電力系統(tǒng)自動控制技術(shù)：第三章-電力系統(tǒng)中斷路器的控制

1、第三章 電力系統(tǒng)中斷路器的控制本章介紹發(fā)電機(jī)并列和電力系統(tǒng)自動低頻減負(fù)荷。第一節(jié) 電力系統(tǒng)并列概述對并列的基本要求發(fā)電機(jī)并列系統(tǒng)并列電力系統(tǒng)容量不斷增大，同步發(fā)電機(jī)單機(jī)容量也越來越大，不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重后果。對并列要求：a、沖擊電流不超過允許值，且盡可能??；-瞬時最大值小于2倍額定電流。b、并列后應(yīng)能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行。-暫態(tài)過程要短，減小對系統(tǒng)的擾動。沖擊電流：并列斷路器合閘時通過斷路器主觸頭的電流。二、準(zhǔn)同期并列一臺發(fā)電機(jī)組并入系統(tǒng)運(yùn)行之前，他的電壓與并列母線電壓的狀態(tài)量往往不同。需對發(fā)電機(jī)組電壓進(jìn)行調(diào)整，使之符合并列條件后才能發(fā)合閘信號。先將待并列雙方的電壓加到并列斷路器主觸頭兩側(cè)

2、，然后調(diào)整兩側(cè)電壓，使電壓幅值、頻率和相角分別滿足一定條件時閉合斷路器主觸頭，使并列雙方并連在一起運(yùn)行。準(zhǔn)同期并列的理想條件圖61 發(fā)電機(jī)同期并列示意圖（1）（2）式分別為并列前發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)電壓瞬時值。準(zhǔn)同期并列的理想條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式：（3）式中：發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓的相角。即發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓兩個相量完全重合并保持同步旋轉(zhuǎn)。（二）準(zhǔn)同期并列誤差對并列的影響實際運(yùn)行中3個條件難以同時滿足。允許偏離一定的范圍即存在一定的誤差。1、合閘電壓幅值差對并列的影響條件：沖擊電流有效值：（4）：發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗；：系統(tǒng)等值電抗。圖62 合閘電壓幅值差對并列的影響分析相量圖忽略待并發(fā)電機(jī)定子電阻和系統(tǒng)

3、等值電阻的情況下，沖擊電流滯后(或)，主要為無功電流。沖擊電流的最大瞬時值：，為沖擊系數(shù)。注：電力系統(tǒng)短路電流工程計算，大多僅需計算短路電流基頻分量的起始值，即次暫態(tài)電流，其值等于開路電壓除以等值阻抗。短路時，感性電流比電阻電流大得多，定子電流滯后電壓90度。同步發(fā)電機(jī)有效電抗為直軸電抗。直流分量和沖擊電流可估算。2、合閘相角差對并列的影響條件：沖擊電流：（5）因為，故沖擊電流有效值：由于發(fā)電機(jī)并列前空載運(yùn)行，定子電壓和電勢相等，故沖擊電流有效值：發(fā)電機(jī)交軸次暫態(tài)電勢：發(fā)電機(jī)直軸次暫態(tài)電抗；圖63 合閘相角差對并列的影響分析相量圖從式（5）知道與間的夾角為。并列時一般較小，即與基本重合。故與基

4、本同相位。沖擊電流主要為有功電流。沖擊電流的最大瞬時值：，為沖擊系數(shù)。3、合閘頻差對并列的影響條件：假設(shè)：待并發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前機(jī)械角速度為,系統(tǒng)等值機(jī)組的機(jī)械角速度為。并網(wǎng)前機(jī)組的動能： J:發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量并網(wǎng)后機(jī)組被拉入同步運(yùn)行：因,故并列過程中有送入系統(tǒng)。由于機(jī)組有轉(zhuǎn)動慣量，上述能量交換過程將伴隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速振蕩進(jìn)行。第二節(jié) 自動準(zhǔn)同期并列的基本原理一、恒定越前時間自動準(zhǔn)同期并列在壓差條件、頻差條件滿足要求時，即；在之前，提前一個恒定的時間發(fā)出合閘命令，使得時閉合斷路器主觸頭。Q:為何要提前發(fā)合閘命令？基本原理1、自動準(zhǔn)同期并列裝置的基本構(gòu)成構(gòu)成：均頻控制單元、均壓控制單元、合閘控制單元均頻

