CN205003921U - 一种电力系统自动化实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电力系统自动化实验装置，其包括发电机组、输电实验装置、控制系统和以太网通信系统，所述发电机机组由直流电动机和三相交流发电机组成，直流电动机作为三相交流发电机的输入功率源；所述输电实验装置包括发电机母线、仪表组PV2、仪表组PA2、仪表组PV3、电抗XL1、电抗XL2、电抗XL3、电抗XL4、无穷大母线、无穷大电源和负载电阻箱；所述控制系统由调速控制系统、微机励磁系统和准同期控制系统组成，所述的调速控制系统、微机励磁系统和准同期控制系统分别与三相交流发电机连接。本实用新型可实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，在极大程度上促进电力自动化教学及电气工程学科的发展。

Description

一种电力系统自动化实验装置

技术领域

本实用新型涉及高等院校技能和技术培训用的电力系统综合自动化教学装置，是一种可用于电力系统工程技术培训的实验平台。

背景技术

目前，在高教系统中广泛应用的有关电力系统实验设备的教具，最先进且具代表性的是武汉华大电力自动技术有限责任公司研发的电力系统实验平台，在该实验装置上可以进行同期并列、励磁控制、发电机调速等教学实验，并提供了多种调节和控制方式，如同期控制方式可以采用手动自动准同期、半自动准同期和全自动准同期，励磁控制方式可以选择恒UF方式、恒IL方式、恒u方式和恒Q方式，但该产品的研发距今已有十几年的历史，虽然采用了多种控制方式，但无法对各个环节进行观察和测量，限于当初的技术水平，核心控制芯片采用了单片机，其运算速度和综合性能已无法满足当今许多复杂控制算法的实现，并且各个实验台都是孤立的单个平台，无法和变电站、供配电装置连接成为真实现场的大型互联电力系统，不能提供更真实、复杂的电力系统网络。而国内领先的工业电力设备厂家如河南许继，在设计电力系统实验教具时则简单地采用工业现场的产品，没有结合教学的特点，只能适用于演示，教师和学生能够在设备上完成的工作非常有限，无法真正满足教学要求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对电力系统教学领域现有教学装备的不足，开发一套高度自动化、集成化、开放式的电力系统自动化实验装置，它能反映现代电能生产、传输、分配和使用的全过程,充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，在极大程度上促进电力自动化教学及电气工程学科的发展。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电力系统自动化实验装置，其包括发电机组、输电实验装置、控制系统和以太网通信系统，

所述发电机机组由直流电动机和三相交流发电机组成，直流电动机作为三相交流发电机的输入功率源；

所述输电实验装置包括发电机母线、仪表组PV2、仪表组PA2、仪表组PV3、电抗XL1、电抗XL2、电抗XL3、电抗XL4、无穷大母线、无穷大电源和负载电阻箱，三相同步发电机的输出端子与发电机母线连接，发电机母线分成两条线路，其中一线路由发电机母线A点经过一个断路器和电抗XL2连接B点，B点连接仪表组PV2，B点经过一个断路器开关和仪表组PA2连接，PA2点经过一个电抗XL4和断路器开关连接无穷大母线汇流于C点，C点连接有仪表组PV3；另一线路由发电机母线G点经过一个断路器和电抗XL1连接F点，F点经过电抗XL3和断路器开关与无穷大母线E点连接，电抗XL2、电抗XL4与电抗XL1、电抗XL3组成两条并联输电线路，通过中间开关站进行连接；无穷大母线D点通过两个断路器与无穷大电源连接，负载电阻箱通过断路器和无穷大母线E点连接；所述的仪表组PA2、PV2、或PV3包括电压表、电流表、功率表和功率因数表；

所述控制系统由调速控制系统、微机励磁系统和准同期控制系统组成，所述的调速控制系统、微机励磁系统和准同期控制系统分别与三相交流发电机连接；

所述的以太网通信系统包括微控制器STM32F103VET6和网络控制芯片WIZNETW5200，控制系统与微控制器通过COM端口通讯连接，微控制器通过网络控制芯片与上位机连接。

