电力系统自动监控技术 PPT课件

电力系统自动监控技术 1 电力系统的自动监控 自动监控 监视 自动获取 了解电力系统运行状态的信息 控制 对电力生产过程做出调节和控制 保证电力系统安全 稳定 可靠和经济地运行 2 电力系统自动监控所包含的内容 发电厂电能生产过程自动化 热工自动化 DCS 发电厂的电气监控变电站综合自动化电力系统调度自动化配电网自动化3A技术 即稳定自动控制 A 电压自动控制 AVC 3 变电站自动化 变电站自动化概述变电站自动化的基本功能变电站自动化系统的结构形式变电站自动化系统的通信技术变电站无人值班变电站的无功电压综合控制不直接接地系统单相接地选线与测距故障录波电力系统的低频减负荷控制与备用电源自投控制电力系统同步相量测量PMU 4 变电站自动化概述 电力系统是指由生产电能的发电机 变换电能的变压器 传输电能的输配电线路 汇集和分配电能的母线 和消耗电能的用电设备组成的有机整体 变电站是介于生产电能的发电厂与消耗电能的电力用户之间的中间环节 包括升压变电站 发电厂内部的升压站 枢纽变电站和降压变电站等几种类型 变电站一般由主变压器 母线 补偿电容器 互感器 避雷器 断路器和隔离开关设备等一次电气设备组成 为了保证变电站中的一次电气设备以及它所连接的电力系统的安全 稳定 可靠 经济地运行 必须对相应的一次设备进行监视 保护和控制 5 变电站自动化概述 对一次设备进行监视 保护和控制的设备称为二次设备 相应的系统称为二次系统 按其所承担的功能 二次系统通常由以下几个子系统组成 1 测量子系统 包括设备电压 电流 功率 功率因数 频率 温度等运行参数和有功电能 无功电能等累加参数的测量 2 控制子系统 主要是指断路器等开关设备的跳合闸控制 3 调节控制子系统 包括变压器分接头的自动调节 并联补偿电容器的自动投切等 4 信号子系统 以声光等形式反映系统的运行状态 包括事故信号和预告信号等 6 变电站自动化概述 5 保护子系统 包括变压器保护 母线保护 线路保护和电容器保护等 在相应设备故障时自动将其从电力系统中隔离 6 远动子系统 i 将变电站的运行参数 信息传送至远方的调度中心 ii 接受来自调度中心的命令 实现对站内设备的控制和操作 在传统的变电站中 上述的各个子系统在功能 设备 接线 回路 等方面都是相互独立的 由不同专业的人员分别管理 7 变电站自动化概述 这种传统方式主要存在以下几个方面的缺点 1 不同的功能由不同的二次设备来完成 使二次设备数量众多 成本高 可靠性低 难以实现标准化 2 设备之间彼此互不兼容 3 回路接线复杂 大量使用 二次 控制电缆和端子排 4 二次设备本身不具备自检功能 必须定期对其进行测试和维护 8 变电站自动化概述 变电站综合自动化是将变电站的二次设备 包括测量仪表 信号系统 继电保护 自动装置和远动装置等 经过功能的组合和优化设计 利用先进的计算机技术 现代电子技术 通信技术和信号处理技术 用一套设备或系统 实现对全变电站的主要设备和输配电线路的自动监视 测量 自动控制 继电保护 以及与调度通信等综合性的自动化功能 9 变电站自动化概述 变电站综合自动化的优越性 1 提高变电站的安全 可靠运行水平 2 提高供电质量 提高电压合格率 3 简化变电站二次部分的硬件配置 4 提高电力系统的运行 管理水平 5 缩小占地面积 减少投资 6 减少维护工作量 减少值班人员劳动量 7 可以实现无人值班 10 变电站自动化的主要内容和基本功能 内容 变电站电气量的采集和电气设备的状态监视 控制和调节 变电站正常运行时 实现监视与操作 以保证安全 可靠 经济地运行 发生故障时 由继电保护快速切除故障 由故障录波等采集故障数据 