绪论-杨冠城《电力系统自动装置原理》1.ppt

电力系统自动装置原理,电力学院,课程性质：电力系统自动化（装置）电气工程及其自动化专业的一门专业选修课。本课程是实现发电厂、变电站综合自动化的基础。电力系统自动装置正向着微机化、智能化方向发展。因此，本课程能体现现代应用技术。,1.1.1,电力系统自动装置原理,教学目的：通过本课程的学习，使同学们了解电力系统自动化、电力系统自动装置的重要意义，掌握电力系统中常用自动装置的作用、构成、工作原理、性能、运行特性以及有关参数的整定计算，了解电力系统中常用的自动装置的发展现状及趋势。课程任务：学生学好了本课程，毕业后从事电力系统运行、自动装置的调试、自动化设备的研制开发、销售、维护等方面的工作。,绪论,绪论,（一）引言电力系统的定义及特点对电力系统运行的基本要求及电力系统正常运行的基本保障（二）电力系统自动控制的划分一般的控制系统电力系统自动控制系统的分类,一、何谓电力系统？,（一）电力系统的组成：发电机把机械能转化为电能，电能经变压器和电力线路传送到并分配到用户，在那里经过电动机、电炉、电灯等用电设备又将电能转换为机械能、热能、光能等。由这些生产、变换、传送、分配、消耗电能的电气设备联系在一起组成的统一整体就是电力系统。,图：简单电力系统,电力网：变压器和不同电压等级输电线路组成的网络（由输电、变电、配电设备及相应的辅助系统组成），简称电网。,电力系统：发电机、电力网和用电设备组成。,动力系统：电力系统+发电厂的动力部分（火力发电厂的锅炉、汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机以及核动力发电厂的反应堆等）。,火电厂,水电厂,变电所,变电所,输电线,配电,配电网,电力系统组成,中国电网区域划分,南方电网公司,大型区域电网一般由省级或地市级电网组成，比如华中电网，他们的结构图如下：,华中电网在全国电网系统中处于枢纽地位，承担主要的西电东送任务。华中电网由河南电网、四川电网、重庆电网、湖北电网、江西电网、湖南电网六部分组成。其中河南电网与西北电网、华北电网相连，湖北电网与华东电网、南方电网相连。,中国电网区域划分,发电厂,利用自然界蕴藏的各种能源来生产电能。按所使用能源不同，发电厂可以火力、水力、风力、潮汐、原子能以及太阳能发电厂等。能量转换过程：,（二）电力系统特点：,结构复杂庞大：电力网络、控制系统,电力系统的运行要求电力系统中的发电与用电及时平衡：电源和负荷间功率平衡、电能不能储存，所有传输环节畅通无阻，因此生产、变换、输送、分配各设备环节需紧密配合。,输电网络的整体性质：设备的部分损害或者强迫停运并不仅仅只影响局部，有可能会引起整体的问题。,特别重要：电力工业是国民经济的基础，所以电力供应通常被要求高度可靠。,过渡过程非常短促：所有突变引起的电磁变化及其迅速地影响整个系统（光速），设备操作需在及短时间内完成快速控制和快速排除故障。,电力系统新特点1.大机组、高电压、大电网互联系统（100、120万千瓦超临界火力发电机组）2.新型设备的应用：HVDC(高压直流输电)、FACTS（柔性交流输电系统）：应用大功率、高性能的电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等,以实现对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本不可控的电网变得可以全面控制，从而大大提高电力系统的灵活性和稳定性,使得现有输电线路的输送能力大大提高。3.新型能源的应用：核能、风力、潮汐、秸秆,14/43,2019/11/30,（三）电力系统工作状态,正常工作状态:电力系统的电压和频率电流等都在允许的范围以内，能够保持长期安全工作的状态。等约束（PQ平衡）和不等约束条件(IUS等)都满足最关键的指标：Ue10%,f0.2Hz不正常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。故障状态（继电保护考虑，本课程不考虑。）,电力系统运行的正常状态的数学描述,不等式约束条件fminffmaxUminUUmaxPGi.minPPGi.maxQGi.minQQGi.maxSGi.minSSGi.max,等式约束条件：,正常状态：,16/43,2019/11/30,不正常运行状态：正常运行条件受到破式约束条件不满足。