生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化課件課件

1、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化華中科技大學(xué)華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院水電與數(shù)字化工程學(xué)院概論1.1 水電站在電力系統(tǒng)中的作用電源電力系統(tǒng)電網(wǎng)火電水電核電風(fēng)力與潮汐發(fā)電輸電線路變電站負(fù)載電力系統(tǒng)的組成：水電站生產(chǎn)的特點(diǎn)：水能是一種非常優(yōu)越的能源 水能是一種再生能源 水能是一種潔凈能源 水能可以綜合利用 水電能源可以儲(chǔ)備 電能無(wú)法儲(chǔ)存，發(fā)電與用電必須保持平衡。為了協(xié)調(diào)發(fā)電與用電的矛盾，利用水庫(kù)對(duì)河川的徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，即利用水庫(kù)先把輸入的水能儲(chǔ)蓄起來(lái)，然后按照系統(tǒng)的需要供水電站使用。另外，抽水蓄能電站可以把水能轉(zhuǎn)換成為電能，還可以把電能轉(zhuǎn)換成為水能。擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù) 由于電力系統(tǒng)的發(fā)電和用電必須保持

2、平衡，但用電在一天內(nèi)的波動(dòng)很大，因此系統(tǒng)中應(yīng)有一部分機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)。 火電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)慢，高效率區(qū)域窄，不益擔(dān)任電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)； 水電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)快，高效率區(qū)域?qū)挘也僮鞣奖?，益?dān)任電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)的事故備用 備用容量=系統(tǒng)可用電源容量-發(fā)電負(fù)荷 ； 由于水電機(jī)組具有啟動(dòng)、停機(jī)快的特點(diǎn)，故宜于承擔(dān)電力系統(tǒng)的事故備用容量。擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù) 由于電力系統(tǒng)的發(fā)電和用電必須保持平衡，但用電在一天內(nèi)的波動(dòng)很大，因此系統(tǒng)中應(yīng)有一部分機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻的任務(wù)。 火電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)慢，高效率區(qū)域窄，不益擔(dān)任電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)； 水電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)

3、快，高效率區(qū)域?qū)挘也僮鞣奖?，益?dān)任電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)。擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)的事故備用 備用容量=系統(tǒng)可用電源容量-發(fā)電負(fù)荷 ； 由于水電機(jī)組具有啟動(dòng)、停機(jī)快的特點(diǎn)，故宜于承擔(dān)電力系統(tǒng)的事故備用容量。 備用容量包括負(fù)荷備用、事故備用和檢修備用。 負(fù)荷備用： 用于調(diào)整系統(tǒng)中短時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)，并滿足計(jì)劃外負(fù)荷增加的需要，一般為系統(tǒng)最大負(fù)荷的25%。 事故備用： 用于代替系統(tǒng)中發(fā)生事故和故障的發(fā)電設(shè)備的工作，以便維持系統(tǒng)的正常供電，一般為系統(tǒng)最大負(fù)荷的510%。 檢修備用： 為檢修發(fā)電設(shè)備而設(shè)置的。1.2 水電站自動(dòng)化的目的 自動(dòng)化程度是水電站現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)又是水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)

4、行必不可少的技術(shù)手段。隨著機(jī)組容量的不斷增大，自動(dòng)化技術(shù)對(duì)水電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著越來(lái)越重要的作用。水電站自動(dòng)化是指：應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)等，使水電站生產(chǎn)過(guò)程的操作、控制和監(jiān)視能夠在無(wú)人和少人參與的情況下，按照預(yù)定的計(jì)劃或程序自動(dòng)的進(jìn)行。 實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化的目的：提高水電站運(yùn)行的可靠性 實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)化以后，通過(guò)各種自動(dòng)裝置能夠快速準(zhǔn)確和及時(shí)地進(jìn)行檢測(cè)、記錄和報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)，通知運(yùn)行人員及時(shí)地加以處理；發(fā)生事故時(shí)，能夠自動(dòng)緊急停機(jī)或斷開發(fā)生事故的設(shè)備，并可自動(dòng)投入備用機(jī)組或設(shè)備。保證電能質(zhì)量 電能質(zhì)量的兩個(gè)最主要的指標(biāo)是電壓和頻率：

