自动装置及同步发电机的自动并列

1、North China Electric Power University第一讲 自动装置及同步发电机的自动并列主讲人：李岩松North China Electric Power Universitypage22022-5-7复杂自动化系统分层控制复杂自动化系统分层控制被控设备被控设备直接控制器直接控制器监督功能监督功能寻优功能寻优功能协调、安全调度等功能经营与管理x x1 1x x2 2u u2 2u u1 1r r1 1r r2 2x x1 1x x2 2+ +协议、市场及原料等协议、市场及原料等第一层第一层第二层第二层第三层第三层第四层第四层第五层第五层2 自动电压调节1 自动并列4 调

2、度自动化5 状态估计6 安全调度7 自动调频8 低频减载North China Electric Power Universitypage32022-5-7发电自动控制发电自动控制控 制 对 象自动控制装置控制信息测量信息North China Electric Power Universitypage42022-5-7自动装置硬件组成形式自动装置硬件组成形式1、微型计算机系统2、工业控制计算机系统3、集散控制系统(Distributed Control System-DCS)现场总线系统(Fieldbus Control System-FCS) 对于控制功能单一的自动装置,其输入输出的电气量

3、较少,适于采用微型计算机系统,如同步发电机自动并列装置. 对于控制功能要求较高,软件开发任务繁重的系统,适于采用工控机系统,如发电机励磁自动调节系统. 对于分散的多对象的成套监测控制装置适于采用DCS或FCS,如发电厂、变电站远动装置和电厂机炉集控系统。North China Electric Power Universitypage52022-5-71 1 微型计算机系统微型计算机系统定义（本课程）：把较简单的、借助于特定开发平台定义（本课程）：把较简单的、借助于特定开发平台才能编程的系统称为微型计算机系统。才能编程的系统称为微型计算机系统。微型计算微型计算机系统机系统1 传感器传感器2 采

4、样保持器采样保持器3 模拟多路开关模拟多路开关4 A/D转换器转换器5 存储器存储器6 通信单元通信单元7 中央处理单元中央处理单元CPU8 外部设备外部设备North China Electric Power Universitypage62022-5-7微型计算机系统逻辑结构微型计算机系统逻辑结构North China Electric Power Universitypage72022-5-7微型计算机系统组成单元微型计算机系统组成单元1、传感器、传感器：将非电量（压力、温度、转速）和电量（电压、电：将非电量（压力、温度、转速）和电量（电压、电流、功率）转换为对应的计算机可以接受的弱电压

5、信号流、功率）转换为对应的计算机可以接受的弱电压信号2、模拟多路开关、模拟多路开关：在采样速度要求不高的场合，一般采用公：在采样速度要求不高的场合，一般采用公用用A/D转换器。在每一个时刻中只将一路模拟信号输入到转换器。在每一个时刻中只将一路模拟信号输入到A/D.目的目的简化电路，降低成本。简化电路，降低成本。3、采样、采样/保持器保持器：A/D转换器完成信转换器完成信号转换需要一段时号转换需要一段时间，在这段时间内间，在这段时间内,输入到输入到A/D的模拟的模拟信号需保持不变，信号需保持不变，由由S/H完成。完成。North China Electric Power Universitypa

6、ge82022-5-7微型计算机系统组成单元微型计算机系统组成单元5、存储器、存储器：用于计算机数据缓存，提供进一步的数据处理。：用于计算机数据缓存，提供进一步的数据处理。6、通信单元、通信单元：包括：包括通信控制器和通信收发器。通信控制器和通信收发器。通信控制器通信控制器用于控制通信过程，确定通信的数据、地址以及用于控制通信过程，确定通信的数据、地址以及建立建立/拆除通信的数据链路。拆除通信的数据链路。通信收发器通信收发器用于处理通信的物理层功能，包括物理引线的排用于处理通信的物理层功能，包括物理引线的排列、机械特性和物理电平等。列、机械特性和物理电平等。7、CPU及外设及外设：自动装置的核

7、心部件，对系统的工作进行控制：自动装置的核心部件，对系统的工作进行控制和管理，对采集的数据作处理，根据要求做出判断和发出指令等。和管理，对采集的数据作处理，根据要求做出判断和发出指令等。4、A/D转换器转换器：将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，：将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，它是影响数据采集速率和精度的主要因素之一。它是影响数据采集速率和精度的主要因素之一。North China Electric Power Universitypage92022-5-72 2 工业控制计算机系统工业控制计算机系统工业控制计算机工业控制计算机由稳压电源、机箱和不同功能的总线由稳压电源、机箱

