电力系统自动化 3绪论 电力系统自动化基础.ppt

1、电力系统自动化 Automation of Power System,电子信息学院 电气工程教研室,第一章 电力系统自动化基础,电力系统是指由进行电能生产、变换、输送、分配和消费的各种设备按照一定的技术和经济要求有机组成的统一整体。它由发电厂、变电所、输配电线路及各种用电设备组成。 为了确保电力系统安全、优质、稳定、经济地运行，必须提高自动化水平。电力系统自动化除包括继电保护与自动装置外，电力通信、调度自动化及自动调控设备等二次系统的种种装备都是必备的。,1.1 概述,1.1.1 电力系统运行控制的特点 1. 电能不能大量储存 2. 电能供应的重要性 3. 暂态过渡过程十分迅速 4. 电力系统

2、结构复杂性,1.1.2 电力系统运行控制目标,电力系统运行控制的目标，就是始终保持整个电力系统的正常运行，安全经济地向所有用户提供合乎质量的电能。同时，在电力系统发生偶然事故的时候，能够迅速排除故障，防止事故扩大，并尽快恢复电力系统的正常运行。,1. 保证电力系统运行的安全可靠地运行 (1)、等式约束条件系统发出的总的有功功率和无功功率应在任一时间与总的有功和无功负荷(包括网损)相等，即 GiGi发电机i的有功功率和无功功率； PLjQLj负荷j的有功功率和无功功率； PLSQLS电力系统中各种配电和输电线路及设备的总有功功率和无功功率损耗。,(2) 不等式约束条件为了保证系统安全运行，有关电

3、气设备的运行参数都应处于运行允许值范围内，即 PGi PGimax PGimin分别为发电机i有功功率及其上、下限值； QGi QGimax QGimin分别为发电机i 无功功率及其上、下限值； Sij Sijmax Sijmin分别为输电线路i-j 和变压器的视在功率及其上、下限值； Ui Uimax Uimin分别为节点i 电压及其上、下限值； fi fimax fimin分别为系统频率及其上、下限值。,(3) 电力系统的运行状态 由两种约束条件可将系统的运行分为五种状态，即正常状态、预警状态、紧急控制状态、崩溃状态和恢复状态等。随着运行条件的改变，电力系统将在各种状态之间进行转换,2.

4、保证电能质量 衡量电能质量的标准是频率、电压和波形三项指标。 频率是电能质量标准中最严格的一项，频率允许的波动范围在我国是500.2 Hz(有的国家是500.1Hz)。 电压允许偏移范围一般是额定电压的5%左右。 发电机发出电压的波形是正弦波， 3. 保证电力系统运行的经济性 电力系统运行控制的目标，除了首要关注的安全问题和电能质量问题外，还应当合理安排各类发电厂所承担的负荷，力求降低发电成本，减少网络传输损失，已获得最大的经济效益，全面地提高整个电力系统运行的经济性。,1.2 电力系统自动化基本内容,电力系统自动化也是自动化的一种具体形式，它是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，通

5、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、调节和控制，以保证电力系统安全经济地运行和具有合格的电能质量。同时，电力系统自动化是由许多子系统组成的，每个子系统完成一项或几项功能。可以将电力系统自动化内容划分为电力系统调度自动化、发电厂自动化和变电站自动化等三部分。调度自动化又可分为发电和输电调度自动化(通常称为电网调度自动化)、配电网调度自动化(通常称为配电网自动化或配电自动化)。,1.2.1 电网调度自动化,基于模拟计算机和模拟通信信道的自动发电控制(Automatic Generation Control，AGC)，主要包括负荷频率控制(LFC)和经

6、济调度(ED) 调度中心计算机必须具有两个功能，其一是与所属电厂及省级调度等进行测量读值、状态信息及控制信号的远距离的可靠性高的双向交换，简称为电力系统监控系统，即SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）； 以AGC 软件包的形式和SCADA 系统结合，形成能量管理系统(Energy Management System，EMS)，很快EMS 的作用已超出AGC。,1. 电网调度的特点 电网调度自动化的特点是统一调度，分层控制。电力系统是一个庞大的产、供、销电能的整体。根据电力生产的特点，电网中的每一环节都必须在调度机构的统一领导下，随用电负

