第一章 概 论.doc

福州大学电气工程与自动化学院 电力系统自动控制技术第一章 概 论Q：变电站运行人员如何知道某断路器的分合状态？如何知道母线电压？第一节 电力系统自动化的重要性及其发展历程一、电力系统自动化的重要性电力系统自动化：是二次设备的一个组成部分。应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，通过信号系统和数据传输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。（一）电力系统的特点及对电力系统运行的要求电力系统（控制对象）的特点：1）结构复杂而庞大，被控参数多；2）电能不能储存；3）暂态过程非常迅速；4）特别重要。对电力系统运行的基本要求：1）保证供电可靠性；2）保证电能质量；3）保证运行的经济性。（二）电力系统自动化的重要性没有电力系统自动化，现代电力系统不能运行。二、电力系统自动化发展历程（一）单一功能自动化阶段特点：（1）电力系统继电保护、电力系统远动和电力系统自动化三者各自自成体系，分别完成各自的功能；（2）对单个电力设备用分立的自动装置来完成自动化的某项单一功能；（3）电力系统中各发电厂和变电站之间的自动装置没有什么联系；（4）电力系统的统一运行主要依靠调度员指挥。（二）综合自动化阶段能量管理系统（Energy Management System）配电网自动控制系统（Dispatch Automation System）配电网管理系统（Dispatch Management System）管理信息系统（Management Information System）第二节 电力系统自动化的内容按电力系统运行管理区，可分为：电力系统调度自动化；发电厂自动化；变电站自动化；配电网自动化。从电力系统自动控制的角度,可将电力系统自动化分为：电力系统频率和有功功率自动控制；电力系统电压和无功功率自动控制；电力系统中的断路器自动控制；电力系统安全自动控制。一、电力系统调度自动化五级调度：国调、网调、中调、地调、县调二、火电厂自动化主要有：（1）计算机监视（或数据采集）系统（2）机炉协调主控制系统（3）锅炉自动控制系统（4）汽轮机自动控制系统（5）发电机和电气控制系统（6） 辅助设备及各支持系统的自动控制系统三、水电厂自动化：（1）水轮发电机组自动控制任务是按照给定的运行命令自动地按照规定的顺序控制机组的调速器、励磁设备、同步装置和机组的自动化元件，实现机组各种工况的转换。静止、发电、调相三种状态（2）水电厂自动电压控制按照预定的条件和要求自动控制水电厂母线电压和全电厂无功功率的技术（3）水电厂自动发电控制按照预定条件和要求自动控制水电厂有功功率的技术（4）水电厂计算机监控系统利用计算机对水电厂的生产过程进行自动监测和控制。1#PLC通信控制器电参数调速器励 磁温 度电能表1机组主保护1机组后备保护1#监控机GPS打印机公用PLC通信控制器电参数直流系统线路保护主变温度电能表主变主保护主变高压侧保护2LCU同1LCU2#监控机通信机1#机组LCU2#机组LCU公用LCU调度通信以太网RS485RS485RS232主变低压侧保护图1 水电厂自动化系统网络结构图系统的PLC及保护装置直接接入以太网，通信扩展方便，以两台机组为例，其结构如图1所示。取消了传统结构中的工控机，提高了可靠性。LCU需要与交流电参数采集器、温度巡检仪、调速器、励磁调节器、电能表、直流系统、微机同期装置等智能设备通信。各智能设备一般均提供RS485接口，但通信协议均不一致，加上PLC与工控机相比，难于实现多串口的扩展，若采用各智能设备直接通过一个RS485总线接入PLC，会存在总的通信速度慢、占用PLC的程序存储空间大等问题。因此，在设计中由带多串口的智能通信控制器与各智能设备通信，智能通信控制器将各智能设备的协议转换成标准的协议后经RS485总线接入PLC的RS485口。各智能设备信息的传送顺序和传送周期可按系统对信息的不同实时性要求进行调整。