電力系統(tǒng)及其自動化研討

電力系統(tǒng)及其自動化

任課教師：馮健1第一頁，共六十七頁。參考教材《電力系統(tǒng)自動化》，商國才編著，天津大學出版社，2002.《電力系統(tǒng)自動控制新技術》，郭培源編著，科學出版社，2003.2第二頁，共六十七頁。第一章諸論1-1電力系統(tǒng)概述背景：到2007年底我國發(fā)電裝機總容量71329萬千瓦，同比增長14.36%。其中，水電達到14526萬千瓦，約占總容量20.36%，同比增長11.49%；火電達到55442萬千瓦，約占總容量77.73%，同比增長14.59%；發(fā)電總能量已經(jīng)達到32559億千瓦時，居全世界第二位，僅次于美國。3第三頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)示意圖電力系統(tǒng)示意圖(虛框內(nèi)為電網(wǎng)，包括輸電網(wǎng)和配電網(wǎng))4第四頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)簡圖5第五頁，共六十七頁。國家電網(wǎng)（STATEGRID）概況國家電網(wǎng)區(qū)域分布圖6第六頁，共六十七頁。國家電網(wǎng)公司成立于2002年12月29日，以建設運營電網(wǎng)為核心業(yè)務，負責所轄各區(qū)域電網(wǎng)之間的電力交易和調度，承擔著為經(jīng)濟社會發(fā)展提供堅強電力保障的基本使命。公司經(jīng)營區(qū)域覆蓋26個省、自治區(qū)、直轄市，覆蓋國土面積的88%以上，直接服務客戶1.45億戶，供電人口超過10億，管理員工150.4萬人。五大發(fā)電集團——華能、大唐、華電、國電、中電投7第七頁，共六十七頁。國家電網(wǎng)公司組成8第八頁，共六十七頁。國網(wǎng)系統(tǒng)區(qū)域電網(wǎng)裝機容量

電網(wǎng)名稱2006年底統(tǒng)調裝機容量（兆瓦）總容量火電水電其他國網(wǎng)系統(tǒng)43586735540075403.55063.5華北11878011550032800東北41360352505740370華東128970109900148704200華中9108062840282400西北428902920013310380南方電網(wǎng)1095403298062740138209第九頁，共六十七頁。我國主要各區(qū)域電網(wǎng)裝機容量對比10第十頁，共六十七頁。目前我國已經(jīng)初步形成了以500kV（330kV）和220kV為骨干的電網(wǎng)結構，初步形成北、中、南三大“西電東送”通道，實現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)省間及跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)。截至2006年底，全國220千伏及以上輸電線路回路長度28.15萬公里，220千伏及以上變電設備容量98131萬千伏安。11第十一頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)特點及組成

電力系統(tǒng)特點：1、被控制對象復雜且龐大；2、被控制參數(shù)很多；3、干擾嚴重。電力系統(tǒng)組成：為了保證電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質、經(jīng)濟運行需要靠發(fā)電廠、變電站、配電線路和電能用戶來實現(xiàn)。12第十二頁，共六十七頁?；鹆Πl(fā)電火電廠火電廠中的汽輪機組13第十三頁，共六十七頁。水力發(fā)電三峽電站（效果圖）14第十四頁，共六十七頁。發(fā)電的其它一次能源主要有：