5、控制單元：檢測發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓頻率差的方向，發(fā)出增速或減速信號給機(jī)組調(diào)速器的“頻率給定”環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的頻率，使頻差減小。均壓控制單元：檢測發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓幅值差的方向，發(fā)出升壓或降壓信號給發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的“電壓給定”環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓的幅值，使幅值差減小。合閘控制單元：檢測發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)電壓的頻率差和幅值差，在頻率差和幅值差均小于整定值時，在之前，提前一個恒定的時間發(fā)出合閘命令，使得時閉合斷路器主觸頭。圖64 自動準(zhǔn)同期并列裝置的基本構(gòu)成2、恒定越前時間自動準(zhǔn)同期并列時斷路器的合閘控制發(fā)電機(jī)斷路器合閘是由恒定越前時間自動準(zhǔn)同期裝置的合閘控制單元和斷路器合閘控制單元共同完成

6、。（1）自動準(zhǔn)同期并列裝置的輸入電壓及其相位關(guān)系圖65 自動準(zhǔn)同期并列裝置的輸入電壓及其相位關(guān)系，若令系統(tǒng)相電壓不動，則發(fā)電機(jī)電壓相量以速度繞轉(zhuǎn)動：時逆時針轉(zhuǎn)動；時順時針轉(zhuǎn)動。（2）斷路器合閘控制的時間關(guān)系圖66 斷路器合閘控制的時間關(guān)系：斷路器的合閘控制電路的動作時間；:斷路器的合閘動作時間；：斷路器合閘時間；：越前時間。若使得則可使主觸頭在時閉合。（3）斷路器合閘控制電路圖67 斷路器合閘控制的簡化電路圖1J：自動準(zhǔn)同期裝置輸出合閘脈沖繼電器；HC：合閘接觸器；HQ：斷路器的合閘線圈。（二） 整定計算（1）時間誤差:自動并列裝置的動作時間誤差，；:斷路器合閘動作時間誤差。（2）允許合閘相角

7、誤差（3）允許滑差角頻率（4）允許的電壓差一般要求，發(fā)電機(jī)的額定電壓?！纠?1】某發(fā)電機(jī)采用恒定越前時間自動準(zhǔn)同期并列方式與系統(tǒng)并列。歸算到以發(fā)電機(jī)額定容量為基準(zhǔn)的直軸次暫態(tài)電抗,系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)間的等值聯(lián)絡(luò)電抗；斷路器合閘動作時間，最大可能的誤差時間為；自動并列裝置最大誤差時間為；待并發(fā)電機(jī)允許的沖擊電流值（為發(fā)電機(jī)額定定子電流）。試計算允許的滑差角頻率。解：（1）允許合閘相角誤差 式中取1.05是考慮并列前發(fā)電機(jī)電壓有可能高于額定電壓值的5。（2）時間誤差（3）允許滑差角頻率 標(biāo)么值為：作業(yè)：1、請推導(dǎo)出求允許相角差的公式。2、某發(fā)電機(jī)采用自動準(zhǔn)同期方式與系統(tǒng)并列，系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)么值以待并發(fā)電機(jī)額

8、定參數(shù)為基準(zhǔn)。已知：發(fā)電機(jī)的，系統(tǒng)等值電抗為0.32，斷路器合閘時間誤差為，并列裝置出口回路最大時間誤差為。待并發(fā)電機(jī)允許沖擊電流。求允許合閘相角差，允許滑差角頻率及相應(yīng)的滑差周期。3、已知：系統(tǒng)電壓頻率，發(fā)電機(jī)電壓頻率，求滑差頻率，滑差角頻率，相應(yīng)的滑差周期為多少？若要求，應(yīng)為多少時頻差條件才算滿足？二、自動跟蹤同期并列（一）傳統(tǒng)自動準(zhǔn)同期并列存在的問題（1）不能保證發(fā)電機(jī)在時并列若時又同時出現(xiàn)，則一直不成立，無法實現(xiàn)恒定越前時間并列。（2）不能保證發(fā)電機(jī)在時并列滑差角頻率不為常數(shù)，且斷路器合閘時間存在誤差。（3）均頻和均壓控制速度慢均頻和均壓控制命令為間歇式脈沖，控制速度慢，并列時間長。（

