济南大学工厂供电第7章

内容提要：本章介绍了供电系统的基本功能以及变电所综合自动化系统的结构，还介绍了备用电源投入装置、自动重合闸装置、中性点不接地系统单相接地自动选线装置，最后介绍了电力负荷管理和控制。,第7章 供电系统变电所的自动化,第7章 供电系统变电所的自动化,第一节 概述第二节 变电所自动化系统的基本功能第三节 变电所综合自动化系统的结构第四节 备用电源自动投入装置第五节 自动重合闸装置第六节 变电所的电压、无功综合控制第七节 中性点不接地系统单相接地自动选线装置第八节 电力负荷管理与控制,第一节 概述,一、常规变电站状况,常规变电站的二次系统（机电式）：由继电保护、就地控制、远动装置、录波装置组成。,实用中，按功能组织有保护屏、控制屏、录波屏、中央信号屏等,每个一次设备都与这些屏有关，连线复杂。,缺陷：1）安全性、可靠性不高。2）电能质量可控性不高。3）占地面积大。4）实时计算和控制性不高。5）维护工作量大。,二、变电所综合自动化的基本概念,变电所综合自动化系统就是将变电所的继电保护装置、控制装置、测量装置、信号装置综合为一体，以全微机化的新型二次设备替代机电式二次设备，用不同的模块化软件实现机电式二次设备的各种功能，用计算机局部网络通信替代大量信号电缆的连接，通过人机接口设备，实现变电所的综合自动化管理、监视、测量、控制及打印记录等所有功能。,变电所综合自动化系统的特点：,1）功能综合化。2）结构微机化。3）操作监视屏幕化。4）运行管理智能化。,三、变电所自动化系统的目标,1）在中、低压变电所中采用自动化系统，取消常规的保护、监视、测量、控制屏，以全面提高变电所的技术水平和运行管理水平，并逐步实行无人值班，达到减员增效的目的。,2）对于高压大型枢纽变电所的建设和设计来说，采用自动化系统，解决了各专业在技术上保持相对独立而造成的互相脱节、重复投资，甚至影响运行可靠性的弊端。达到提高自动化水平和运行管理水平的目的。,第二节 变电所自动化系统的基本功能,变电所综合自动化从其构成和所完成的功能看，是将变电所的监视控制、继电保护、自动控制装置和远动等所要求的功能组合在一起，通过计算机硬件、模块化软件和数据通信网络构成一个完整的系统。,变电所综合自动化的功能,继电保护功能,监视控制功能,自动控制装置的功能,远动及数据通信功能,1. 继电保护功能,微机保护主要包括线路保护、电力变压器保护、母线保护、电容器保护、备用电源自动投入装置、自动重合闸装置。,2）继电保护的通信功能及信息量。,1）有独立的、完整的继电保护功能。,3）具有与系统统一时钟对时功能。,与监控系统通信，主动上传保护动作时间、动作性质、动作值、动作名称、按控制命令上传当前的保护定值,4）存储各种保护定值功能。,5）当地显示与远处观察和授权修改保护定值。,6）设置保护管理机或通信控制机。,7）故障自诊断、自闭锁和自恢复功能。,8）自动重合闸功能。,2. 监视控制功能,1）实时数据采集与处理,采集变电所运行实时数据和设备运行状态，包括各种状态量、模拟量、脉冲量、数字量和保护信号，处理后存数据库。,模拟量：进线电压、电流和功率值；各段母线电压、电流；线路的电压、电流和功率值；主变压器电流、功率值；电容器的电流、无功功率及频率、相位、功率因数；主变压器的油温、变压所室温、直流电源电压。,状态量：断路器状态、隔离开关状态、有载调压变压器分接头的位置信号、继电保护动作信号、无功补偿电容器的投切开关位置状态。,脉冲量：脉冲电能表输出的电能量。,2）运行监视功能,主要指对变电所的运行工况和设备运行状态进行自动监视，即对变电所的各种状态量变化情况的监视和各种模拟量的数值监视。,3）事故顺序记录与事故追忆功能,事故顺序记录是对变电所内的继电保护、自动装置、断路器等在事故时动作的先后顺序自动记录。