负荷潮流越限致使电流升高（过负荷）；发电机突然甩负荷引起发电机频率升高；系统出现有功功率缺额引起的频率降低；单相接地引起的非接地相电压升高；电力系统发生振荡；不正常运行状态产生的后果：电力设备的电流过大会使设备载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，可能发展成短路故障。,17/43,电力系统不正常运行状态对策,不正常运行状态的对策：一旦电力系统设备发生不正常运行状态，应该发出告警信号、减负荷或跳闸。正常状态和大部分的不正常状态可以由以下措施予以调节和控制：1）有功、无功的潮流和电压、频率的调整调整发电机出力、变压器分接头、负荷等2）自动化装置备用电源自动投入（备自投）、自动准同期装置、自动按低频（低压）减载、自动解列、过电压检测等。,依赖于自动化(自动装置和自动化系统),（四）电力系统的运行状态及其相应的调度控制,电力系统运行状态示意图,正常状态（满足负荷需求，进行经济运行）,系统崩溃（切机、切负荷、断开线路）,恢复状态（重新并列,恢复对用户供电）,警戒状态（预防性控制）,紧急状态（紧急控制）,储备系数小或干扰概率增大,超越不等式约束条件,预防性控制,重新带负荷,紧急控制,并列,切负荷,解列,系统保持原态,系统解列,安全的,不安全,负荷增加或故障,系统满足所有等式和不等式约束条件；系统内的发电机有一定的旋转备用容量，输变电设备也有一定的富裕容量，在负荷增加或减少时，系统频率和电压值在质量指标规定的范围之内,并向系统用户供应合格的电能；电力系统中各发电和输、变电设备的运行参数都在规定的限额之内；,(一)正常状态,电力系统有一定的安全水平，在正常干扰（如电力系统负荷的随机变化，正常的设备操作等）下电力系统只从一个正常状态连续变化到另一个正常状态，而不会产生有害后果正常状态下的电力系统是安全的，可以实施经济运行调度,(二)警戒状态,当负荷增加过多，或发电机组因故障而计划外停运,或因发电机、变压器、输电线路等电力设备的运行环境恶化，使电力系统中的某些电力设备的备用容量减少到使电力系统的安全水平不能承受正常干扰的程度时,电力系统就进入了警戒状态。,警戒状态下，电力系统运行的所有等式和不等式约束条件均满足，仍能向用户供应合格的电能。从用户的角度来看电力系统仍处于正常状态。但从电力系统调度控制来看,警戒状态是一种不安全状态,与正常状态是有区别的。两者的区别在于：,警戒状态下电能质量仍合格，但与正常状态相比与不合格更接近了；设备运行参数在允许上、下限值之内，但与正常状态相比更接近上限值或下限值了。警戒状态下,系统受正常干扰，特别是发生故障时，可能出现不等式约束条件不成立的情况，使系统进入到不正常状态。例如，使某些变压器或线路过载，使某些母线电压低于下限值等。,警戒状态下的电力系统是不安全的,调度控制需采取预防性控制措施,使系统恢复到正常状态。例如,调整发电机出力和负荷配置、切换线路等。这时经济调度就放到次要地位了。,(三)紧急状态,一个处于正常状态或警戒状态的电力系统，如果受到严重干扰，比如短路或大容量发电机组的非正常退出工作等，系统则有可能进入紧急状态。,紧急状态下,电力系统某些不等式约束条件遭到破坏,比如某些线路或变压器过载；某些母线电压低于下限值等。这时的等式约束条件仍能得到满足，系统中的发电机组仍然继续同步运行，不切除负荷。紧急状态下的电力系统是危险的。电力系统调度控制应尽快消除故障的影响,采取紧急控制措施,争取使系统恢复到警戒状态或正常状态。,(四)系统崩溃,在紧急状态下,如果不能及时消除故障和采用适当的控制措施,或者措施不能奏效,电力系统可能失去稳定。在这种情况下为了不使事故进一步扩大并保证对部分重要负荷供电,自动解列装置可能动作,调度人员也可以进行调度控制,将一个并联运行的电力系统解列成几部分。这时电力系统就进入了崩溃状态。,系统崩溃时,解列成的各子系统中等式和不等式的约束条件均不能成立。一些子系统由于电源功率不足,不得不大量切除负荷;而另一些子系统可能由于电源功率大大超过负荷而不得不让部分发电机组解列。系统崩溃时,电力系统调度控制应尽量挽救解列后的各个子系统,使其能部分供电,避免系统瓦解。