考虑到SZX-8000水电厂自动化系统主要针对中小型水电厂设计，LCU中用于机组开停机等控制的PLC选用西门子小型PLC S7-226。S7-226 CPU带两个RS485通信口，一个通信口用于同西门子彩色触摸屏TP270通信，另一个以自由口方式同智能通信控制器通信。S7-226 CPU扩展3块开关量输入输出模块EM223，2块模拟量输入模块EM231，1块以太网通信模块CP243-1，扩展后，PLC共有72点开关量输入点，64点开关量输出点及8点模拟量输入点。交换机选用MOXA工业以太网交换机EDS-316。智能通信控制器选用MOXA带WinCE5.0操作系统的嵌入式工业计算机UC-7410CE，UC-7410CE带8个RS485通信口，2个以太网口，采用精简指令集计算机及电子盘，无风扇及硬盘，可靠性高，适合于恶劣工作环境。保护装置带以太网接口，主要有发电机主保护，发电机后备保护，主变主保护，主变高压侧保护，主变低压侧保护等，保护装置提供的通信协议为IEC 60870-5-104。仅线路保护装置由通信控制器实现RS485接口到以太网接口的转换以及Modbus协议到IEC 60870-5-104协议的转换。配电网自动化：图2 配电网自动化系统示意图图3 配电网自动化系统构成图图4 配电网自动化系统结构框图配电网馈线故障区段定位系统主站按功能分为3层：数据采集层、数据管理层和综合应用层，如图4所示。数据采集层以GPRS通信方式接入馈线终端单元，按照负控规约解析数据并进行初步处理，监视通信质量，管理通信资源。它主要由通信接入设备、前置通信服务器、支持软件、通信协议解析软件等构成。数据管理层对采集数据进行加工处理、分类存储，建立和管理配电网馈线故障区段定位系统一体化数据平台，与其他系统接口并交换数据。主要由数据库服务器、数据存储和备份设备、接口设备以及数据库管理软件等构成。根据应用需求，在综合应用层开发应用软件支持数据的应用功能。如：终端管理、告警信息管理、图形建模、可视化拓扑分析、馈线故障区段定位、报表管理、系统管理等。 图5 基于无线传感器网络的配电线路运行状态监测 系统采用3层无线通信网络。由故障指示器、故障采集器、FTU（兼做故障采集器及集中器）、现场手持设备、通信网络及主站等构成，如图5所示。综合考虑通信距离，多种无线通信共处，故障采集器间信息传输网络需具有自动路由、自动组网及失效自恢复等功能，设计无线通信网络时采用了3种无线通信频段。故障指示器及现场手持设备与故障采集器间采用无路由协议的470MHz短距离无线通信；故障采集器间及故障采集器与FTU间采用基于ZigBee Pro协议栈的无线传感器网络通信，为2.4GHz Mesh网络；FTU与主站间采用GPRS网络通信。1个故障采集器最多可挂接6个故障指示器，6个故障指示器分成2组分别安装在线路的主干和分支的A、B、C三相。安装于电线杆上的故障采集器与故障指示器间的距离不大于50m。采用5dBi全向天线，架设在5m高度，故障采集器间或故障采集器与FTU间的户外直线通信距离可达到1km。一般水泥电线杆的高度为10m左右，考虑安全距离等，天线的架设高度适合实际情况；10kV配电线路长度一般不超过10km，电线杆间距小于100m，故障采集器采用ZigBee Pro网络协议进行通信，每个故障采集器均可作为通信的路由器，最多可有30级路由，1条线路分段开关处的每个FTU均作为ZigBee Pro无线传感器网络的协调器节点，与其两侧附近的故障采集器路由节点构成独立的Mesh网络，这样1条线路有多个Mesh网络。通信距离完全满足要求。电力系统频率和有功功率自动控制：通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统按照计划要求交换功率。电力系统电压和无功功率自动控制：1）控制电力系统无功电源发出的无功功率等于电力系统负荷在额定电压下所消耗的无功功率，维持电力系统电压的总体水平，保持用户的供电电压在允许范围之内；2）合理利用各种调压措施，使无功功率尽可能就地平衡。3）控制枢纽点电压在规定水平，避免产生过电压。 