时间应精确到毫秒级。并在CRT上显示和打印。,事故追忆是对变电所内的一些主要模拟量在事故前后一段时间内作连续测量记录。,4）控制及安全操作闭锁功能,指操作人员可通过CRT屏幕对断路器、隔离开关进行分闸、合闸操作；对变压器分接头进行调节控制；对电容器组进行投、切控制，同时要能接受遥控指令，进行远方操作；所有的操作控制均能就地和远方控制、就地和远方切换相互闭锁，自动和手动相互闭锁。,操作管理权限按分层（级）原理管理。,5）数据处理与记录功能,如主变压器和线路的有功功率、无功功率每天的最大值、最小值及相应时间；母线电压每天定时记录的最高值、最低值及相应时间；断路器动作次数；控制操作和修改定值记录等,6）人机联系功能,7）自诊断功能,对监控系统的硬件、软件自诊断。,3. 自动控制装置的功能,如电压、无功综合控制；低频减负荷控制；备用电源自动投入装置；小电流接地选线控制。,4. 远动与数据通信功能,变电所综合自动化的通信功能包括系统内部的现场级间的通信和自动化系统与上级调度的通信两部分。,第三节 变电所综合自动化系统的结构,一、 变电所综合自动化系统设计的原则,根据变电所在供电系统中的地位和作用，对变电所自动化系统的结构设计应考虑可靠、实用、先进的原则。,可靠性是变电所自动化系统结构设计的基础，系统本身应有较强的抗干扰能力和自检恢复功能，在系统运行中，继电保护的动作行为仅与保护装置有关，不依赖于监控系统和其他环节，保证自动化系统中某一环节故障只影响局部功能的实现，不影响保护子系统的正常工作。且都应设有手动跳、合闸功能及防跳功能。,变电所自动化系统的实用性是要求对自动化系统的结构和功能设计从实际应用的对象出发。从而提高变电所自动化系统性能价格比，减少投资。同时系统本身在结构配置上应有可扩充余地、通用性要强、操作使用要方便、便于修改和增删。,变电所自动化系统的先进性通常是以系统的整体结构、功能水平及其可靠性、实用性等综合指标为衡量依据的。变电所自动化系统的整体结构和功能水平设计，要求安全可靠、运行稳定、经济效益等综合指标好，并为变电所的进一步自动化和人工智能应用提供平台，满足和促进变电所无人值班的实施。同时应符合国家或部颁标准，使系统开放性能好，便于升级。,二、变电所综合自动化系统的结构,按结构模式,集中式,分布集中组屏,分布分散式,图7-1 集中式变电所自动化系统结构示意图,1. 集中式,特点：集中采集数据信息，集中进行 处理。,缺点：可靠性低，功能有限，系统 的扩充性和维护性都较差。,优点：具有自动化系统的基本功能 造价低。,集中式变电所自动化系统，一般适合于小型变电所的新建或改造。,2、分布集中组屏式变电所自动化系统,图7-2 分布集中组屏的变电所自动化系统结构示意图,优点：便于扩充和维护，其中一个环节故障，不会影响其它部分的正常运行。,特点：将变电所内各回路的数据采集单元、控制单元和保护单元分别集中安装在变电所控制室内的数据采集柜、控制柜和保护柜中，相互间通过网络与控制主机相连。,适用于主变电所的回路数相对较少，一次设备比较集中，从一次设备到数据采集柜和控制柜等所用的信号电缆不长，易于设计、安装和维护管理的1035kV供电系统变电所。,图73 分布分散式变电所自动化系统结构示意图,3. 分布分散式,特点：1）将变电所内各回路的数据采集、微机保护及监控单元综合为一个装置，就地安装在 数据源现场的开关柜上。2）每个回路对应一套装置，装置的设备相互独立，通过网络电缆连接，与变电所主控 室的监控主机通信。,优点：减少了所内的二次设备 及信号电缆；系统中任一部分故障，只影响局部；提高了可靠性，增强了系统的可扩展性和运行的灵活性。,三、变电所综合自动化系统的硬件配置,1. 