潮汐發(fā)電、地熱發(fā)電、風能、核能發(fā)電、垃圾發(fā)電變電站包括：升壓變電站（靠近電能起始端）降壓變電站（靠近電能用戶）配電站：沒有變壓器，電站兩端電壓相同~~（10KV）10.5KV升壓變壓器220-500KV(330)一次降壓變電站（地區(qū)降）35-110KV二次降壓變電站6-10KV220/380V10.5V指空載時端子電壓15第十五頁，共六十七頁。變電站的輸配電系統(tǒng)16第十六頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)的主要電氣設備簡介主設備有： 電力變壓器、高壓斷路器、隔離開關、 負荷開關、母線、電抗器、 電流互感器、電壓互感器、電容器、 避雷器以及繼電保護裝置等。17第十七頁，共六十七頁。電力變壓器是變電站的核心設備，通過它將一種電壓的交流電能轉換成另一種電壓的交流電能，以滿足輸電或用電的需要。18第十八頁，共六十七頁。19第十九頁，共六十七頁。高壓斷路器慣稱開關,是變電站的重要設備，用于1kV以上的高壓電路中。由于它有熄滅電弧的機構，故作為閉合和開斷電路的設備。與相應的繼電保護及自動裝置相配合能快速切斷故障電流，防止事故擴大，保證系統(tǒng)的安全運行。20第二十頁，共六十七頁。21第二十一頁，共六十七頁。隔離開關隔離開關是與高壓斷路器配合使用的設備，它沒有熄弧機構，其主要功能是起隔離電壓的作用。隔離開關必須在斷路器開斷后才允許拉開，而合閘時，隔離開關應先閉合，然后再將斷路器接通。22第二十二頁，共六十七頁。23第二十三頁，共六十七頁。負荷開關是介于高壓斷路器之間的開關設備。在結構上它與隔離開關相似，但具有特殊的滅弧裝置，能夠斷開相應的負荷電流，但不具有切斷短路電流的能力，一般與高壓熔斷器配合使用。目前，負荷開關均制成為10kV及以下的額定電壓等級，用于次要網(wǎng)路系統(tǒng)。24第二十四頁，共六十七頁。負荷開關負荷開關實物25第二十五頁，共六十七頁。母線實際母線理論上的是匯集和分配電流的主要環(huán)節(jié)，它由鋼芯鋁絞線（用于戶外35kV及以上）或矩形鋁（銅）導線（用于戶內(nèi)電壓20kV及以下）構成。26第二十六頁，共六十七頁。母線作用：匯集和分配電流圖形符號：27第二十七頁，共六十七頁。電抗器用途：抑制短路電流，電網(wǎng)中性點接地28第二十八頁，共六十七頁。電流互感器電壓互感器電能變換器件，前者用以將大電流變換成小電流（通常為5A），后者用以將高電壓變換成低電壓（通常為100V），供計量檢測儀表和繼電保護裝置使用。電壓互感器及電流互感器29第二十九頁，共六十七頁?！娏骰ジ衅鞯淖儽入娏骰ジ衅髟?0第三十頁，共六十七頁。耦合電容器電容器用途：減小無功負荷，改善功率因數(shù)31第三十一頁，共六十七頁。避雷器32第三十二頁，共六十七頁。由互感器及一個或幾個繼電器組成的裝置。繼電保護裝置的任務：借助斷路器，自動迅速、有選擇的將故障元件從供電系統(tǒng)切除，以防事故擴大。給出不正常運行信號與其它自動化裝置配合，提高電力系統(tǒng)可靠性受感元件啟動元件保護的中間環(huán)節(jié)出口原件執(zhí)行元件采樣判斷變換、閉鎖、延時、放大發(fā)出命令脈沖跳閘指示信號繼電保護裝置33第三十三頁，共六十七頁。電能產(chǎn)生、分配過程的特點：1、結構復雜龐大；2、電能不能大量存儲；3、過度（暫態(tài)）過程非常迅速，電波傳播速度米/秒（與光速一樣）；4、與國民經(jīng)濟各部門關系密切，特別重要。電力系統(tǒng)的顯著特點34第三十四頁，共六十七頁。1、保證供電可靠性

電能用戶按對供電可靠性的要求分為：一級負荷（保安負荷）二級負荷三級負荷2、保證電能質量3、保證運行的經(jīng)濟性

電力系統(tǒng)運行的基本要求35第三十五頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向2006年，全國全社會用電總量達到了28344億千瓦時，比上年同期增長14.54%。其中，水電發(fā)電量4167億千瓦時，約占全部發(fā)電量14.7%，增長5.1%；火電發(fā)電量23573億千瓦時，約占全部發(fā)電量83.2%，增長15.3%；核電發(fā)電量543億千瓦時，約占全部發(fā)電量1.9%，增長2.4%。2006年電力行業(yè)完成銷售收入20808億元，同比增長20%，實現(xiàn)利潤1446億元，增長43%。36第三十六頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向截止2006年底按發(fā)電量全國電力供應結構37第三十七頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向年度裝機容量(萬千瓦)發(fā)電量(億千瓦時)發(fā)電量增長率(%)用電量(億千瓦時)用電量增長率(%)200031932136858.00134668.00200133849148398.43146839.042002359001640010.521620010.332003384501908016.341891016.732004440702187014.622173514.942005508412474713.162468913.592006622002834414.542824814.422007713293255914.443233914.56近年我國發(fā)電裝機容量、發(fā)電量及用電量情況38第三十八頁，共六十七頁。世界主要國家電力工業(yè)發(fā)展指標（2002）2149（2006年）39第三十九頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向40第四十頁，共六十七頁。國家發(fā)展和改革委員會能源局指出：

