电力系统自动装置原理-自动装置

1、电力系统自动装置原理,肖先勇 教授 四川大学电气信息学院 智能电网四川省重点实验室 电能质量与电磁环境学省级重点实验室 2012年2月,电话Email：,典型停电事故1,美加大停电2003年8月14日16时11分，美国和加拿大相邻的一个变电站发生了事故，加拿大多伦多、渥太华断电，美国纽约、克利夫兰、底特律同时停电，酿成北美历史上最为严重的大停电事故。美国东北部的密歇根、俄亥俄、纽约等6个州以及加拿大的安大略省受到严重影响。停电波及9300平方英里，5000万人饱受断电之苦。估计整个经济损失在250亿300亿美元之间。北俄亥俄州的事故导致线路跳闸，从而引起200万千瓦潮

2、流变化，巨大的电力环流冲击使电网联络线相继跳闸，最后造成各地区电压崩溃，引起了这次大停电。,停电前后对比图,典型停电事故2,伦敦大停电2003年8月28日，英国伦敦和英格兰东南地区发生了大面积的停电事故，伦敦地铁等交通系统受到严重影响。这次停电的主要原因是安装了一个错误规格的保险丝，致使自动保护设备被误启动，自动切断了赫斯特、新克劳斯和威姆别利顿电站与电力传输系统的联系，使伦敦电力供应量瞬间减少了五分之一。由于电力缺额过大造成了这次大停电。,典型停电事故3,莫斯科大停电2005年5月25日10时许，俄罗斯首都莫斯科南部、西南和东南城区大面积停电，市内大约一半地区的工业、商业和交通陷入瘫痪。停电

3、损失至少为10亿美元。停电事故由恰吉诺变电站发生系列爆炸和火灾直接引起。该站建于1963年，设备均已老化。且电网处于超负荷运行状态，运行人员也未引起注意，缺乏严格的操作规程约束及协调手段。,典型停电事故4,印尼大停电2005年8月18日10点30分，爪哇岛至巴厘岛的供电系统发生故障，造成首都雅加达至万丹的电力供应中断，雅加达全部停电。同时，在西爪哇、中爪哇、东爪哇和巴厘地区的部分电力供应中断。约1亿人口受到这次停电的影响，仅雅加达纺织业公会预计该行业的损失就超过了550亿印尼盾。事故由位于爪哇岛的两个发电站出现故障所致。另外，随着印尼的经济发展，电力建设滞后，从爪哇到巴厘的输电系统也存在严重问

4、题。,典型停电事故5,洛杉矶大停电2005年9月12日中午，美国西部最大的城市洛杉矶发生大面积停电。停电引起了交通堵塞，许多人被困在电梯里，洛杉矶国际机场也一度受到影响。市区200多万人生活、工作受影响。事故原因主要是误操作引起的。当时，数名电工不慎将一配电站里的电缆切断后错接到另一根电缆上，从而造成了这次事故，继而引发三座电厂自动关闭而造成大部分地区瞬间电力中断。,美加814大停电事故过程,美国东部时间（EDT）2003年8月14日16:11（北京时间2003年8月15日4:11），以北美五大湖为中心的地区发生大停电事故，包括美国东部的纽约、密歇根、俄亥俄、马萨诸塞、康涅狄格、新泽西州北部和

5、新英格兰部分地区，以及加拿大的安大略等地区。这是北美有史以来最大规模的停电事故，也是继1965年、1977年以来的第三次大停电。停电涉及美国整个东部互联电网。至少21座电厂停运，包括位于美国4个州的9座核电厂，约5000万人受到影响，纽约州80%供电中断。,事故过程,第一阶段： （1）8月14日15:06 俄亥俄Chamberlain-Harding 345kV 线路跳闸，由克利夫兰地区供电受影响。在此之前的14:00，俄亥俄州北部第一能源公司Eastlake 电厂的550MW发电机组停运。（2）15:32 Hanna-Juniper 345kV线路跳闸，克利夫兰失去第二回电源线，电压降低；密

6、歇根州内线路潮流保持稳定。（3）15:41 Star-S. Canton 345kV线路跳闸。（4）15:46 Tidd-Canton Ctrl 345kV线路跳闸。克利夫兰附近电压恶化，密歇根州内线路潮流仍保持稳定。（5）16:06 Sammis-Star 345kV线路跳闸，致使俄亥俄北部供电不足，俄亥俄与密歇根州间潮流逆转，约200MW功率从密歇根州流向俄亥俄州。,动作装置：励磁控制装置；频率控制装置；无功控制装置,（6）16:08 加拿大与美国东部发生明显功率摇摆。又有两回线（E.Lima-Fostoria和Muskingum-OH Central）跳开，俄亥俄北部功率严重不足，约22