优选地，其还包括有线路保护装置，所述线路保护装置由输电一次回路和二次回路组成。输电一次回路模拟的是典型单侧电源供电辐射式电网，能够模拟输电线路的手动合闸、手动跳闸和远程控制等操作；能够模拟电力系统在最小或最大运行方式下对采用电流继电保护产生的影响；能够模拟输电线路的各种短路故障及电网的各种非正常运行状态；并且可设置故障发生的区域范围。可判断输电线路的运行状况，或作为微机线路保护测控装置的继电保护检测起动装置的传感设备。

所述的微机调速系统系统主要提供五种保护功能，分别是欠压保护、相位保护、过压保护、过速保护和过流保护。五种保护使系统工作更安全和稳定。优选地，所述的微机调速系统系统包括：

微机调速电枢电压闭环控制装置，用于实现电枢电压测量，利用神经网络PID算法实现电枢电压PID参数自适应调节；

微机调速电机转速闭环控制装置，通过神经网络PID调节，使电机转速运行到设定值；

三相电压相位角控制装置，用于当三相电压相位角达到预设角度时，自动产生触发脉冲来控制相应可控硅，实现对三相电压电流等测量及显示；

三环调节装置，外环通过模糊控制实现有功功率的调节，中间环通过转速闭环调节实现相位角的控制，内环通过PID调节控制电流，实现有功的稳定控制；

人机界面，实时显示和控制电压、电流、功率等数据；

以及协调通信模块，接收微机励磁系统传输的有功功率值数据，由微控制器制器通过CRC校验数据正确，同时接收并网状态信息，从而达到改变微机调速系统工作状态。

所述的微机励磁系统保持发电机励磁在最大限定范围内工作，发电机在进相运行时欠励保护动作；当系统强励时保证发电机安全，过励反时限保护启动；发电机低频运行时伏赫限制保护启动；当无功输出时系统自动调节输出电压，从而自动调节无功功率。系统过速时自动调节系统运行速度。优选地，所述的微机励磁系统包括：

励磁系统恒α控制模块，用于判断三相电压相角，计算当前励磁系统的电压和电流，计算当前α角移动范围，产生触发脉冲；

励磁系统恒无功调节模块，用于发送有功功率值给微机调速系统，经过神经网络PID控制，调节发电机电压，调节系统无功输出；

励磁系统参数整定模块，用于修改系统PID系数，校正有功、无功测量值；

远程控制模块，用于发送当前运行状态到上位机，通过Modbus/TCP接收控制指令；

人机界面模块，用于由触摸屏下发控制指令给控制系统，同时显示当前控制系统运行状态及测量数据；

以及协调通信模块功能，用于协调微机调速系统和准同期控制系统之间的工作，发送有功、转速、并网状态给微机调速系统，接收准同期控制系统的发电指令。

所述的微机准同期系统防止并网后用户误操作灭磁损坏同步发电机；当系统运行频率降低、发电机电压偏低后启动保护功能解列并网发电机。发电机当电压、频率、相位差超出允许值时启动闭锁功能限制并网动作。优选地，所述的微机准同期系统包括：

准同期手动并网模块，用于通过人工手动方式对系统进行并网合闸操作；

准同期半自动并网模块，用于测量系统电压、频率、相位，当差值在允许范围内，系统自动合闸并网；

准同期全自动并网模块，用于发送控制指令给微机调速系统，调速系统自动调节转速至1500转/分钟；同时发送指令给微机励磁系统，自动发电至220V电压，存在偏差时自动修正状态，直至满足并网条件，同时测量并网前的时间值及功角；

准同期远程控制模块，用于接收上位机发送的并网控制指令，传送当前运行状态参数至上位机；

准同期人机界面模块，用于显示当前系统运行状态参数，选择当前系统运行模式；

准同期协调通信模块，用于发送控制指令给微机调速系统和微机励磁系统，调节转速和发电机电压。

优选地，所述的微机调速系统或微机励磁系统均包括三相电压采集电路，所述的三相电压采集电路包括电流互感器PT1、PT3、PT4，电源U相与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电流互感器PT1原边的上端相连，电源N相与电阻R88的一端相连，电阻R88的另一端与电流互感器PT1原边的下端相连；电流互感器PT1副边的上端与电阻R5的一端相连，与电阻R2的一端相连，电流互感器PT1副边的下端与电阻R5、电容C7、二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R2的一端与电容C7、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连；