8、和不同功能的总线模板，以及键盘（显示器）等外设接口组成。模板，以及键盘（显示器）等外设接口组成。工业控制计算机系统中的内部总线种类繁多，比较常用的主要有工业控制计算机系统中的内部总线种类繁多，比较常用的主要有：STD、PC104总线总线等。等。STD总线总线共有共有56根总线，信号之间的隔离消除了大部分总线上根总线，信号之间的隔离消除了大部分总线上的干扰，单元为小模板结构，每块模板具有独立性，实现了板级的干扰，单元为小模板结构，每块模板具有独立性，实现了板级功能分散。功能分散。North China Electric Power Universitypage102022-5-72 2 工业控制

9、计算机系统工业控制计算机系统STD总总线线的的功功能能单单元元1 CPU单元单元STD总线的主处理单元，处理数据、总线的主处理单元，处理数据、地址和控制功能。一般含有高速地址和控制功能。一般含有高速CPU和协处理器。和协处理器。2 A/D单元单元提供模拟提供模拟/数字转换接口，模数转换和数数字转换接口，模数转换和数据读取由据读取由CPU单元控制，也可以由外部触发。单元控制，也可以由外部触发。3存储器单元存储器单元作为通用存储器的扩展卡，含有译码、作为通用存储器的扩展卡，含有译码、存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。4存储器单元存储器单元作为通用存储器

10、的扩展卡，含有译码、作为通用存储器的扩展卡，含有译码、存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。5系统支持单元系统支持单元包括设置开关、后备电池、实时时钟、包括设置开关、后备电池、实时时钟、看门狗看门狗watchdog、上电复位、总线终端网络和通信口等。、上电复位、总线终端网络和通信口等。6外设单元外设单元包括定时器单元、包括定时器单元、I/O单元、键盘显示板单元、键盘显示板电源板等，用于与外部信号和设备接口和操作。电源板等，用于与外部信号和设备接口和操作。North China Electric Power Universitypage112022-5-

11、73 3 集散控制系统集散控制系统DCSDCS集散控制系统集散控制系统计算机网络技术与工业控制计算机系统相结计算机网络技术与工业控制计算机系统相结合，由若干数据采集测控站和上位机及通信线路组成。合，由若干数据采集测控站和上位机及通信线路组成。数据采集测控站数据采集测控站由单由单片机数据采集控制装置组片机数据采集控制装置组成，位于设备附近，上传成，位于设备附近，上传数据执行控制命令。数据执行控制命令。上位机上位机采用工业控制机或工作站，配置打印机和其他外设。采用工业控制机或工作站，配置打印机和其他外设。采用双机热备用方式。分析处理上传数据、数据存储、系统协调、采用双机热备用方式。分析处理上传数据

12、、数据存储、系统协调、集中显示、打印报表。最重要的是根据数据处理结果确定控制参集中显示、打印报表。最重要的是根据数据处理结果确定控制参数和方法，将结果下达给数据采集测控站。数和方法，将结果下达给数据采集测控站。通信接口通信接口数据结构采数据结构采用串行方式，访问方式为用串行方式，访问方式为令牌形式。令牌形式。North China Electric Power Universitypage122022-5-74 4 现场总线系统现场总线系统FCSFCS现场总线系统现场总线系统将分散在现场的测控设备转变为网络节点，将分散在现场的测控设备转变为网络节点，以现场总线为纽带，连接成为可以相互沟通信息共

13、同完成自控任务以现场总线为纽带，连接成为可以相互沟通信息共同完成自控任务的网络型控制系统。的网络型控制系统。现场总线主节点：现场总线主节点：整个系统协调者，完成整个系统协调者，完成信息的发起功能，完成信息的发起功能，完成显示、输出、打印和数显示、输出、打印和数据存储等功能。据存储等功能。现场总线从节点：现场总线从节点：系统终端设备的执行者，系统终端设备的执行者，不能发起信息，可以完不能发起信息，可以完成接收、查询等。成接收、查询等。路由器路由器主要完成路主要完成路由、中继、数据交换等由、中继、数据交换等功能。功能。North China Electric Power Universitypag

14、e132022-5-7第二章 同步发电机的自动并列 重点讲解发电机同步准同期并列的自动化原理. 这是将同步发电机投入电网进行并列运行以组成电力系统的基本步骤.North China Electric Power Universitypage142022-5-7一、同步并列与准同期一、同步并列与准同期发电机投入电力系统参加并发电机投入电力系统参加并列运行的操作称为列运行的操作称为“并列操并列操作作”。同步发电机的并列操作称为同步发电机的并列操作称为“同期同期”。以近于同步运行。以近于同步运行条件进行的并列操作称为条件进行的并列操作称为“准同期准同期”。发电厂将一台发电机组用发电厂将一台发电机组用

