緒論-楊冠城《電力系統(tǒng)自動裝置原理》1

1、電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)自動裝置原理自動裝置原理工程學院工程學院v課程性質(zhì)：課程性質(zhì)：電力系統(tǒng)自動化裝置電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)選修課。本課程是實現(xiàn)發(fā)電廠、變電站綜合自動化的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)自動裝置正向著微機化、智能化方向發(fā)展。因此，本課程能體現(xiàn)現(xiàn)代應用技術(shù)。電力系統(tǒng)自動裝置原理電力系統(tǒng)自動裝置原理電力系統(tǒng)自動裝置原理電力系統(tǒng)自動裝置原理v教學目的：教學目的：通過本課程的學習，使同學們了解電力系統(tǒng)自動化、電力系統(tǒng)自動裝置的重要意義，掌握電力系統(tǒng)中常用自動裝置的作用、構(gòu)成、工作原理、性能、運行特性以及有關(guān)參數(shù)的整定計算，了解電力系統(tǒng)中常用的自動裝置的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。v課程任務：課程任務：學生學好了

2、本課程，畢業(yè)后從事電力系統(tǒng)運行、自動裝置的調(diào)試、自動化設備的研制開發(fā)、銷售、維護等方面的工作。緒論緒論電力系統(tǒng)及其運行電力系統(tǒng)及其運行 1.電力系統(tǒng)自動控制的劃分電力系統(tǒng)自動控制的劃分2.電力系統(tǒng)自動化發(fā)展趨勢電力系統(tǒng)自動化發(fā)展趨勢3.本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容4.緒緒 論論v一、引言一、引言 v電力系統(tǒng)的電力系統(tǒng)的定義定義及及特點特點v對電力系統(tǒng)運行的對電力系統(tǒng)運行的基本要求基本要求及電力系統(tǒng)正常運行的及電力系統(tǒng)正常運行的基基本保障本保障 v二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分 v一般的控制系統(tǒng)一般的控制系統(tǒng)v電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)的分類一、何謂

3、電力系統(tǒng)？一、何謂電力系統(tǒng)？電力系統(tǒng)的組成：電力系統(tǒng)的組成：發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)變壓發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)變壓器和電力線路傳送到并分配到用戶，在那里經(jīng)過電動機、電器和電力線路傳送到并分配到用戶，在那里經(jīng)過電動機、電爐、電燈等用電設備又將電能轉(zhuǎn)換為機械能、熱能、光能等。爐、電燈等用電設備又將電能轉(zhuǎn)換為機械能、熱能、光能等。由這些由這些生產(chǎn)、變換、傳送、分配、消耗電能的電氣設備聯(lián)系生產(chǎn)、變換、傳送、分配、消耗電能的電氣設備聯(lián)系在一起組成的統(tǒng)一整體在一起組成的統(tǒng)一整體就是電力系統(tǒng)。就是電力系統(tǒng)。GT1T2SL電力負荷電力負荷發(fā)電機發(fā)電機變壓器變壓器變壓器變壓器輸電電路輸電電路圖

4、：簡單電力系統(tǒng)圖：簡單電力系統(tǒng)電力網(wǎng)：電力網(wǎng)：變壓器和不同電壓等級輸電線路組成的網(wǎng)絡（由輸變壓器和不同電壓等級輸電線路組成的網(wǎng)絡（由輸電、變電、配電設備及相應的輔助系統(tǒng)組成），簡稱電、變電、配電設備及相應的輔助系統(tǒng)組成），簡稱電網(wǎng)電網(wǎng)電力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)：發(fā)電機、電力網(wǎng)和用電設備組成發(fā)電機、電力網(wǎng)和用電設備組成動力系統(tǒng)：動力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)+發(fā)電廠的動力部分（火力發(fā)電廠的鍋爐、發(fā)電廠的動力部分（火力發(fā)電廠的鍋爐、汽輪機和水力發(fā)電廠的水庫、水輪機以及核動力發(fā)電廠的反應汽輪機和水力發(fā)電廠的水庫、水輪機以及核動力發(fā)電廠的反應堆等）堆等）GG火電廠火電廠水電廠水電廠變電所變電所變電所變電所輸電線輸