图4 PLC型发电机励磁调节器结构图PLC励磁调节器的硬件主要由西门子公司S7-200系列中的S7-226CN CPU，模拟量输入/输出模块EM235，触摸屏K-TP178 Micro，调制解调器模块EM241（可选），频率测量电路，控制量限幅电路，同步移相触发电路，触发脉冲放大电路，机端励磁及仪用电压互感器二次侧电压、系统电压、有功功率、无功功率、励磁电流等测量变送电路等组成，如图4。S7-226CN CPU模块配有2个RS485通信接口，1个采用PPI协议与触摸屏通信，1个采用自由口协议与电厂监控系统交换数据。S7-226CN CPU模块是1个适用于中、小型控制系统的可编程控制器，集微处理单元CPU、数字量输入、数字量输出、通信接口于一体。最多可扩展7个模块。根据励磁系统要求，在S7-226CN CPU模块的基础上增加了1块模拟量输入/输出模块EM235和1块调制解调器模块EM241。其中EM235含有4路模拟量输入和1路模拟量输出，输入和输出精度均为12位。配合电子开关，可实现8路模拟量采集，控制量由模拟量输出接口接到同步移相触发电路的控制引脚。EM241模块用于远程维护。开关量的输入、输出由S7-226CN自带的数字量端口完成。频率测量电路由两部分构成，1个是基准频率的产生电路，输出为方波信号；1个是机端正弦电压信号转换成方波信号的电路，为带施密特的过零比较电路，该电路产生待测频率信号。将基准频率和待测频率分别接到S7-226CN的I0.6和I1.0，用S7-226CN的内部高速计数器可测出发电机频率。同步移相触发电路采用西门子高度集成专用芯片TC787，该芯片采用三相同步方式，其同步电压可取自励磁变压器二次侧或机端励磁电压互感器二次侧，同步变二次侧电压经滤波电路后接入TC787，TC787输出脉冲经达林顿管TP122放大后接到可控硅。模拟量均变换为05V电压信号后经电子开关送入调节器的模拟量输入/输出模块EM235。经软件滤波等处理后供软件的各种处理所用。电子开关由S7-226CN的开关量输出端口Q0.0控制。电力系统中的断路器自动控制：1）正常运行时的断路器控制：优化系统结构，使之安全、经济运行；2）电力系统恢复时的断路器控制：将已解列的系统重新并列；3）电力系统紧急状态的断路器控制：低频自动减负荷，系统解列。图5 准同期装置结构图交转直AD536过 零检 测继电器输 出采 样TLC0832交转直AD536RS485通信口电子开关CD4053异 或CD4070看门狗X5045状 态指 示数 据显 示参 数X5045CPU1AT89C52CPU2 89C52整步指示LM3914Ug Us Ug Us 经电压互感器（PT）降压后的电网和发电机的电压滤波后分别输给两片交流真有效值转换芯片AD536，得到表征交流有效值的直流信号，经两路八位串形模数转换芯片TLC0832，与主CPU即CPU1连接。同时，经PT降压后的电网和发电机电压，分别通过由运算放大器LM324构成的过零检测电路处理后输出两路方波信号，其频率、相位与输入的交流信号一致。两路方波信号经异或芯片CD4070相异或后，接到CPU1的INT0引脚，用于测量电网和发电机电压间的相位差。异或后的信号经运算放大器LM324处理后用于整步指示，整步指示采用LM3914芯片实现，在面板上用一长列发光二极管显示，灯亮的长度反映相位差的大小，亮暗的变化快慢反映频差的大小，可直观地观测滑差周期及其变化。两路方波信号经电子开关CD4053接到CPU1的INT1引脚。CPU1通过对开关的切换分时实现电网和发电机电压的频率的测量。CPU1的看门狗电路采用X5045芯片。CPU1的I/O引脚经7404驱动并光电隔离后输出五个继电器，用于均压，均率，合闸等。用发光二极管指示运行状态。当两侧频差和压差不合格时，依照偏差量的大小，发出长短不同的调节脉冲。CPU2主要实现电网和发电机的电压、频率显示，运行参数设置，与上位监控计算机通信等。可设置的参数有：频差条件、压差条件、相角差条件及恒定越前时间等。与上位监控计算