电源V相与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与电流互感器PT3原边的上端相连，电源N相与电阻R89的一端相连，电阻R89的另一端与电流互感器PT3原边的下端相连；电流互感器PT3副边的上端与电阻R14的一端相连，与电阻R10的一端相连，电流互感器PT3副边的下端与电阻R14、电容C11、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连，电阻R10的一端与电容C11、二极管D5的阴极、二极管D6的阳极相连；

电源W相与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与电流互感器PT4原边的上端相连，电源N相与电阻R90的一端相连，电阻R90的另一端与电流互感器PT4原边的下端相连；电流互感器PT4副边的上端与电阻R20的一端相连，与电阻R17的一端相连，电流互感器PT4副边的下端与电阻R20、电容C20、二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连，R17的一端与电容C20、二极管D9的阴极、二极管D10的阳极相连。

优选地，所述的微机准同期系统包括功角测量电路，所述的功角测量电路包括反相器U3A、U3B、U3C、U3D、U3E、U3F，P3插排的1端接+15Vb，2端与U3F的13脚、电容C5的一端相连，3端与GNDb、电容C5、电容C6的一端相连，4端与电容C6、U3E的11脚相连，U3F的12脚与U3A和U3B的1脚和3脚相连，U3A的2脚与U3B的4脚、CE3的CON1端、以及光耦U2的输入端2脚相连，光耦U2的输入端1脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与+15Vb电源端相连；光耦U2的输出端4脚UI与+3.3VD电源端、电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与插排P2的4端相连；光耦U2的输出端3脚与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与三极管Q1的基极、电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与三极管Q1的发射机、DGND数字地、P2插排的2端相连；

U3E的10脚输出与U3D的9脚、U3C的5脚相连，U3D的8脚与U3C的6脚、CE4的CON1端、光耦U4的输入端2脚相连，光耦U4的1脚与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与+15Vb电源端相连，光耦U4的输出端4脚与+3.3VD、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与三极管Q6的集电极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与P2插排的3端相连；光耦U4的输出端3脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10、三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与电阻R10的另一端、DGND相连；U3E的14脚与+15Vb电源端相连，U3E的7脚与GND地相连。

优选地，所述的微机准同期系统包括电波整形电路，所述的电波整形电路包括运算放大器U1、比较器U2，U1端与电阻R7的一端相连，R7的另一端与电流互感器PT2的输入上端相连，N11端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R91的一端相连，电阻R91的另一端与电流互感器PT2的输入下端相连，电流互感器PT2的输出上端与U1运放单元的2脚、电阻R1的一端、电容C1的一端相连；U1的7脚与+15Va电源端、电容C5的一端相连；电容C1与电阻R1的另一端、U1的6脚、电阻R9的一端相连；电流互感器PT2的输出下端与U1的3脚、电容C16的一端、电容C5的一端、电容C13的一端、U2的1脚和3脚、GNDA地相连，U1的4脚与-15Va、电容C16的一端相连；电阻R9的另一端与电容C13的一端、U2的2脚相连；U2的8脚与+15Va电源端、电容C6的一端相连，电容C6的另一端与电容C10的一端、GNDa地相连；U2的7脚与电阻R11的一端、CE2的CON1端相连，电阻R11的另一端与+15Va相连。

本实用新型针对电力系统教学领域现有教学装备的不足，开发一套高度自动化、集成化、开放式的具有多台发电机互联的电力系统综合实验平台，它能反映现代电能生产、传输、分配和使用的全过程,充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点，实现电力系统的检测、控制、监视、保护、调度的自动化，在极大程度上促进电力自动化教学及电气工程学科的发展。

附图说明

图1为本实用新型装置的整体结构原理图；

图2为本实用新型的输电实验装置的结构图；

图3为本实用新型微机调速系统的功能原理图；

图4为本实用新型准同期控制系统的功能原理图；

图5为本实用新型三相电压采集电路的电路图；

图6为本实用新型功角测量电路的电路图；

图7为本实用新型电波整形电路的电路图；

图8为本实用新型以太网通信系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参照图1，一种电力系统自动化实验装置，其包括发电机组、输电实验装置3、控制系统和以太网通信系统8，输电实验装置3整体安装在实验台桌1上，控制系统和以太网通信系统8整体安装在控制柜2中。