以实现对故障情况及保护动作情况的分析和判断 11 变电站自动化的主要内容和基本功能 功能 变电站自动化是多专业性的综合技术 它以微机为基础 实现了对变电站传统的继电保护 控制方式 测量手段 通信和管理模式的全面技术改造 实现了电网运行管理的一次变革 归纳起来可分为以下几种功能 1 控制 监视功能 2 自动控制功能 3 测量表计功能 4 继电保护功能 5 与继电保护有关的功能 6 接口功能 7 系统功能 12 变电站自动化的基本功能 一 监控子系统的功能1 数据采集 1 模拟量的采集变电站各母线电压 线路电压 电流 有功功率 无功功率 变压器各侧电流 有功功率 无功功率等 此外还包括变压器油温度 直流电压 站用变压器输出电压等 目前变电站自动化系统广泛应用交流采样技术来采集 计算上述各电气量 2 开关量的采集断路器位置状态 隔离开关位置状态 继电保护动作状态 同期检查状态 有载调压变压器分接头位置 变电站一次设备运行告警信号 接地信号等 13 变电站自动化的基本功能 3 电能计量电能计量包括对进线 变压器和各条出线的电能量 包括有功电能和无功电能 的采集 计算机对电能量进行计量的常用方法有 1 电能脉冲计量法 2 软件计量方法 2 事件顺序记录SOE包括断路器跳合闸记录 保护动作顺序记录 14 变电站自动化的基本功能 3 故障记录 故障录波和测距 1 故障录波和测距 两种方法实现 一是由微机保护装置兼作故障记录和测距 再将记录和测距的结果送监控机存储和打印或直接送调度主站 这种方法可节约投资 减少硬件设备 但故障记录的量有限 另一种方法是采用专用的微机故障录波器 并且故障录波器应具有串行通信功能 可以与监控系统通信 测距主要有阻抗法和行波法两种不同的原理 2 故障记录 故障记录是记录继电保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压 15 变电站自动化的基本功能 4 操作控制功能变电站运行人员通过人机接口对断路器 隔离开关进行跳合闸操作 对变压器分接头的位置进行调节控制 对电容器组进行投切等 5 安全监视功能对采集的电流 电压 主变温度 频率等量进行不间断的越限监视 发现越限 发出报警信号 以便及时处理 16 变电站自动化的基本功能 6 人机联系功能人机联系桥梁 CRT显示器 鼠标和键盘 变电站采用微机监控系统后 操作人员或调度员只要面对CRT显示器的屏幕 通过操作鼠标或键盘 就可对全站的速行工况和运行参数一目了然 可对全站的断路器和隔离开关等进行分 合操作 彻底改变了传统的依靠指针式仪表和依靠模拟屏或操作屏等手段的操作方式 人机联系的主要内容 1 显示画面与数据 接线图 运行参数 报警信息 事件记录 趋势记录 装置工况 保护定值 控制系统配置等 2 输入数据 运行人员代码 密码 定值 参数等 3 人工控制操作 开关 变压器分接头 补偿电容 保护投退 4 诊断与维护 17 变电站自动化的基本功能 7 打印功能有人值班变电站 配备打印机 完成以下打印 1 报表和运行日志 2 开关操作记录 3 SOE 4 越限打印 5 召唤打印 6 抄屏打印 7 事故追忆打印8 数据处理和记录 历史数据的形成和处理 1 断路器动作次数 2 断路器切断故障时故障电流和跳闸操作次数的累计数 18 变电站自动化的基本功能 3 一段时间内线路 变压器等设备上电压 电流 功率等电气量出现的最大值 最小值及其出现时刻 4 独立负荷有功功率 无功功率每天的最大值和最小值 并标以时间 5 指定点上的趋势 平均值 积分值 6 控制操作及修改定值的记录 19 变电站自动化的基本功能 9 谐波分析和监视保证电力系统的谐波在国际规定的范围内 