5、 U5%Ur ; f(0.2-0.5)%fr 由于電力系統(tǒng)的負(fù)荷是隨時(shí)在變化的，要維持電壓和頻率在規(guī)定的范圍內(nèi)，可以通過(guò)自動(dòng)裝置可以快速而準(zhǔn)確地調(diào)整機(jī)組的有功和無(wú)功，來(lái)保證高質(zhì)量的電能質(zhì)量。特別是在事故情況下，通過(guò)自動(dòng)裝置快速的調(diào)節(jié)和控制對(duì)迅速恢復(fù)電能質(zhì)量具有決定性的意義。提高水電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性 水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指：通過(guò)自動(dòng)化裝置或系統(tǒng)合理地制定水電站的運(yùn)行計(jì)劃，在保證水電站發(fā)電設(shè)備安全的前提下，滿足電網(wǎng)調(diào)度需要，獲取最大的發(fā)電效益，最大限度地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 應(yīng)用自動(dòng)裝置和系統(tǒng)來(lái)完成水電站運(yùn)行中的各項(xiàng)任務(wù)，減少運(yùn)行人員直接參與操作、控制、監(jiān)視檢查和記錄等工作，改善了勞動(dòng)條

6、件，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了運(yùn)行管理水平。 1.3 水電站自動(dòng)化的內(nèi)容自動(dòng)控制水電機(jī)組的運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)開、停機(jī)和并網(wǎng)、發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相或調(diào)相轉(zhuǎn)發(fā)電等過(guò)程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)包括主變、母線和線路等主要電氣設(shè)備的控制、監(jiān)視和保護(hù)完成對(duì)水工建筑物運(yùn)行工況的監(jiān)視與控制 水電站自動(dòng)化是各種自動(dòng)化裝置和系統(tǒng)來(lái)完成的。其中：基礎(chǔ)自動(dòng)裝置（或系統(tǒng)）用于完成對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行某項(xiàng)特定控制或檢測(cè)任務(wù)的裝置（或系統(tǒng)）。如：水輪機(jī)調(diào)速器、自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、溫度巡檢裝置等。綜合自動(dòng)裝置（或系統(tǒng)）用于實(shí)現(xiàn)對(duì)水電站或發(fā)電設(shè)備進(jìn)行某項(xiàng)綜合控制的裝置（或系統(tǒng)）。如：頻率電壓成組調(diào)節(jié)裝置、電壓無(wú)功成組調(diào)節(jié)裝置、閘門控制系統(tǒng)

7、等。 從控制論的角度看水電站的自動(dòng)控制裝置（或系統(tǒng)）可分為：順序控制如用于完成機(jī)組自動(dòng)開、停機(jī)組控制的機(jī)組自動(dòng)裝置等。恒值控制如用于完成機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)任務(wù)的水輪機(jī)調(diào)速器和用于完成機(jī)組電壓調(diào)節(jié)任務(wù)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器等。跟蹤控制如用于完成瀉洪流量控制任務(wù)的閘門控制系統(tǒng)等。1. 水電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展情況廣泛采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)微機(jī)調(diào)速器、微機(jī)調(diào)節(jié)器、微機(jī)保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等。采用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和信號(hào)分析技術(shù)采用新型傳感器和振動(dòng)信號(hào)分析技術(shù)。應(yīng)用先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用智能控制、非線性控制、模糊控制等。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)和遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)。應(yīng)用現(xiàn)代制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械液壓隨動(dòng)系統(tǒng)、整流器、軟

8、啟動(dòng)器等。1.5 計(jì)算機(jī)技術(shù)在水電生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在水電生產(chǎn)過(guò)程中最重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要完成自動(dòng)檢測(cè)、優(yōu)化計(jì)算、自動(dòng)控制、自動(dòng)事故處理和運(yùn)行管理的任務(wù)。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)具有控制功能完善，數(shù)據(jù)處理方便，操作顯示集中，運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。它是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和人機(jī)接口技術(shù)相互發(fā)展和滲透而產(chǎn)生的。與常規(guī)控制系統(tǒng)相比，具有顯著的優(yōu)越性。 目前，我國(guó)大中型水電站廣泛地應(yīng)用了的計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，并在水電生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。 水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展概況 水電站計(jì)算機(jī)應(yīng)用的初創(chuàng)時(shí)期（60年代）： 計(jì)算機(jī)只是起到“離線”的應(yīng)用，即計(jì)算機(jī)與控制對(duì)象沒有

9、直接的聯(lián)系，運(yùn)行人員將水電站運(yùn)行中的參數(shù)（如：水位、流量、電壓、頻率等），經(jīng)計(jì)算機(jī)的外設(shè)輸入到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先編制的數(shù)學(xué)模型和程序進(jìn)行綜合分析計(jì)算和邏輯判斷后得到優(yōu)化運(yùn)行方式，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)的輸出設(shè)備顯示或打印出來(lái)，運(yùn)行人員根據(jù)計(jì)算結(jié)果操作和調(diào)節(jié)運(yùn)行設(shè)備。 集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展時(shí)期（60年代中年代中）： 到了這個(gè)時(shí)期，由于在計(jì)算機(jī)上提供了與過(guò)程裝置之間的接口，人們開始試驗(yàn)用直接的方法使計(jì)算機(jī)與控制對(duì)象直接的聯(lián)系，并獲得成功。計(jì)算機(jī)配上變送器、執(zhí)行器和信號(hào)連接裝置就完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水電生產(chǎn)過(guò)程的控制。中央計(jì)算機(jī)水電生產(chǎn)過(guò)程變送器執(zhí)行器 集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)把幾十個(gè)甚至幾百個(gè)控制回路以及