所述发电机机组由直流电动机10和三相交流发电机12组成，直流电动机10作为三相交流发电机12的输入功率源；

参照图2，所述输电实验装置包括发电机母线、仪表组PV2、仪表组PA2、仪表组PV3、电抗XL1、电抗XL2、电抗XL3、电抗XL4、无穷大母线、无穷大电源和负载电阻箱，三相同步发电机的输出端子与发电机母线连接，发电机母线分成两条线路，其中一线路由发电机母线A点经过一个断路器和电抗XL2连接B点，B点连接仪表组PV2，B点经过一个断路器开关和仪表组PA2连接，PA2点经过一个电抗XL4和断路器开关连接无穷大母线汇流于C点，C点连接有仪表组PV3；另一线路由发电机母线G点经过一个断路器和电抗XL1连接F点，F点经过电抗XL3和断路器开关与无穷大母线E点连接，电抗XL2、电抗XL4与电抗XL1、电抗XL3组成两条并联输电线路，通过中间开关站进行连接；无穷大母线D点通过两个断路器与无穷大电源连接，负载电阻箱通过断路器和无穷大母线E点连接；所述的仪表组PA2、PV2、或PV3包括电压表、电流表、功率表和功率因数表；

本实用新型的XL2和XL4分别模拟一条线路上两段输电线路，与XL1和XL3组成两条并联输电线路，通过中间开关站进行连接，由断路器切换四个电抗，组成不同长度的输电线路以及线路阻抗。负载电阻箱通过断路器和无穷大母线进行连接，可以进行发电机负载特性实验。

所述控制系统由微机调速系统5、微机励磁系统6和准同期控制系统7组成，所述的微机调速系统5、微机励磁系统6和准同期控制系统7分别与三相交流发电机12连接；

所述的以太网通信系统8包括微控制器STM32F103VET6和网络控制芯片WIZNETW5200，控制系统与微控制器通过com端口通讯连接，微控制器通过网络控制芯片与上位机连接。

其还包括有线路保护装置，所述线路保护装置由输电一次回路和二次回路组成。

所述的微机调速系统包括：

微机调速电枢电压闭环控制装置，用于实现电枢电压测量，利用神经网络PID算法实现电枢电压PID参数自适应调节；

微机调速电机转速闭环控制装置，通过神经网络PID调节，使电机转速运行到设定值；

三相电压相位角控制装置，用于当三相电压相位角达到预设角度时，自动产生触发脉冲来控制相应可控硅，实现对三相电压电流等测量及显示；

三环调节装置，外环通过模糊控制实现有功功率的调节，中间环通过转速闭环调节实现相位角的控制，内环通过PID调节控制电流，实现有功的稳定控制；

人机界面，实时显示和控制电压、电流、功率等数据；

以及协调通信模块，接收微机励磁系统传输的有功功率值数据，由微控制器制器通过CRC校验数据正确，同时接收并网状态信息，从而达到改变微机调速系统工作状态。

所述的微机励磁系统包括：

励磁系统恒α控制模块，用于判断三相电压相角，计算当前励磁系统的电压和电流，计算当前α角移动范围，产生触发脉冲；

励磁系统恒无功调节模块，用于发送有功功率值给微机调速系统，经过神经网络PID控制，调节发电机电压，调节系统无功输出；

励磁系统参数整定模块，用于修改系统PID系数，校正有功、无功测量值；

远程控制模块，用于发送当前运行状态到远控机，通过Modbus\TCP传送控制指令到本机；

人机界面模块，用于由触摸屏下发控制指令给控制系统，同时显示当前控制系统运行状态及测量数据；

以及协调通信模块功能，用于协调微机调速系统和准同期控制系统之间的工作，发送有功、转速、并网状态给微机调速系统，接收准同期控制系统的发电指令。

所述的微机准同期系统包括：

准同期手动并网模块，用于通过人工手动方式对系统进行并网合闸操作；

准同期半自动并网模块，用于测量系统电压、频率、相位，当差值在允许范围内，系统自动合闸并网；

准同期全自动并网模块，用于发送控制指令给微机调速系统，调速系统自动调节转速至1500转/分钟；同时发送指令给微机励磁系统，自动发电至220V电压，存在偏差时自动修正状态，直至满足并网条件，同时测量并网前的时间值及功角；