9、4）恒定越前時間自動準(zhǔn)同期裝置是獨立于機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)的自動裝置，使得自動裝置種類多。跟蹤同期控制建立在微機(jī)調(diào)速器的硬件設(shè)備之上，稱之為“調(diào)速同期裝置”。目前微機(jī)調(diào)速器一般設(shè)置有頻率和相角跟蹤功能，勵磁調(diào)節(jié)器一般設(shè)置有電壓跟蹤功能，它們均為閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。若在微機(jī)調(diào)速器中增加壓差判斷、頻差判斷、相角差判斷及合閘控制功能，則可構(gòu)成“調(diào)速同期裝置”。原動機(jī)動力輸入控制調(diào)速同期裝置勵磁系統(tǒng)斷路器控制G跟蹤同期控制可使得三者同時基本為0，且能持續(xù)較長時間。無論手動或自動并列機(jī)組，都不需要通過“恒定越前時間”來捕捉使并列相角差為零的合閘時機(jī)，可使發(fā)電機(jī)在接近理想準(zhǔn)同期并列條件下并入電力系統(tǒng)。第三

10、節(jié) 微機(jī)自動同期裝置一、概述微機(jī)自動同期裝置的研究主要集中在減少并列沖擊和提高并列速度兩個方面。二、基于恒定越前時間的微機(jī)自動準(zhǔn)同期裝置1、實時檢測發(fā)電機(jī)電壓和系統(tǒng)電壓的相對速度和加速度；2、計算以目前的速度和加速度經(jīng)過斷路器合閘時間后相角差是否為零；經(jīng)過時間后走過的角度：式中：為第i和i-1計算點求出的滑差角頻率； 為第i和i-1計算點求出的相角差； 為相鄰計算點之間的時間間隔，; 為系統(tǒng)電壓的周期。相鄰兩計算點間變化很小，一般經(jīng)過若干次滑差角頻率計算之后才計算一次，故：為本計算點之前n個計算點求出的值。本次計算出來的和目前測得的比較：若上式成立，發(fā)合閘命令，否則就不發(fā)合閘命令，為合閘允許相

11、角差。發(fā)合閘命令后，繼續(xù)校核相角差：最后判斷：j：表示第i次計算發(fā)出合閘命令后的第j次計算。3、若相角差為零則發(fā)合閘脈沖，否則不發(fā)合閘脈沖。三、微機(jī)型自動準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計1、硬件采用雙CPU結(jié)構(gòu)，頻率及幅值測量由CPU1實現(xiàn)，相角差測量由CPU2實現(xiàn)。（1）電源、機(jī)端電壓、網(wǎng)端電壓機(jī)端電壓及網(wǎng)端電壓均輸入兩路：1路用于幅值測量，1路用于頻率及相角差測量。（2）頻率測量采用帶施密特滯環(huán)的過零比較器，將輸入的機(jī)端或網(wǎng)端電壓轉(zhuǎn)換成同頻率的方波信號，經(jīng)隔離后接到整形電路。（3）相角差形成電路 機(jī)端、網(wǎng)端方波信號經(jīng)4069反向器整形后經(jīng)電子開關(guān)CD4053接到CPU1的外部中斷引腳0及1。機(jī)端、網(wǎng)端方波