5、電線配電配電配電網(wǎng)配電網(wǎng)電力系統(tǒng)組成電力系統(tǒng)組成中國電網(wǎng)區(qū)域劃分中國電網(wǎng)區(qū)域劃分南方電網(wǎng)公司南方電網(wǎng)公司國家電網(wǎng)公司國家電網(wǎng)公司大型區(qū)域電網(wǎng)大型區(qū)域電網(wǎng)一般由一般由省級省級或地市級電網(wǎng)組成或地市級電網(wǎng)組成，比如，比如華中電網(wǎng)，他們的結(jié)構(gòu)圖華中電網(wǎng)，他們的結(jié)構(gòu)圖如下：如下：華中電網(wǎng)在全國電網(wǎng)系統(tǒng)中處于樞紐地位，承擔主要的西電東送任華中電網(wǎng)在全國電網(wǎng)系統(tǒng)中處于樞紐地位，承擔主要的西電東送任務。華中電網(wǎng)由河南電網(wǎng)、四川電網(wǎng)、重慶電網(wǎng)、湖北電網(wǎng)、江西務。華中電網(wǎng)由河南電網(wǎng)、四川電網(wǎng)、重慶電網(wǎng)、湖北電網(wǎng)、江西電網(wǎng)、湖南電網(wǎng)六部分組成。其中河南電網(wǎng)與西北電網(wǎng)、華北電網(wǎng)電網(wǎng)、湖南電網(wǎng)六部分組成。其中河南電網(wǎng)

6、與西北電網(wǎng)、華北電網(wǎng)相連，湖北電網(wǎng)與華東電網(wǎng)、南方電網(wǎng)相連。相連，湖北電網(wǎng)與華東電網(wǎng)、南方電網(wǎng)相連。 中國電網(wǎng)區(qū)域劃分中國電網(wǎng)區(qū)域劃分二、電力系統(tǒng)特點：二、電力系統(tǒng)特點： 結(jié)構(gòu)復雜龐大：結(jié)構(gòu)復雜龐大：電力網(wǎng)絡、控制系統(tǒng) 電力系統(tǒng)的運行要求電力系統(tǒng)中的發(fā)電與用電及時電力系統(tǒng)的運行要求電力系統(tǒng)中的發(fā)電與用電及時平衡平衡 ：電源和負荷間功率平衡、電能不能儲存，所有傳輸環(huán)節(jié)暢通無阻，因此生產(chǎn)、變換、輸送、分配各設備環(huán)節(jié)需緊密配合。 輸電網(wǎng)絡的整體性質(zhì)輸電網(wǎng)絡的整體性質(zhì) ：設備的部分損害或者強迫停運并不僅僅只影響局部，有可能會引起整體的問題 。 特別重要：特別重要：電力工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，所以電力供應

7、通常被要求高度可靠 。 過渡過程非常短促：過渡過程非常短促：所有突變引起的電磁變化及其迅速地影響整個系統(tǒng)（光速），設備操作需在及短時間內(nèi)完成快速控制和快速排除故障。 電力系統(tǒng)新特點v1.大機組、高電壓、大電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)v2.新型設備的應用：HVDC、FACTSv3.新型能源的應用：核能、風力、潮汐、秸稈二、電力系統(tǒng)特點：二、電力系統(tǒng)特點：v 1. 保證供電可靠保證供電可靠 v 2. 保證電能質(zhì)量：頻率、電壓、波形保證電能質(zhì)量：頻率、電壓、波形 v3. 保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性（環(huán)保）保證電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性（環(huán)保） 基本要求基本要求電能質(zhì)量：電能質(zhì)量：u頻率頻率 額定頻率：額定頻率： 50Hz5