准同期远程控制模块，用于接收上位机发送的并网控制指令，传送当前运行状态参数至远控机；

准同期人机界面模块，用于显示当前系统运行状态参数，选择当前系统运行模式；

准同期协调通信模块，用于发送控制指令给微机调速系统和微机励磁系统，调节转速和发电机电压。

如图3为微机调速系统的功能原理图。由MCGS的TPC7062K触摸屏，通过RS232物理通信介质和微机调速控制板进指令的收发，其通信协议采用MODBUSRTU通信方式。STM32F103VET6通过AD转换与隔离电路分别检测三相电压、判断三相电压相位；测量整流后的直流电压、电流；测量原动机直流电机转速。电机转速给定值和转速差值进行比较，获得转速差值，通过PID算法计算获得触发脉冲移相范围，通过定时器计算每相过零点到触发脉冲形成的时间，由每次过零点开始产生一次触发脉冲移相，提高了系统的动态性能。

如图3，微机励磁系统和微机调速系统采用同一套系统控制电路，但是在控制过程当中，微机励磁系统检测的是三相同步发电机的端电压，将同步发电机给定值和端电压的进行比较，获得给定差值，通过PID算法计算获得触发脉冲移相范围，通过定时器计算每相过零点到触发脉冲形成的时间，由每次过零点开始产生一次触发脉冲移相，控制同步发电机端电压的稳定。

如图4，系统由MCGS的TPC7062K触摸屏，通过RS232物理通信介质和微机调速控制板进指令的收发，其通信协议采用MODBUSRTU通信方式。控制器通过ADE77E58芯片采集三相电压，本实用新型采用1个ADE77E58采集了无穷大电源的电压和同步发电机的电压，起到一个芯片采集多个电压的目的。

所述的微机调速系统或微机励磁系统均包括三相电压采集电路，所述的三相电压采集电路包括电流互感器PT1、PT3、PT4，电源U相与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电流互感器PT1原边的上端相连，电源N相与电阻R88的一端相连，电阻R88的另一端与电流互感器PT1原边的下端相连；电流互感器PT1副边的上端与电阻R5的一端相连，与电阻R2的一端相连，电流互感器PT1副边的下端与电阻R5、电容C7、二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R2的一端与电容C7、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连；

电源V相与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与电流互感器PT3原边的上端相连，电源N相与电阻R89的一端相连，电阻R89的另一端与电流互感器PT3原边的下端相连；电流互感器PT3副边的上端与电阻R14的一端相连，与电阻R10的一端相连，电流互感器PT3副边的下端与电阻R14、电容C11、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连，电阻R10的一端与电容C11、二极管D5的阴极、二极管D6的阳极相连；

电源W相与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与电流互感器PT4原边的上端相连，电源N相与电阻R90的一端相连，电阻R90的另一端与电流互感器PT4原边的下端相连；电流互感器PT4副边的上端与电阻R20的一端相连，与电阻R17的一端相连，电流互感器PT4副边的下端与电阻R20、电容C20、二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连，R17的一端与电容C20、二极管D9的阴极、二极管D10的阳极相连。

图5为三相电压采集电路，无穷大电源采集由PT1为2mA/2mA电压互感器，U相电压经过R4100K/1W电阻和PT1串联，出来后经过R88100K/1W电阻和相电压N连接；R5为250Ω/0.5W电阻起到将电流转换为电压的作用，R5经过R21k/0.5W和C7串连，C7起到滤波的作用，D1、D2并在C7的两端起到限幅、抗干扰的作用。三相同步发电机电压采集方案，由PT3为2mA/2mA电压互感器，V相电压经过R12100K/1W电阻和PT3串联，出来后经过R89100K/1W电阻和相电压N连接;R10为250Ω/0.5W电阻起到将电流转换为电压的作用，R10经过R141k/0.5W和C11串连，C11起到滤波的作用，D5、D6并在C11的两端起到限幅、抗干扰的作用。

