第1講-緒論自動(dòng)裝置教材

第一講緒論自動(dòng)裝置及同步發(fā)電機(jī)的自動(dòng)并列2/43

第一章緒論

本課程使同學(xué)們對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化及其基本問(wèn)題有一個(gè)基礎(chǔ)性的了解。3/43電力系統(tǒng)的構(gòu)成電力系統(tǒng)（一次系統(tǒng)）：電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費(fèi)所需要的發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、斷路器、母線和用電設(shè)備等互相連接而成的系統(tǒng)。也稱為一次系統(tǒng)，其中所包括的電力設(shè)備稱為“一次設(shè)備”。特點(diǎn)：能量系統(tǒng)、主系統(tǒng)、高電壓、大電流。二次系統(tǒng)（二次系統(tǒng)）：由對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制、保護(hù)和調(diào)度所需要的自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)和通信設(shè)備等組成的輔助系統(tǒng)。其中包括的設(shè)備裝置稱為“二次設(shè)備”。特點(diǎn)：信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、低電壓、小電流。4/43電力系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)電輸電配電用電發(fā)電輸電配電用電5/43電力生產(chǎn)特點(diǎn)和要求特點(diǎn)：電能無(wú)法大容量存儲(chǔ)，電能的生產(chǎn)與消耗幾乎是時(shí)刻保持平衡。要求:保證安全可靠運(yùn)行包括：輸變電設(shè)備的正常操作、故障的快速切除和恢復(fù)，均通過(guò)自動(dòng)裝置才能保證安全、可靠。保證優(yōu)質(zhì)電能保證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最少的一次能源產(chǎn)生更多的電力。電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行，降低網(wǎng)損等。6/43中國(guó)電力系統(tǒng)及其互聯(lián)運(yùn)行（現(xiàn)狀）世界最大的同步互聯(lián)電網(wǎng)西電東送、三峽核心南直北交、鏈?zhǔn)酵綎|北華北華東華中西藏臺(tái)灣西北新疆南方山東川渝福建7/43電力系統(tǒng)：可怕的超級(jí)大系統(tǒng)一個(gè)脆弱的龐然大物!1882年到現(xiàn)在，120多年過(guò)去了。作用越來(lái)越重要了系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大了新裝備和新技術(shù)的使用越來(lái)越多了壟斷下的機(jī)制和規(guī)范逐步不存在了但是,大停電故障越來(lái)越多了8/43保守如此，脆弱依然上個(gè)世紀(jì)60年代進(jìn)入大電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)代后，大停電事故頻繁發(fā)生。NorthChinaElectricPowerUniversity9/432024/3/188.14大停電停電前停電后10/43美加大停電，就發(fā)生在昨天11/43BlackoutsExample2003(8.14US-CanadaBlackout,8.28LondonBlackout,9.1SydneyBlackout,9.1MalaysiaBlackout,9.28ItalyBlackout)2006.11.4WestEuropeanblackout(8countries)12/43電力系統(tǒng)特點(diǎn)和工作狀態(tài)特點(diǎn)：電能無(wú)法大容量存儲(chǔ)，生產(chǎn)消耗幾乎同時(shí)。正常工作狀態(tài):電力系統(tǒng)的電壓和頻率電流等都在允許的范圍以內(nèi)，能夠保持長(zhǎng)期安全工作的狀態(tài)。等約束（PQ平衡）和不等約束條件(IUS等)都滿足最關(guān)鍵的指標(biāo)：Ue±10%,△f≤±0.2Hz不正常狀態(tài)：正常運(yùn)行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。等約束條件滿足，部分不等約束條件不滿足。故障狀態(tài)（繼電保護(hù)考慮，本課程不考慮。）13/43電力系統(tǒng)狀態(tài)——不正常運(yùn)行狀態(tài)不正常運(yùn)行狀態(tài)：正常運(yùn)行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。等約束條件滿足，部分不等約束條件不滿足。①負(fù)荷潮流越限致使電流升高（過(guò)負(fù)荷）；②發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷引起發(fā)電機(jī)頻率升高；③系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率缺額引起的頻率降低；④單相接地引起的非接地相電壓升高；⑤電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩；不正常運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的后果：電力設(shè)備的電流過(guò)大會(huì)使設(shè)備載流部分和絕緣材料的溫度不斷升高，加速絕緣的老化和損壞，可能發(fā)展成短路故障。。14/43電力系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)對(duì)策不正常運(yùn)行狀態(tài)的對(duì)策：一旦電力系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生不正常運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)該發(fā)出告警信號(hào)、減負(fù)荷或跳閘。正常狀態(tài)和大部分的不正常狀態(tài)可以由以下措施予以調(diào)節(jié)和控制：1）有功、無(wú)功的潮流和電壓、頻率的調(diào)整

