绪论-杨冠城《电力系统自动装置原理》1

电力系统自动装置原理电力学院课程性质：《电力系统自动化（装置）》电气工程及其自动化专业的一门专业选修课。本课程是实现发电厂、变电站综合自动化的基础。电力系统自动装置正向着微机化、智能化方向发展。因此，本课程能体现现代应用技术。1.1.1电力系统自动装置原理教学目的：通过本课程的学习，使同学们了解电力系统自动化、电力系统自动装置的重要意义，掌握电力系统中常用自动装置的作用、构成、工作原理、性能、运行特性以及有关参数的整定计算，了解电力系统中常用的自动装置的发展现状及趋势。课程任务：学生学好了本课程，毕业后从事电力系统运行、自动装置的调试、自动化设备的研制开发、销售、维护等方面的工作。绪论电力系统及其运行1.电力系统自动控制的划分2.电力系统自动化发展趋势3.本课程的主要内容4.绪论（一）引言⒈电力系统的定义及特点⒉对电力系统运行的基本要求及电力系统正常运行的基本保障（二）电力系统自动控制的划分⒈一般的控制系统⒉电力系统自动控制系统的分类一、何谓电力系统？（一）电力系统的组成：发电机把机械能转化为电能，电能经变压器和电力线路传送到并分配到用户，在那里经过电动机、电炉、电灯等用电设备又将电能转换为机械能、热能、光能等。由这些生产、变换、传送、分配、消耗电能的电气设备联系在一起组成的统一整体就是电力系统。GT1T2SL电力负荷发电机变压器变压器输电电路图：简单电力系统电力网：变压器和不同电压等级输电线路组成的网络（由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成），简称电网。电力系统：发电机、电力网和用电设备组成。动力系统：电力系统+发电厂的动力部分（火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）。G~G~火电厂水电厂变电所变电所输电线配电配电网电力系统组成中国电网区域划分南方电网公司国家电网公司大型区域电网一般由省级或地市级电网组成，比如华中电网，他们的结构图如下：华中电网在全国电网系统中处于枢纽地位，承担主要的西电东送任务。华中电网由河南电网、四川电网、重庆电网、湖北电网、江西电网、湖南电网六部分组成。其中河南电网与西北电网、华北电网相连，湖北电网与华东电网、南方电网相连。中国电网区域划分发电厂利用自然界蕴藏的各种能源来生产电能。按所使用能源不同，发电厂可以火力、水力、风力、潮汐、原子能以及太阳能发电厂等。能量转换过程：（二）电力系统特点：结构复杂庞大：电力网络、控制系统电力系统的运行要求电力系统中的发电与用电及时平衡：电源和负荷间功率平衡、电能不能储存，所有传输环节畅通无阻，因此生产、变换、输送、分配各设备环节需紧密配合。输电网络的整体性质：设备的部分损害或者强迫停运并不仅仅只影响局部，有可能会引起整体的问题。特别重要：电力工业是国民经济的基础，所以电力供应通常被要求高度可靠。过渡过程非常短促：所有突变引起的电磁变化及其迅速地影响整个系统（光速），设备操作需在及短时间内完成——快速控制和快速排除故障。电力系统新特点1.大机组、高电压、大电网互联系统（100、120万千瓦超临界火力发电机组）2.新型设备的应用：HVDC(高压直流输电)、FACTS（柔性交流输电系统）：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等,以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性,使得现有输电线路的输送能力大大提高。3.新型能源的应用：核能、风力、潮汐、秸秆14/432019/8/5（三）电力系统工作状态正常工作状态:电力系统的电压和频率电流等都在允许的范围以内，能够保持长期安全工作的状态。等约束（PQ平衡）和不等约束条件(IUS等)都满足最关键的指标：Ue±10%,△f≤±0.2Hz不正常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。