7、荷的变化而协调运行。就目前国内几大电网中所属的各类机组来看，如果没有统一的组织、指挥和协调管理，电网就难于维持正常的运行。我国电力体制实现厂网分开，已成立国家电网公司和南方电网公司。,电网统一调度一般包括如下内容。 (1) 由电网调度机构统一组织全网调度计划(或称电网运行方式)的编制执行，其中包括统一平衡和实施全网发电、供电调度计划，统一平衡和安排全网主要发电、供电设备的检修进度，统一安排全网的主接线方式，统一布置和落实全网安全稳定措施等。 (2) 统一指挥全网的运行操作和事故处理。 (3) 统一布置和指挥全网的调峰、调频和调压。 (4) 统一协调和规定全网继电保护、安全自动装置、调度自动化系

8、统和调度通信系统的运行。 (5) 统一协调水电厂、水库的合理运用。 (6) 按照规章制度统一协调有关电网运行的各种关系。,2. 电网的分层控制 所谓分级管理，是指根据电网分层的特点，为了明确各级调度机构的责任和权限，有效地实施统一调度，由各级电网调度机构在其调度管辖范围内具体实施电网管理的分工。 我国实行电网运行，其管理体制是五级分级调度管理。 3. 各级调度的职责,4. 各级电网调度自动化系统的功能 根据电网调度自动化系统的任务和职责，电网调度自动化系统应包括如下功能： 数据采集与监控(SCADA)功能。包括模拟量、状态量、脉冲量、数字量等数据的采集；系统或厂站的动态主接线、实时母线电压、发

9、电机有功和无功出力、线路潮流、实时负荷曲线、报表打印记录、系统操作和事件顺序记录信息的打印等信息的显示和记录；断路器和有载调压变压器分接头的远方操作，发电机的有功出力和无功出力远方调节的命令和控制；越限报警；实时数据库和历史数据库的建立；遥测量的合理性的检验、数据滤波、遥信量的可信度检验等预处理；事故追忆PDR(Post Disturbance Review)。,以SCADA功能为基础而实现的自动发电控制AGC(Automatic Generation Control)功能。 与AGC 相配套的在线经济调度控制EDC(Economic Dispatch Control)。 能量管理系统EMS(

10、Energy Management System)。EMS是现代电网调度自动化系统硬件和软件的总称，它主要包括SCADA、AGC/EDC以及状态估计、安全分析、调度员模拟培训等一系列功能。 由于各级调度中心的职责不同，因而对其调度自动化系统的功能要求也不同。另外，调度自动化系统的功能也有一个层次之分，高一级功能往往是建立在某一级功能基础之上的。,1.2.2 电厂自动化,发电厂自动化系统主要包括动力机械自动控制系统和自动发电量控制(AGC)系统和自动电压控制(AVC)系统。 火电厂需要控制的锅炉汽机等热力设备，大容量火力发电机组自动控制系统主要有计算机监视和数据系统、机炉协调主控系统和锅炉自动控

11、制系统。 水电厂则需要控制的是水轮机、调速器以及水轮发电机力励磁控控制系统等。一般而言，水电厂的自动化程度比火电厂要高,1.2.3 变电站综合自动化,变电站综合自动化是在变电站应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计算机硬件系统或自动化装置代替人工进行各种运行作业，提高变电站运行、管理水平的一种自动化系统。在变电站二次系统实现微型计算机(俗称微机)化以前的一个很长时期内，变电站常规二次系统的监控、保护和运动装置是分开设置的。这些装置不仅功能不同，实现的原理和技术也完全不同。它们之间互不相关、互不兼容，彼此独立存在且自成体系。因此，逐步形成了自动、远动和保护等不同的专业和相应的技术部门。它们

