绪论-杨冠城《电力系统自动装置原理》1

1、电力系统电力系统 自动装置原理自动装置原理 工程学院工程学院 v课程性质：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。 电力系统自动装置原理电力系统自动装置原理 电力系统自动装置原理电力系统自动装置原理 v教学目的：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。 v

2、课程任务：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 电力系统及其运行电力系统及其运行 1. 电力系统自动控制的划分电力系统自动控制的划分2. 电力系统自动化发展趋势电力系统自动化发展趋势3. 本课程的主要内容本课程的主要内容4. 绪绪 论论 v一、引言一、引言 v电力系统的电力系统的定义定义及及特点特点 v对电力系统运行的对电力系统运行的基本要求基本要求及电力系统正常运行的及电力系统正常运行的基基 本保障本保障 v二、电力系统自动控制的划分二、电力系统自动控制的划分 v一般的控制系统一般的控制系统 v电力系

3、统自动控制系统的分类电力系统自动控制系统的分类 一、何谓电力系统？一、何谓电力系统？ 电力系统的组成：电力系统的组成：发电机把机械能转化为电能，电能经变压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。炉、电灯等用电设备又将电能转换为机械能、热能、光能等。 由这些由这些生产、变换、传送、分配、消耗电能的电气设备联系生产、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在一起组成的统一整体就是电力系统。就是电力系统。 G T1 T2

4、SL 电力负荷电力负荷 发电机发电机 变压器变压器 变压器变压器输电电路输电电路 图：简单电力系统图：简单电力系统 电力网：电力网：变压器和不同电压等级输电线路组成的网络（由输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、变电、配电设备及相应的辅助系统组成），简称电网电网 电力系统：电力系统：发电机、电力网和用电设备组成发电机、电力网和用电设备组成 动力系统：动力系统：电力系统电力系统+发电厂的动力部分（火力发电厂的锅炉、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汽轮机和水力发电厂的水库、水轮机

5、以及核动力发电厂的反应 堆等）堆等） G G 火电厂火电厂 水电厂水电厂 变电所变电所 变电所变电所 输电线输电线 配电配电 配电网配电网 电力系统组成电力系统组成 中国电网区域划分中国电网区域划分 南方电网公司南方电网公司 国家电网公司国家电网公司 大型区域电网大型区域电网一般由一般由省级省级 或地市级电网组成或地市级电网组成，比如，比如 华中电网，他们的结构图华中电网，他们的结构图 如下：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、江西务。华中电网由河南电

6、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。相连，湖北电网与华东电网、南方电网相连。 中国电网区域划分中国电网区域划分 二、电力系统特点：二、电力系统特点： 结构复杂庞大：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电力系统的运行要求电力系统中的发电与用电及时 平衡平衡 ：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输电网络

7、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：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：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 v1.大机组、高电压、大电网互联系统 v2.新型设备的应用：HVDC、FACTS v3.新型能源的应用：核能、风力、潮汐、秸秆 二、电力系统特点：二、电力系统特点： v 1. 保证供电可靠保证供电可靠 v 2. 保证电能质量：频率、电压、波形保证电能质量：频率、电

8、压、波形 v3. 保证电力系统运行的经济性（环保）保证电力系统运行的经济性（环保） 基本要求基本要求 电能质量：电能质量： u频率频率 额定频率：额定频率： 50Hz50Hz 频率偏差和延时时间：频率偏差和延时时间：0.2Hz0.2Hz，持续时间小于，持续时间小于3030分钟分钟 u电压电压 电压偏差：电压偏差： 36kV36kV及以上：正负偏差的绝对值之和小于及以上：正负偏差的绝对值之和小于 额额 定电压的定电压的10%10%；220V220V：额定电压的：额定电压的+7%+7%、-10%-10% 三相平衡度：三相平衡度：2%2% u波形：波形：正弦波电压和电流有谐波畸变率的限制正弦波电压和

9、电流有谐波畸变率的限制 基本要求基本要求 基本保障基本保障 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。 电力自动化的必要性电力自动化的必要性 1. 电网规模扩大电网规模扩大 3. 管理方式转变管理方式转变 2. 电能质量要求电能质量要求 减员增效、无人值守、电子化管理减员增效、无人值守、电子化管理 u 一般控制系统的结构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 测量信息 控制信息 控 制 对 象 附加 信息 控 制 装 置 图图2：一般控制系统的结构：一般控制系统的结构 u 电力系统自控系统工作模