也是电能质量的重要指标 电力变压器和高压直流输电中的换流站是系统本身的谐波源 电网中的电气化铁路 地铁 电弧炉炼钢 大型整流设备等非线性不平衡负载是注入电网的大谐波源 此外 各种家用电器均是小谐波源 变电站自动化系统根据采集的数据 对母线电压和线路 变压器的电流进行谐波分析 对计算的结果进行统计 记录 越限报警等 20 变电站自动化的基本功能 二 微机保护子系统1 微机保护的优越性 1 灵活性强 2 综合判断能力强 3 性能稳定 可靠性高 4 利用微机保护的记忆功能 可明显改善保护性能 提高保护的灵敏性 5 可实现对故障自诊断 自闭锁和自恢复 6 体积小 功能全 7 利用串行通信口可实现与中心计算机及其它微机保护通信 8 运行维护工作量小 现场调试方便 21 变电站自动化的基本功能 2 微机保护子系统的功能微机保护应包括全变电站主要设备和输电线路的全套保护 具体包括 1 高压输电线路的主保护和后备保护 2 主变压器的主保护和后备保护 3 无功补偿电容器组的保护 4 母线保护 5 配电线路的保护 6 小电流接地系统的单相接地选线 22 变电站自动化的基本功能 3 对微机保护子系统的要求各保护单元 除了具有独立 完整的保护功能外 还必须满足下述要求 1 满足保护装置快速性 选择性 灵敏性和可靠性的要求 它的工作不受监控系统和其它子系统的影响 2 具有故障记录功能 3 具有与统一时钟对时功能 以便准确记录发生故障和保护动作的时间 4 存储多种保护整定值 5 当地显示与多处观察和授权修改保护整定值 6 设置保护管理机或通信控制机 负责对各保护单元的管理 7 通信功能 8 故障自诊断 自闭锁和自恢复功能 23 变电站自动化的基本功能 三 电压 无功综合控制子系统在电力系统中 电压和无功是两个紧密联系的运行参数 无功平衡 则电压合格 无功不足或过剩 将会引起电压的降低或升高 在过去 无功和电压是分别调节的 难以做到协调和统一 综合控制就是将两个指标纳入到同一个系统中进行控制 以达到最佳的控制效果 在变电站中 电压无功的自动控制 主要是自动调节有载调压变压器的分接头的位置和自动无功补偿设备的投入和退出 有三种控制方式 1 集中控制 由调度中心统一控制 2 分散控制 各个厂站自行控制 3 关联分散控制 调度协调控制 24 变电站自动化的基本功能 四 低频 低压减负荷控制频率和电压是电能质量中两个最重要的指标 频率和电压严重降低时 有可能导致电力系统的崩溃 因而应采用低频 低压减负荷措施 通过减小有功功率和无功功率的不平衡度来消除频率电压的进一步恶化 并逐步回复正常 因此 低频 低压减负荷控制对确保电力系统安全稳定有着十分重要的作用 因而它们也是变电站自动化的主要组成部分 过去只有低频减载 随着电压稳定性事故的不断出现 低压减载目前也逐步被重视 根据电压 频率降低的程度 切除部分次要负荷 丢卒保车 丢车保帅 关键是精确测量出频率和电压 并按负荷的重要程度分轮切除负荷 可以为专门的装置 也可以由配电线路的继电保护装置兼职完成 25 变电站自动化的基本功能 五 备用电源自动投入控制重要用户对供电可靠性要求高 当为其供电的线路故障或因其他原因退出时 自动地将备用电源回路接通 六 变电站自动化系统的通信任务1 自动化系统的现场级间的通信 2 自动化系统与上级调度的通信 3 符合通用的通信规约 26 变电站自动化的基本功能 七 时钟功能对上能够接受监控中心的对时命令 修改主站时钟 对下能够向间隔层单元下发对时命令 统一全站的时钟 使SOE等有精确时间 八 自诊断功能自诊断信息能周期性地送往调度中心 27 变电站自动化系统的设计原则和要求 运行的可靠性 包括安全性和可信赖性 