7、00MW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200MW功率从安大略省流向密歇根州。密歇根州电压下降，使密歇根州中部两座电厂共计1800MW机组在15s内相继跳闸，导致密歇根州电压崩溃。,第二阶段：,（7）16:10 Campbell 电厂3号机组跳闸； Hampton-Thetford 345kV线路跳闸；Oneida-Majestic 345kV线路跳闸；ITC系统电压崩溃，造成密歇根州30条线路跳闸，METC与ITC间的联络线断开，使ITC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的功率达到2800MW。 动作装置：低频自动减载；低压自动

8、减载；解列装置,第三阶段：,（8）16:11 Avon电厂9号机组跳闸；Beaver-Davis Besse 线路跳闸；Midway-Lemoyne-Foster 138kV线路跳闸；俄亥俄州Perry 核电站的1号机组跳闸。(9)16:17 Fermi 核电站全部机组跳闸。(10)16:1716:21 密歇根州许多线路跳闸，并有以下发电机组退出运行：St. Clair 7号机组，Judd电站机组，Monroe 1、2 、3 号机组，Greenwood电站机组，St. Clair 2、4、6号机组，Trenton 7、8、9号机组。动作装置：解列装置,此次事故停电29小时，共计损失负荷6180

9、0MW，受停电影响人数5000万。直接损失为10.5亿美元，间接损失约300亿美元。 事故主要输电线潮流过重，事故（或过负荷）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）大量负荷而保住了主系统没瓦解！ 有多重故障相继发生，形成灾难性事故，导致严重后果！ 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，说明其自动装置的定值整定也不合理。,事故与自动控制装置的关系,1、励磁控制 2、无功分配 3、频率调整 4、低频减载 5、低压减载 6、发动机组自动并列,课程介绍,1、电力系统自动装置是一门理论性与实践性相结合的课程，是高等院校电力专业、电气工程专业非常重要的专业方向

10、课。 2、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。 3、学好了本课程，毕业后可更好地从事电力系统运行、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，也是进一步开展科学研究和工程设计的基础。,课程的性质和任务,课程性质： 本课程是电气工程及其自动化、电力系统及其自动化、发电厂变电站电气运行、继电保护与自动化等专业的专业主干课。 课程任务： 使通过学习，初步具备电气工程、电力系统及自动化专业必需的常规自动装置的基础理论知识、掌握基本工作原理、特点、操作技能等，培养辩证思维能力，使同学们能具有一定分析和

11、解决实际问题能力。,绪论,一、电力系统及其运行,我国电力工业发展成就概览,2000年,“九五”期间,“八五”期间,“七五”期间,核电站达到90 万kW装机,建成500kV直流输电,装机容量达到2.5亿kW,建成了七个装机容量达1500万kW以上的规模电网 火力发电单机达到90 万kW装机,火电厂,水电厂,变电所,变电所,输电线,配电,配电网,控制中心,远动通信,电力系统组成,电力系统特点,结构复杂庞大：电力网络、控制系统,电能不能储存：电源和负荷间功率平衡、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。,暂态过程迅速：所有突变引起的电磁变化极其迅速影响整个系统（光速），

12、设备操作需在级短时间内完成快速控制和快速排除故障。,特别重要,电力系统新特点 1. 大机组、高电压、大电网、交直流互联系统 2. 新型设备的应用：HVDC、FACTS、其他智能设备 3. 新型能源的应用：核能、风力、太阳能、潮汐、秸秆 4. 友好、互动电网的建设和要求 电力系统运行自动化 1. 发电厂、变电站、负荷“源、网、荷”和谐共存 2. 能量管理系统、自动化管理系统、需求侧管理系统、自动电压管理系统、智能调度系统等现有服务于自动化的系统 3. 服务于智能电网的、不断发展和完善的新系统,电力系统运行控制目标：,1. 保证电力系统安全、可靠,（1）等式约束条件：P/Q （2）不等式约束条件：

13、P/Q/S/U/F （3）电力系统的运行状态,2. 保证电能质量：频率、电压、波形,3. 保证系统的经济性（环保）：高效、节能、环保,4. 促使系统友好、和谐、可持续发展,电力系统自动化、智能化的必要性：,被控对象及其复杂、参数极多、复杂,1. 电网规模扩大,4. 管理方式转变,3. 电能质量要求,系统结构、状态不确定性增加，电源与负荷不可预测性增强、干扰严重、负荷敏感性、电力市场,人力资源成本增加、无人值守、信息化管理,2. 源、网、荷结合和属性正发生结构性变化,大量被称为垃圾电源的可再生能源接入，大量敏感设备投入,电力系统自控系统工作模式,一个规模很大的综合自动化系统。,二、电力系统自动控

