电力系统自动化第一章电力系统自动化基础.ppt

第一章 电力系统自动化基础,第一部分：概述,第二部分：电力系统自动化基本内容,第三部：电力系统自动化发展趋势,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 电能的生产、变换、输送、分配和消费等都是在同一时间内进行的，不能大量储存。在任何时刻电力系统中发电厂生产的电能都取决于同一时刻用电设备消费的能量与输送、分配中损耗的电能之和。这是电能生产的最大特点。这个特点要求在运行时保持电源和负荷之间的功率平衡。另外，它不但要求每一时刻发出的总电能等于系统消费的总电能，而且要求所有的中间传输环节都畅通无阻，以使发出的电能有秩序地输送出去，耗尽无遗。因此，电力系统的各个设备环节之间具有十分紧密的相互依赖关系。不论生产和变换能量的原动机、发电机还是输送、分配电能的变压器、输配电线路以及用电设备等，只要其中的任何一个元件设备发生故障，就会影响电力系统正常工作。,1.1概述 1.1.1 电力系统运行控制的特点,2. 电能供应的重要性 由于电能与其他能量之间转换方便，易于进行大量产、集中管理、远距离输送、自动控制，使用电能较使用其他能量有显著优点。因此，电能是国民经济各部门和人们物质文化生活中使用的主要能源，其供应的中断或不足将会直接影响国民经济各部门的正常运转和人们生活质量。 3. 暂态过渡过程十分迅速 电力系统中任何一处发生的电磁变化过程，都会以光速传播而影响整个电力系统，所以电力运行中发生突变所引起的电磁方面的变化过程是极其迅速的。电力系统的正常操作，如发电机、变压器、电力线路、电动机等元件的投入和退出都是在极短时间内完成的；电力系统出现的故障，如雷击引起线路闪络、导致相间短路或接地故障以及运行人员误操作造成发电机误跳闸等，都是在一瞬间完成的。因此在电力系统中要求进行快速控制和快速排除故障，否则将危及整个电力系统的安全稳定运行。,1.1概述 1.1.1 电力系统运行控制的特点,4.电力系统结构复杂性 由于现代电力系统装机容量越来越大多达几亿千瓦。供电距离几千千米，其中所包含的厂、站及线路的数量很大达数百个，而且纵横联线，分布辽阔。在控制系统的分类中，它属于复杂系统。,YOUR SITE HERE,1.1 电力工业发展概况及前景,三、 电力系统的基本组成和特点 1电力系统的组成 通过图示掌握电力网、电力系统和动力系统的概念,1）电力网：由各个电压等级的电力线路和电力变压器构成的网络。 2）电力系统：由发电机、电力网和用户负荷组成的系统。,YOUR SITE HERE,YOUR SITE HERE,大规模联合电网,综合利用水力、火力、核能等发电能源，以解决能源资源与负荷分布地域间的不平衡。 利用时差和季节错开负荷高峰，减少总的装机容量 。 采用大容量机组， 节省投资和运行费用。 发生故障时不同电网间可以互相支援。,YOUR SITE HERE,我国目前的电网状况,特点：大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制 装机容量超过2000MW电网11个 已形成500KV主网架结构 1990年华中与华东实现非同期联网（500KV直流输电线 ） 电网结构大大改善 省调以上调度自动化系统已实用化 电力专用通信网形成,YOUR SITE HERE,YOUR SITE HERE,东北电网,辽宁 吉林 黑龙江 装机容量 35943.9MW,YOUR SITE HERE,华北电网,北京 天津 河北 山西 内蒙古自治区 装机容量 40716.2MW 年发电量 1922.35亿KWh,YOUR SITE HERE,华东电网,上海 江苏 浙江 安徽 装机容量 41986.4MW 年发电量 2268.9亿KWh,YOUR SITE HERE,华中电网,河南 湖北 湖南 江西 装机容量 43365.4MW 年发电量 1673.22亿KWh,YOUR SITE HERE,南方联营电网,广东 广西 云南 贵州,YOUR SITE HERE,西北电网,陕西 甘肃 青海 宁夏自治区 装机容量 18021.9 MW 年发电量 736.14亿KWh,YOUR SITE HERE,福建电网,装机容量 9657.4MW 年发电量 356亿KWh,YOUR SITE HERE,山东电网,装机容量18017.8 MW 年发电量912.05亿KWh,YOUR SITE HERE,四川电网,1.1概述 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 电力生产中最常提到的口号是“安全第一”。