10、上千個(gè)過(guò)程變量的顯示、操作和控制集中在單一計(jì)算機(jī)上來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)為：控制功能齊全，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制難以實(shí)現(xiàn)甚至不能實(shí)現(xiàn)的功能和最優(yōu)控制、聯(lián)鎖功能等復(fù)雜控制。 但是，它存在三個(gè)主要問(wèn)題：第一是集中的脆弱性問(wèn)題，單臺(tái)計(jì)算機(jī)控制幾十到上百個(gè)回路，把危險(xiǎn)也集中了，一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程的全面癱瘓；第二是性能問(wèn)題，單臺(tái)計(jì)算機(jī)的速度和容量不夠，負(fù)載過(guò)重；第三是開發(fā)問(wèn)題，由于技術(shù)進(jìn)步，不斷提出新的要求，使軟件越來(lái)越復(fù)雜，造成開發(fā)人員需求上的短缺和開發(fā)周期的不斷增加。 目前，小型電站仍可采用集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 早期的水電站分層計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（70年代中年代末）： 集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題促使計(jì)

11、算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)向分散化發(fā)展，由此產(chǎn)生了監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（，Supervisory Computer Control)。由二級(jí)計(jì)算機(jī)組成，第一級(jí)計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程連接，取代常規(guī)儀表和控制器承擔(dān)測(cè)量和控制任務(wù)；第二級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)水電站生產(chǎn)過(guò)程的工況信息和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，給第一級(jí)計(jì)算機(jī)提供最優(yōu)控制的信息。第二級(jí)計(jì)算機(jī)第一級(jí)計(jì)算機(jī)常規(guī)控制器水電生產(chǎn)過(guò)程人機(jī)界面 分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（0年代后）： 水電站電力生產(chǎn)管理的集中性和控制的分散性這一實(shí)際需要，要求水電站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與水電生產(chǎn)過(guò)程的管理結(jié)構(gòu)相一致，一般分為三級(jí)：過(guò)程控制（儀表）級(jí)、控制管理（現(xiàn)地控制）級(jí)、生產(chǎn)管理（

12、電站）級(jí)。各級(jí)既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系。電站級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制器控制器控制器局域網(wǎng)現(xiàn)地級(jí)控制系統(tǒng)控制器控制器控制器現(xiàn)地級(jí)控制系統(tǒng)控制器控制器控制器現(xiàn)地級(jí)控制系統(tǒng)分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)水電生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。該系統(tǒng)概括起來(lái)是由集中管理部分、分散控制檢測(cè)部分和通訊部分組成。其中：集中管理部分主要用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù)，水電生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、操作、信息管理和優(yōu)化控制；分散控制檢測(cè)部分用于現(xiàn)地級(jí)單元的控制和監(jiān)測(cè)；通訊部分連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各個(gè)分布部分，完成數(shù)據(jù)、命令及其它信息的傳遞。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的類型與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可分為以下幾種

13、類型：取消常規(guī)控制設(shè)備的系統(tǒng)，即全計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。主控級(jí)應(yīng)采用雙機(jī)熱備；以計(jì)算機(jī)為主，常規(guī)控制系統(tǒng)為輔的監(jiān)控系統(tǒng)。主控級(jí)可采用雙機(jī)或單機(jī)；以常規(guī)控制系統(tǒng)為主，計(jì)算機(jī)為輔的監(jiān)控系統(tǒng)。主控級(jí)可采用單機(jī)。現(xiàn)地級(jí)計(jì)算機(jī)的設(shè)置原則是：每臺(tái)機(jī)組設(shè)一臺(tái)，置于機(jī)組旁；全廠公用部分至少設(shè)一臺(tái)；根據(jù)需要，可設(shè)一臺(tái)負(fù)責(zé)閘門啟閉控制和水位監(jiān)視的單元，置于壩上。水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有如下幾種：星型結(jié)構(gòu)：各工作站由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接到公用交換中心。星的中心起著控制器的作用。網(wǎng)絡(luò)上的工作站間交換信息都要通過(guò)中央控制器。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了一種集中式通訊策略。交換中心節(jié)點(diǎn)相當(dāng)復(fù)雜，但各站通訊