故障状态（继电保护考虑，本课程不考虑。）电力系统运行的正常状态的数学描述不等式约束条件fmin≤f≤fmaxUmin≤U≤UmaxPGi.min≤P≤PGi.maxQGi.min≤Q≤QGi.maxSGi.min≤S≤SGi.max等式约束条件：正常状态：16/432019/8/5不正常运行状态：正常运行条件受到破式约束条件不满足。①负荷潮流越限致使电流升高（过负荷）；②发电机突然甩负荷引起发电机频率升高；③系统出现有功功率缺额引起的频率降低；④单相接地引起的非接地相电压升高；⑤电力系统发生振荡；不正常运行状态产生的后果：电力设备的电流过大会使设备载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，可能发展成短路故障。。17/43电力系统不正常运行状态对策不正常运行状态的对策：一旦电力系统设备发生不正常运行状态，应该发出告警信号、减负荷或跳闸。正常状态和大部分的不正常状态可以由以下措施予以调节和控制：1）有功、无功的潮流和电压、频率的调整——调整发电机出力、变压器分接头、负荷等2）自动化装置——备用电源自动投入（备自投）、自动准同期装置、自动按低频（低压）减载、自动解列、过电压检测等。——依赖于自动化(自动装置和自动化系统)（四）电力系统的运行状态及其相应的调度控制电力系统运行状态示意图正常状态（满足负荷需求，进行经济运行）系统崩溃（切机、切负荷、断开线路）恢复状态（重新并列,恢复对用户供电）警戒状态（预防性控制）紧急状态（紧急控制）储备系数小或干扰概率增大超越不等式约束条件预防性控制重新带负荷紧急控制并列切负荷解列系统保持原态系统解列安全的不安全负荷增加或故障系统满足所有等式和不等式约束条件；系统内的发电机有一定的旋转备用容量，输变电设备也有一定的富裕容量，在负荷增加或减少时，系统频率和电压值在质量指标规定的范围之内,并向系统用户供应合格的电能；电力系统中各发电和输、变电设备的运行参数都在规定的限额之内；(一)正常状态电力系统有一定的安全水平，在正常干扰（如电力系统负荷的随机变化，正常的设备操作等）下电力系统只从一个正常状态连续变化到另一个正常状态，而不会产生有害后果．正常状态下的电力系统是安全的，可以实施经济运行调度．(二)警戒状态当负荷增加过多，或发电机组因故障而计划外停运,或因发电机、变压器、输电线路等电力设备的运行环境恶化，使电力系统中的某些电力设备的备用容量减少到使电力系统的安全水平不能承受正常干扰的程度时,电力系统就进入了警戒状态。警戒状态下，电力系统运行的所有等式和不等式约束条件均满足，仍能向用户供应合格的电能。从用户的角度来看电力系统仍处于正常状态。但从电力系统调度控制来看,警戒状态是一种不安全状态,与正常状态是有区别的。两者的区别在于：警戒状态下电能质量仍合格，但与正常状态相比与不合格更接近了；设备运行参数在允许上、下限值之内，但与正常状态相比更接近上限值或下限值了。警戒状态下,系统受正常干扰，特别是发生故障时，可能出现不等式约束条件不成立的情况，使系统进入到不正常状态。例如，使某些变压器或线路过载，使某些母线电压低于下限值等。警戒状态下的电力系统是不安全的,调度控制需采取预防性控制措施,使系统恢复到正常状态。例如,调整发电机出力和负荷配置、切换线路等。这时经济调度就放到次要地位了。(三)紧急状态一个处于正常状态或警戒状态的电力系统，如果受到严重干扰，比如短路或大容量发电机组的非正常退出工作等，系统则有可能进入紧急状态。紧急状态下,电力系统某些不等式约束条件遭到破坏,比如某些线路或变压器过载；某些母线电压低于下限值等。这时的等式约束条件仍能得到满足，系统中的发电机组仍然继续同步运行，不切除负荷。紧急状态下的电力系统是危险的。电力系统调度控制应尽快消除故障的影响,采取紧急控制措施,争取使系统恢复到警戒状态或正常状态。