14、制的划分,电力系统自动化定义：,是指应用各种具有自动检测、决策和 控制功能的装置、通过信号系统、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量质量。,电力系统自动监视和控制,电厂动力机械自动控制,电力系统自动装置,电力系统自动控制,电力安全装置,电力系统中自控系统的划分 ：,2. 电厂动力机械自动控制 是电厂自动控制的主要组成部分，需配置专门的计算机进行监控；不同类型电厂差异很大（水轮机、汽轮机、核反应堆）。,1. 电力系统自动监视和控制 电力系统远程监控与调度自动化系统,四遥：遥测、遥信、遥控、遥调,3. 电力

15、系统自动装置 控制的对象是发电厂、变电所电气设备；电气设备操作的自动化是电力系统自动化的基础。,并列、调速器、励磁调节器、低频减载、备用电源自投、机组自启动,电力系统自动装置的任务,提高供电可靠性（如自动重合闸、备用电源自动投入等装置）；,保证电能质量、提高系统经济运行水平、减轻运行人员的劳动强度（如自动调节装置、低频减载装置、自动并列装置等）；,自动记录故障过程，有利于分析处理事故（如故障录波器等）电力系统任何事件均要求记录。,电力系统自动装置器件,1）保证发电机并列准确性、安全性的自动并列装置； 2）保证电压水平，提高系统运行稳定性的自动调节励磁； 3）保证系统频率水平，使系统负荷在机组间

16、最优经济分配的自动调频； 4）反事故安全自动装置自动重合闸； 5）备用电源和设备的自动投入装置； 6）自动按频率、电压减负荷装置，自动解列等装置。,运行中出现问题，若处理不及时或处理不当均可能影响系统正常运行，甚至造成灾难性事故；局部故障或事故，如处理不当，可能影响整个系统。随着发电机单机容量及电力系统容量的不断扩大，尤其是大量可再生能源、新负荷（如电动汽车等）的接入，对系统运行、控制水平的要求越来越高。,因此，只有借助自动装置的帮助，以源、网、荷的新特点、新要求为出发的点，以源、网、荷的和谐共存，低碳、友好、智能为目标，才能达到现代电力系统的要求。,电力自动化是上述3种类型自动控制系统的综合

17、,2.电厂自动化,1. 电力系统调度自动化,电力系统自动化个子系统组成 ：,3.变电站自动化,分为：发电和输电调度自动化（通常称电网调度自动化） 配电网调度自动化（通常称配电自动）,包括：动力机械自控系统 自动发电量控制系统（AGC） 自动电压控制系统（AVC）,包括： 微机监控、微机保护、远动控制（综合自动化）,三、电力系统自动化发展趋势,控制理论的应用,电力系统自动化理论的发展经历的三阶段：,1、60年代前：经典控制理论阶段；,2、70年代：以计算机为基础的现代控制论阶段；,3、90年代后,1）注入经济理论，电力市场理论阶段；,2）智能控制理论：神经网络、模糊逻辑、 遗传算法、蚁群算法、专

18、家系统、,数字化电力系统（DPS）引出现在智能电网,电力网络的可控性：,原来：不可控；,缺点：增加了系统的灵活性，同时也增加了复杂性。,近年来：随着电力电子技术的发展，FACTS（柔性交流输电技术）设备的引人，变得越来越多的可控；,DPS涵义：是指对某一实际运行的系统的物理结构、各组成部分及整体的物理性能、运行方式和运行策略、管理模式、人员信息、实时运行状态变量、各自控装置的动作特性、各主要设备的健康状态、经济结构、市场信息等数字地、形象化地和实时地描述与再现。,电力自动化、智能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：,（1）由发、输电自动化向源、网、荷自动化发展； （2）FACTS的发展进一步提高输电、配电自动化水平； （3）控制策略：最优化、适应化、智能化、协调化、区域化 （4）设计分析上：要求面对多级、多维模型来处理问题； （5）理论工具上：借助现代控制理论； （6）控制手段上：增多了微机、电力电子器件和远程通信 （7）研究人员上：需要更高综合素质和能力。,整个电力系统自动化的发展趋势：,（1）由开环监测向闭环控制发展； （2）由高电压等级向低电压发展； （3）由单个元件向部分区域及全系统反展：SCADA、区域稳定控制，电源和负荷已成为