所述的微机准同期系统包括功角测量电路，所述的功角测量电路包括反相器U3A、U3B、U3C、U3D、U3E、U3F，P3插排的1端接+15Vb，2端与U3F的13脚、电容C5的一端相连，3端与GNDb、电容C5、电容C6的一端相连，4端与电容C6、U3E的11脚相连，U3F的12脚与U3A和U3B的1脚和3脚相连，U3A的2脚与U3B的4脚、CE3的CON1端、以及光耦U2的输入端2脚相连，光耦U2的输入端1脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与+15Vb电源端相连；光耦U2的输出端4脚UI与+3.3VD电源端、电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与插排P2的4端相连；光耦U2的输出端3脚与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与三极管Q1的基极、电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与三极管Q1的发射机、DGND数字地、P2插排的2端相连；

U3E的10脚输出与U3D的9脚、U3C的5脚相连，U3D的8脚与U3C的6脚、CE4的CON1端、光耦U4的输入端2脚相连，光耦U4的1脚与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与+15Vb电源端相连，光耦U4的输出端4脚与+3.3VD、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与三极管Q6的集电极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与P2插排的3端相连；光耦U4的输出端3脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10、三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与电阻R10的另一端、DGND相连；U3E的14脚与+15Vb电源端相连，U3E的7脚与GND地相连。

图6为功角测量电路，同步传感器11固定在同步发电机轴上（参照图1），同步电机按照1500r/min的速度运行，本实用新型采用四极同步电机，当发电机按照1500r/min运行时，两个齿的功角检测装置刚好可以产生50HZ的方波信号，无穷大电源通过图7电波整形后也产生方波信号，两个方波信号送入STM32F103VET6进行相位比较计算出初始差值，并网后将检测到的差值和初始差值相减计算出相位角。

参照图7，所述的微机准同期系统包括电波整形电路，所述的电波整形电路包括运算放大器U1、比较器U2，交流电U11端与电阻R7的一端相连，R7的另一端与电流互感器PT2的输入上端相连，交流电N11端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R91的一端相连，电阻R91的另一端与电流互感器PT2的输入下端相连，电流互感器PT2的输出上端与U1的2脚、电阻R1的一端、电容C1的一端相连；U1的7脚与+15Va电源端、电容C5的一端相连；电容C1与电阻R1的另一端、U1的6脚、电阻R9的一端相连；电流互感器PT2的输出下端与U1的3脚、电容C16的一端、电容C5的一端、电容C13的一端、U2的1脚和3脚、GNDA地相连，U1的4脚与-15Va、电容C16的一端相连；电阻R9的另一端与电容C13的一端、U2的2脚相连；U2的8脚与+15Va电源端、电容C6的一端相连，电容C6的另一端与电容C10的一端、GNDa地相连；U2的7脚与电阻R11的一端、CE3的CON1端相连，电阻R11的另一端与+15Va相连。

图8为以太网控制器通信结构框图，本实用新型采用分块模式，将一个大系统分成多个子系统，这样可以使功能清晰明确，系统更加的稳定可靠。调速系统通过STM32F103VET6的COM1、励磁系统通过STM32F103VET6的COM1、准同期控制系统通过STM32F103VET6的COM1，分别和以太网控制器的COM1、COM2、COM3相连接，通信方式采用DMA通信方式，如此减少了中断数量，减轻了CPU的负担。W5200以太网控制器STM32F103VET6以查询的工作方式读取芯片传输数据，以及发送命令给上位PC机，上位PC机以TCP_MODBUS通信协议和以太网控制进行通信，STM32F103VET6控制器将上位PC机下传的数据进行解包，然后通过COM口分别下发到各各控制系统，同时也将各各控制系统上传的数据进行打包，然后通过WIZNETW5200传送给上位PC机。

本实用新型在数据传输当中创新地采用了DMA通信方式，在数据传输的初始，由发送方确定发送的数据的字节数，随后启动DMA控制器发送数据给接收方。而在接收方由于不确定接收数据的大小，所以先建立一个大的数据存储空间，确保在任何传输过程中数据都不会出现溢出现象，然后启动一个定时器，让定时器每过一个字节传输时间去读取当前DMA接收数据的数量，如果接收数据的数量在连续3次读取过程中均无任何变化，则可以确定一帧数据传输完毕，读取一帧数据，启动DMA控制器重新接收数据。在接收数据结束后根据数据的可靠性进行CRC16的校验。