安全， 电力系统的安全运行控制可以用等式约束条件和不等式约束条件来描述。在稳态运行中，电力系统应能持续不间断地完成发电、输配电和供电的生产过程，在数量和质量上满足用户用电要求。为此，必须保证满足两种条件方程，也称为约束方程。,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,在正常运行状态下，所有等式和不等式约束条件都满足，表明发电和负荷平衡，没有设备过载，有足够的备用储备使系统能承受一定的干扰而保持在适当的安全水平。当扰动概率增加，使系统安全水平逐步降低而进入警戒状态。此时，虽然所有约束条件仍然满足，但是备用储备减少，某些干扰可能导致不等式约束破坏(如设备过载)，使系统安全受到威胁。在这种状态下，应采取预防控制使系统恢复到正常状态。采取预防控制前，如发生严重的干扰，系统进入紧急状态。此时，不等式约束被破坏，系统安全水平为零。但是，系统仍然完整，应启动紧急控制措施使系统至少恢复到警戒状态。如果紧急控制措施未及时采取或失效，系统将解列和进入极端紧急状态。在极端紧急状态中，等式和不等式约束都被破坏，系统不再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制作用应尽可能多地挽救解裂后的子系统，以避免整个系统的完全崩溃。一旦崩溃停止，如果仍有设备运行在额定容量之内，或某些设备紧跟崩溃而重新启动，则系统可能进入恢复状态。采取恢复控制措施，重新带上所有失去的负荷和连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常 状态则视情况而定。,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,电力系统发生事故既有外因也有内因，外因如狂风、暴雨、雷电、冰雪以及地震等自然灾害；内因则是电力系统本身存在的薄弱环节、设备隐患和运行人员技术水平差等多方面因素。一般来说，电力系统的事故多半是由外因引起，又是由于内部的薄弱环节或调控不当而引起的。要想避免事故的发生，一方面需要电力系统本身更加“强大”，发电能力和相应的输电、变电设备都留有足够的裕度，各种安全和自动设备非常灵敏可靠，电力系统自身具有抵抗各种事故的能力；另一方面，要不断提高具有电力系统运行控制重大职责的各级调度中心的调度技术水平。现代电力系统不断扩大，结构日趋复杂，监视控制所需 的实时信息越来越多，仅凭人的知识、技术和经验是越来越难于应付了。只有采用由当代最新技术装备起来的电网调度自动化系统，才能使调度人员真正做到统观全局，科学决策，正确指挥，以保证电力系统的安全运行。,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,2. 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)。使频率稳定的关键是保证电力系统有功功率的供求数量时时刻刻都是平衡的。前面已经说过，负荷是随时变动的，因此，只有让发电厂的有功出力时时刻刻跟负荷的有功功率，并随其变动而变动。调频过程是由自动装置自动进行的，要始终保持系统频率合格，必须依赖一整套自动化的调节控制系统。 电压允许偏移范围一般是额定电压的5%左右。能使电压稳定的关键条件是让系统中的无功功率供需平衡，并且要求在系统各个局部就地平衡，以减少大量无功功率在线路上传输。其具体的调压措施有发电机的励磁调节、调相机和静止补偿器的调节、有载调压变压器的分接头调节以及并联补偿电容器组的投切等。现代电力系统一般都配有无功/电压自动控制系统，以满足对电压稳定性的要求。,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,发电机发出电压的波形是正弦波，由于电力系统中各种电器设备在设计时都充分考虑了波形问题，在一般情况下，用户得到的电压波形也是正弦波。如果波形不是正弦波，其中就会包含许多种高次谐波成分，这对许多电子设备会有很大的不良影响，对通信线路也会造成干扰，还会降低发电机的效率，甚至还可能造成电力系统发生危险的高次谐波谐振，使电力设备遭到严重破坏。现代柔性电力系统中广泛应用电力电子设备装置，产生谐波的主要根源。因此，要加强对波形的自动监测和采取有效的抑制措施。