電力系統(tǒng)自動控制技術：第一章-概論

1、PAGE 第一章 概 論Q：變電站運行人員如何知道某斷路器的分合狀態(tài)？如何知道母線電壓？電力系統(tǒng)自動化的重要性及其發(fā)展歷程一、電力系統(tǒng)自動化的重要性電力系統(tǒng)自動化：是二次設備的一個組成部分。應用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置，通過信號系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)進行就地或遠方的自動監(jiān)視和控制，保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行和具有合格的電能質(zhì)量。（一）電力系統(tǒng)的特點及對電力系統(tǒng)運行的要求電力系統(tǒng)（控制對象）的特點：1）結構復雜而龐大，被控參數(shù)多；2）電能不能儲存；3）暫態(tài)過程非常迅速；4）特別重要。對電力系統(tǒng)運行的基本要求：1）保證供電可靠性；2）保證電能質(zhì)量；3）保證

2、運行的經(jīng)濟性。（二）電力系統(tǒng)自動化的重要性沒有電力系統(tǒng)自動化，現(xiàn)代電力系統(tǒng)不能運行。二、電力系統(tǒng)自動化發(fā)展歷程（一）單一功能自動化階段特點：（1）電力系統(tǒng)繼電保護、電力系統(tǒng)遠動和電力系統(tǒng)自動化三者各自自成體系，分別完成各自的功能；（2）對單個電力設備用分立的自動裝置來完成自動化的某項單一功能；（3）電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠和變電站之間的自動裝置沒有什么聯(lián)系；（4）電力系統(tǒng)的統(tǒng)一運行主要依靠調(diào)度員指揮。（二）綜合自動化階段能量管理系統(tǒng)（Energy Management System）配電網(wǎng)自動控制系統(tǒng)（Dispatch Automation System）配電網(wǎng)管理系統(tǒng)（Dispatch Manag

3、ement System）管理信息系統(tǒng)（Management Information System）電力系統(tǒng)自動化的內(nèi)容按電力系統(tǒng)運行管理區(qū)，可分為：電力系統(tǒng)調(diào)度自動化；發(fā)電廠自動化；變電站自動化；配電網(wǎng)自動化。從電力系統(tǒng)自動控制的角度,可將電力系統(tǒng)自動化分為：電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制；電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制；電力系統(tǒng)中的斷路器自動控制；電力系統(tǒng)安全自動控制。一、電力系統(tǒng)調(diào)度自動化五級調(diào)度：國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、中調(diào)、地調(diào)、縣調(diào)二、火電廠自動化主要有：（1）計算機監(jiān)視（或數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)（2）機爐協(xié)調(diào)主控制系統(tǒng)（3）鍋爐自動控制系統(tǒng)（4）汽輪機自動控制系統(tǒng)（5）發(fā)電機和電氣控制系統(tǒng)輔助設備及

4、各支持系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)三、水電廠自動化：（1）水輪發(fā)電機組自動控制任務是按照給定的運行命令自動地按照規(guī)定的順序控制機組的調(diào)速器、勵磁設備、同步裝置和機組的自動化元件，實現(xiàn)機組各種工況的轉換。靜止、發(fā)電、調(diào)相三種狀態(tài)（2）水電廠自動電壓控制按照預定的條件和要求自動控制水電廠母線電壓和全電廠無功功率的技術（3）水電廠自動發(fā)電控制按照預定條件和要求自動控制水電廠有功功率的技術（4）水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)利用計算機對水電廠的生產(chǎn)過程進行自動監(jiān)測和控制。1#PLC通信控制器電參數(shù)調(diào)速器勵 磁溫 度電能表1機組主保護1機組后備保護1#監(jiān)控機GPS打印機公用PLC通信控制器電參數(shù)直流系統(tǒng)線路保護主變溫度電能