14、處理負(fù)荷較輕。其缺點(diǎn)是中央控制器故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通訊中斷。中央控制器工作站工作站工作站工作站環(huán)型結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路連接，并構(gòu)成封閉的環(huán)。線路上的信息按點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳輸，即由一個(gè)工作站發(fā)出的信息只傳送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若該節(jié)點(diǎn)不是發(fā)送信息的目的站，就再把信息傳遞到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到發(fā)送的信息到達(dá)目的站為止。環(huán)型結(jié)構(gòu)的雙向傳送信息可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。工作站工作站工作站工作站總線結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)都通過(guò)硬件接口直接連接到線狀傳輸介質(zhì)（光釬、雙絞線等）。任何一個(gè)工作站的發(fā)送信息都在介質(zhì)上傳播，并能被所有其它節(jié)點(diǎn)所接收。因?yàn)樗泄?jié)點(diǎn)共享一條傳輸鏈路，所以在某一時(shí)刻

15、只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能發(fā)送信息。因此，對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)應(yīng)規(guī)定某種控制協(xié)議。工作站工作站工作站工作站工作站2.1 水輪發(fā)電機(jī)的并列方式1） 同步發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中并列運(yùn)行的概念 正常情況時(shí)，在電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行的同步發(fā)電機(jī)是以相同的電角速度、出口的折算電壓相等的情況運(yùn)行，稱為并列（或同步）運(yùn)行。 由許多同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行組成的電力系統(tǒng)相對(duì)于孤立網(wǎng)來(lái)講，具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以提高供電的可靠性；可以提高供電的電能質(zhì)量；可使負(fù)荷分配更為合理；減少電力系統(tǒng)的備用容量，并充分利用各種動(dòng)力資源。2. 水輪發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列水輪發(fā)電機(jī)在投入電力系統(tǒng)并列運(yùn)行以前，與系統(tǒng)中的其它發(fā)電機(jī)是不同步的，如果要使它與系統(tǒng)中已運(yùn)行的發(fā)電機(jī)并列運(yùn)

16、行，則必須按一定的要求完成各種操作。這種將發(fā)電機(jī)投入電力系統(tǒng)并列運(yùn)行的操作，稱為并列操作或同期操作。用于完成并列操作的裝置稱為同期裝置。 由于同步發(fā)電機(jī)在開機(jī)時(shí)必須有并列操作，因此并列操作是水電站一項(xiàng)重要且經(jīng)常進(jìn)行的操作。在正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行并列操作，以便使機(jī)組投入系統(tǒng)并列運(yùn)行；在系統(tǒng)或電站事故時(shí)，通過(guò)并列操作來(lái)迅速恢復(fù)水電站甚至整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)有準(zhǔn)同期和自同期兩種并列方式，并且又分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作：自動(dòng)（或手動(dòng)）操作準(zhǔn)同期 自同期2）準(zhǔn)同期 準(zhǔn)同期操作的過(guò)程：滿足打開機(jī)組導(dǎo)葉到空載位置發(fā)電機(jī)接近同步轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)投入勵(lì)磁調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)速判斷發(fā)電機(jī)是否滿足并列條件將機(jī)組投入

17、系統(tǒng)并列運(yùn)行不滿足同步發(fā)電機(jī)并列的條件：發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的相序相同；發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的頻率相同；發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的電壓相同；發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)的相位相同。如果完全滿足并列條件的并列操作，發(fā)電機(jī)定子回路的電流將為零，對(duì)機(jī)組將不會(huì)產(chǎn)生電流或電磁力矩的沖擊。 但是，在實(shí)際操作中很難精確滿足并列條件。實(shí)際上，只要造成的電流沖擊和電磁力沖擊不超過(guò)允許范圍，就不會(huì)對(duì)機(jī)組造成危害。 非同期并列操作可能使機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞：如果相位差為180時(shí)非同期合閘，則發(fā)電機(jī)定子繞組的沖擊電流將比發(fā)電機(jī)出口的三相短路電流大一倍；如果電壓或頻率不相同，將對(duì)機(jī)組產(chǎn)生很大的電磁沖擊力，甚至高達(dá)額定力矩的8-26倍。而發(fā)電機(jī)出口短路時(shí)的

18、最大電磁力矩只有額定力矩的3-8倍； 可能造成非同期并列的原因?yàn)椋喊l(fā)電機(jī)的一次或二次接線不正確；同期裝置工作不正確；運(yùn)行人員誤操作。 3）自同期 自同期操作的過(guò)程： 打開機(jī)組導(dǎo)葉到空載位置發(fā)電機(jī)接近同步轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)投入勵(lì)磁發(fā)電機(jī)斷路器合閘機(jī)組并入系統(tǒng)運(yùn)行自同期是針對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電壓和頻率降低，并且不斷發(fā)生變化，使準(zhǔn)同期并列困難時(shí)，而采用的同期方式。自同期的優(yōu)點(diǎn)：不需調(diào)整電壓、相位和精確調(diào)整轉(zhuǎn)速，操作簡(jiǎn)單；由于并列操作時(shí)未投勵(lì)，消除了非同期并列的可能；與準(zhǔn)同期相比，大大縮短了并列的時(shí)間。自同期并列為電力系統(tǒng)發(fā)生故障而出現(xiàn)低頻、低壓時(shí)，啟動(dòng)備用機(jī)組創(chuàng)造了很好的條件，對(duì)于防止事故擴(kuò)大，迅速恢復(fù)