以上所述为本实用新型较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则内作的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本实用新型内之内。

Claims (8)

1.一种电力系统自动化实验装置，其特征在于：其包括发电机组、输电实验装置、控制系统、以太网通信系统和上位机，

所述发电机机组由直流电动机和三相交流发电机组成，直流电动机作为三相交流发电机的输入功率源；

所述输电实验装置包括发电机母线、仪表组PV2、仪表组PA2、仪表组PV3、电抗XL1、电抗XL2、电抗XL3、电抗XL4、无穷大母线、无穷大电源和负载电阻箱，三相同步发电机的输出端子与发电机母线连接，发电机母线分成两条线路，其中一线路由发电机母线A点经过一个断路器和电抗XL2连接B点，B点连接仪表组PV2，B点经过一个断路器开关和仪表组PA2连接，PA2点经过一个电抗XL4和断路器开关连接无穷大母线汇流于C点，C点连接有仪表组PV3；另一线路由发电机母线G点经过一个断路器和电抗XL1连接F点，F点经过电抗XL3和断路器开关与无穷大母线E点连接，电抗XL2、电抗XL4与电抗XL1、电抗XL3组成两条并联输电线路，通过中间开关站进行连接；无穷大母线D点通过两个断路器与无穷大电源连接，负载电阻箱通过断路器和无穷大母线E点连接；所述的仪表组PA2、PV2、或PV3包括电压表、电流表、功率表和功率因数表；

所述控制系统由微机调速系统、微机励磁系统和微机准同期系统组成，所述的微机调速系统、微机励磁系统和微机准同期系统分别与三相交流发电机连接；

所述的以太网通信系统包括微控制器STM32F103VET6和网络控制芯片WIZNETW5200，控制系统与微控制器通过com端口通讯连接，微控制器通过网络控制芯片与上位机连接。

2.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：其还包括有线路保护装置，所述线路保护装置由输电一次回路和二次回路组成。

3.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机调速系统包括：

微机调速电枢电压闭环控制装置，用于实现电枢电压测量，利用神经网络PID算法实现电枢电压PID参数自适应调节；

微机调速电机转速闭环控制装置，通过神经网络PID调节，使电机转速运行到设定值；

三相电压相位角控制装置，用于当三相电压相位角达到预设角度时，自动产生触发脉冲来控制相应可控硅，实现对三相电压电流等测量及显示；

三环调节装置，外环通过模糊控制实现有功功率的调节，中间环通过转速闭环调节实现相位角的控制，内环通过PID调节控制电流，实现有功的稳定控制；

人机界面，实时显示和控制电压、电流、功率等数据；

以及协调通信模块，接收微机励磁系统传输的有功功率值数据，由微控制器通过CRC校验数据正确，同时接收并网状态信息，从而达到改变微机调速系统工作状态。

4.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机励磁系统包括：

励磁系统恒α控制模块，用于判断三相电压相角，计算当前励磁系统的电压和电流，计算当前α角移动范围，产生触发脉冲；

励磁系统恒无功调节模块，用于发送有功功率值给微机调速系统，经过神经网络PID控制，调节发电机电压，调节系统无功输出；

励磁系统参数整定模块，用于修改系统PID系数，校正有功、无功测量值；

远程控制模块，用于发送当前运行状态到上位机，通过Modbus/TCP接收控制指令；

人机界面模块，用于由触摸屏下发控制指令给控制系统，同时显示当前控制系统运行状态及测量数据；

以及协调通信模块功能，用于协调微机调速系统和准同期控制系统之间的工作，发送有功、转速、并网状态给微机调速系统，接收准同期控制系统的发电指令。

5.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机准同期系统包括：

准同期手动并网模块，用于通过人工手动方式对系统进行并网合闸操作；

准同期半自动并网模块，用于测量系统电压、频率、相位，当差值在允许范围内，系统自动合闸并网；

准同期全自动并网模块，用于发送控制指令给微机调速系统，调速系统自动调节转速至1500转/分钟；同时发送指令给微机励磁系统，自动发电至220V电压，存在偏差时自动修正状态，直至满足并网条件，同时测量并网前的时间值及功角；

