1、电力系统 自动装置原理,工程学院 孙江波,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。,电力系统自动装置原理,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
2、方面的工作。,绪论,绪 论,一、引言 电力系统的定义及特点 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 一般的控制系统 电力系统自动控制系统的分类,一、何谓电力系统？,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。,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
3、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）,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,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
4、，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：,发电厂,中国华能集团 云南华能澜沧江水电有限公司 大理华能水电有限责任公司 小湾电站建设公司 漫湾发电厂 中国大唐集团 云南大唐红河发电有限责任公司 中国华电集团 云南金沙江中游水电开发公司 昆明发电厂 石龙坝发电厂 绿水河发电厂 巡检司发电厂 以礼河发电厂,发电厂,中国国电集团 阳宗海发电有限公司 六郎洞电厂 小龙潭发电厂 宣威发电有限责任公司 云南省大寨电厂 云南省曲靖发电有限责任公司 云南硕多岗发电有限责任公司 中国电力投资集团公司,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
5、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 2.新型设备的应用：HVDC、FACTS 3.新型能源的应用：核能、风力、潮汐、秸秆,二、电力系统特点：,1. 保证供
6、电可靠,2. 保证电能质量：频率、电压、波形,3. 保证电力系统运行的经济性（环保）,基本要求,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,基本要求,正常的运行状态,恢复状态,紧急状态,极端状态（系统崩溃）,警戒状态,储备减小 干扰增大,干扰导致 约束越限,安全,紧急,危险,电力系统的运行状态,图1 电力系统的各种状态及其转变,基本保障,可靠、灵活的继电保护和安全自动装置
7、（“硬设备”）； 调度控制中心（“软设备”）； 自动化水平要求越来越高。,电力自动化的必要性,1. 电网规模扩大,3. 管理方式转变,2. 电能质量要求,减员增效、无人值守、电子化管理,一般控制系统的结构,二、电力系统自动控制的划分,图2：一般控制系统的结构,电力系统自控系统工作模式,这是一个规模很大的综合自动化系统。,二、电力系统自动控制的划分,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,电力系统中自控系统的划分 ：,电力系统远程监控与调度自动化系统，为电网调度服务，旨在提高电力系统的安全、优质、经济运行水平,是电厂自动控制的主要组成部分，需配置专门的计算机进行监
8、控；不同类型电厂差异很大（水轮机、汽轮机、核反应堆）。,控制的对象是发电厂、变电所电气设备,1. 电力系统自动监视和控制,四遥：遥测、遥信、遥控、遥调,SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）平台+高级应用分析 。,返回,电网部分,3. 电力系统自动装置,低频减载,调速器、励磁调节器,并列,线路自动重合闸,故障录波器,电力系统自动装置的任务,提高供电的可靠性（如自动重合闸、备用电源自动投入等装置）；,保证电能质量、提高系统经济运行水平、减轻运行人员的劳动强度（如自动调节装置、低频减载装置、自动并列装置等）；,自动记录故障过程，有利于分析处理