19、系統(tǒng)起到重要作用。由于發(fā)電機(jī)以自同期投入系統(tǒng)時(shí)，未勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)相當(dāng)于異步電動(dòng)機(jī)，因此自同期存在如下缺點(diǎn)：出現(xiàn)短時(shí)間的電流沖擊，并使系統(tǒng)電壓下降；沖擊電流引起的電動(dòng)力可能對(duì)定子繞組絕緣和定子繞組端部造成不良影響；沖擊電磁力矩將使機(jī)組大軸產(chǎn)生紐矩，并引起振動(dòng)。但是，沖擊電流和沖擊電磁力矩均比發(fā)電機(jī)出口三相短路時(shí)小，并且縮減快，通常不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成損害，但沖擊電流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能對(duì)定子繞組絕緣和端部造成累計(jì)性變形和損害。特別是自同期時(shí)發(fā)電機(jī)處于冷狀態(tài)，造成的不良影響比熱狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)出口三相短路更嚴(yán)重。因此，根據(jù)各種同期方式的特點(diǎn)，水電站在同期操作中： 以自動(dòng)準(zhǔn)同期作為機(jī)組正常時(shí)的并列方式，并帶有非

20、同期閉鎖； 以手動(dòng)準(zhǔn)同期作為備用，并帶有非同期閉鎖； 在事故時(shí)，采用自動(dòng)自同期并列。. 同期點(diǎn)的選擇和同期電壓的引入1） 同期點(diǎn)的選擇 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組與系統(tǒng)的并列運(yùn)行，水電站必須有一部分?jǐn)嗦菲饔赏谘b置來(lái)進(jìn)行操作，這些用于同期并列的斷路器稱為同期點(diǎn)。選擇同期點(diǎn)的基本原則是：如果一個(gè)斷路器的兩側(cè)都有電源，則該斷路器應(yīng)該是同期點(diǎn)。確定水電站同期點(diǎn)的一般原則是：發(fā)電機(jī)或發(fā)變組的斷路器是同期點(diǎn)；S同期點(diǎn)S同期點(diǎn)在對(duì)側(cè)有電源的線路斷路器是同期點(diǎn)；同期點(diǎn)母線電源三繞組變壓器或自耦變壓器與電源連接的各側(cè)斷路器是同期點(diǎn)；電源電源同期點(diǎn)同期點(diǎn)低壓側(cè)與母線連接的雙繞組變壓器，應(yīng)有一側(cè)斷路器作為同期點(diǎn)，以便在變壓器投

21、入時(shí)進(jìn)行并列操作。 同期點(diǎn)母線分段斷路器、母聯(lián)斷路器、旁路斷路器是同期點(diǎn)。母線母線同期點(diǎn)） 同期電壓的引入采用準(zhǔn)同期方式并列時(shí)，需檢查同期條件，而同期條件的判斷是通過(guò)同期電壓的檢查來(lái)進(jìn)行的。因此，需將待并發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的電壓通過(guò)電壓互感器引入同期裝置，進(jìn)行比較判斷。由于機(jī)組的升壓變壓器通常采用，d11接線，導(dǎo)致變壓器兩側(cè)相間電壓存在 的相位差。在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，為了校正引自電壓的相位，可從變壓器高壓側(cè)接成開口三角形的繞組取得電壓，使同期點(diǎn)兩側(cè)電壓的相位相符。 uabuabuab相差 相位相同PTPT. 準(zhǔn)同期點(diǎn)條件分析 1）對(duì)同期電壓差的要求當(dāng)U 0 時(shí)： 對(duì)發(fā)電機(jī)而言，Ic呈容性，起助磁作用

22、； 對(duì)系統(tǒng)而言，Ic呈感性，起去磁作用。 發(fā)電機(jī)吸收系統(tǒng)無(wú)功。當(dāng)U fsys時(shí)： 發(fā)電機(jī)并列后，UG將超前USYS，因此產(chǎn)生沖擊電流，由于沖擊電流IC的有功分量IC.G與UF方向相同，故發(fā)電機(jī)并列后向系統(tǒng)送出有功功率，對(duì)機(jī)組而言將產(chǎn)生制動(dòng)力矩，結(jié)果使轉(zhuǎn)子減速而與系統(tǒng)同步。當(dāng)fG fsys時(shí)： 發(fā)電機(jī)并列后，UG將超前USYS，因此產(chǎn)生沖擊電流，由于沖擊電流IC的有功分量IC.G與UF方向相反，故發(fā)電機(jī)并列后向系統(tǒng)吸收有功功率，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升最后與系統(tǒng)同步。 頻率不同所造成的沖擊與相位不同時(shí)是不一樣的： 相位不同時(shí)（頻率相同）所造成的沖擊是固定的（取決于相位差），即兩個(gè)電壓向量間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)； 頻