模拟量的采集与处理,直流采样,交流采样,(1) 模拟量采集,(2) 算法简介,两点采样算法、导数算法、采样值积算法,傅氏算法,2. 开关量的检测与识别,A. 开关量的隔离与抗干扰,B. 开关量的采集方式与检测,C. 开关变位的识别,第四节 备用电源自动投入装置,在具有两个独立电源的变电所或电气设备上，若其中一个电源不论任何原因，失电而断开时，另一个电源便自动投入，恢复供电。能自动而迅速地将备用电源投入工作的装置称为备用电源自动投入装置，简称APD。,备用电源自动投入装置(APD),一. 概念,二. 备用电源自动投入装置的种类,明备用暗备用,针对明备用的APD针对暗备用的APD,工作电源与备用电源的接线方式可分为两大类：明备用: 在正常时，备用电源不投入工作，只有在工作电源发生故障时才投入工作。暗备用: 在正常时，两电源都投入，互为备用。,在正常情况下，QF1闭合，QF2断开，负荷由工作电源供电。,当工作电源故障时，APD动作，将QF1断开，切除故障电源，然后将QF2闭合，使备用电源投入工作，恢复供电。,图74 备用电源接线方式示意图a)明备用,正常情况下，QF1,QF2闭合，QF3断开，两个电源分别向两段母线供电。,若电源A(B)发生故障，APD动作，将QF1(QF2)断开，随即将QF3闭合，此时全部负荷均由B(A)电源供电。,图74 备用电源接线方式示意图 b)暗备用,三. 对备用电源自动投入装置的基本要求,1）当常用电源失压或电压很低时，APD应将此路电源切除，随即将备用电源投入， 以保证不间断地向用户供电。2）常用电源因负荷侧故障被继电保护装置切除或备用电源无电时，APD均不应动作。3） APD只应动作一次。以避免将备用电源合闸到永久性故障上去。4） APD的动作时间应尽量缩短。5）电压互感器的熔丝熔断或其刀开关拉开时， APD不应误动作。6）常用电源正常的停电操作时APD不能动作，以防止备用电源投入。,四.对明备用的备用电源自动投入的基本原理,正常时，WL1工作，WL2备用,QF1合闸，QF2分闸,故障时 工作电源失电，QF1跳闸，QF1 3-4触点断开，KT失电，KT触点延时打开，QF1 1-2触点已闭合，合闸接触器KO带电，使QF2的合闸线圈YO带电，QF2合闸，投入备用电源。,WL2投入后，KT的延时断开触点断开，切断KO的回路，同时QF2 1-2触点断开，防止YO长期通电,QF1合闸，QF1 3-4触点闭合，KT带电，KT触点闭合，QF1 1-2触点断开，合闸接触器KO不带电，使QF2的合闸线圈YO不带电，QF2不会合闸。,五.对暗备用的备用电源自动投入的基本原理,第五节 自动重合闸装置,自动重合闸装置（ARD）,对瞬时性短路故障，为了使线路重新投入，保证不间断供电，在供电系统中通常采用一种将保护装置所跳闸的断路器自动地再投入的装置，这种装置就是自动重合闸装置，简称ARD,1. 概念,一次重合闸,二次重合闸,三次重合闸,成功率80,成功率15,成功率5,2. 对自动重合闸装置的基本要求,1) 线路正常运行时，ARD应投入；值班人员利用控制开关或遥控装置将断路器断开 时， ARD不应动作；值班人员手动投入断路器，由于线路上有永久故障而保护跳 闸时， ARD不应动作。,2）除上述情况，当断路器因继电保护装置或其它原因跳闸时， ARD均应动作。,3）应优先采用控制开关的位置和断路器的位置不对应原则起动ARD。 即控制开关处在合闸位置而断路器实际处于断开位置时， ARD应起动。,4）对一次ARD，应保证只重合一次。 即使ARD装置中任一元件发生故障或接点粘住时，也应保证不能多次重合。,5） ARD动作后，应能自动复归，准备好下一次动作。,6）应能和保护装置配合，使保护装置在ARD前加速动作或ARD后保护加速动作。,3. 