——調(diào)整發(fā)電機(jī)出力、變壓器分接頭、負(fù)荷等2）自動(dòng)化裝置

——備用電源自動(dòng)投入（備自投）、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置、自動(dòng)按低頻（低壓）減載、自動(dòng)解列、過(guò)電壓檢測(cè)等?！蕾囉谧詣?dòng)化(自動(dòng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng))15/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化——定義定義：電力系統(tǒng)自動(dòng)化指采用各種具有自動(dòng)檢測(cè)、決策和控制功能的裝置并通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)各個(gè)元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)進(jìn)行就地或遠(yuǎn)方的自動(dòng)監(jiān)視、協(xié)調(diào)、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和具有合格的電能質(zhì)量。因歷史原因被分成三部分：繼保、遠(yuǎn)動(dòng)、自動(dòng)化，目前普遍意義上講自動(dòng)化是不包括繼保、遠(yuǎn)動(dòng)部分（含通信），本課程也是如此。由于遠(yuǎn)動(dòng)課程沒(méi)有單獨(dú)設(shè)置，本課程也簡(jiǎn)要介紹遠(yuǎn)動(dòng)的內(nèi)容。16/43電力系統(tǒng)的能力17/43電力系統(tǒng)的過(guò)程+能力0.0010.010.11101001000Sec.電磁暫態(tài)ElectromagneticSwitchingTransient暫態(tài)穩(wěn)定Transientstability（angleandvoltage）系統(tǒng)運(yùn)行Powersystemoperation小擾動(dòng)穩(wěn)定Smallsignalstability長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定Longtermvoltagestability繼電保護(hù)范圍自動(dòng)裝置范圍自動(dòng)化系統(tǒng)范圍人員操作范圍局部功能系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)18/43復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)分層控制2自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)1自動(dòng)并列4調(diào)度自動(dòng)化5狀態(tài)估計(jì)6安全調(diào)度7自動(dòng)調(diào)頻8低頻減載19/432024/3/18發(fā)電自動(dòng)控制控制對(duì)象自動(dòng)控制裝置控制信息測(cè)量信息20/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化——作用電力系統(tǒng)自動(dòng)化是現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證.保證安全可靠運(yùn)行包括：輸變電設(shè)備的正常操作、故障的快速切除和恢復(fù)，均通過(guò)自動(dòng)裝置才能保證安全、可靠。保證經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最少的一次能源產(chǎn)生更多的電力。電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行，降低網(wǎng)損等，沒(méi)有自動(dòng)化系統(tǒng)的參與是很難實(shí)現(xiàn)。保證優(yōu)質(zhì)電能暫態(tài)電能質(zhì)量穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量:電壓偏差、頻率偏差,波形畸變（諧波）,三相不平衡度,電壓波動(dòng)閃變21/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展階段(1)1、手工階段電力工業(yè)萌芽階段，電廠小，就近供電。在發(fā)電機(jī)、開(kāi)關(guān)設(shè)備旁就近監(jiān)視設(shè)備和手工調(diào)節(jié)操作。特點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)運(yùn)行，就近供電、手工操作。2、簡(jiǎn)單自動(dòng)裝置階段用電設(shè)備增多、發(fā)電設(shè)備規(guī)模擴(kuò)大，對(duì)電能質(zhì)量和安全可靠性提出了要求，開(kāi)始出現(xiàn)單一功能的自動(dòng)裝置。包括：繼電保護(hù)、斷路器自動(dòng)操作、發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)壓和調(diào)速等。特點(diǎn)：電能質(zhì)量要求、單一的電力自動(dòng)裝置。22/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展階段(2)3、傳統(tǒng)調(diào)度中心階段出現(xiàn)互連電網(wǎng)，保證供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性的必然選擇。電網(wǎng)設(shè)立調(diào)度中心，統(tǒng)一調(diào)度電廠和處理電網(wǎng)的異常和事故。電話是通信聯(lián)絡(luò)的主要方式。特點(diǎn)：電網(wǎng)互連、統(tǒng)一調(diào)度、電話通信。4、現(xiàn)代調(diào)度的初級(jí)階段出現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)“四遙”，滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的要求。特點(diǎn)：遠(yuǎn)動(dòng)四遙、實(shí)時(shí)調(diào)度。23/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展階段(3)5、綜合自動(dòng)化階段電力工業(yè)成為必不可少的支柱產(chǎn)業(yè)，電網(wǎng)規(guī)?？焖贁U(kuò)大，單一功能的自動(dòng)化裝置很難滿足電能質(zhì)量、可靠和安全的需要，出現(xiàn)自動(dòng)化程度更高的自動(dòng)化系統(tǒng)。多套獨(dú)立的自動(dòng)化裝置用通信信道或網(wǎng)絡(luò)互連，實(shí)現(xiàn)信息共享，相互協(xié)調(diào)自動(dòng)完成指定的功能。特點(diǎn)：裝置互連，信息共享。6、未來(lái)自動(dòng)化???“smart”?