信息共享 充分体现综合性 技术的先进性 通信 结构上的灵活性 通信的可靠性运行模式的适应性 监控操作 手动 抗干扰能力标准化和开放性 28 变电站自动化系统的结构形式 其结构形式可以分为集中式 分布集中式 分散与集中相结合和全分散式等四种 一 集中式结构模式最早出现的变电站自动化系统为集中式结构 它是指采用不同档次的计算机 通过扩展其外围接口电路 集中采集变电站的模拟量 开关量和数字量等信息 集中进行计算和处理 分别完成继电保护 自动控制等功能 集中式结构又分为两种情况 一种是全站只用一台计算机 由它完成全站的全部保护 监控功能 另一种是微机保护 微机监控 与调度通信的功能分别由不同的计算机完成 每台计算机承担不同的任务 集中式自动化系统安装在主控制室内 TA TV的输出及至断路器的控制等由控制电缆连接 29 各种继电保护装置 主变压器TA 各线路TATV 断路器分合状态 断路器分合状态 监控计算机 A D模块 模拟量 DI 开关量 DO 模拟量 打印机 CRT Keyboard 通信控制器 调度中心 集中式结构 30 变电站自动化系统的结构形式 集中式的缺点 1 计算机的功能较集中 如果出现故障 影响面大 2 软件复杂 修改工作量大 系统调试麻烦 3 组态不灵活 4 保护不符合运行与维护人员的习惯 只适合于保护算法比较简单的情况 31 变电站自动化系统的结构形式 二 分布集中式系统组屏结构这种系统采用分层分布式的多CPU体系结构 传统的变电站综合自动化系统一般都是分成两层 分别称为变电站层和间隔层 根据国际电工委员会 IEC 的标准 新的变电站自动化系统分为三层 分别为变电站层 间隔层和过程层 过程层的出现 主要是为了满足新型智能化互感器和断路器的需要 间隔层一般按照断路器间隔划分 具有测量 控制及继电保护部件 负责该单元 线路 变压器等 测量 监视 断路器操作控制 SOE 继电保护 故障录波和记录等 每一个断路器间隔都有独立的不同功能的单元装置组成 这些单元装置称为智能电子装置 简称为IED 它们通过局域网络或串行总线与变电站层联系 32 总控制柜 主变压器保护 低压线路保护 电容器组保护 高压线路保护 监控用上位计算机 打印机 CRT Keyboard 通信控制器 调度中心 分布集中式结构 a 遥测输入 遥信输入 遥控输出 VQ控制 33 主变压器保护 低压线路保护 电容器组保护 高压线路保护 监控工作站 保护管理机 调度中心 分布集中式结构 b 遥测输入 遥信输入 遥控输出 数采管理机 故障录波器 VQC控制器 工程师工作站 通信工作站 调制解调器 总线 34 变电站自动化系统的结构形式 分布集中式系统组屏把整套综合自动化系统按其功能不同组装成多个屏 集中安装在主控制室中 保护 测控单元按间隔对象划分 由监控主机通过网络 总线对各个单元进行管理 特点如下 1 分布式的配置2 继电保护相对独立3 具有与系统控制中心通信的功能4 模块化结构 可靠性高5 室内工作环境好 管理维护方便 35 第三节变电站自动化系统的结构形式 四 分散与集中相结合的结构特点如下 1 10 35kV馈线保护采用分散式结构 就地安装 节约控制电缆 2 重要的保护装置处于比较好的工作环境 对可靠性较有利 3 其它自动装置中 备用电源自投控制装置和电压 无功综合控制装置采用集中组屏结构 安装与控制室或保护室中 4 电能计量可采用脉冲电能表或带串行通信接口的智能型电能计量表 5 系统提高网络相连 36 第三节变电站自动化系统的结构形式 突出的优点 1 简化了变电站二次部分的配置 大大缩小了控制室的面积 2 减少了施工和设备安装工程量 3 简化了变电站二次设备之间的互连线 节约了大量连接电缆 