5、表主變主保護主變高壓側保護2LCU同1LCU2#監(jiān)控機通信機1#機組LCU2#機組LCU公用LCU調(diào)度通信以太網(wǎng)RS485RS485RS232主變低壓側保護圖1 水電廠自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖系統(tǒng)的PLC及保護裝置直接接入以太網(wǎng)，通信擴展方便，以兩臺機組為例，其結構如圖1所示。取消了傳統(tǒng)結構中的工控機，提高了可靠性。LCU需要與交流電參數(shù)采集器、溫度巡檢儀、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、電能表、直流系統(tǒng)、微機同期裝置等智能設備通信。各智能設備一般均提供RS485接口，但通信協(xié)議均不一致，加上PLC與工控機相比，難于實現(xiàn)多串口的擴展，若采用各智能設備直接通過一個RS485總線接入PLC，會存在總的通信速度慢、

6、占用PLC的程序存儲空間大等問題。因此，在設計中由帶多串口的智能通信控制器與各智能設備通信，智能通信控制器將各智能設備的協(xié)議轉換成標準的協(xié)議后經(jīng)RS485總線接入PLC的RS485口。各智能設備信息的傳送順序和傳送周期可按系統(tǒng)對信息的不同實時性要求進行調(diào)整?？紤]到SZX-8000水電廠自動化系統(tǒng)主要針對中小型水電廠設計，LCU中用于機組開停機等控制的PLC選用西門子小型PLC S7-226。S7-226 CPU帶兩個RS485通信口，一個通信口用于同西門子彩色觸摸屏TP270通信，另一個以自由口方式同智能通信控制器通信。S7-226 CPU擴展3塊開關量輸入輸出模塊EM223，2塊模擬量輸入模

7、塊EM231，1塊以太網(wǎng)通信模塊CP243-1，擴展后，PLC共有72點開關量輸入點，64點開關量輸出點及8點模擬量輸入點。交換機選用MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機EDS-316。智能通信控制器選用MOXA帶WinCE5.0操作系統(tǒng)的嵌入式工業(yè)計算機UC-7410CE，UC-7410CE帶8個RS485通信口，2個以太網(wǎng)口，采用精簡指令集計算機及電子盤，無風扇及硬盤，可靠性高，適合于惡劣工作環(huán)境。保護裝置帶以太網(wǎng)接口，主要有發(fā)電機主保護，發(fā)電機后備保護，主變主保護，主變高壓側保護，主變低壓側保護等，保護裝置提供的通信協(xié)議為IEC 60870-5-104。僅線路保護裝置由通信控制器實現(xiàn)RS485接口到

8、以太網(wǎng)接口的轉換以及Modbus協(xié)議到IEC 60870-5-104協(xié)議的轉換。配電網(wǎng)自動化：圖2 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)示意圖圖3 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)構成圖圖4 配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)結構框圖配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位系統(tǒng)主站按功能分為3層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層和綜合應用層，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集層以GPRS通信方式接入饋線終端單元，按照負控規(guī)約解析數(shù)據(jù)并進行初步處理，監(jiān)視通信質(zhì)量，管理通信資源。它主要由通信接入設備、前置通信服務器、支持軟件、通信協(xié)議解析軟件等構成。數(shù)據(jù)管理層對采集數(shù)據(jù)進行加工處理、分類存儲，建立和管理配電網(wǎng)饋線故障區(qū)段定位系統(tǒng)一體化數(shù)據(jù)平臺，與其他系統(tǒng)接口并交換數(shù)據(jù)。主要由數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)