8、0Hz 頻率偏差和延時時間：頻率偏差和延時時間：0.2Hz0.2Hz，持續(xù)時間小于，持續(xù)時間小于3030分鐘分鐘u電壓電壓 電壓偏差：電壓偏差： 36kV36kV及以上：正負偏差的絕對值之和小于及以上：正負偏差的絕對值之和小于額額 定電壓的定電壓的10%10%；220V220V：額定電壓的：額定電壓的+7%+7%、-10%-10% 三相平衡度：三相平衡度：2%2%u波形：波形：正弦波電壓和電流有諧波畸變率的限制正弦波電壓和電流有諧波畸變率的限制基本要求基本要求基本保障基本保障可靠、靈活的繼電保護和安全自動裝置（“硬設備”）；調(diào)度控制中心（“軟設備”）；自動化水平要求越來越高。 電力自動化的必要

9、性電力自動化的必要性1. 電網(wǎng)規(guī)模擴大電網(wǎng)規(guī)模擴大 3. 管理方式轉(zhuǎn)變管理方式轉(zhuǎn)變 2. 電能質(zhì)量要求電能質(zhì)量要求減員增效、無人值守、電子化管理減員增效、無人值守、電子化管理 u 一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分測量信息控制信息控制對象附加信息控制裝置圖圖2：一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：一般控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)u 電力系統(tǒng)自控系統(tǒng)工作模式電力系統(tǒng)自控系統(tǒng)工作模式 這是一個規(guī)模很大的綜合自動化系統(tǒng)。這是一個規(guī)模很大的綜合自動化系統(tǒng)。 二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分二、電力系統(tǒng)自動控制的劃分電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制電廠動力機械自動控制電廠動

10、力機械自動控制電力系統(tǒng)電氣設備自動裝置電力系統(tǒng)電氣設備自動裝置電力系統(tǒng)中自控系統(tǒng)的劃分電力系統(tǒng)中自控系統(tǒng)的劃分 ：電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控與調(diào)度電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控與調(diào)度自動化系統(tǒng)，為電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)，為電網(wǎng)調(diào)度服務，旨在提高電力系統(tǒng)服務，旨在提高電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行水平水平是電廠自動控制的主要組是電廠自動控制的主要組成部分，需配置專門的計成部分，需配置專門的計算機進行監(jiān)控；不同類型算機進行監(jiān)控；不同類型電廠差異很大（水輪機、電廠差異很大（水輪機、汽輪機、核反應堆）。汽輪機、核反應堆）?？刂频膶ο笫前l(fā)電廠、變控制的對象是發(fā)電廠、變電所電所電氣設備電氣設備GG火電廠火電廠水

11、電廠水電廠變電所變電所變電所變電所輸電線輸電線配電配電配電網(wǎng)配電網(wǎng)控制中心控制中心遠動通信遠動通信1 1. 電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制 四遙：遙測、遙信、遙控、遙調(diào)四遙：遙測、遙信、遙控、遙調(diào)3. 3. 電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)自動裝置低頻減載低頻減載調(diào)速器、勵調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器磁調(diào)節(jié)器并列并列線路自動重合閘線路自動重合閘備用電源自投備用電源自投故障錄波器故障錄波器電力系統(tǒng)自動裝置的任務電力系統(tǒng)自動裝置的任務 提高供電的可靠性提高供電的可靠性（如自動重合閘、備用電源自動投（如自動重合閘、備用電源自動投入等裝置）；入等裝置）； 保證電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平、減輕運行人保證