,1.1概述 1.1.2 电力系统运行控制目标,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,自动化是指机器设备(动力)或者生产过程、管理过程，在没有人直接参与下，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标、目的或完成某种过程。自动化是自动化技术和自动化过程的简称。自动化技术主要有两个方面。 (1) 用自动化机械代替人工的动力方面的自动化技术。 (2) 在生产过程和业务处理过程中，进行测量、计算、控制等，这是信息处理方面的自动化技术。 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 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,电网调度自动化系统概念的提出是在20 世纪50 年代中期，这标志着现代电网自动化的开始。当时的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)和经济调度(ED)。20 世纪60 年代数字计算机首次应用于电力系统控制中心，出现了电网SCADA 系统。发电厂，变电所所设的RTU 将所收集到的信息通过双向信道传送给主站。其主要运行信息可及时自动地传送给控制中心，调度员可通过遥控装置直接远距离操作发电厂、变电所开关；80 年代；AGC系统不再独立存在，而是以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。其中，状态估计(SE)软件的出现对于实时信息的处理是一个重大突破。由于SCADA 采集的实时数据(“生数据”)中不可避免地含有误差(测量误差、传输误差)，因此利用状态估计来改进原始信息，以得到精确、完整、可靠的运行参数，建立反映电力系统实时状态的数据库(“熟数据库”)。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,同时，也可根据系统累计的历史纪录数据进行母线负荷预测，还可实现在信息丢失或电网不可观察(通道可能中断，RTU 可能停运等)情况下的伪量测。网络熟数据库的建立，为各种电力系统的优化软件(如线损修正、无功优化、最优潮流等)的开发提供了条件。另外，其他用EMS 的还有无功功率/电压调度控制，短期负荷预计，水电厂调度，处理报警信息的专家系统等。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,电网调度自动化系统是确保电网安全、优质、经济地发供电，提高电网调度运行管理水平的重要手段，是电力生产自动化和管理现代化的重要基础。自1979 年我国500kV平武线输电工程引进第一套计算机与远动终端(RTU)一体化的SCADA 系统(SINDAC3)起，就确立了计算机与远动相结合的SCADA 理念。但如何与SCADA 结合接入实时系统并直接控制发电过程，却是个新问题，这就导致了20 世纪80 年代后期东北、华北、华中、华东四大电网EMS 的引进工作。和第一次SCADA 的引进不同，这次EMS 的引进是有选择地引进。重点放在EMS 的支撑平台和自动发电控制(AGC)上，EMS 高级应用软件完全由国内开发。从英国西屋公司引进的WESDAC32 系统，使用了美国ESCA 公司的HABITAT 支撑平台和AGC 软件。电力部两院参与引进，并各自分担两网的现场验收、系统汉化和RTU 接入等任务。四大网EMS 投入运行不久，电力部通信调度局的H80E 系统也随着通调局升为国家电力调度中心而由西门子的SPECTRUM 分布式系统所取代。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,第二次引进，在较高层面上实现了又一次“引进消化开发创新”，导致20 世纪90年代自主版权EMS 支撑平台和应用软件的先后问世。SD6000、OPEN2000、CC2000就是这个时代的产物，其主要任务包括以下五个方面。 (1) 发挥设备最大能力满足负荷的需要。 (2) 使整个电网安全可靠地运行和连续供电。 (3) 保证电能质量。 (4) 经济合理利用能源。 (5) 按照有关合同或协议，保证发电、供电、用电等各有关方面的合法权益。