10、式电力系统自控系统工作模式 这是一个规模很大的综合自动化系统。这是一个规模很大的综合自动化系统。 二、电力系统自动控制的划分二、电力系统自动控制的划分 电力系统自动监视和控制电力系统自动监视和控制 电厂动力机械自动控制电厂动力机械自动控制 电力系统电气设备自动装置电力系统电气设备自动装置 电力系统中自控系统的划分电力系统中自控系统的划分 ： 电力系统远程监控与调度电力系统远程监控与调度 自动化系统，为电网调度自动化系统，为电网调度 服务，旨在提高电力系统服务，旨在提高电力系统 的安全、优质、经济运行的安全、优质、经济运行 水平水平 是电厂自动控制的主要组是电厂自动控制的主要组 成部分，需配置专

11、门的计成部分，需配置专门的计 算机进行监控；不同类型算机进行监控；不同类型 电厂差异很大（水轮机、电厂差异很大（水轮机、 汽轮机、核反应堆）。汽轮机、核反应堆）。 控制的对象是发电厂、变控制的对象是发电厂、变 电所电所电气设备电气设备 G G 火电厂火电厂 水电厂水电厂 变电所变电所 变电所变电所 输电线输电线 配电配电 配电网配电网 控制中心控制中心 远动通信远动通信 1 1. 电力系统自动监视和控制电力系统自动监视和控制 四遥：遥测、遥信、遥控、遥调四遥：遥测、遥信、遥控、遥调 3. 3. 电力系统自动装置电力系统自动装置 低频减载低频减载 调速器、励调速器、励 磁调节器磁调节器 并列并列

12、线路自动重合闸线路自动重合闸 备用电源自投备用电源自投 故障录波器故障录波器 电力系统自动装置的任务电力系统自动装置的任务 提高供电的可靠性提高供电的可靠性（如自动重合闸、备用电源自动投（如自动重合闸、备用电源自动投 入等装置）；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 员的劳动强度员的劳动强度（如自动调节装置、低频减载装置、自（如自动调节装置、低频减载装置、自 动并列装置等）；动并列装置等）； 自动记录故障过程，有利于分析处理事故自动记录故障过程，有利于分析处理事故（如故障录（如故障录 波器等）。波器等）。 u 包括发电自动控

13、制及发电厂、变电所电气主接线 运行操作的自动装置，分自动调节装置自动调节装置和自动操自动操 作装置作装置。 v自动调节装置：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） v自动操作装置：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) 3、 电力系统自动装置电力系统自动装置 电力系统自动装置器件电力系统自动装置器件 v1）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； v2）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； v3）保证系统频率水

14、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； v4）反事故安全自动装置自动重合闸ARD； v5）备用电源和备用自动投入ATS； v6）自动按频率减负荷AFL等。 v 北美北美“814”大停电！大停电！ v 美国东部时间（美国东部时间（EDT）2003年年8月月14日日16:11（北京时间（北京时间2003 年年8月月15日日4:11），）， 美国美国8个州和加拿大部分地区突然大规模停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。境内。 v 事故中至少有事故中至少有21座电厂停

15、运，其中包括位于美国座电厂停运，其中包括位于美国4个州的个州的9座核座核 电厂，约电厂，约5000万人受到影响，是世界有史以来最大的一次停电。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，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。该起事故由电力供应故障引发。 背景介绍背景介绍 v其中纽约州其中纽约州80%供电中断供电中断在纽约，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

16、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 背景介绍背景介绍 北美北美“814”大停电波及地区大停电波及地区 事故过程事故过程 v第一阶段： v （1）8月月14日日15:06 15:41，送电给俄亥俄州境内的克利，送电给俄亥俄州境内的克利 夫兰地区三条夫兰地区三条345kV线路线路ChamberlainHarding 、 HannaJuniper 、StarS. Canton 因与大树接触而跳闸。因与大树接触而跳闸。 （2） StarS. Canton线路切除后，送电到克利夫兰地线路切除后，送电

17、到克利夫兰地 区的多条区的多条138KV线路因严重过载切除；线路因严重过载切除； （3）16:06 SammisStar 345kV线路跳闸，由于此线路线路跳闸，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；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。加拿大与美国东部发生明显的功率摇摆。 又有两回线（又有两回线（E.LimaFostoria和和Muskin