12、電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平、減輕運行人員的勞動強度員的勞動強度（如自動調(diào)節(jié)裝置、低頻減載裝置、自（如自動調(diào)節(jié)裝置、低頻減載裝置、自動并列裝置等）；動并列裝置等）； 自動記錄故障過程，有利于分析處理事故自動記錄故障過程，有利于分析處理事故（如故障錄（如故障錄波器等）。波器等）。 u 包括發(fā)電自動控制及發(fā)電廠、變電所電氣主接線運行操作的自動裝置，分自動調(diào)節(jié)裝置自動調(diào)節(jié)裝置和自動操自動操作裝置作裝置。 v自動調(diào)節(jié)裝置：自動調(diào)節(jié)裝置： 發(fā)電機勵磁自動控制裝置（Q/U控制） 頻率/有功功率自動控制裝置（P/f控制） v自動操作裝置：自動操作裝置： 正常運行操作（自動并列操作裝置） 反事故操作（繼電保

13、護、自動重合閘、低頻減載、自動解列、自動切機、電氣制動) 3、 電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)自動裝置器件電力系統(tǒng)自動裝置器件v1）保證同步發(fā)電機并列操作的準確性和安全性的自動并列裝置；v2）保證電壓水平，提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性的自動調(diào)節(jié)勵磁AER；v3）保證系統(tǒng)頻率水平且使系統(tǒng)負荷在同步發(fā)電機之間實現(xiàn)最優(yōu)經(jīng)濟分配的自動調(diào)頻；v4）反事故安全自動裝置自動重合閘ARD；v5）備用電源和備用自動投入ATS；v6）自動按頻率減負荷AFL等。v 北美北美“814”大停電！大停電！v 美國東部時間（美國東部時間（EDT）2003年年8月月14日日16:11（北京時間（北京時間2003年年8月

14、月15日日4:11），）， 美國美國8個州和加拿大部分地區(qū)突然大規(guī)模個州和加拿大部分地區(qū)突然大規(guī)模停電，所波及的地區(qū)從密歇根州一直延伸到紐約州，直至加拿停電，所波及的地區(qū)從密歇根州一直延伸到紐約州，直至加拿大境內(nèi)。大境內(nèi)。v 事故中至少有事故中至少有21座電廠停運，其中包括位于美國座電廠停運，其中包括位于美國4個州的個州的9座核座核電廠，約電廠，約5000萬人受到影響，是世界有史以來最大的一次停電。萬人受到影響，是世界有史以來最大的一次停電。當時很多人誤以為是恐怖襲擊，引起一片恐慌。后來據(jù)證實，當時很多人誤以為是恐怖襲擊，引起一片恐慌。后來據(jù)證實，該起事故由電力供應故障引發(fā)。該起事故由電力供應

15、故障引發(fā)。 背景介紹背景介紹v其中紐約州其中紐約州80%供電中斷供電中斷在紐約，停電造成整個交通系統(tǒng)陷入全面癱瘓。上至飛機航班，下至地鐵運輸，都陷入停頓。停電造成地鐵列車沒有停在了隧道中，造成成千上萬名乘客被困在漆黑的地鐵隧道里。公共汽車就地停止運營，造成公路被堵塞。同時，辦公樓內(nèi)電梯停運、空調(diào)沒法開，許多上班族和商場內(nèi)的顧客陷入恐慌，沖到曼哈頓的各條大街之上。 背景介紹背景介紹背景介紹背景介紹北美北美“814”大停電波及地區(qū)大停電波及地區(qū)事故過程事故過程v第一階段：v （1）8月月14日日15:06 15:41，送電給俄亥俄州境內(nèi)的克利，送電給俄亥俄州境內(nèi)的克利夫蘭地區(qū)三條夫蘭地區(qū)三條345