提高能源利用效率和效益，保護生態(tài)環(huán)境，不斷開發(fā)利用新的能源發(fā)電技術裝備，將成為未來20年電力工業(yè)新的發(fā)展方向。其中，輸變電設備將向緊湊型、高可靠性方向發(fā)展，數(shù)字化、智能化和信息化將成為配、用電設備的發(fā)展重點。

電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向41第四十一頁，共六十七頁。國家電力發(fā)展規(guī)劃2006年和2007年兩年，我國新增電力裝機規(guī)模就超過了2億千瓦，總裝機規(guī)模2007年底超過7億千瓦。根據(jù)中國電力工業(yè)最新發(fā)展規(guī)劃，按“十一五”期間GDP年均增長8.5%考慮，同時考慮萬元GDP能耗下降20%左右的約束性要求，到2010年，全國電力裝機總容量將達8.4億千瓦，其中水電裝機將達1.9億千瓦，核電裝機1000萬千瓦，風電裝機500萬千瓦，生物質發(fā)電裝機550萬千瓦，天然氣發(fā)電裝機3600萬千瓦，煤電裝機5.93億千瓦。根據(jù)國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司分別編制的各自“十一五”電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，“十一五”期間，我國電網(wǎng)建設總投資將超過1萬億元，其中國家電網(wǎng)公司8500億元左右，南方電網(wǎng)公司2500億元左右，兩家企業(yè)“十一五”期間規(guī)劃電網(wǎng)投資為“十五”期間的1.2倍。根據(jù)規(guī)劃，“十一五”期間，全國將投產(chǎn)330千伏及以上交流線路3.8萬公里，變電容量1.8億千伏安，平均每年新增交流線路7600公里，新增變電容量3600萬千伏安；建成直流線路3420公里，換流容量1500萬千瓦（含背靠背換流站）。到2010年，全國330千伏及以上交流線路達11.4萬公里，變電容量達4.7億千伏安，直流線路8200公里，直流換流容量4000萬千瓦。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向42第四十二頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向具體發(fā)展方向（1）大力發(fā)展水電、太陽能、核電、風力、坑口發(fā)電等新的能源發(fā)電技術。

1千克鈾-235裂變釋放的能量=2700噸標準煤燃燒釋放的能量一座100萬千瓦的火電站一年燃燒標準煤約300萬噸,而一座100萬千瓦的核電站一年消耗核燃料僅約30噸。（2）提高單臺機組容量；

國內(nèi)最大機組——華能玉環(huán)電廠6×100萬kW其鍋爐效率為９３．８８％、供電煤耗為２８３．２克／千瓦時，機組熱效率高達４５．４％，達到國際先進水平。

據(jù)測算，如果國內(nèi)燃煤發(fā)電廠熱效率都達到４５％的水平，按２００６年全國火電發(fā)電量計算，相當于全年可以少燒約２億噸標準煤，減少二氧化碳排放約５．４億噸。43第四十三頁，共六十七頁。電力工業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向具體發(fā)展方向（3）提高投運機組容量，減少備用設備（4）提高輸電電壓，減少損耗，節(jié)約有色金屬用量；（5）擴大整個電網(wǎng)容量，建立聯(lián)合電網(wǎng)。

現(xiàn)代化電力工業(yè)的一個重要標志是電網(wǎng)化、系統(tǒng)化，將發(fā)電、輸變電、供電、用電組織成一個區(qū)域性大網(wǎng)絡，形成聯(lián)合電網(wǎng)或統(tǒng)一電力系統(tǒng)。44第四十四頁，共六十七頁。自動化：誕生于工業(yè)生產(chǎn)，是指用自動進行調解、檢查、加工和控制的機器及設備進行生產(chǎn)作業(yè)，以替代人人直接的操作。電力系統(tǒng)自動化：是自動化的一種具體形式是指應用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置并通過信號系統(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、協(xié)調、調節(jié)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量。電力系統(tǒng)自動化45第四十五頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展歷程（一）單一功能自動化階段1）初級階段（初期，小規(guī)模電廠）2）單一功能的自動化裝置（發(fā)電設備和出力增加，供電范圍擴大）

故障自動切除裝置自動操作和調解裝置遠距離信息自動傳輸裝置3）電力系統(tǒng)調度中心（跨地區(qū)電力系統(tǒng)）電話調度“四遙”（為了解決調度的實時性）遙信（YX）、遙測（YC）、遙調（YT）、遙控（YK）。