9、據(jù)存儲和備份設備、接口設備以及數(shù)據(jù)庫管理軟件等構成。根據(jù)應用需求，在綜合應用層開發(fā)應用軟件支持數(shù)據(jù)的應用功能。如：終端管理、告警信息管理、圖形建模、可視化拓撲分析、饋線故障區(qū)段定位、報表管理、系統(tǒng)管理等。 圖5 基于無線傳感器網(wǎng)絡的配電線路運行狀態(tài)監(jiān)測 系統(tǒng)采用3層無線通信網(wǎng)絡。由故障指示器、故障采集器、FTU（兼做故障采集器及集中器）、現(xiàn)場手持設備、通信網(wǎng)絡及主站等構成，如圖5所示。綜合考慮通信距離，多種無線通信共處，故障采集器間信息傳輸網(wǎng)絡需具有自動路由、自動組網(wǎng)及失效自恢復等功能，設計無線通信網(wǎng)絡時采用了3種無線通信頻段。故障指示器及現(xiàn)場手持設備與故障采集器間采用無路由協(xié)議的470MHz

10、短距離無線通信；故障采集器間及故障采集器與FTU間采用基于ZigBee Pro協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡通信，為2.4GHz Mesh網(wǎng)絡；FTU與主站間采用GPRS網(wǎng)絡通信。1個故障采集器最多可掛接6個故障指示器，6個故障指示器分成2組分別安裝在線路的主干和分支的A、B、C三相。安裝于電線桿上的故障采集器與故障指示器間的距離不大于50m。采用5dBi全向天線，架設在5m高度，故障采集器間或故障采集器與FTU間的戶外直線通信距離可達到1km。一般水泥電線桿的高度為10m左右，考慮安全距離等，天線的架設高度適合實際情況；10kV配電線路長度一般不超過10km，電線桿間距小于100m，故障采集器采用Z

11、igBee Pro網(wǎng)絡協(xié)議進行通信，每個故障采集器均可作為通信的路由器，最多可有30級路由，1條線路分段開關處的每個FTU均作為ZigBee Pro無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點，與其兩側附近的故障采集器路由節(jié)點構成獨立的Mesh網(wǎng)絡，這樣1條線路有多個Mesh網(wǎng)絡。通信距離完全滿足要求。電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制：通過控制發(fā)電機有功出力來跟蹤電力系統(tǒng)的負荷變化，從而維持頻率等于額定值，同時滿足互聯(lián)電力系統(tǒng)按照計劃要求交換功率。電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制：1）控制電力系統(tǒng)無功電源發(fā)出的無功功率等于電力系統(tǒng)負荷在額定電壓下所消耗的無功功率，維持電力系統(tǒng)電壓的總體水平，保持用戶的供電電壓在允許

12、范圍之內(nèi)；2）合理利用各種調(diào)壓措施，使無功功率盡可能就地平衡。3）控制樞紐點電壓在規(guī)定水平，避免產(chǎn)生過電壓。 圖4 PLC型發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器結構圖PLC勵磁調(diào)節(jié)器的硬件主要由西門子公司S7-200系列中的S7-226CN CPU，模擬量輸入/輸出模塊EM235，觸摸屏K-TP178 Micro，調(diào)制解調(diào)器模塊EM241（可選），頻率測量電路，控制量限幅電路，同步移相觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖放大電路，機端勵磁及儀用電壓互感器二次側電壓、系統(tǒng)電壓、有功功率、無功功率、勵磁電流等測量變送電路等組成，如圖4。S7-226CN CPU模塊配有2個RS485通信接口，1個采用PPI協(xié)議與觸摸屏通信，1個采用自由

13、口協(xié)議與電廠監(jiān)控系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。S7-226CN CPU模塊是1個適用于中、小型控制系統(tǒng)的可編程控制器，集微處理單元CPU、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、通信接口于一體。最多可擴展7個模塊。根據(jù)勵磁系統(tǒng)要求，在S7-226CN CPU模塊的基礎上增加了1塊模擬量輸入/輸出模塊EM235和1塊調(diào)制解調(diào)器模塊EM241。其中EM235含有4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，輸入和輸出精度均為12位。配合電子開關，可實現(xiàn)8路模擬量采集，控制量由模擬量輸出接口接到同步移相觸發(fā)電路的控制引腳。EM241模塊用于遠程維護。開關量的輸入、輸出由S7-226CN自帶的數(shù)字量端口完成。頻率測量電路由兩部分構成，1個是基準頻