12、信號經(jīng)異或芯片4070形成相角差信號接到CPU2的外部中斷引腳0。（4）幅值測量電路 采用直流采樣技術(shù)，輸入的機(jī)端或網(wǎng)端交流信號經(jīng)橋式整流后濾波、分壓、限流及限幅電路接到串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC2543。（5）升壓、降壓、增速、減速、合閘輸出電路單片機(jī)I/O引腳經(jīng)驅(qū)動、隔離后由繼電器觸點提供無源輸出控制節(jié)點。（6）單片機(jī)2、軟件（1）原理自動檢測電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和相位差?？刂瓢l(fā)電機(jī)的電壓和頻率，使得發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓差和頻差均被限制在一定的范圍內(nèi)，在相位差的周期性變化過程中，通過動態(tài)測量其變化率，根據(jù)開關(guān)導(dǎo)前時間（從合閘命令發(fā)出到發(fā)電機(jī)合閘開關(guān)閉合需要一定時間）的大小，捕捉合閘脈沖的發(fā)出

13、時機(jī)，從而控制合閘開關(guān)在相位差過零點附近閉合，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)確并網(wǎng)。壓差及頻差均滿足要求后，才進(jìn)行相位差計算，相位差從180度到0度變化（如下圖）且滿足合閘條件時發(fā)合閘令。UsUg個UxorNH1相角差在180000區(qū)間，fUg fUs時波形圖NH2NH3NH4NL1NL2NL3NL4WX=2*pi*50.1; %系統(tǒng)電壓頻率設(shè)置為50.1HzWG=2*pi*47.6; %機(jī)端電壓頻率設(shè)置為47.6HzTs=2*pi/abs(WG-WX); %脈動周期，與滑差角頻率成反比，當(dāng)頻率差為0.3Hz，脈動周期為3.33s，時間較長Ws=abs(WG-WX); %滑差角頻率=2*pi*滑差頻率Um_G

14、=400; %系統(tǒng)電壓幅值設(shè)置為400VUm_X=400; %機(jī)端電壓幅值設(shè)置為400Vt=0:0.001:0.4; %一個周波20ms,采樣20個點，共40個周波,0.8sus=Um_G*sin(WG*t)-Um_X*sin(WX*t); %斷路器兩側(cè)壓差（2）程序頻率測量利用方波的下降沿產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀入定時器計數(shù)值，并清零計數(shù)器為下次中斷做準(zhǔn)備（若CPU晶振為6M，則定時器計數(shù)值加一的時間間隔為2us）。相位差脈沖寬度測量采用定時器的門控方式，兩次中斷存儲一次值，并做遞推保存。若允許頻差滿足時，對應(yīng)的滑差周期大于2s，因此，在一個滑差周期內(nèi)可采用軟件的方法多次對壓差條件、頻差

15、條件及相位差和區(qū)間條件等進(jìn)行多次判斷，使軟件更可靠。頻差判斷且連續(xù)幾次滿足，如：3次或4次。當(dāng)兩側(cè)頻差不合格時，依照偏差量的大小，發(fā)出長短不同的增速或減速脈沖。壓差判斷CPU1通過SPI接口采集電壓信號，軟件濾波后進(jìn)行壓差條件判斷，濾波算法采用滑動平均值。濾波后的，如5或10。當(dāng)兩側(cè)壓差不合格時，依照偏差量的大小，發(fā)出長短不同的增速或減速脈沖。c. 相角差判斷間隔采樣一次。因為一周波前后180度方波寬度不會發(fā)生變化。連續(xù)減?。ㄉ蠄D中波形上方標(biāo)識的數(shù)字）第四節(jié) 自動低頻減負(fù)荷一、概述1、系統(tǒng)正常運(yùn)行時頻率控制目的：克服計劃外負(fù)荷引起的頻率波動；2、系統(tǒng)事故，采取種措施后仍不能制止頻率下降時，則由

16、低頻自動減載裝置自動地切除一部份負(fù)荷使頻率恢復(fù)。二、電力系統(tǒng)頻率的動態(tài)特性頻率的動態(tài)特性：有功功率缺額時頻率隨著時間變化的情況，主要由系統(tǒng)中所有轉(zhuǎn)動機(jī)械的轉(zhuǎn)動慣量來決定。各結(jié)點用（系統(tǒng)平均頻率）代替，將系統(tǒng)看成一臺等值發(fā)電機(jī)組。各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程：式中：第i臺機(jī)組的慣性時間常數(shù)；：第i臺機(jī)組電角頻率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為系統(tǒng)額定角頻率；：第i臺機(jī)組原動機(jī)輸出功率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)為第i臺機(jī)組的額定容量；第i臺機(jī)組所帶負(fù)荷的有功功率標(biāo)么值，基準(zhǔn)為；取系統(tǒng)內(nèi)所有發(fā)電機(jī)額定功率總和為功率的標(biāo)么值，有n臺機(jī)組：近似認(rèn)為，則可用代替，故：系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)組的慣性時間常數(shù)；：系統(tǒng)平均角頻率的標(biāo)么值；：系統(tǒng)等值發(fā)電