23、率不同時(shí)，兩個(gè)電壓向量間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若把一個(gè)向量看作靜止不動(dòng)，則另一個(gè)向量將不斷與它重合，又不斷離開。因此，兩個(gè)向量之差U是波動(dòng)變化的脈動(dòng)電壓。如果發(fā)電機(jī)在頻率差較大時(shí)并列，則將使機(jī)組在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)出（或吸收）過(guò)多的功率，結(jié)果使機(jī)組大軸產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能失去同步。 因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求并列時(shí)的頻率差不超過(guò)其額定值的0.2% 0.5%HZ，即0.1 0.25HZ；.4 手動(dòng)準(zhǔn)同期 手動(dòng)準(zhǔn)同期是指：由運(yùn)行人員借助于儀表對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滿足準(zhǔn)同期并列的三個(gè)條件時(shí)，運(yùn)行人員手動(dòng)操作同期點(diǎn)斷路器合閘，將發(fā)電機(jī)并入系統(tǒng)。 1）手動(dòng)準(zhǔn)同期操作時(shí)所需要的儀表 指示機(jī)組電壓和系統(tǒng)電壓的兩只電

24、壓表； 指示機(jī)組頻率和系統(tǒng)頻率的兩只頻率表； 指示機(jī)組與系統(tǒng)頻率差與相位差的一只同步表。同期點(diǎn)機(jī)組PTU母線PT母線FUFU同步表 手動(dòng)準(zhǔn)同期并列時(shí)的操作： 當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于或高于系統(tǒng)電壓時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流； 當(dāng)發(fā)電機(jī)的頻率低于或高于系統(tǒng)頻率時(shí)，調(diào)節(jié)水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度，以改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速；通過(guò)同步表觀察頻率和相位差，以便選擇合適的時(shí)機(jī)發(fā)出合閘，使斷路器合閘瞬間的相位差很小。 手動(dòng)準(zhǔn)同期的缺點(diǎn)是：并列的時(shí)間較長(zhǎng)；最佳合閘瞬間的選擇與運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)和操作水平有關(guān)；不能實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)和并列。因此，手動(dòng)準(zhǔn)同期一般只作為機(jī)組備用的并列方式。 2.5 自動(dòng)準(zhǔn)同期 自動(dòng)準(zhǔn)同期是指：由自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置完成

25、的水輪發(fā)電機(jī)并列操作與控制。 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置應(yīng)具有如下功能： 自動(dòng)檢查準(zhǔn)同期的三個(gè)條件，在條件滿足時(shí)自動(dòng)提前（包含機(jī)械動(dòng)作時(shí)間）發(fā)出合閘脈沖，使斷路器在=0時(shí)接通； 當(dāng)頻率差不滿足要求時(shí)，自動(dòng)向調(diào)速器發(fā)出調(diào)整信號(hào)，以消除頻率差； 當(dāng)電壓差不滿足要求時(shí)，自動(dòng)向勵(lì)磁調(diào)節(jié)器發(fā)出調(diào)整信號(hào)，以消除電壓差。 1）脈動(dòng)電壓 脈動(dòng)電壓（滑差電壓）us(t) 是指合閘前同期點(diǎn)兩側(cè)的電壓之差。 2）滑差周期 滑差周期Ts是指脈動(dòng)電壓頻率差的變化周期： Ts=2/s 頻率差越大，滑差周期Ts就越??； 頻率差越小，滑差周期Ts就越大。 由于在準(zhǔn)同期并列時(shí)，頻率差要求0.10.25HZ，則相應(yīng)的滑差周期Ts=10 4s

26、。因此，滑差周期Ts的大小，可判斷發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)的頻率差f=fG - fsys。 3）導(dǎo)前時(shí)間 由于同期點(diǎn)斷路器、合閘接觸器和輔助繼電器等合閘機(jī)構(gòu)的元件存在固有動(dòng)作時(shí)間。因此，在滿足準(zhǔn)同期條件下，為了使斷路器觸頭在=0時(shí)接通，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置必須提前發(fā)出合閘命令。從裝置發(fā)出合閘脈沖到相位差為0的這一段時(shí)間稱為導(dǎo)前時(shí)間tD，顯然，導(dǎo)前時(shí)間tD應(yīng)等于合閘機(jī)構(gòu)所有元件的固有動(dòng)作時(shí)間之和。 由于tD只與固有動(dòng)作時(shí)間有關(guān)，與頻率差無(wú)關(guān)。按此原理構(gòu)成的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置稱為恒定導(dǎo)前時(shí)間的準(zhǔn)同期裝置。合閘脈沖時(shí)間相位差時(shí)間導(dǎo)前時(shí)間 2.6 微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的工作原理 微機(jī)型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置由頻率測(cè)量部分、電壓及相