14、率的產(chǎn)生電路，輸出為方波信號；1個是機端正弦電壓信號轉換成方波信號的電路，為帶施密特的過零比較電路，該電路產(chǎn)生待測頻率信號。將基準頻率和待測頻率分別接到S7-226CN的I0.6和I1.0，用S7-226CN的內(nèi)部高速計數(shù)器可測出發(fā)電機頻率。同步移相觸發(fā)電路采用西門子高度集成專用芯片TC787，該芯片采用三相同步方式，其同步電壓可取自勵磁變壓器二次側或機端勵磁電壓互感器二次側，同步變二次側電壓經(jīng)濾波電路后接入TC787，TC787輸出脈沖經(jīng)達林頓管TP122放大后接到可控硅。模擬量均變換為05V電壓信號后經(jīng)電子開關送入調(diào)節(jié)器的模擬量輸入/輸出模塊EM235。經(jīng)軟件濾波等處理后供軟件的各種處理所

15、用。電子開關由S7-226CN的開關量輸出端口Q0.0控制。電力系統(tǒng)中的斷路器自動控制：1）正常運行時的斷路器控制：優(yōu)化系統(tǒng)結構，使之安全、經(jīng)濟運行；2）電力系統(tǒng)恢復時的斷路器控制：將已解列的系統(tǒng)重新并列；3）電力系統(tǒng)緊急狀態(tài)的斷路器控制：低頻自動減負荷，系統(tǒng)解列。圖5 準同期裝置結構圖交轉直AD536過 零檢 測繼電器輸 出采 樣TLC0832交轉直AD536RS485通信口電子開關CD4053異 或CD4070看門狗X5045狀 態(tài)指 示數(shù) 據(jù)顯 示參 數(shù)X5045CPU1AT89C52CPU2 89C52整步指示LM3914Ug Us Ug Us 經(jīng)電壓互感器（PT）降壓后的電網(wǎng)和發(fā)電機

16、的電壓濾波后分別輸給兩片交流真有效值轉換芯片AD536，得到表征交流有效值的直流信號，經(jīng)兩路八位串形模數(shù)轉換芯片TLC0832，與主CPU即CPU1連接。同時，經(jīng)PT降壓后的電網(wǎng)和發(fā)電機電壓，分別通過由運算放大器LM324構成的過零檢測電路處理后輸出兩路方波信號，其頻率、相位與輸入的交流信號一致。兩路方波信號經(jīng)異或芯片CD4070相異或后，接到CPU1的INT0引腳，用于測量電網(wǎng)和發(fā)電機電壓間的相位差。異或后的信號經(jīng)運算放大器LM324處理后用于整步指示，整步指示采用LM3914芯片實現(xiàn)，在面板上用一長列發(fā)光二極管顯示，燈亮的長度反映相位差的大小，亮暗的變化快慢反映頻差的大小，可直觀地觀測滑差周期及其變化。兩路方波信號經(jīng)電子開關CD4053接到CPU1的INT1引腳。CPU1通過對開關的切換分時實現(xiàn)電網(wǎng)和發(fā)電機電壓的頻率的測量。CPU1的看門狗電路采用X5045芯片。CPU1的I/O引腳經(jīng)7404驅(qū)動并光電隔離后輸出五個繼電器，用于均壓，均率，合閘等。用發(fā)光二極管指示運行狀態(tài)。當兩側頻差和壓差不合格時，依照偏差量的大小，發(fā)出長短不同的調(diào)節(jié)脈沖。CPU2主要實現(xiàn)電網(wǎng)和發(fā)電機的電壓、頻率顯示，運行參數(shù)設置，與上位監(jiān)控計算機通信等?？稍O置的參數(shù)有