4 分散式结构可靠性高 组态灵活 检修方便 五 全分散式全分散式的结构是今后的发展方向 其原因是 一方面是分级分散式的自动化系统 具有如前所述的突出优点 另一方面 随着电 光传感器和光纤通信技术的发展 为分散式的综合自动化系统的研制和应用提供了有利的技术支持 37 第四节变电站自动化系统的通信技术 变电站自动化系统的数据通信 包括两方面内容 一是综合自动化系统内部各子系统或各种功能模块间的信息交换 另一是变电站与控制中心间的通信 一 变电站自动化系统的现场级通信在具有变电站层 间隔层 过程层的分层分布式自动化系统中 需要传输的信息有如下几种 1 设备层与间隔层间的信息交换2 间隔层内部的信息交换3 间隔层之间的通信4 间隔层与变电站层的通信5 变电站层的内部通信 38 第四节变电站自动化系统的通信技术 二 变电站自动化系统通信的特点与要求1 变电站通信网络的要求 1 快速的实时响应能力 2 很高的可靠性 3 优良的电磁兼容性能 4 分层式结构 2 信息传输响应速度的要求不同类型和特性的信息要求传送的时间差异很大 其具体内容有 1 经常传输的监视信息 2 突发事件产生的信息 3 各层次之间和每层内部传输信息时间的要求 39 第四节变电站自动化系统的通信技术 三 变电站自动化系统的通信方案 一 星型通信系统方案特点 1 通常用于以光纤为通信介质 因此具有光通信的自然隔离 高抗干扰性 高安全性的特点 适合于在变电站恶劣环境下使用 2 各I O单元及保护单元都与站级计算机独立通信 故需要独立的通道 互不影响 可靠性高 可维护性好 3 采用串行通信实现互连 简便易行 4 星型连接连线较多 尤其是站级计算机端接线较多 施工复杂 5 各I O单元及保护单元之间的横向通信必须通过站级计算机进行 复杂且效率不高 40 第四节变电站自动化系统的通信技术 二 总线型通信系统方案总线型通信系统是为克服星型连接的不足而采用的 这种方式以一条总线连接各分散的监控I O设备 保护设备及站级计算机 实现各单元的互连 三 环型通信系统方案环型拓扑由封闭的环组成 每个节点设备接到一个转发器 可根据层次 服务类型构成多环形式 实现监控I O设备 保护设备及站级计算机的信息交换与数据转发 总之 分散式变电站自动化系统的总体结构主要取决于通信系统 而总体性能在很大程度上也由通信系统的优劣来决定 采用光纤通信系统 可实现很高的可靠性和安全性 是一种很好的选择 41 第六节变电站的无功 电压综合控制 一 电压无功综合控制的目标具体的调控目标如下 1 维持供电电压在规定的范围内 2 保持电力系统稳定和合适的无功平衡 3 保证在电压合格的前提下使电能损耗为最小 对发电厂来说 主要的调压手段是调整发电机的励磁 在变电站主要的调压手段是调节有载调压变压器分接头位置和控制无功补偿电容器 42 第六节变电站的无功 电压综合控制 二 电压无功控制的原理典型的终端变电站一般有两台带负荷调节的主变压器 低压10kV母线分段 两段母线上各接有一组电容器组 控制系统的设计必须能识别并适应变电站多种运行方式 保证调节正确 另外 当进线 变电站发生不正常状态或故障时 应闭锁控制装置 1 调控原理介绍单一的辐射型网络的等值电路如图4 8所示 图中各参数以标幺值表示 Us为系统电源电压 可看作是恒定量 为高压网与变压器的总电阻 电抗 为低压线路的电阻和电抗 调节量为变压器变比n和补偿电容量 由图写出各节点的电压方程式 4 1 4 2 4 3 43 第六节变电站的无功 电压综合控制 2 电压调节对无功功率的影响当利用有载调压变压器分接头对低压侧电压调节时 不但改变了电压的高低 而对无功功率也有调节作用 当利用有载调压变压器的分接头开关调大变压器变比n 