46第四十六頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展歷程電力系統(tǒng)自動化的三門主要技術：

故障自動切除裝置電力系統(tǒng)繼電保護技術自動操作和調解裝置電力系統(tǒng)自動監(jiān)控技術遠距離信息自動傳輸裝置遠動技術電力系統(tǒng)繼電保護、遠動從電力系統(tǒng)自動化獨立出來之后，電力系統(tǒng)自動化只包括電力設備的自動監(jiān)視、控制及與其相關的問題。

從高層次來分類，三門技術仍然同屬于“電力系統(tǒng)及其自動化”中的“自動化”范疇。47第四十七頁，共六十七頁。單一功能自動化階段的特點1.三門技術各自自成體系，分別完成各自的功能；2.對單個電力設備和單一過程用分立的自動化裝置來完成；3.電力系統(tǒng)中各發(fā)電廠和變電站的自動裝置之間無聯(lián)系；4.電力系統(tǒng)的統(tǒng)一運行靠調度員經(jīng)驗完成。48第四十八頁，共六十七頁。（二）綜合自動化階段電力系統(tǒng)信息電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)遠動和遙信裝置信息處理做出模糊決策確定數(shù)學模型電力系統(tǒng)調度計算機YX，YCYK，YTYX，YCYK，YT電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)工作模式圖用一套自動化系統(tǒng)或裝置來完成以往兩套或多套分立的自動化系統(tǒng)或裝置所完成的工作遙信（YX）遙測（YC）遙調（YT）遙控（YK）遙視（YS）+=電力系統(tǒng)五“遙”49第四十九頁，共六十七頁。

1-2電力系統(tǒng)自動化的內(nèi)容通常所說的電力系統(tǒng)是指電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費所需的發(fā)電機、變壓器、電力線路、斷路器、母線和用電設備等互相聯(lián)結而成的系統(tǒng)。能量系統(tǒng)——電工一次系統(tǒng)其中的電力設備稱為一次設備信息系統(tǒng)——電工二次系統(tǒng)其中的電力設備稱為二次設備電力系統(tǒng)自動化屬于二次系統(tǒng)，它包含若干個子系統(tǒng)。50第五十頁，共六十七頁。電力系統(tǒng)自動化內(nèi)容的劃分按電力系統(tǒng)運行管理區(qū)劃分

1、電力系統(tǒng)調度自動化；包括發(fā)電和輸電調度自動化、配電網(wǎng)調度自動化。2、發(fā)電廠自動化；3、變電站自動化。從電力系統(tǒng)自動控制角度劃分

1、電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動控制；2、電力系統(tǒng)電壓和無功功率自動控制；3、電力系統(tǒng)安全自動控制；4、電力系統(tǒng)中斷路器自動控制。51第五十一頁，共六十七頁。一、電力系統(tǒng)調度自動化功能：信息收集與執(zhí)行和信息處理與分析1）調度自動化系統(tǒng)的基本構成人機聯(lián)系設備主計算機通信控制器下層調度所上層調度中心RTU1RTUn主站系統(tǒng)框圖主站（MS）RTURTURTURTU下層主站上層主站調度中心發(fā)電廠發(fā)電廠變電站變電站調度自動化系統(tǒng)簡圖RTU——遠動終端，RemoteTerminalUnit52第五十二頁，共六十七頁。2）調度自動化的結構層次a)集中控制，廠站數(shù)量較少（不多于10個）b)分級（層）控制中心調度所：對整個電力系統(tǒng)做出綜合判斷及控制，負責與地區(qū)調度所和發(fā)電廠及變電所保持信息交換和控制。地區(qū)調度所：接受中心調度所的控制指令，對本地區(qū)的系統(tǒng)做出綜合判斷和控制，對發(fā)電廠及變電所控制中心進行信息交換和控制。53第五十三頁，共六十七頁。

發(fā)電廠（變電所）控制中心：接受中心調度所或地區(qū)調度所的指令，直接對所屬機組和設備進行監(jiān)視及控制。AB1BnC1D1DnC1D1DnD2DnD1D2D1Dn地區(qū)集控站廠站中心分層控制結構示意圖A——中心調度所（SCADA主站系統(tǒng)）；B——地區(qū)調度所（SCADA主站系統(tǒng)）；C——集控站（SCADA主站系統(tǒng)）；D——被控變電所（變電所自動化系統(tǒng)）54第五十四頁，共六十七頁。分級控制優(yōu)勢：