电气一次自动重合闸的动作原理,手动合闸时,按下SB1,KO带电,YO带电,QF合闸,手动跳闸时,按下SB2,YR带电,QF跳闸,线路发生故障时,保护KA动作,YR带电,QF自动跳闸,QF 3-4触点闭合,重合闸继电器KAR起动,KAR触点延时闭合,KO带电,YO带电,QF合闸,若为瞬时性故障，则重合成功，恢复供电。,若为永久性故障，KA动作，再次跳闸，ARD有防跳措施，不会再次重合。,（三相一次重合闸）,在供电系统中，利用自动重合闸所提供的条件以加速切除故障,（1）自动重合闸前加速保护：重合闸前加速保护一般又简称“前加速”。,图7-6 重合闸前加速保护方式的构成原理示意图（a）网络接线图 （b）时间配合关系,假设均装设定时限过电流保护1，2，3,4. 自动重合闸与继电保护装置的配合,（2）自动重合闸后加速保护：每段线路相应均装设重合闸装置，当线路第一次出现故障时，利用线路上设置的保护装置按照整定的动作时限动作。然后相应的ARD动作，使断路器重合一次。,图77 自动重合闸装置后加速保护动作原理图,第六节 变电所的电压、无功综合控制,变电所电压、无功综合控制装置的控制对象是有载调压变压器的分接头和在低压母线上设置的并联补偿电容器组。控制的目的是保证主变压器低压侧母线电压在允许范围内，且尽可能提高进线的功率因数。,一、变电所电压、无功综合控制的目的,二、正常工作状态变电所电压、无功综合控制原理,图7-8 运行区域图,变电所低压母线电压,变电所进线的功率因数,1区间进线功率因数满足要求，但母线电压超越上限，控制器发出指令调节变压器分接头降压。如分接头已调到极限而电压仍高于上限，则强切补偿电容器组以调节电压。 2区间母线电压和进线功率因数均超越上限，此时往往电力负荷较小，控制器发出指令应先切补偿电容器组，一方面改善进线功率因数使其在正常值范围内，另一方面降低母线电压。如电压仍超越上限，则再调节变压器分接头降压。 3区间母线电压正常，但进线功率因数超越上限，控制器发出指令逐步切除补偿电容器组，以调节进线功率因数。 4区间电压低于下限，但进线功率因数超越上限。此时若先切补偿电容器调节进线功率因数，则母线电压会更低，所以指控制器指令先调节变压器分接头升压，待电压满足运行要求后，再切补偿电容器组来调节进线的功率因数。 5区间该区间的母线电压低于下限，而进线功率因数在要求范围内，则控制器指令调节变压器分接头升压。如果变压器分接头已调至极限位限时，则强制投入补偿电容器组来改善母线电压。,6区间进线功率因数和母线电压均低于下限值，此时，控制器优先发出投入补偿电容器组的指令。这样一方面提高进线功率因数；另一方面可改善母线电压，若母线电压仍低于下限，则再调节变压器分接头升压，使母线电压水平满足要求。 7区间电压正常，但进线功率因数低于下限要求，则指令投入补偿电容器组，以提高进线功率因数。 8区间运行参数是电压越上限，而进线功率因数低于下限值，如果此时，仅投入补偿电容器组来提高进线功率因数，会使母线电压进一步升高。因此，控制器指令先调节变压器的分接头降压，然后再投入补偿电容器组来提高进线的功率因数。,三、异常运行状态综合控制原理,1) 当电容器组因故障保护动作切除后，应能自动闭锁控制在未排除故障前不能再发出投入电容器组的指令。 2) 当电压太低时(如低于额定电压的80%)，应自动闭锁调压功能。 3) 在变压器过负荷时，应自动闭锁调压功能。 4) 为了避免控制器过于频繁动作，除在电压限值的上、下限范围内设置一定的调节死区处，还应在控制动作一次后，有一定的延时，在此时间内只监视运行情况，而不发出新的控制命令。,第七节 中性点不接地系统单相接地自动选线装置,一、中性点不接地系统单相接地自动选线装置的特点,中性点不接地系统单相接地自动选线装置，用于在不停电的情况下寻找故障线路。