(四)系统崩溃在紧急状态下,如果不能及时消除故障和采用适当的控制措施,或者措施不能奏效,电力系统可能失去稳定。在这种情况下为了不使事故进一步扩大并保证对部分重要负荷供电,自动解列装置可能动作,调度人员也可以进行调度控制,将一个并联运行的电力系统解列成几部分。这时电力系统就进入了崩溃状态。系统崩溃时,解列成的各子系统中等式和不等式的约束条件均不能成立。一些子系统由于电源功率不足,不得不大量切除负荷;而另一些子系统可能由于电源功率大大超过负荷而不得不让部分发电机组解列。系统崩溃时,电力系统调度控制应尽量挽救解列后的各个子系统,使其能部分供电,避免系统瓦解。电力系统瓦解是由于不可控制的解列而造成的大面积停电状态。(五)恢复状态通过自动装置和调度人员的调度控制，在崩溃系统大体上稳定下来以后，可使系统进入恢复状态。这时调度控制应重新并列已解列的机组，增加并联运行机组的出力，恢复对用户供电，将已解列的系统重新并列。根据实际情况将系统恢复到警戒状态或正常状态。30/432019/8/5电力系统自动化—定义定义：指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量.因历史原因被分成三部分：继保、远动、自动化，目前普遍意义上讲自动化是不包括继保、远动部分（含通信），本课程也是如此。由于远动课程没有单独设置，本课程也简要介绍远动的内容。电力系统自动化的特点计算机、通讯，测量传感，控制技术等各种技术在电力系统中的应用。理论要求高较多地应用如下知识：设备原理，电工原理、电机学、电力系统稳态/暂态分析、经济调度等等。综合性科学电工、电机、电子、电力系统、数学、计算机、通信理论、新技术、新材料的应用等，这些学科的发展都促进了电力系统自动化的发展。——实现在自动装置和自动化系统中对电力系统的基本要求电力系统自动化是现代电力系统安全可靠和经济运行的重要保证.保证安全可靠运行包括：输变电设备的正常操作、故障的快速切除和恢复，均通过自动装置才能保证安全、可靠。保证经济运行最少的一次能源产生更多的电力。电力系统的经济优化调度运行，降低网损等，没有自动化系统的参与是很难实现。保证优质电能暂态电能质量稳态电能质量:电压偏差、频率偏差,波形畸变（谐波）,三相不平衡度,电压波动闪变电能质量：频率额定频率：50Hz频率偏差和延时时间：±0.2Hz，持续时间小于30分钟电压电压偏差：36kV及以上：正负偏差的绝对值之和小于额定电压的10%；220V：额定电压的+7%、-10%三相平衡度：2%波形：正弦波电压和电流有谐波畸变率的限制实现自动化的基本保障①可靠、灵活的继电保护和安全自动装置（“硬设备”）；②调度控制中心（“软设备”）；③自动化水平要求越来越高。（五）电力系统自动化的必要性1.电网规模扩大：结构复杂而庞大:容量大、设备多2.电能质量要求：电压、频率、波形。影响：减产、废品、设备损坏、危机安全3.管理方式转变：减员增效、无人值守、电子化管理结论：保证电力系统安全、优质、经济运行单靠发电厂、变电站和调度中心运行值班人员进行人工监视和操作是根本无法实现的，必须依靠自动装置和设备才能实现。电力系统和电力系统自动化是分不开的。一般控制系统的结构二、电力系统自动控制的划分测量信息控制信息控制对象附加信息控制装置二、电力系统自动控制的划分这个系统被称为电力系统调度自动化系统或电力系统自动监视与控制系统电力系统信息电力系统自动装置电力系统远动和通信装置信息处理确定实时数学模型做出控制决策运行的结构、参数、事故状态电力系统运行的结构和参数控制和调节调度中心调度计算机YX、YCYT、YKYT、YKYX、YC图3电力系统自动控制系统工作模式图根据运行的结构根据运行的要求遥信（YX）遥测（YC）遥调（YT）遥控（YK）遥视（YS）+=电力系统五“遥”电力系统自动监视和控制电厂动力机械自动控制电力系统电气设备自动装置1.电力系统中自控系统的