滿足實時性需要；有利于通訊的實現(xiàn)；減少通訊流量。3)調度自動化的發(fā)展過程SCADA——SupervisoryControlandDataAcquisition監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集（SCADA）+安全分析+安全控制+其他調度管理和計劃管理=能量管理系統(tǒng)（EMS）以經(jīng)濟運行為主以安全控制為主55第五十五頁，共六十七頁。二、火電廠自動化火電廠分為：蒸氣動力發(fā)電廠

燃氣輪機發(fā)電廠內(nèi)燃機發(fā)電廠機組最大容量1300MW火電廠最大裝機容量4800MW1）發(fā)展過程目的：a)保障機組安全經(jīng)濟運行；b)增加機組對電網(wǎng)經(jīng)濟調度和負荷變化的適應能力，保證發(fā)電質量；c)改革勞動條件，提高運行速率；d)提高生產(chǎn)效率；e)監(jiān)視和控制發(fā)電過程對環(huán)境的污染。爐、機、電：就地——〉集中——〉計算機56第五十六頁，共六十七頁。2）主要功能a)自動檢測；b)自動保護；c)順序控制；d)連續(xù)控制；e)管理和信息處理。3）包括的內(nèi)容a)計算機監(jiān)視系統(tǒng)；b)機爐協(xié)調主控制系統(tǒng)；c)鍋爐自動控制系統(tǒng)；d)汽輪機自動控制系統(tǒng)；e)發(fā)電機和電氣控制系統(tǒng)；f)旁路控制系統(tǒng)；g）輔助設備及各支持系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)；h）就地控制系統(tǒng)。57第五十七頁，共六十七頁。

火電廠機組自動控制示意圖斷路器控制G勵磁系統(tǒng)調速系統(tǒng)自動同期并列裝置汽輪機電壓無功轉速有功發(fā)電機同期并列母線YH1YH2YH3YH4DL電壓互感器發(fā)電機和電氣控制系統(tǒng)舉例58第五十八頁，共六十七頁。三、水電廠自動化1）水輪發(fā)電機組和電壓自動控制2）水電廠自動發(fā)電控制

a)按上游來水量發(fā)電；b)按給定的發(fā)電機負荷曲線；c)按電力系統(tǒng)維持在一定頻率下運行；d)按綜合因素。靜止發(fā)電調相水輪發(fā)電機組工況及其轉換示意圖從電力系統(tǒng)吸收有功功率；向電力系統(tǒng)輸送無功功率；目的是補償獨立系統(tǒng)無功功率不足，維持電力系統(tǒng)電壓水平。分配和調節(jié)各機組的無功功率；目的是維持電廠高壓母線電壓水平。59第五十九頁，共六十七頁。3）水電廠計算機控制系統(tǒng)兩種應用模式：a)以計算機為輔的監(jiān)控系統(tǒng)；b)以計算機為主的監(jiān)控系統(tǒng)。計算機參加決策與否是區(qū)分這兩種模式的關鍵。通信設備計算機系統(tǒng)I/O進程通道生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)存儲設備人機聯(lián)系設備至電力系統(tǒng)調度中心水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖兩種結構模式：集中式分布式60第六十頁，共六十七頁。四、變電站自動化1）發(fā)展過程階段一：變電站常規(guī)的二次回路（主要由有觸點的繼電器構成）；階段二：監(jiān)控、遠動、繼電保護分別實現(xiàn)微機化，但依然分別工作，自成體系；階段三：構成一個統(tǒng)一的計算機系統(tǒng)（變電站綜合自動化）。2）變電站常規(guī)二次回路包括的內(nèi)容：a)控制系統(tǒng)；b)信號系統(tǒng)；c)測量系統(tǒng)；d)同步系統(tǒng)；e)二次回路電源。61第六十一頁，共六十七頁。3）變電站自動化內(nèi)容：a)微機監(jiān)控b)微機遠動具體包括：1)巡回監(jiān)測和召喚測量；2)脈沖量計數(shù)、開關量狀態(tài)判別、被測量越界判別、功率總加和電能量累計；3)顯示變電站運行情況，如越限和事故報警、打印以及順序記錄等；4)報表打?。?)漢字人機對話及提示功能；6)變電站遠動終端。62第六十二頁，共六十七頁。五、配電網(wǎng)自動化（110KV~220/380KV之間）

配電自動化分為：配電網(wǎng)調度自動化配電變電站自動化配電線路自動化用戶自動化功能：a)數(shù)據(jù)采集與控制；b)負荷管理（包括負荷監(jiān)視和負荷控制（直接控制、間接控制））；