遙視,圖像識(shí)別等技術(shù)??大范圍（空間和時(shí)間）內(nèi)的綜合優(yōu)化???24/43綜合自動(dòng)化綜合自動(dòng)化遠(yuǎn)動(dòng)和通信裝置電力系統(tǒng)信息電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置信息處理數(shù)學(xué)模型控制決策YX,YCYX,YCYK,YTYK,YT25/43電力系統(tǒng)自動(dòng)化的特點(diǎn)計(jì)算機(jī)、通訊，測(cè)量傳感，控制技術(shù)等各種技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。理論要求高較多地應(yīng)用如下知識(shí)：設(shè)備原理，電工原理、電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)分析、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等等。綜合性科學(xué)電工、電機(jī)、電子、電力系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、通信理論、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用等，這些學(xué)科的發(fā)展都促進(jìn)了電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展?！獙?shí)現(xiàn)在自動(dòng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)中26/43自動(dòng)裝置和自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展(1)自動(dòng)裝置微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)EMSDMS…27/43自動(dòng)裝置硬件組成形式1、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)2、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3、集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem-DCS)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(FieldbusControlSystem-FCS)

對(duì)于控制功能單一的自動(dòng)裝置,其輸入輸出的電氣量較少,適于采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),如同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列裝置.

對(duì)于控制功能要求較高,軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)繁重的系統(tǒng),適于采用工控機(jī)系統(tǒng),如發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng).