16、kV線路線路ChamberlainHarding 、HannaJuniper 、StarS. Canton 因與大樹接觸而跳閘。因與大樹接觸而跳閘。（2） StarS. Canton線路切除后，送電到克利夫蘭地線路切除后，送電到克利夫蘭地區(qū)的多條區(qū)的多條138KV線路因嚴重過載切除；線路因嚴重過載切除；（3）16:06 SammisStar 345kV線路跳閘，由于此線路線路跳閘，由于此線路向俄亥俄州北部供電，致使俄亥俄州北部供電不足，電壓向俄亥俄州北部供電，致使俄亥俄州北部供電不足，電壓大幅下降，切除了大量負荷；由于線路、發(fā)電機、低頻減大幅下降，切除了大量負荷；由于線路、發(fā)電機、低頻減載沒有

17、相互協(xié)調(diào)，事故繼續(xù)擴大；載沒有相互協(xié)調(diào)，事故繼續(xù)擴大；（4）16:08 加拿大與美國東部發(fā)生明顯的功率搖擺。加拿大與美國東部發(fā)生明顯的功率搖擺。又有兩回線（又有兩回線（E.LimaFostoria和和MuskingumOH Central）跳開，俄亥俄州北部功率嚴重不足，約）跳開，俄亥俄州北部功率嚴重不足，約2200MW功率從密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州功率從密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州至安大略省的潮流發(fā)生逆轉(zhuǎn)，約至安大略省的潮流發(fā)生逆轉(zhuǎn)，約200MW功率從安大功率從安大略省流向密歇根州。密歇根州電壓下降，使密歇根略省流向密歇根州。密歇根州電壓下降，使密歇根州中部兩座電廠共計州中部兩座電廠

18、共計1800MW機組在機組在15s內(nèi)相繼跳內(nèi)相繼跳閘，導致密歇根州電壓崩潰。閘，導致密歇根州電壓崩潰。事故過程事故過程第二階段：第二階段：v（5）16:10 Campbell 電廠電廠3號機組跳閘；號機組跳閘； HamptonThetford 345kV線路跳閘；線路跳閘；OneidaMajestic 345kV線路跳閘；線路跳閘；ITC系統(tǒng)電壓系統(tǒng)電壓崩潰，造成密歇根州崩潰，造成密歇根州30條線路跳閘，條線路跳閘，METC與與ITC間的聯(lián)絡線斷開，使間的聯(lián)絡線斷開，使ITC成為孤島。此時俄亥俄州成為孤島。此時俄亥俄州仍從密歇根州吸取功率。從安大略省流向密歇根州仍從密歇根州吸取功率。從安大略省

19、流向密歇根州的功率達到的功率達到2800MW。事故過程事故過程第三階段：第三階段：v（6）16:11 Avon電廠電廠9號機組跳閘；號機組跳閘；BeaverDavis Besse 線路跳閘；線路跳閘；MidwayLemoyneFoster 138kV線路跳閘；俄線路跳閘；俄亥俄州亥俄州Perry 核電站的核電站的1號機組跳閘。號機組跳閘。(9)16:17 Fermi 核電站全部機組跳閘。核電站全部機組跳閘。(10)16:1716:21 密歇根州許多線路跳閘，并有以密歇根州許多線路跳閘，并有以下發(fā)電機組退出運行：下發(fā)電機組退出運行：St. Clair 7號機組，號機組，Judd電站機組，電站機組

20、，Monroe 1、2 、3 號機組，號機組，Greenwood電站機組，電站機組，St.Clair 2、4、6號機組，號機組，Trenton 7、8、9號機組。號機組。事故過程事故過程v此次事故此次事故停電停電29小時小時，共計，共計損失負荷損失負荷61800MW，受，受停電影響人數(shù)停電影響人數(shù)5000萬。直接損失為萬。直接損失為10.5億美元，間接億美元，間接損失約損失約300億美元。億美元。 v在在16：06分后的分后的8分鐘內(nèi)，分鐘內(nèi)，切除切除超過了超過了400條線路條線路，531臺發(fā)電機臺發(fā)電機，而且大多是在最后，而且大多是在最后12S內(nèi)切除的。內(nèi)切除的。事故分析事故分析v 事故主要