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,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。国家电网公司管辖五大电网(华北电网、东北电网、华东电网、华中电网、西北电网)以及一些省网，并且在大网之间通过联络线进行能量交换(例如三峡电厂和葛洲坝电厂在上海的500kV 直流输电线将华东和华中两大电网联系起来)。南方电网公司目前直接管辖广东、广西、云南、贵州等省网。另外按照各省、市行政体制的划分，电网的运行管理本身也是分层次的，各大区电网公司，各省(区)电网公司，各市县、 分公司均有其管辖范围，其运行方式和出力、负荷受到其母公司管理，同时又要管理其分公司。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,在实行厂网分开后的电力体制下，发电厂与电网公司实现了产权分离，发电企业不再由电网(电力)公司管理，而分属于新成立的大唐、华能、华电、中电投等发电公司管理。但发电厂仍必须遵守统一调度的原则，所有并网发电厂必须与相应的电网调度中心签订并网调度协议，以保证整个电网的安全、优质、经济地运行。总之，一次电网必须实行统一调度，分层管理的原则。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、调度自动化系统和调度通信系统的运行。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,(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。 在形式上，统一调度表现在调度业务上，下级调度必须服从上级调度的指挥。 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。以国家电网公司系统论，五级调度分别是：国家电网调度中心、大区电网调度中心、省级电网调度中心、地区(市)电网调度中心和县级电网调度中心等。图1.3 为电网分级调度体系示意图。,YOUR SITE HERE,YOUR SITE HERE,信息集中处理系统,变电所,发电厂,调度中心,变电所,发电厂,变电所,YOUR SITE HERE,各级调度中心的基本任务,国家调度中心 在线收集各大区网和有关省网的重点测点工况和全国电网运行状况，作统计分析、生产报表、提供电能情况。 进行大区互联系统的潮流、稳定、短路电流及经济运行计算，通过计算机通信，校核计算的正确性，并向下一级传送。 作中、长期安全、经济运行分析，并提出对策。,YOUR SITE HERE,各级调度中心的基本任务,大区网局调度中心 实现电网的数据收集和监控、经济调度和安全分析。 进行负荷预测，制定开停机计划、水火电经济调度日分配计划，闭环或开环指导自动发电控制。 省(市)间和有关大区网的供受电量的计划编制和分析。 进行潮流、稳定、短路电流及离线或在线的经济运行分析计算，通过计算机通信校核各种分析计算的正确性并上报下传。,YOUR SITE HERE,各级调度中心的基本任务,省级调度中心 实现电网的数据收集和监控。必须对电网中的开关状态，电压水平，功率进行采集计算，进行控制和经济调度。 进行负荷预测，制定开停机计划、水火电经济调度日分配计划，编制地区间和省间有关网的供受电量的计划，闭环或开环指导自动发电控制。 进行记录如功率总加，开关变位，存档和制表打印。 进行潮流、稳定、短路电流及离线或在线的经济运行分析计算，通过计算机通信校核各种分析计算的正确性并上报下传。,YOUR SITE HERE,各级调度中心的基本任务,地区调度中心 采集当地网的各种信息，进行安全监控。 进行有关站点（直接站点和集控站点）的远方操作，变压器分接头调节，电力电容器的投切等。 用电负荷的管理。,YOUR SITE HERE,各级调度中心的基本任务,县级调度中心 根据不同类型实现不同程度的数据采集和安全监视功能。 有条件的县调可实现机组起停、断路器远方操作和电力电容器的投切。 有条件的可实现负荷控制。 向上级调度发送必要的实时信息。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.1 电网调度自动化,近年来，随着计算机通信技术、网络技术、数据库技术、面向对象技术、Internet 技术以及软件标准化技术的飞速发展，电网调度自动化系统作为电力生产、输送、分配、消费一体化监视、控制的系统，其更高的开放性、可移植性、可扩展性以及可靠性要求有了技术上的保证。