电力系统瓦解是由于不可控制的解列而造成的大面积停电状态。,(五)恢复状态,通过自动装置和调度人员的调度控制，在崩溃系统大体上稳定下来以后，可使系统进入恢复状态。这时调度控制应重新并列已解列的机组，增加并联运行机组的出力，恢复对用户供电，将已解列的系统重新并列。根据实际情况将系统恢复到警戒状态或正常状态。,30/43,2019/11/30,电力系统自动化定义,定义：指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量.因历史原因被分成三部分：继保、远动、自动化，目前普遍意义上讲自动化是不包括继保、远动部分（含通信），本课程也是如此。由于远动课程没有单独设置，本课程也简要介绍远动的内容。,电力系统自动化的特点,计算机、通讯，测量传感，控制技术等各种技术在电力系统中的应用。理论要求高较多地应用如下知识：设备原理，电工原理、电机学、电力系统稳态/暂态分析、经济调度等等。综合性科学电工、电机、电子、电力系统、数学、计算机、通信理论、新技术、新材料的应用等，这些学科的发展都促进了电力系统自动化的发展。,实现在自动装置和自动化系统中,对电力系统的基本要求,电力系统自动化是现代电力系统安全可靠和经济运行的重要保证.保证安全可靠运行包括：输变电设备的正常操作、故障的快速切除和恢复，均通过自动装置才能保证安全、可靠。保证经济运行最少的一次能源产生更多的电力。电力系统的经济优化调度运行，降低网损等，没有自动化系统的参与是很难实现。保证优质电能暂态电能质量稳态电能质量:电压偏差、频率偏差,波形畸变（谐波）,三相不平衡度,电压波动闪变,电能质量：频率额定频率：50Hz频率偏差和延时时间：0.2Hz，持续时间小于30分钟电压电压偏差：36kV及以上：正负偏差的绝对值之和小于额定电压的10%；220V：额定电压的+7%、-10%三相平衡度：2%波形：正弦波电压和电流有谐波畸变率的限制,实现自动化的基本保障,可靠、灵活的继电保护和安全自动装置（“硬设备”）；调度控制中心（“软设备”）；自动化水平要求越来越高。,（五）电力系统自动化的必要性,1.电网规模扩大：结构复杂而庞大:容量大、设备多2.电能质量要求：电压、频率、波形。影响：减产、废品、设备损坏、危机安全3.管理方式转变：减员增效、无人值守、电子化管理结论：保证电力系统安全、优质、经济运行单靠发电厂、变电站和调度中心运行值班人员进行人工监视和操作是根本无法实现的，必须依靠自动装置和设备才能实现。电力系统和电力系统自动化是分不开的。,一般控制系统的结构,二、电力系统自动控制的划分,二、电力系统自动控制的划分,这个系统被称为电力系统调度自动化系统或电力系统自动监视与控制系统,电力系统信息,电力系统远动和通信装置,运行的结构、参数、事故状态,电力系统,运行的结构和参数控制和调节,调度中心调度计算机,YX、YC,YT、YK,YT、YK,YX、YC,图3电力系统自动控制系统工作模式图,根据运行的结构,根据运行的要求,电力系统自动监视和控制,电厂动力机械自动控制,电力系统电气设备自动装置,1.电力系统中自控系统的划分：,电力系统远程监控与调度自动化系统，为电网调度服务，旨在提高电力系统的安全、优质、经济运行水平,是电厂自动控制的主要组成部分，需配置专门的计算机进行监控；不同类型电厂差异很大（水轮机、汽轮机、核反应堆）。,控制的对象是发电厂、变电所电气设备,1.2.1,1.电力系统自动监视和控制,四遥：遥测、遥信、遥控、遥调,SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）平台+高级应用分析。即数据采集与监视控制系统。SCADA系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。,返回,2.电网部分,电力系统自动装置,低频减载,调速器、励磁调节器,并列,线路自动重合闸,故障录波器,提高供电的可靠性（如自动重合闸、备用电源自动投入等装置）；,保证电能质量、提高系统经济运行水平、减轻运行人员的劳动强度（如自动调节装置、低频减载装置、自动并列装置等）；,自动记录故障过程，有利于分析处理事故（如故障录波器等）。,这是保证电力系统正常稳定运行，保证电网电能质量符合指标，进而实现电网经济运行的重要自动化技术。