27、位測(cè)量部分、合閘回路、數(shù)據(jù)處理與計(jì)算部分以及人機(jī)接口部分組成。 其硬件構(gòu)成如圖所示。微型計(jì)算機(jī)電壓與相位測(cè)量頻率測(cè)量回路合閘回路人機(jī)接口斷路器機(jī)組電壓系統(tǒng)電壓1）頻率測(cè)量 基本方法與硬件構(gòu)成 應(yīng)用計(jì)算機(jī)測(cè)量交流電量u(t)的頻率時(shí)，常采用測(cè)周法：首先利用計(jì)算機(jī)高精度的計(jì)數(shù)功能測(cè)量被測(cè)量電量u(t)的周期T；然后，將周期T轉(zhuǎn)換為頻率：f = 1/T。測(cè)頻計(jì)數(shù)微型計(jì)算機(jī)測(cè)頻輸入濾波整形被測(cè)電量整形中斷計(jì)數(shù) 如上圖所示，兩次中斷之間的時(shí)間即為交流電量的周期T。利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定的高頻時(shí)鐘信號(hào)對(duì)兩次中斷之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Nt，則Nt在數(shù)值上正比于被測(cè)信號(hào)的周期T，通過(guò)下式計(jì)算頻率值： f

28、= C / Nt 式中, C為常數(shù)，其數(shù)值取決于時(shí)鐘信號(hào)的頻率F。 例如，當(dāng)F=1106 Hz時(shí)，則在被測(cè)信號(hào)的頻率為50Hz時(shí)，其T=0.02s，Nt=20000，取C=1109。則由上式計(jì)算的結(jié)果為 f=C/Nt=1109/20000=50000 如上圖所示，兩次中斷之間的時(shí)間即為交流電量的周期T。利用計(jì)算機(jī)內(nèi)部穩(wěn)定的高頻時(shí)鐘信號(hào)對(duì)兩次中斷之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù)值Nt，則Nt在數(shù)值上正比于被測(cè)信號(hào)的周期T，通過(guò)下式計(jì)算頻率值：頻率的測(cè)量精度分析 設(shè)測(cè)量精度為J （%） ，則 J = 被測(cè)電量的額定頻率（ fr ） 計(jì)數(shù)頻率（ fj ） = 計(jì)數(shù)脈沖寬度（ ） 被測(cè)電量的額定周期（T）

29、式中 T和 的單位為s；頻率測(cè)量的范圍 設(shè)測(cè)量頻率的下限（最低頻率）為 fM（Hz） ，則 fM = 1 /（256 N） 式中 的單位為s。上式表明，fM取決于計(jì)數(shù)的字節(jié)數(shù)N（二進(jìn)制8位）。頻率測(cè)量的軟件流程T C1 - C0C0 C1計(jì)數(shù)器初始化中斷初始化中斷？Yf = 1 / T輸出頻率N中斷服務(wù)程序讀計(jì)數(shù)器值C1中斷入口關(guān)中斷開中斷中斷返回主程序 2）電壓及相位測(cè)量 基本原理 在交流電量的測(cè)量中，常采用周期函數(shù)的富氏算法。這類算法是采用某一正交樣品函數(shù)組與待分析的時(shí)變函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的積分變換，以求出與樣品函數(shù)頻率相同分量的實(shí)部和虛部的系數(shù)，進(jìn)而可以求出待分析的時(shí)變函數(shù)中該頻率的諧波分量的

30、模值和相位。 在積分方程中2/2/)()(1TTdttytuTU 式中，y(t) 選定的正交樣品函數(shù)； u(t) 待分析的周期為T的時(shí)變函數(shù)。 根據(jù)正交函數(shù)的定義，如u(t)可分解為一個(gè)級(jí)數(shù)且級(jí)數(shù)各項(xiàng)都屬于同一正交函數(shù)，則上述積分結(jié)果為u(t)中與樣品函數(shù)相同分量的模值。取y(t)=sint，則n次諧波分量的實(shí)部的模值為：2/2/cos)(1TTRntdtntuTU2/2/sin)(1TTIntdtntuTU 取y(t)=sint，則n次諧波分量的虛部的模值為： 由此可得u(t)的n次諧波分量的模值和相位：22InRnnUUURnInUUarctg 這種算法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)，也是對(duì)離散的采樣值