12、虽然以微机为基础，但仍然保持了微机监控、微机继电保护和微机远动装置分别设置、分别完成各自的功能及各自自成体系的配置和工作模式。此时的微机监控、微机保护和微机远动仍然分属于不同的专业技术部门。,1.2.4 配电自动化,配电是电力系统直接面向用户的功能，是电力系统的重要组成部分。配电网是电力生产和供应中的最后一个环节，与千家万户直接密切联系。它是由配电变电所、柱上变压器、配电线路、各种断路器、开关以及各种保护装置和无功补偿装置所组成。配电系统最大的特点是供电设备极端的分散，与用户直接相关。接线方式虽然大多数为干线式，但可以分段串联，运行方式变换灵活。,主要任务如下。 (1) 保证配电网重要用户的供

13、电，控制负荷，使供电、用电平衡，提高负荷的利用率。 (2) 随时掌握配电网的运行状态，及时调整配电网设备的运行，使有功功率分布合理。 (3) 及时调整无功功率补偿设备的运行，保证符合供电电压的质量。 (4) 降低配电线路的线路功率损耗，提高配电网运行的经济性。 (5) 发生事故时，迅速获取信息，及时处理事故，保证用户的供电并尽量缩短对用户的停电时间。,我国的配电自动化采用三种基本功能模式。 (1) 就地控制的馈线自动化。 (2) 集中监控模式的配电自动化。 (3) 集中监控模式的配电自动化与配电管理相结合的模式。对于近期采用较多的后两种模式，都采用分布式总体结构，一般分为两层(主站、远方终端)

14、或三层(主站、子站、远方终端)。主站至子站、子站至远方终端间通过网络联在一起，形成统一的配电自动化系统。 总之，配电自动化需要有有效的信息传输系统来传递配电网控制中心与大量远动终端装置之间的数据和控制信息。随着计算机技术、通信技术、控制理论及其信息处理技术的发展，配电自动化系统水平一定会有一个较大的提高。,1.3 电力系统自动化发展趋势,1.3.1 控制理论的应用 随着电力装机容量和供电区域的不断扩大，电力系统的结构和运行方式越来越复杂多变。同时对供电质量、供电可靠性和运行经济性的要求越来越高。半个世纪来，电力系统自动化理论的发展经历了三个阶段。 (1) 20世纪60 年代之前在经典控制理论阶

15、段。 (2) 20世纪70 年代注入了控制论，形成以计算机为基础的现代控制论阶段。 (3) 20世纪90 年代以后注入了经济理论，从而达到电力市场的理论阶段。,1.3.2 数字化电力系统的概念与构架 电力系统是由原动机、发电机、电力网络、负荷和控制中心等组成的。原来的电力网络是不可控的。近年来，随着电力电子技术的发展，柔性交流输电技术(FACTS)设备引入了电力网，使电力网络也变成是可控的了。然而在电力系统增加了灵活性的同时，也增加了它的复杂性。图1.4 表示的是两个大区域网络互联的电力系统。在它们之上还有高一级的调度中心，这可以说是多区互联电力系统的一个一般的结构形式。 数字电力系统(Dig

16、ital Power System，DPS)的涵义，是指对某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、科技活动等数字地、形象化地和实时地描述与再现。,1.3.3 电力自动化系统新技术与趋势 电网SCADA 系统。随着计算机技术、控制技术、通信技术和电力电子技术的不断发展，“电力系统自动化”无论其内涵或外延都发生了巨大的变化。如今电力系统已经成为一个CCCPE 的统一体，即计算机(computer)、控制(control)、通信(communication)和电力电子(power electronics)的产生、输送、分配装置以及电力电子装置。当然，在21

17、 世纪，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作。自动化设备所占的投资比例虽然不大，但其重要性与主设备同样。 现代社会对电能供应的“安全、可靠、经济、优质”等各项指标的要求越来越高，电力系统自动化技术不断地由低到高由局部到整体的发展。,当今电力系统的自动化技术正趋向于： (1) 由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展； (2) 柔性交流输电技术(FACTS)的发展进一步提高输电、配电自动化水平； (3) 在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展； (4) 在设计分析上日益要求面对多级系统模型来处理问题； (5) 在理论工具上越来越多地借助现代控制理论； (6) 在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用； (7) 在研究人员的构成上日益需要多“兵种”的联合作战。,整个电力系统自动化的发展则趋向于： (1) 由开环监测向闭环控制发展，例如从系统功率总加到AGC(自动发电控制)； (2) 由高电压等级向低电压扩展，例如从