21、輸電線潮流過重，過負荷引起重要電源或多回重要輸事故主要輸電線潮流過重，過負荷引起重要電源或多回重要輸電線跳掉，造成了潮流大轉(zhuǎn)移，切（甩）大量負荷而保住了主電線跳掉，造成了潮流大轉(zhuǎn)移，切（甩）大量負荷而保住了主系統(tǒng)沒瓦解！系統(tǒng)沒瓦解！v 531臺發(fā)電機切除原因復雜，有過電流、低電壓、勵磁系統(tǒng)故臺發(fā)電機切除原因復雜，有過電流、低電壓、勵磁系統(tǒng)故障或保護、頻率過高、廠用電消失或控制系統(tǒng)故障切機，有障或保護、頻率過高、廠用電消失或控制系統(tǒng)故障切機，有40%找不到切除原因；找不到切除原因；v 切（甩）負荷過多，使事故后系統(tǒng)頻率和部分地區(qū)電壓均高于切（甩）負荷過多，使事故后系統(tǒng)頻率和部分地區(qū)電壓均高于額定

22、值，說明其自動裝置整定也不到家；額定值，說明其自動裝置整定也不到家；v 事后分析證明，如果在裝設了低壓減載，切去事后分析證明，如果在裝設了低壓減載，切去1500MW，則事，則事故可能只局限于該區(qū)；故可能只局限于該區(qū)；v 有多重故障相繼發(fā)生，導致此嚴重后果！有多重故障相繼發(fā)生，導致此嚴重后果！電網(wǎng)控制系統(tǒng)的任何電網(wǎng)控制系統(tǒng)的任何細小誤動作和失控都將帶來災難性后果細小誤動作和失控都將帶來災難性后果 事故分析事故分析事故與自動控制裝置的關(guān)系事故與自動控制裝置的關(guān)系v1.勵磁控制v2.無功分配v3.頻率調(diào)整v4.低頻減載v5.低壓減載v6.發(fā)動機組自動并列三、電力自動化系統(tǒng)新技術(shù)與趨勢三、電力自動化系

23、統(tǒng)新技術(shù)與趨勢 當今電力系統(tǒng)的自動化技術(shù)正趨向于：當今電力系統(tǒng)的自動化技術(shù)正趨向于：（1 1）由發(fā)、輸電自動化向發(fā)、輸、配電自動化全面發(fā)展；）由發(fā)、輸電自動化向發(fā)、輸、配電自動化全面發(fā)展；（2 2）FACTSFACTS的發(fā)展進一步提高輸電、配電自動化水平；的發(fā)展進一步提高輸電、配電自動化水平；（3 3）控制策略：最優(yōu)化、適應化、智能化、協(xié)調(diào)化、區(qū)域化）控制策略：最優(yōu)化、適應化、智能化、協(xié)調(diào)化、區(qū)域化（4 4）設計分析上：要求面對多級系統(tǒng)模型來處理問題；）設計分析上：要求面對多級系統(tǒng)模型來處理問題；（5 5）理論工具上：借助現(xiàn)代控制理論；）理論工具上：借助現(xiàn)代控制理論；（6 6）控制手段上：增多了微機、電力電子器件和遠程通信）控制手段上：增多了微機、電力電子器件和遠程通信（7 7）研究人員上：需要多）研究人員上：需要多”兵種兵種“聯(lián)合作戰(zhàn)。聯(lián)合作戰(zhàn)。 整個電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展趨勢：整個電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展趨勢：（1 1）由開環(huán)監(jiān)測向閉環(huán)控制發(fā)展；）由開環(huán)監(jiān)測向閉環(huán)控制發(fā)展；AGCAGC（2 2）由高電壓等級向低電壓發(fā)展；）由高電壓等級向低電壓發(fā)展；EMC-DMCEMC-DMC（3 3）由單個元件向部分區(qū)域及全系