点，如何经济、安全、可靠地供电，如何在安全条件约束下使系统处在最优的运行状态，这是调度中心最本质的工作，作为系统的决策者更应该树立安全稳定运行的观念，确保系统向用户优质、可靠地供电。

实验二、电力系统正常运行潮流分布与调整实验

1.实验目的

1) 通过本实验，深入理解潮流分布与调整的相关原理与方法，特别是网络结构、网络特点对潮流分布的影响；超高压电网中线路首端电压幅度差与电压相角差对有功传输与无功传输的影响程度；均一网潮流分布特点；有功功率与系统频率及无功平衡与系统电压的关系等基本概念和原理;

2) 掌握组建复杂电力系统的方法与步骤;

3) 掌握电力系统调度自动化结构、功能。

2.原理与说明

电力系统是由许多发电厂，输电线路和各种形式的负荷组成的，在正常运行过程中，绝大多数时间都处于正常运行状态，此时，发电机发出的有功功率和负荷取用的有功功率以及网络损耗的有功功率之间，应随时保持平衡；系统产生的感性无功功率和负荷取用的感性无功功率以及网络损耗的感性无功功率，也随时保持平衡；系统的频率和各母线电压都在规定范围内，各支路潮流都没有超过发热极限值和运行稳定的极限值。但是由于电力系统负荷随时随地都在发生变化，因此系统的发电出力也应随负荷的变化而变化，母线电压和输电线路的潮流也相应发生变化。

电力系统调度中心的任务就是要随时掌握电力系统的实时运行情况，合理分配各发电厂和线路的潮流，以实现电力系统的安全优质和经济运行的目标。当系统出现异常情况，要根据当时的实际情况，提出决策和措施，指挥控制系统及时动作进行控制，以保证电力系统安全可靠运行。

3.不改变网络结构的潮流分布实验

3.1改变发电机的有功、无功功率对系统潮流分布的影响

改变各机组的有功、无功，观察改变前和改变后各机组及系统各断路器上的电压、电流功率等，将数据填入表2-1和表2-2中，并将结果进行比较分析。

表2-1 发电机改变输出功率前系统参数

通过控制低压屏、负载屏上断路器，投/切阻性、感性负荷，观察各参数的变化，并记录于表2-3和表2-4中，对数据进行比较分析。

表2-3 投入负荷前系统参数

投、切电容器观察各参数的变化，并记录数据于表2-5和表2-6中，对数据进行比较分析。

表2-5 投入负荷前系统参数

改变网络结构不调整负载量，分别退出各线路（注意：各节点之间不能失去电气联系）。观察网络改变前后，各机组参数的变化，并记录数据于表2-7和表2-8中。

表2-7 网络改变前系统参数

改变发电机的有功、无功功率对系统潮流分布的影响

答：改变发电机的有功、无功后，各节点的电压都有不同程度的升高，机组和断路器上的无功也增多，除单机无穷大系统外，其余机组和断路器上的功率因数增大。

投、切负荷对系统潮流分布的影响

答：投、切阻性负荷后，发电机的功率因数显著增大，各节点的电压也不同程度的升高，通过各机组和断路器上的电流也增大，单机无穷大系统的功率因数减小，其余断路器上的功率因数增大。

投、切电容器对潮流分布的影响

答：投、切电容器后，发电机的有功出力增加，系统中的无功增加，各节点的电压也增加，系统整体的功率因数增加，但是增幅并不明显。

改变网络结构的潮流分布实验

答：改变网络结构后，退出的线路为L2，断路器215的功率因数增大，其余发电机和断路器的电压和电流没有太大变化，断路器214和发电机G1的功率因数减少。

6. 实验报告要求

 1) 总结组建复杂电力系统的方法与步骤。

   电力系统是由许多发电厂，输电线路和各种形式的负荷组成的组建复杂电力系统实质就是首先建立网架结构在进行机组并网的过程需要保证发电机发出的有功功率和负荷取用的有功功率以及网络损耗的有功功率之间，应随时保持平衡；系统产生的感性无功功率和负荷取用的感性无功功率以及网络损耗的感性无功功率，也随时保持平衡；系统的频率和各母线电压都在规定范围内，各支路潮流都没有超过发热极限值和运行稳定的极限值，来调整负荷和发电容量。

2) 整理实验数据，分析比较网络结构的变化和地方负荷投、切对潮流分布的影响，并对实验结果进行理论分析。

   网络结构变化后将会导致线路电流的变化，进而导致网络潮流的重新分布。地方负荷的投切也会影响网络潮流，当电网受到冲击负荷扰动时，将由原来的平衡状态过渡到新的平衡状态。这一动态过程将使各机组的送出功率、转速等发生变化，从而造成电网的频率和功率的振荡，同时，由于冲击负荷(包括有功和无功冲击负荷)引起的无功变化，使电网电压频繁波动，这在小网运行更为突出。 当冲击负荷出现时，将产生不平衡电流，进而导致线路的功率重新分布。

3) 比较各项的实验数据，分析其产生的原因。

改变发电机的有功、无功功率对系统潮流分布的影响

答：改变发电机的有功、无功后，各节点的电压都有不同程度的升高，机组和断路器上的无功也增多，除单机无穷大系统外，其余机组和断路器上的功率因数增大。

投、切负荷对系统潮流分布的影响

答：投、切阻性负荷后，发电机的功率因数显著增大，各节点的电压也不同程度的升高，通过各机组和断路器上的电流也增大，单机无穷大系统的功率因数减小，其余断路器上的功率因数增大。

投、切电容器对潮流分布的影响

答：投、切电容器后，发电机的有功出力增加，系统中的无功增加，各节点的电压也增加，系统整体的功率因数增加，但是增幅并不明显。

改变网络结构的潮流分布实验

答：改变网络结构后，退出的线路为L2，断路器215的功率因数增大，其余发电机和断路器的电压和电流没有太大变化，断路器214和发电机G1的功率因数减少。

7.思考题

1) 电力系统中如何实现有功功率和无功功率的调整？

答：调节有功：通过调节频率来调节有功，分为一次调频和二次调频：

一次调频：由发电机调速器进行；

二次调频：由发电机调频器进行。

调节无功：接入电容器或者调相机；调节中枢点电压，分为常调压、顺调压和逆调压。

2) 电力系统经济运行的基本要求是什么？

答：选取最佳运行方式、调整负荷、提高功率因数、调整或更换变压器，在传输相同电量的基础上，以达到减少系统损耗，从而达到提高经济效益的目的。

7.实验总结

通过这次让我们了解到，调度对于电力系统潮流分布和调整的重要性。当然其中最重要的一步就是，潮流数据的采集系统，传统的SCADA系统在近几年的电力系统重大安全事故中彰显出其固有的缺陷。因此需要更为精准的测量系统，近些年研究较热的WAMS（广域测量）系统，在数据的采集方面更为可靠；还有就是基于大数据技术的PMU测量技术，对于电力系统潮流分布的实时监测发挥着不可替代的作用。

然后就是，我国发展的超大规模电网使得调度的功能越显得重要，范围也越广，因此需要分级控制，分为国调、区调、省调、地调，任务划分明确更有利于系统的实时监控。