31、進(jìn)行運(yùn)算。離散運(yùn)算式為： 式中 N 一個(gè)周期中的采樣數(shù)； uk 第k個(gè)采樣值。 這種算法是利用一個(gè)周期T內(nèi)的全部采樣值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，因此數(shù)據(jù)窗也就是一個(gè)周期T。 在計(jì)算機(jī)上作實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，每隔一個(gè)采樣周期Tn=T/N就對(duì)u(t)采樣一次。換句話說(shuō)，隨著時(shí)間的變化，每隔一個(gè)Tn就出現(xiàn)一個(gè)新的采樣值，從而作實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，一般須在每出現(xiàn)一個(gè)新采樣值后就計(jì)算一次。根據(jù)計(jì)算式的要求，計(jì)算機(jī)應(yīng)對(duì)這一新采樣值前的N個(gè)采樣值（包括新出現(xiàn)的采樣值）同時(shí)加以運(yùn)算。在運(yùn)算時(shí)，對(duì)N個(gè)采樣值都分別乘以不同的系數(shù)cosnk2/N和sinnk/N，然后求和。NkkRnNnkuNU12cos2NkkInNnkuNU12sin2 硬

32、件構(gòu)成多路轉(zhuǎn)換器微型計(jì)算機(jī)被測(cè)電量1濾波器鎖存器濾波器鎖存器濾波器鎖存器A/D轉(zhuǎn)換器被測(cè)電量n鎖存信號(hào)tTTTTTT多路選擇數(shù)字量 電壓及相位測(cè)量的軟件流程 交流電量的富氏變換系統(tǒng)初始化中斷初始化中斷？Y數(shù)據(jù)存儲(chǔ)輸出結(jié)果N中斷服務(wù)程序信號(hào)鎖存k = 1 to n 選擇第 k 路； 對(duì)第 k 路信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換； 存放第 k 路數(shù)據(jù)結(jié)果。 中斷入口關(guān)中斷開中斷中斷返回主程序3）導(dǎo)前時(shí)間計(jì)算 當(dāng)只考慮一階導(dǎo)數(shù)時(shí)，根據(jù)基本計(jì)算式v = s / t ，得： 10)() 1(kTTTkDDDTkTkkkv) 1()() 1()( 即得相位條件的判斷式4）合閘回路+220VKS2KS1-220VDO接口+

33、5VKS1BS微機(jī)系統(tǒng)圖中：BS 非同期閉鎖繼電器接點(diǎn)； KS1，KS2 中間繼電器；3.1 水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式 同步發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能，在轉(zhuǎn)換中需要有一個(gè)直流磁場(chǎng)。而產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的直流電流稱為勵(lì)磁電流。 勵(lì)磁方式是指發(fā)電機(jī)獲得勵(lì)磁電流的方式：從其它電源獲得勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)稱為他勵(lì)發(fā)電機(jī)；從發(fā)電機(jī)本身獲得勵(lì)磁電流的發(fā)電機(jī)稱為自勵(lì)發(fā)電機(jī)。 發(fā)電機(jī)獲得的勵(lì)磁電流的兩種方式如下：3. 水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)他勵(lì)發(fā)電機(jī)GGS自動(dòng)勵(lì)磁 調(diào)節(jié)器自勵(lì)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式有如下幾種：自動(dòng)勵(lì)磁 調(diào)節(jié)器GST1） 由直流發(fā)電機(jī)供電的勵(lì)磁方式 這種勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)具有專用的直流發(fā)電機(jī)。其中直流發(fā)

34、電機(jī)稱為勵(lì)磁機(jī)（屬于他勵(lì)方式）。勵(lì)磁機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組通過(guò)裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵(lì)磁機(jī)獲得直流電流。原理如下：GGSGSexGexRmBAGS 同步發(fā)電機(jī)；GSex 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組；G 直流勵(lì)磁機(jī)電樞；Gex 勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組；Rm 磁場(chǎng)調(diào)節(jié)電阻；A,B 滑環(huán)和電刷。 在上圖中，發(fā)電機(jī)屬于他勵(lì)，而勵(lì)磁機(jī)則屬于自勵(lì)。 若勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由另外一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)提供，則勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式屬于他勵(lì)，而給勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流的直流發(fā)電機(jī)稱為副勵(lì)磁機(jī)。直流副勵(lì)磁機(jī)直流勵(lì)磁機(jī)定子電流勵(lì)磁直流勵(lì)磁機(jī)自勵(lì)他勵(lì)勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)他勵(lì)勵(lì)磁2） 由交流勵(lì)磁機(jī)供電的勵(lì)磁方式 這種勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)（GS）采用交流勵(lì)磁機(jī)（G1）提供勵(lì)磁電流。G1與GS同軸，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供GS勵(lì)磁，因此屬于他勵(lì)方式。 若G1的勵(lì)磁電流由自身提供，則G1為自勵(lì)方式； 若G1的勵(lì)磁電流由另外一臺(tái)勵(lì)磁機(jī)（稱為交流副勵(lì)