包括发电自动控制及发电厂、变电所电气主接线运行操作的自动装置，分为：自动调节装置：发电机励磁自动控制装置（Q/U控制）频率/有功功率自动控制装置（P/f控制）自动操作装置：正常运行操作（自动并列操作装置）反事故操作（继电保护、自动重合闸、低频减载、自动解列、自动切机、电气制动):电网突然发生事故，为防止事故扩大的紧急操作。电力系统安全自动控制装置：防止电力系统的系统性事故采取相应对策的自动操作装置。,3.电力系统自动装置,自动装置控制框图,控制器,控制对象,给定,测量,自动控制型装置,电力系统自动装置器件,1）保证同步发电机并列操作的准确性和安全性的自动并列装置；2）保证电压水平，提高电力系统的运行稳定性的自动调节励磁AER；3）保证系统频率水平且使系统负荷在同步发电机之间实现最优经济分配的自动调频；4）反事故安全自动装置自动重合闸ARD；5）备用电源和备用自动投入ATS；6）自动按频率减负荷AFL等。,电力自动化是上述3种类型自动控制系统的综合,发电自动控制示意图,NorthChinaElectricPowerUniversity,47/43,2019/11/30,发电自动控制,控制对象,自动控制装置,控制信息,测量信息,4.灵活交流输电系统(FACTS),灵活交流输电系统，是指以晶闸管置换传统交流输电系统中各种机械式调节器和开关后所呈现的新系统。是近年来发展起来的一种集电力技术、电力电子技术、微处理与微电子技术、通信技术和控制技术为一体的综合而成的用于控制交流输电的新技术。主要类型：并联型装置、串联型装置、串并联装置，可对电力系统的电压、相角、潮流等进行调节。优点：在这种系统中，网络的潮流更易于控制，线路的输送能力可大幅度提高，各种故障得以及早隔离，以致系统的运行更灵活、稳定、可靠。,5.电力安全装置,发电厂、变电所等电力系统运行操作的安全装置，是为了保证电力系统运行人员的人身运行安全的监护装置。电力操作是很危险的工作，安全装置成为研究目标。,北美“814”大停电！美国东部时间（EDT）2003年8月14日16:11（北京时间2003年8月15日4:11），美国8个州和加拿大部分地区突然大规模停电，所波及的地区从密歇根州一直延伸到纽约州，直至加拿大境内。事故中至少有21座电厂停运，其中包括位于美国4个州的9座核电厂，约5000万人受到影响，是世界有史以来最大的一次停电。当时很多人误以为是恐怖袭击，引起一片恐慌。后来据证实，该起事故由电力供应故障引发。,背景介绍,其中纽约州80%供电中断在纽约，停电造成整个交通系统陷入全面瘫痪。上至飞机航班，下至地铁运输，都陷入停顿。停电造成地铁列车没有停在了隧道中，造成成千上万名乘客被困在漆黑的地铁隧道里。公共汽车就地停止运营，造成公路被堵塞。同时，办公楼内电梯停运、空调没法开，许多上班族和商场内的顾客陷入恐慌，冲到曼哈顿的各条大街之上。,背景介绍,背景介绍,北美“814”大停电波及地区,事故过程,第一阶段：（1）8月14日15:0615:41,送电给俄亥俄州境内的克利夫兰地区三条345kV线路ChamberlainHarding、HannaJuniper、StarS.Canton因与大树接触而跳闸。（2）StarS.Canton线路切除后，送电到克利夫兰地区的多条138KV线路因严重过载切除；（3）16:06SammisStar345kV线路跳闸，由于此线路向俄亥俄州北部供电，致使俄亥俄州北部供电不足,电压大幅下降，切除了大量负荷；由于线路、发电机、低频减载没有相互协调,事故继续扩大；,（4）16:08加拿大与美国东部发生明显的功率摇摆。又有两回线（E.LimaFostoria和MuskingumOHCentral）跳开，俄亥俄州北部功率严重不足，约2200MW功率从密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州至安大略省的潮流发生逆转，约200MW功率从安大略省流向密歇根州。密歇根州电压下降，使密歇根州中部两座电厂共计1800MW机组在15s内相继跳闸，导致密歇根州电压崩溃。,事故过程,第二阶段：,（5）16:10Campbell电厂3号机组跳闸；HamptonThetford345kV线路跳闸；OneidaMajestic345kV线路跳闸；ITC系统电压崩溃，造成密歇根州30条线路跳闸，METC与ITC间的联络线断开，使ITC成为孤岛。