對(duì)于分散的多對(duì)象的成套監(jiān)測(cè)控制裝置適于采用DCS或FCS,如發(fā)電廠、變電站遠(yuǎn)動(dòng)裝置和電廠機(jī)爐集控系統(tǒng)。28/431微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)定義（本課程）：把較簡(jiǎn)單的、借助于特定開(kāi)發(fā)平臺(tái)才能編程的系統(tǒng)稱為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1傳感器2采樣保持器3模擬多路開(kāi)關(guān)4A/D轉(zhuǎn)換器5存儲(chǔ)器6通信單元7中央處理單元CPU8外部設(shè)備29/43微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)30/43微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成單元1、傳感器：將非電量（壓力、溫度、轉(zhuǎn)速）和電量（電壓、電流、功率）轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)可以接受的弱電壓信號(hào)2、模擬多路開(kāi)關(guān)：在采樣速度要求不高的場(chǎng)合，一般采用公用A/D轉(zhuǎn)換器。在每一個(gè)時(shí)刻中只將一路模擬信號(hào)輸入到A/D.目的簡(jiǎn)化電路，降低成本。3、采樣/保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)轉(zhuǎn)換需要一段時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi),輸入到A/D的模擬信號(hào)需保持不變，由S/H完成。31/43微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成單元5、存儲(chǔ)器：用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)緩存，提供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。6、通信單元：包括——通信控制器和通信收發(fā)器。通信控制器——用于控制通信過(guò)程，確定通信的數(shù)據(jù)、地址以及建立/拆除通信的數(shù)據(jù)鏈路。通信收發(fā)器——用于處理通信的物理層功能，包括物理引線的排列、機(jī)械特性和物理電平等。7、CPU及外設(shè)：自動(dòng)裝置的核心部件，對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行控制和管理，對(duì)采集的數(shù)據(jù)作處理，根據(jù)要求做出判斷和發(fā)出指令等。4、A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，它是影響數(shù)據(jù)采集速率和精度的主要因素之一。32/432工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)——由穩(wěn)壓電源、機(jī)箱和不同功能的總線模板，以及鍵盤（顯示器）等外設(shè)接口組成。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)部總線種類繁多，比較常用的主要有：STD、PC104總線等。STD總線共有56根總線，信號(hào)之間的隔離消除了大部分總線上的干擾，單元為小模板結(jié)構(gòu)，每塊模板具有獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)了板級(jí)功能分散。33/432工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)STD總線的功能單元1CPU單元——STD總線的主處理單元，處理數(shù)據(jù)、地址和控制功能。一般含有高速CPU和協(xié)處理器。2A/D單元——提供模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取由CPU單元控制，也可以由外部觸發(fā)。3存儲(chǔ)器單元——作為通用存儲(chǔ)器的擴(kuò)展卡，含有譯碼、存儲(chǔ)器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。4存儲(chǔ)器單元——作為通用存儲(chǔ)器的擴(kuò)展卡，含有譯碼、存儲(chǔ)器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。5系統(tǒng)支持單元—包括設(shè)置開(kāi)關(guān)、后備電池、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗watchdog、上電復(fù)位、總線終端網(wǎng)絡(luò)和通信口等。6外設(shè)單元——包括定時(shí)器單元、I/O單元、鍵盤顯示板電源板等，用于與外部信號(hào)和設(shè)備接口和操作。34/433集散控制系統(tǒng)DCS集散控制系統(tǒng)——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合，由若干數(shù)據(jù)采集測(cè)控站和上位機(jī)及通信線路組成。數(shù)據(jù)采集測(cè)控站—由單片機(jī)數(shù)據(jù)采集控制裝置組成，位于設(shè)備附近，上傳數(shù)據(jù)執(zhí)行控制命令。上位機(jī)—采用工業(yè)控制機(jī)或工作站，配置打印機(jī)和其他外設(shè)。采用雙機(jī)熱備用方式。分析處理上傳數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、集中顯示、打印報(bào)表。最重要的是根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果確定控制參數(shù)和方法，將結(jié)果下達(dá)給數(shù)據(jù)采集測(cè)控站。通信接口—數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用串行方式，訪問(wèn)方式為令牌形式。35/434現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)FCS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)——將分散在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，連接成為可以相互溝通信息共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線主節(jié)點(diǎn)：整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)者，完成信息的發(fā)起功能，完成顯示、輸出、打印和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。現(xiàn)場(chǎng)總線從節(jié)點(diǎn)：系統(tǒng)終端設(shè)備的執(zhí)行者，不能發(fā)起信息，可以完成接收、查詢等。路由器—主要完成路由、中繼、數(shù)據(jù)交換等功能。NorthChinaElectricPowerUniversity36/432024/3/185典型測(cè)量控制系統(tǒng)—Rockwell測(cè)控系統(tǒng)NorthChinaElectricPowerUniversity37/432024/