,二、中性点不接地系统基于基波零序电流方向单相接地自动选线装置的工作原理,1）由于单相接地故障，全系统将出现零序电流。 2）非故障回路（包括电源变压器回路）中的零序电流有效值等于正常情况下该回路每相对地的电容电流的3倍，其方向由母线指向线路。 3）故障回路上的零序电流为全系统非故障回路对地电容电流之总和，其方向由线路指向母线。 4）变电所低压母线上出线回路越多，则故障回路上反映的零序电流就越大，也越有利于单相接地自动选线装置的故障选线判断。,图7-9 中性点不接地系统单相接地时零序电流分布示意图,在线路 上k点发生A相接地故障后,图710 中性点经消弧线圈接地系统单相接地时零序电流分布示意图,第八节 电力负荷管理与控制,一、电力负荷管理,电力负荷管理从整体上讲，应包括负荷特性调查与管理决策、负荷分析与预测、负荷调整及直接控制等内容。,负荷特性调查与管理决策 不同类型的电力消费，有其不同的负荷特性。负荷特性调查的目的在于了解其特有的用电规律，以便为科学地管理负荷提供决策依据。,负荷分析与预测 研究各类用电负荷的构成以及随时间的变化规律，了解用电负荷的均衡程度，从中分析用电负荷调整的潜力。而正确预测负荷的增长，是确定电网建设发展规划，拟定系统运行方式，确定市场营销策略的基本依据。,负荷调整及直接控制 负荷调整是用电负荷管理的一项主要内容。在电力系统合理调度、及时调整发电厂发电出力的同时，合理调整用户供电系统的电力负荷，减小系统运行的负荷峰谷差，促使用电负荷曲线趋向平坦。负荷直接控制是指当电网发生事故或出现电力供应不足时，为保证电网的安全运行和重要负荷的用电，利用技术手段限制某些具有可控性、可替代性的负荷的运行；或在负荷高峰时段，对某些用电进行削峰或避峰施行的中断供电措施。,二、电力负荷管理系统的结构和功能,综合利用计算机技术、控制技术和通信技术，对用电负荷实施广泛的监测、控制和管理的技术手段即为电力负荷管理系统。,（一）分散型负荷管理装置,分散型负荷管理装置一般安装在电力用户的供电线路或需监控的大型设备上，按预先整定的时间或分时段定值对用电状况进行监控。,1.电力定量器,2.电力时控开关,（二）集中型负荷管理系统,集中型负荷管理系统由电力负荷管理中心、数据传输信道及安装在被监控侧的控制终端构成。其主要功能有：监测变电所馈电线路负荷、变电所馈电线路断路器、馈电线路末端电压和用户各种表计；在正常和紧急情况下，进行过负荷减载，削峰、填谷，调整负荷曲线，改善负荷率，包括降压减负荷、用户负荷周期控制和用户负荷切除；通过控制终端，将用户各种负荷信息传送给负荷管理中心，使供电部门掌握用户的负荷情况，进行跟踪处理。包括设备管理、负荷预计、负荷管理方案研究和评价等。根据所采用的信息传输方式有：音频电负荷管理、无线电负荷管理和电力线载波负荷管理。,1.无线电力负荷管理,无线电负荷管理系统采用特高频（我国为230MHz频段）无线电信号传送信息和数据，系统的特点是远方终端数量多，但每个终端的实时信息量不大，而且对实时性的要求也比变电站自动化系统或电力调度系统要低些。且具有双向通信、不与强电系统耦合、安装调试和运行方便等优点，因而在工程中获得广泛应用。,图7-11 电力负荷管理系统管理中心组成示意图,无线电力负荷管理的主要功能有： 1）利用遥测、遥控以及当地功率定量或电量定量控制等功能对广大用户负荷实时监控，迅速调整电网负荷，保证电网安全。 2）对采集的各类负荷数据分析处理，进行负荷预测和电力市场预测。 3）对上网电厂的上网电力进行监控，保证大电网的安全经济运行和环境保护。 4）对大中型电力用户的电能计量装置进行远方自动抄表，并与变电所、配电变压器等电能量抄表相结合，进行科学的线损分析和处理。 5）实施催交电费。并及时发现电能表故障和窃电现象。 6）利用系统的遥