9、事故（如故障录波器等）。,包括发电自动控制及发电厂、变电所电气主接线运行操作的自动装置，分自动调节装置和自动操作装置。 自动调节装置：发电机励磁自动控制装置（Q/U控制）频率/有功功率自动控制装置（P/f控制） 自动操作装置：正常运行操作（自动并列操作装置）反事故操作（继电保护、自动重合闸、低频减载、自动解列、自动切机、电气制动),3、 电力系统自动装置,电力系统自动装置器件,1）保证同步发电机并列操作的准确性和安全性的自动并列装置； 2）保证电压水平，提高电力系统的运行稳定性的自动调节励磁AER； 3）保证系统频率水平且使系统负荷在同步发电机之间实现最优经济分配的自动调频； 4）反事故安全自
10、动装置自动重合闸ARD； 5）备用电源和备用自动投入ATS； 6）自动按频率减负荷AFL等。,北美“814”大停电！ 美国东部时间（EDT）2003年8月14日16:11（北京时间2003年8月15日4:11）， 美国8个州和加拿大部分地区突然大规模停电，所波及的地区从密歇根州一直延伸到纽约州，直至加拿大境内。 事故中至少有21座电厂停运，其中包括位于美国4个州的9座核电厂，约5000万人受到影响，是世界有史以来最大的一次停电。当时很多人误以为是恐怖袭击，引起一片恐慌。后来据证实，该起事故由电力供应故障引发。,背景介绍,其中纽约州80%供电中断在纽约，停电造成整个交通系统陷入全面瘫痪。上至飞机
11、航班，下至地铁运输，都陷入停顿。停电造成地铁列车没有停在了隧道中，造成成千上万名乘客被困在漆黑的地铁隧道里。公共汽车就地停止运营，造成公路被堵塞。同时，办公楼内电梯停运、空调没法开，许多上班族和商场内的顾客陷入恐慌，冲到曼哈顿的各条大街之上。,背景介绍,背景介绍,北美“814”大停电波及地区,事故过程,第一阶段： （1）8月14日15:06 15:41，送电给俄亥俄州境内的克利夫兰地区三条345kV线路ChamberlainHarding 、HannaJuniper 、StarS. Canton 因与大树接触而跳闸。 （2） StarS. Canton线路切除后，送电到克利夫兰地区的多条138
12、KV线路因严重过载切除； （3）16:06 SammisStar 345kV线路跳闸，由于此线路向俄亥俄州北部供电，致使俄亥俄州北部供电不足，电压大幅下降，切除了大量负荷；由于线路、发电机、低频减载没有相互协调，事故继续扩大；,（4）16:08 加拿大与美国东部发生明显的功率摇摆。又有两回线（E.LimaFostoria和MuskingumOH Central）跳开，俄亥俄州北部功率严重不足，约2200MW功率从密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州至安大略省的潮流发生逆转，约200MW功率从安大略省流向密歇根州。密歇根州电压下降，使密歇根州中部两座电厂共计1800MW机组在15s内相继跳闸，导致密歇
13、根州电压崩溃。,事故过程,第二阶段：,（5）16:10 Campbell 电厂3号机组跳闸； HamptonThetford 345kV线路跳闸；OneidaMajestic 345kV线路跳闸；ITC系统电压崩溃，造成密歇根州30条线路跳闸，METC与ITC间的联络线断开，使ITC成为孤岛。此时俄亥俄州仍从密歇根州吸取功率。从安大略省流向密歇根州的功率达到2800MW。,事故过程,第三阶段：,（6）16:11 Avon电厂9号机组跳闸；BeaverDavis Besse 线路跳闸；MidwayLemoyneFoster 138kV线路跳闸；俄亥俄州Perry 核电站的1号机组跳闸。 (9)1
14、6:17 Fermi 核电站全部机组跳闸。 (10)16:1716:21 密歇根州许多线路跳闸，并有以下发电机组退出运行：St. Clair 7号机组，Judd电站机组，Monroe 1、2 、3 号机组，Greenwood电站机组，St.Clair 2、4、6号机组，Trenton 7、8、9号机组。,事故过程,此次事故停电29小时，共计损失负荷61800MW，受停电影响人数5000万。直接损失为10.5亿美元，间接损失约300亿美元。 在16：06分后的8分钟内，切除超过了400条线路，531台发电机，而且大多是在最后12S内切除的。,事故分析,事故主要输电线潮流过重，过负荷引起重要电源或