15、准同期方式并入电厂母线。准同期方式并入电厂母线。将电力系统的两部分用准将电力系统的两部分用准同期的方式进行并列。同期的方式进行并列。并并列列操操作作North China Electric Power Universitypage152022-5-7同步发电机并列需遵循的基本原则同步发电机并列需遵循的基本原则1、并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能小，其瞬时、并列断路器合闸时，冲击电流应尽可能小，其瞬时最大值一般不超过最大值一般不超过1-2倍的额定电流。倍的额定电流。2、发电机并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，、发电机并入电网后，应能迅速进入同步运行状态，其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰

16、动。其暂态过程要短，以减少对电力系统的扰动。North China Electric Power Universitypage162022-5-7同步发电机的并列方法同步发电机的并列方法同同步步发发电电机机的的并并列列方方法法准准 同同 期期 并并 列列自自 同同 期期 并并 列列在电力系统正常运行的情况下，一般采在电力系统正常运行的情况下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。用准同期并列方法将发电机组投入运行。只有当电力系统发生故障时，为了迅速只有当电力系统发生故障时，为了迅速投入水轮发电机组，投入水轮发电机组，过去过去曾采用自同期曾采用自同期并列方法。并列方法。由于微机型数字式自动并

17、列方法已经趋由于微机型数字式自动并列方法已经趋于成熟，于成熟，现在也用准同期并列方法现在也用准同期并列方法投运投运水轮发电机组。水轮发电机组。North China Electric Power Universitypage172022-5-7同步发电机并列的理想情况同步发电机并列的理想情况发电机端电压为发电机端电压为GU电网电压为电网电压为XU两者之间的相量差为两者之间的相量差为XGSUUU当电网参数一定时，当电网参数一定时，冲击电流就取决于合冲击电流就取决于合闸瞬间闸瞬间 的值的值SU最理想的情况就是最理想的情况就是 的值为零，此时，的值为零，此时，QF合闸冲击电流为零。合闸冲击电流为零。

18、SUNorth China Electric Power Universitypage182022-5-7同步发电机并列的理想条件同步发电机并列的理想条件发电机并列的理想条件发电机并列的理想条件 并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相等。XGXGff或或1、频率相等、频率相等XGUU2、电压幅值相等、电压幅值相等0e3、相角差为零、相角差为零此时，合闸冲击电流为零，并列后发电机可以立即与电网同步运此时，合闸冲击电流为零，并列后发电机可以立即与电网同步运行，不会出现扰动现象。行，不会出现扰动现象。 实际上，待并发电机组调节系统实际上，待并发电机组调节

19、系统很难实现理想条件很难实现理想条件；在实际；在实际的操作中也的操作中也没有这样的苛求没有这样的苛求。只要合闸冲击电流小，不危及电。只要合闸冲击电流小，不危及电气设备，合闸后机组迅速进入同步运行，对电网影响小，不致气设备，合闸后机组迅速进入同步运行，对电网影响小，不致于引起任何不良后果即可。于引起任何不良后果即可。North China Electric Power Universitypage192022-5-7实际并列条件之一实际并列条件之一电压幅值差电压幅值差XUGUhIXGff0eXGUU并列时的电气状态：并列时的电气状态：可以计算得到冲击电流最大瞬可以计算得到冲击电流最大瞬时值：时值

20、：dSdXGhXUXUUi 55. 228 . 1max冲击电流主要为无功电流分量。冲击电流主要为无功电流分量。GUXU发电机电压、电网电压的有效值发电机电压、电网电压的有效值dX 发电机直轴次暂态电抗发电机直轴次暂态电抗North China Electric Power Universitypage202022-5-7实际并列条件之一实际并列条件之一电压幅值差电压幅值差冲击电流的电动力对发电机组的绕组产生影响，而定子冲击电流的电动力对发电机组的绕组产生影响，而定子绕组端部机械强度最弱，需特别注意对其造成的危害。绕组端部机械强度最弱，需特别注意对其造成的危害。并列操作是正常操作，冲击电流最大

21、瞬时值限制在并列操作是正常操作，冲击电流最大瞬时值限制在1-2倍的额定电流以下。倍的额定电流以下。为了保证机组的安全，我国规定电压差并列冲击电流不为了保证机组的安全，我国规定电压差并列冲击电流不允许超过机端短路电流的允许超过机端短路电流的1/201/10。据此，得到。据此，得到同期同期并列的一个条件：并列的一个条件：电压差电压差 不能超过额定电压的不能超过额定电压的5%10%.SU现在的一些大型发电机组规定现在的一些大型发电机组规定电压差不超过电压差不超过0.1%,以尽量避免无以尽量避免无功冲击电流功冲击电流North China Electric Power Universitypage21