18、gumOH Central）跳开，俄亥俄州北部功率严重不足，约）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，约至安大略省的潮流发生逆转，约200MW功率从安大功率从安大 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州中部两座电厂共计1800MW机组在机组在15s内相继跳内相继跳 闸，导致密歇根州电压崩溃。闸，导致密歇根州电压崩溃。 事故过程事故过程 第二阶段：第二阶段： v（5）16:10 Campbell 电厂电厂3号机组跳闸

19、；号机组跳闸； HamptonThetford 345kV线路跳闸；线路跳闸； OneidaMajestic 345kV线路跳闸；线路跳闸；ITC系统电压系统电压 崩溃，造成密歇根州崩溃，造成密歇根州30条线路跳闸，条线路跳闸，METC与与ITC 间的联络线断开，使间的联络线断开，使ITC成为孤岛。此时俄亥俄州成为孤岛。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 的功率达到的功率达到2800MW。 事故过程事故过程 第三阶段：第三阶段： v（6）16:11 Avon电厂电厂9号机组跳闸；号机组跳闸； BeaverDavis Besse

20、 线路跳闸；线路跳闸； MidwayLemoyneFoster 138kV线路跳闸；俄线路跳闸；俄 亥俄州亥俄州Perry 核电站的核电站的1号机组跳闸。号机组跳闸。 (9)16:17 Fermi 核电站全部机组跳闸。核电站全部机组跳闸。 (10)16:1716:21 密歇根州许多线路跳闸，并有以密歇根州许多线路跳闸，并有以 下发电机组退出运行：下发电机组退出运行：St. Clair 7号机组，号机组，Judd 电站机组，电站机组，Monroe 1、2 、3 号机组，号机组， Greenwood电站机组，电站机组，St.Clair 2、4、6号机组，号机组， Trenton 7、8、9号机组。

21、号机组。 事故过程事故过程 v此次事故此次事故停电停电29小时小时，共计，共计损失负荷损失负荷61800MW，受，受 停电影响人数停电影响人数5000万。直接损失为万。直接损失为10.5亿美元，间接亿美元，间接 损失约损失约300亿美元。亿美元。 v在在16：06分后的分后的8分钟内，分钟内，切除切除超过了超过了400条线路条线路， 531台发电机台发电机，而且大多是在最后，而且大多是在最后12S内切除的。内切除的。 事故分析事故分析 v 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

22、保住了主电线跳掉，造成了潮流大转移，切（甩）大量负荷而保住了主 系统没瓦解！系统没瓦解！ v 531台发电机切除原因复杂，有过电流、低电压、励磁系统故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；找不到切除原因； v 切（甩）负荷过多，使事故后系统频率和部分地区电压均高于切（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；额定值，说明其自动装置整定也不到家； v 事后分析证明，如果在装设了低压减载，切去事后分析证明，如果在

23、装设了低压减载，切去1500MW，则事，则事 故可能只局限于该区；故可能只局限于该区； v 有多重故障相继发生，导致此严重后果！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细小误动作和失控都将带来灾难性后果 事故分析事故分析 事故与自动控制装置的关系事故与自动控制装置的关系 v1.励磁控制 v2.无功分配 v3.频率调整 v4.低频减载 v5.低压减载 v6.发动机组自动并列 三、电力自动化系统新技术与趋势三、电力自动化系统新技术与趋势 当今电力系统的自动化技术正趋向于：当今电力系统的自动化技术正趋向于： （1 1）由发、输电自动

24、化向发、输、配电自动化全面发展；）由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展； （2 2）FACTSFACTS的发展进一步提高输电、配电自动化水平；的发展进一步提高输电、配电自动化水平； （3 3）控制策略：最优化、适应化、智能化、协调化、区域化）控制策略：最优化、适应化、智能化、协调化、区域化 （4 4）设计分析上：要求面对多级系统模型来处理问题；）设计分析上：要求面对多级系统模型来处理问题； （5 5）理论工具上：借助现代控制理论；）理论工具上：借助现代控制理论； （6 6）控制手段上：增多了微机、电力电子器件和远程通信）控制手段上：增多了微机、电力电子器件和远程通信 （7 7）研究人员上：需要多）研究人员上：需要多”兵种兵种“联合作战。联合作战。 整个电力系统自动化的发展趋势：整个电力系统自动化的发展趋势： （1 1）由开环监测向闭环控制发展；）由开环监测向闭环控制发展；AGCAGC （2 2）由高电压等级向低电压发展；）由高电压等级向低电压发展；EMC-DMCEMC-DMC （3 3）由单个