15、多回重要输电线跳掉，造成了潮流大转移，切（甩）大量负荷而保住了主系统没瓦解！ 531台发电机切除原因复杂，有过电流、低电压、励磁系统故障或保护、频率过高、厂用电消失或控制系统故障切机，有40%找不到切除原因； 切（甩）负荷过多，使事故后系统频率和部分地区电压均高于额定值，说明其自动装置整定也不到家； 事后分析证明，如果在装设了低压减载，切去1500MW，则事故可能只局限于该区； 有多重故障相继发生，导致此严重后果！电网控制系统的任何细小误动作和失控都将带来灾难性后果,事故分析,事故与自动控制装置的关系,1.励磁控制 2.无功分配 3.频率调整 4.低频减载 5.低压减载 6.发动机组自动并列,
16、随着发电机单机容量、电力系统容量、电网规模的不断扩大，对运行水平的要求越来越高，电力系统综合自动化程度也越来越高，电力系统自动装置的使用也越来越广泛，电力系统自动装置正向着微机化、智能化方向发展。,四、电力自动化装置发展趋势,电力自动化是上述3种类型自动控制系统的综合,2.电厂自动化,1. 电力系统调度自动化,电力系统自动化由许多子系统组成 ：,3.变电站自动化,分为：发电和输电调度自动化（通常称电网调度自动化）配电网调度自动化（通常称配电自动）,包括：动力机械自控系统自动发电量控制系统（AGC）自动电压控制系统（AVC）,包括： 微机监控、微机保护、远动控制（综合自动化）,三、电力系统自动化
17、发展趋势,控制理论的应用,电力系统自动化理论的发展经历的三阶段：,1.60年代前：经典控制理论阶段；,2.70年代：以计算机为基础的现代控制论阶段；,3.90年代后,1）注入经济理论，电力市场理论阶段；,2）智能控制理论：神经网络、模糊逻辑、遗传算法、蚁群算法、专家系统,数字化电力系统（DPS）的概念与构架,电力网络的可控性：,原来：不可控；,缺点：增加了系统的灵活性，同时也增加了复杂性。,近年来：随着电力电子技术的发展，FACTS（柔性交流输电技术）设备的引人，变得可控；,DPS涵义：是指对某一实际运行的电力系统的物理结构、各组成部分及整体的物理性能、运行方式和运行策略、管理模式、人员信息、
18、实时运行状态变量、各自控装置的动作特性、各主要设备的健康状态、经济结构、市场信息等数字地、形象化地和实时地描述与再现。,三、电力系统发展,我国电力工业发展成就概览,2000年,“九五”期间,“八五”期间,“七五”期间,核电站达到90 万kW装机,建成50万直流输电,装机容量达到2.5亿kW,建成了七个装机容量达1500万kW以上的规模电网 火力发电单机达到90 万kW装机,返回,返回,南方电网安全稳定控制系统简图,三、电力自动化系统新技术与趋势,当今电力系统的自动化技术正趋向于：,（1）由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展； （2）FACTS的发展进一步提高输电、配电自动化水平； （3
19、）控制策略：最优化、适应化、智能化、协调化、区域化 （4）设计分析上：要求面对多级系统模型来处理问题； （5）理论工具上：借助现代控制理论； （6）控制手段上：增多了微机、电力电子器件和远程通信 （7）研究人员上：需要多”兵种“联合作战。,整个电力系统自动化的发展趋势：,（1）由开环监测向闭环控制发展；AGC （2）由高电压等级向低电压发展；EMC-DMC （3）由单个元件向部分区域及全系统反展：SCADA、区域稳定控制 （4）由单一功能向多功能、一体化发展，变电站综合自动化； （5）装置性能向数字化、快速化、灵活化发展：微机保护； （6）追求的目标向最优化、协调化、智能化发展； （7）以提高
20、运行的安全、经济、效率为目标管理、服务的自动化发展：MIS系统在电力系统中的应用。,坚强智能电网,“我们不仅仅要成倍增加可再生能源的开发能力，还要建立一个更坚强、更智能的电网。” 美国总统奥巴马如是说。,国际金融危机尚未远去，哪些产业能成为下一波经济增长的制高点？奥巴马把目光投向了新能源和智能电网建设等领域。,国际金融危机尚未远去，哪些产业能成为下一波经济增长的制高点？奥巴马把目光投向了新能源和智能电网建设等领域。,人民日报 ：国家电网公司总经理谈建设坚强智能电网,五、本课程的主要内容,1.自动装置及其数据的采集处理 2.备用电源的自动投入装置 3.同步发电机的自动并列 4.线路的重合闸装置 5.同步发电机励磁自动控制系统 6.同步发电机励磁自动控制系统动态特性 7.电力系统频率和有功功率自动控制 8.电力系统自动减载及其他安全自动控制装置,1、相关知识,六、相关知识及学习方法,（1）电力系统运行的基础知识 （2）自动控制理论（3）电力电子技术（4）单片机原理（5）计算机、网络、通信,六、本章作业,我论（谈）“坚强智能电网”,