此时俄亥俄州仍从密歇根州吸取功率。从安大略省流向密歇根州的功率达到2800MW。,事故过程,第三阶段：,（6）16:11Avon电厂9号机组跳闸；BeaverDavisBesse线路跳闸；MidwayLemoyneFoster138kV线路跳闸；俄亥俄州Perry核电站的1号机组跳闸。(9)16:17Fermi核电站全部机组跳闸。(10)16:1716:21密歇根州许多线路跳闸，并有以下发电机组退出运行：St.Clair7号机组，Judd电站机组，Monroe1、2、3号机组，Greenwood电站机组，St.Clair2、4、6号机组，Trenton7、8、9号机组。,事故过程,此次事故停电29小时，共计损失负荷61800MW，受停电影响人数5000万。直接损失为10.5亿美元，间接损失约300亿美元。在16：06分后的8分钟内，切除超过了400条线路，531台发电机，而且大多是在最后12S内切除的。,事故分析,事故主要输电线潮流过重，过负荷引起重要电源或多回重要输电线跳掉，造成了潮流大转移，切（甩）大量负荷而保住了主系统没瓦解！531台发电机切除原因复杂，有过电流、低电压、励磁系统故障或保护、频率过高、厂用电消失或控制系统故障切机，有40%找不到切除原因；切（甩）负荷过多，使事故后系统频率和部分地区电压均高于额定值，说明其自动装置整定也不到家；事后分析证明，如果在装设了低压减载，切去1500MW，则事故可能只局限于该区；有多重故障相继发生，导致此严重后果！电网控制系统的任何细小误动作和失控都将带来灾难性后果,事故分析,事故与自动控制装置的关系,1.励磁控制2.无功分配3.频率调整4.低频减载5.低压减载6.发动机组自动并列,NorthChinaElectricPowerUniversity,62/43,2019/11/30,三、电力系统自动化的发展阶段(1),1、手工阶段电力工业萌芽阶段，电厂小，就近供电。在发电机、开关设备旁就近监视设备和手工调节操作。特点：单独运行，就近供电、手工操作。2、简单自动装置阶段用电设备增多、发电设备规模扩大，对电能质量和安全可靠性提出了要求，开始出现单一功能的自动装置。包括：继电保护、断路器自动操作、发电机自动调压和调速等。特点：电能质量要求、单一的电力自动装置。,NorthChinaElectricPowerUniversity,63/43,2019/11/30,电力系统自动化的发展阶段(2),3、传统调度中心阶段出现互连电网，保证供电可靠性和经济性的必然选择。电网设立调度中心，统一调度电厂和处理电网的异常和事故。电话是通信联络的主要方式。特点：电网互连、统一调度、电话通信。4、现代调度的初级阶段出现远动装置，实现“四遥”,满足实时调度的要求。特点：远动四遥、实时调度。五遥：遥视，未来,64/43,2019/11/30,电力系统自动化的发展阶段(3),5、综合自动化阶段电力工业成为必不可少的支柱产业，电网规模快速扩大，单一功能的自动化装置很难满足电能质量、可靠和安全的需要，出现自动化程度更高的自动化系统。多套独立的自动化装置用通信信道或网络互连，实现信息共享，相互协调自动完成指定的功能。特点：装置互连，信息共享。6、未来自动化?“smart”?遥视,图像识别等技术?大范围（空间和时间）内的综合优化?(五摇),随着发电机单机容量、电力系统容量、电网规模的不断扩大，对运行水平的要求越来越高，电力系统综合自动化程度也越来越高，电力系统自动装置的使用也越来越广泛，电力系统自动装置正向着微机化、智能化方向发展。,电力自动化装置的发展趋势,国家发展和改革委员会能源局指出：提高能源利用效率和效益，保护生态环境，不断开发利用新的能源发电技术装备，将成为未来20年电力工业新的发展方向。其中，输变电设备将向紧凑型、高可靠性方向发展，数字化、智能化和信息化将成为配、用电设备的发展重点。,具体发展方向（1）大力发展水电、太阳能、核电、风力、坑口发电等新的能源发电技术。1千克铀-235裂变释放的能量=2700吨标准煤燃烧释放的能量一座100万千瓦的火电站一年燃烧标准煤约300万吨,而一座100万千瓦的核电站一年消耗核燃料仅约30吨。,1.电力工业现状及发展方向,（2）提高单台机组容量；国内最大机组华能玉环电厂,位于浙