降低了低压侧的电压时 将随之变小 即负荷向系统吸取的无功减少了 当调高时 负荷向系统吸取的无功功率也随之增加 3 投退电容器组对电压的影响在变压器低压侧母线上投入并联电容器组 假设投入的电容器组电容量为C 相应补偿无功功率 则式 4 3 可改写为式 4 5 可见投入电容器组后 负荷向系统吸取的无功功率变小 无功功率引起的电压损耗也变小 即变压器负荷侧的电压升高 4 5 44 第六节变电站的无功 电压综合控制 三 电压无功综合控制的实现方法四 电压无功综合控制的策略1 九区域控制策略把变压器低压侧电压分为高压区 低压区和正常区域 把无功功率总量Q也划为上限区或下限区或及正常区域 于是U Q平面被划分为9个区域 其中只有 9 区间是满足运行条件 一旦运行参数值偏离 9 区间 则控制器就发出控制指令 使运行值返回到 9 区间 相当于吸取无功总量 对应于负荷低值功率因数 对应于高值功率因数 第九区域系正常运行区域 2 改进九区域控制策略有载调压变压器的分接头和并联电容器组综合控制 经过边界模糊处理和区域细分后的改进 九区图 控制方案如图4 10所示 横向表示无功 纵向表示电压 45 第七节不直接接地系统单相接地选线与测距 一 中性点不直接接地系统的单相接地选线方法 一 不接地系统单相接地故障时的选线单相接地故障时的特点 1 中性点位移电压为相电压 母线电压互感器开口三角形出现3U0电压 2 非故障线路电容电流就是该线路的零序电流 3 故障线路首端的零序电流数值上等于系统非故障线路全部电容电流的总和 其方向为线路指向母线 与非故障线路中零序电流的方向相反 该电流由线路首端的电流互感器反应到二次侧 这就是中性点不接地系统基波零序电流方向自动接地选线装置所用的工作原理 46 第七节不直接接地系统单相接地选线与测距 二 经消弧线圈接地系统单相接地故障时的选线中性点经消弧线圈接地的电网中 不能利用基波零序电流的数值大小和方向来作自动接地选线的依据 比较有效的判接地方案是五次谐波判别法和有功分量判别法 三 五次谐波判别法实现接地选线的原理系统中的电压电流均含有高次谐波分量 其中以五次谐波分量值最大 1 中性点经消弧线圈接地系统 在发生单相接地故障时 故障线路首端的五次谐波零序电流在数值上等于系统非故障线路五次谐波电容电流的总和 2 故障线路首端的五次谐波零序电流的方向与非故障线路中五次谐波零序电流方向相反 该结论就是中性点经消弧线圈接地系统的单相接地选线的判别依据 即五次谐波判别法 47 第七节不直接接地系统单相接地选线与测距 四 有功分量判别法接地选线的原理测量各线路基波零序电流中的有功电流分量 比较它们的大小 最大者即为接地线路 五 自动跟踪消弧线圈装置旧式消弧线圈存在的缺点 1 调整不能及时进行 2 单相接地选线不准确 1 自动跟踪消弧线圈原理介绍2 自动跟踪消弧线圈装置介绍包括Z形接地变压器 自动跟踪消弧线圈 阻尼电阻箱 微机自动跟踪控制器 微机测量控制器 48 第七节不直接接地系统单相接地选线与测距 二 输电线路故障测距根据测距原理的不同 输电线路故障测距方法可分为 1 阻抗法 根据故障时测量到的电压 电流量而计算出故障回路的阻抗 2 行波法 利用高频故障暂态电流电压的行波或故障后用脉冲频率调制雷达系统等间接判定故障点的位置 49 第八节故障录波 故障录波装置主要在500 220KV变电站及一些枢纽变电站中用作记录和分析电网故障的设备 分析电网故障主要是指分析系统动态过程各参数量的变化规律 变电站故障录波可根据需要采用两种方式实现 1 微机型故障录波装置的硬件结构 1 辅助变换器 用于变换电流 电压等模拟量 以适应单片微机的A D变换需求 2