准同期远程控制模块，用于接收上位机发送的并网控制指令，传送当前运行状态参数至远控机；

准同期人机界面模块，用于显示当前系统运行状态参数，选择当前系统运行模式；

准同期协调通信模块，用于发送控制指令给微机调速系统和微机励磁系统，调节转速和发电机电压。

6.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机调速系统或微机励磁系统均包括三相电压采集电路，所述的三相电压采集电路包括电流互感器PT1、PT3、PT4，电源U相与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与电流互感器PT1原边的上端相连，电源N相与电阻R88的一端相连，电阻R88的另一端与电流互感器PT1原边的下端相连；电流互感器PT1副边的上端与电阻R5的一端相连，与电阻R2的一端相连，电流互感器PT1副边的下端与电阻R5、电容C7、二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连，电阻R2的一端与电容C7、二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连；

电源V相与电阻R12的一端相连，电阻R12的另一端与电流互感器PT3原边的上端相连，电源N相与电阻R89的一端相连，电阻R89的另一端与电流互感器PT3原边的下端相连；电流互感器PT3副边的上端与电阻R14的一端相连，与电阻R10的一端相连，电流互感器PT3副边的下端与电阻R14、电容C11、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连，电阻R10的一端与电容C11、二极管D5的阴极、二极管D6的阳极相连；

电源W相与电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与电流互感器PT4原边的上端相连，电源N相与电阻R90的一端相连，电阻R90的另一端与电流互感器PT4原边的下端相连；电流互感器PT4副边的上端与电阻R20的一端相连，与电阻R17的一端相连，电流互感器PT4副边的下端与电阻R20、电容C20、二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连，R17的一端与电容C20、二极管D9的阴极、二极管D10的阳极相连。

7.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机准同期系统包括功角测量电路，所述的功角测量电路包括反相器U3A、U3B、U3C、U3D、U3E、U3F，P3插排的1端接+15Vb，2端与U3F的13脚、电容C5的一端相连，3端与GNDb、电容C5、电容C6的一端相连，4端与电容C6、U3E的11脚相连，U3F的12脚与U3A和U3B的1脚和3脚相连，U3A的2脚与U3B的4脚、CE3的CON1端、以及光耦U2的输入端2脚相连，光耦U2的输入端1脚与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与+15Vb电源端相连；光耦U2的输出端4脚UI与+3.3VD电源端、电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与三极管Q1的集电极、电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与插排P2的4端相连；光耦U2的输出端3脚与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与三极管Q1的基极、电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端与三极管Q1的发射机、DGND数字地、P2插排的2端相连；

U3E的10脚输出与U3D的9脚、U3C的5脚相连，U3D的8脚与U3C的6脚、CE4的CON1端、光耦U4的输入端2脚相连，光耦U4的1脚与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与+15Vb电源端相连，光耦U4的输出端4脚与+3.3VD、电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与三极管Q6的集电极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与P2插排的3端相连；光耦U4的输出端3脚与电阻R9的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10、三极管Q2的基极相连，三极管Q2的发射极与电阻R10的另一端、DGND相连；U3E的14脚与+15Vb电源端相连，U3E的7脚与GND地相连。

8.根据权利要求1所述的电力系统自动化实验装置，其特征在于：所述的微机准同期系统包括电波整形电路，所述的电波整形电路包括运算放大器U1、比较器U2，交流电U11端与电阻R7的一端相连，R7的另一端与电流互感器PT2的输入上端相连，交流电N11端与电容C9的一端相连，电容C9的另一端与电阻R91的一端相连，电阻R91的另一端与电流互感器PT2的输入下端相连，电流互感器PT2的输出上端与U1的2脚、电阻R1的一端、电容C1的一端相连；U1的7脚与+15Va电源端、电容C5的一端相连；电容C1与电阻R1的另一端、U1的6脚、电阻R9的一端相连；电流互感器PT2的输出下端与U1的3脚、电容C16的一端、电容C5的一端、电容C13的一端、U2的1脚和3脚、GNDA地相连，U1的4脚与-15Va、电容C16的一端相连；电阻R9的另一端与电容C13的一端、U2的2脚相连；U2的8脚与+15Va电源端、电容C6的一端相连，电容C6的另一端与电容C10的一端、GNDa地相连；U2的7脚与电阻R11的一端、CE3的CON1端相连，电阻R11的另一端与+15Va相连。