22、2022-5-7实际并列条件之二实际并列条件之二合闸相角差合闸相角差GUXUhISUe并列时的电气状态：并列时的电气状态：XGffXGUU0e计算得到冲击电流最大瞬时值：计算得到冲击电流最大瞬时值：2sin255. 2maxeqXhXUi qX XU电网电压的有效值电网电压的有效值发电机交轴次暂态电抗发电机交轴次暂态电抗冲击电流主要为有功电流分量。冲击电流主要为有功电流分量。North China Electric Power Universitypage222022-5-7实际并列条件之二实际并列条件之二合闸相角差合闸相角差在有相角差的情况下合闸后，发电机与电网间立刻进行在有相角差的情况下合

23、闸后，发电机与电网间立刻进行有功功率的交换，使得发电机组的联轴受到冲击，这对有功功率的交换，使得发电机组的联轴受到冲击，这对于发电机组和电网均产生不利影响，为了保证机组安全，于发电机组和电网均产生不利影响，为了保证机组安全，一般将有功冲击电流限制在较小的范围内。一般将有功冲击电流限制在较小的范围内。例如：一般规定，汽轮发电机组不允许因相角差产生的例如：一般规定，汽轮发电机组不允许因相角差产生的冲击电流值为发电机空载时突然发生机端短路的冲击电冲击电流值为发电机空载时突然发生机端短路的冲击电流值的流值的1/10ddeqeXXX 1sin10sin10可以得到最大允许并列误差角：可以得到最大允许并列

24、误差角：oeerad73. 51 . 0sinmaxNorth China Electric Power Universitypage232022-5-7实际并列条件之三实际并列条件之三频率差频率差XUGUSUGXj2tX1tGe并列时的电气状态：并列时的电气状态：XGUU0eXGff断路器断路器QF两侧的电压差为脉两侧的电压差为脉动电压：动电压：21sinsintUtUuXmXGmGS021tUttUuXGSXGXGmGS2cos2cos2sin2脉动电压的幅值脉动电压的幅值North China Electric Power Universitypage242022-5-7实际并列条件之三

25、实际并列条件之三频率差频率差Su 是幅值为是幅值为 ,频率接频率接近工频的交流电压波形。近工频的交流电压波形。SU2sin22sin22sin22sin2emXemGSmGXGmGSUUtUtUUXGSSSf22ST脉动电压周期脉动电压周期 、滑差频率、滑差频率 、滑差角频率、滑差角频率 都可以都可以用于表示待并发电机的频率与电网之间或两并列电网频用于表示待并发电机的频率与电网之间或两并列电网频率之间的相差程度。率之间的相差程度。SSfSTNorth China Electric Power Universitypage252022-5-7实际并列条件之三实际并列条件之三频率差频率差此时的合闸

26、相角差是时间的函数，与发出合闸时间有关。此时的合闸相角差是时间的函数，与发出合闸时间有关。若发出合闸信号的时刻不恰当，就会产生较大的冲击电若发出合闸信号的时刻不恰当，就会产生较大的冲击电流，若发出合闸信号的时刻恰当，就会在流，若发出合闸信号的时刻恰当，就会在QF两侧电压相两侧电压相量重合时合闸，冲击电流为零。量重合时合闸，冲击电流为零。若并列时频率差较大，即使合闸相角差很小，满足要求，若并列时频率差较大，即使合闸相角差很小，满足要求，也需要发电机经历一段时间的加速或者减速过程，才能也需要发电机经历一段时间的加速或者减速过程，才能实现同步。加速或减速力矩会对机组造成冲击，严重时实现同步。加速或减

27、速力矩会对机组造成冲击，严重时甚至会导致失步。甚至会导致失步。我国在发电厂进行人工手动并列操作时，一般限制滑差我国在发电厂进行人工手动并列操作时，一般限制滑差周期在周期在10S16S之间。之间。North China Electric Power Universitypage262022-5-7自同期并列自同期并列自周期并列自周期并列就是将一台未加励磁电流的发电机组升速就是将一台未加励磁电流的发电机组升速到接近于电网频率，滑差角频率不超过允许值，而且，到接近于电网频率，滑差角频率不超过允许值，而且，在机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并在机组的加速度小于某一给定值的条件下，首先合上并列断路器列断路器QF,接着立刻合上励磁开关，给转子加上励磁电接着立刻合上励磁开关，给转子加上励磁电流，在发电