17、機(jī)組原動機(jī)輸出功率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)為；：系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)組的額定有功功率；：系統(tǒng)內(nèi)第i臺發(fā)電機(jī)額定有功功率；：系統(tǒng)內(nèi)所有負(fù)荷消耗的有功功率總和的標(biāo)么值，基準(zhǔn)為。故可得到系統(tǒng)等值機(jī)的頻率變化方程式：系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)組的慣性時間常數(shù)；：系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)組原動機(jī)輸出功率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)為；：系統(tǒng)內(nèi)所有負(fù)荷消耗的有功功率總和的標(biāo)么值，基準(zhǔn)為?？紤]負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)：電力系統(tǒng)負(fù)荷功率與頻率的關(guān)系為：取為基準(zhǔn)值，額定頻率時的負(fù)荷功率為負(fù)荷功率的基準(zhǔn)值：與頻率無關(guān)的負(fù)荷功率所占的比例系數(shù)；：分別與頻率1次方，2次方和n次方成正比的負(fù)荷功率所占的比例系數(shù)。電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)：當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時負(fù)荷從系統(tǒng)取用的有功功率將

18、下降，系統(tǒng)頻率升高時負(fù)荷從系統(tǒng)取用的有功功率將增加。用負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)來衡量其作用的大小。負(fù)荷的靜態(tài)頻率調(diào)節(jié)特性曲線在額定頻率附近接近于一條直線，即：考慮負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)，以為功率基準(zhǔn)值可得：系統(tǒng)頻率下降過程的時間常數(shù)；：系統(tǒng)等值機(jī)組輸入功率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為；：頻率為額定值時系統(tǒng)負(fù)荷功率的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為；：系統(tǒng)有功功率缺額的標(biāo)么值，基準(zhǔn)值為；，已知，可解得，得到電力系統(tǒng)頻率動態(tài)特性曲線指數(shù)下降曲線，頻率下降的穩(wěn)態(tài)值與功率缺額成正比。功率缺額后，為維持功率平衡關(guān)系，轉(zhuǎn)動機(jī)械中存儲的動能釋放，轉(zhuǎn)速下降。三、自動低頻減負(fù)荷的基本原理電源故障功率缺額頻率下降1、功率缺額較小，靠系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用

19、容量，頻率恢復(fù)到額定值；2、功率缺額較大，切除負(fù)荷，基本級（一般有五級）：1）切除的負(fù)荷等于功率缺額，頻率上升到額定值；2）切除的負(fù)荷小于功率缺額，頻率上升到允許的頻率值；3）切除的負(fù)荷小于功率缺額，頻率未上升允許的頻率值，頻率繼續(xù)下降，需在下一級再切負(fù)荷；4）切除的負(fù)荷小于功率缺額，頻率未上升允許的頻率值，頻率不再下降，需起動特殊級切負(fù)荷，使得頻率上升到允許的頻率值。四、自動低頻減負(fù)荷裝置自動低頻減負(fù)荷裝置所控制的是整個電力系統(tǒng)的頻率，分散安裝在電力系統(tǒng)的各變電站中。對于特殊級：；不同。五、自動低頻減負(fù)荷裝置的整定計算（一）確定最大功率缺額考慮系統(tǒng)最不利運(yùn)行方式下出現(xiàn)最嚴(yán)重故障時的情況。如：按系統(tǒng)斷開最大容量的機(jī)組或某一發(fā)電廠考慮；如果系統(tǒng)有可能解列成幾個子系統(tǒng)時，還應(yīng)考慮各子系統(tǒng)因聯(lián)絡(luò)