此外，在电力系统内部，正逐步走向以安全和经济为同等目标的开放电力市场的要求，新一代基于Internet 技术、面向对象技术、通信中间件和数据库中间件技术的能量管理系统、电力市场技术支持系统、电能量计量系统需求的基础条件已经成熟。,1.2 电力系统自动化基本内容 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 电力系统自动化基本内容 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。 在变电站采用微机监控、微机继电保护和微机远动装置之后，人们发现，尽管这三种装置的功能不一样，但硬件配置却大体相同。除了微机系统本身外无非是对各种模拟量的数据采集设备以及I/O 回路；实现装置功能的手段(即使用软件)也基本相同；并且各种不同功能的装置所采集的量和要控制的对象也,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.3 变电站综合自动化,有许多是相同的，例如，微机监控、微机保护和微机远动装置就都要采集电压和电流，而且都控制断路器的分、合。显然，微机监控、微机保护和微机远动装置等微机装置分立设置存在设备重复、不能充分发挥微机的作用以及存在设备间互联复杂等缺点。人们自然提出这样一个问题：在当今的技术条件下，是否应该跳出历史造成的专业框框，从全局出发来考虑已经实现了微机化的变电站二次系统的优化问题。于是自20世纪70 年代末到80 年代初，工业发达国家都相继开展了将微机监控、微机继电保护和微机远动功能等统一进行设计的研究从充分发挥微机作用、提高变电站自动化水平、提高变电站自动装置的可靠性、减少变电站二次系统连接线等方面对变电站的二次系统进行全面的研究工作。该项研究经历了约10年的时间，随着微机技术、信息传输技术的发展取得了重大突破，于80 年代末90 年初进入了实用阶段。于是出现了变电站综合自动化，并且展现了极强的生命力。我国变电站综合自动化研究起步于80 年代末，目前已进入实用阶段。,1.2 电力系统自动化基本内容 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。它的主要任务如下。 (1) 保证配电网重要用户的供电，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。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.4 配电自动化,过去，我国电网“重发、轻配、不管用”，致使配电网比较落后。改革开放以来，电力工业特别是发、输电方面有了很大的发展，电网缺电现象得到显著改善，与此同时，电力系统自动化也进入了新的发展阶段。但是，已建成的各种自动化系统形成一个个“孤岛”，互相隔绝，不能充分发挥作用。为改善这一状况，国家投巨资用于城市和农村电网改造，以便提高配电网的供电能力和安全经济运行水平，改善人民生活，为国民经济持续发展提供强大的动力。20 世纪九十年代中期以来，配电自动化的试点工作在大、中城市和农村相继展开并取得了宝贵的经验。配电网规划的总目标是在10年或更长一点的时间内，分区域、分步骤使我国城市10kV 配电网的运行管理基本实现现代化的目标，大、中城市中心区供电可靠性达到99.9%以上，安全经济运行和供电服务水平上一个新台阶；同时，搞好农村电网的建设和技术改造，达到技术先进、安全可靠和节能的目标以适应农村用电增长的需要，并提高供电质量和农村电网的现代化管理水平。实现这一目标，首先必须做好规划，分步实施，避免造成资金和时间的浪费。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.4 配电自动化,与调度自动化相比，配电自动化规模较小。配电网实时监视与控制必须随时了解配电网内各重要母线电压、各条配电线路的输送功率的状态、重要用户的负荷情况以及重要负荷电力和电量表计的信息，以便实时监测各配电变压器、断路器及柱上开关的运行状态。所有这些实时监测的信息需要连续或周期性地被采集和不断地更新。测控系统对这些信息的数据采集必须可靠、完整和具有一定的精度，以便准确无误地实施各种控制。故障控制的目的是配电网系统一旦发生故障后，使所造成的设备损坏和停电范围影响最小。故障控制首先需要正确地识别故障类型和故障地点，当发生永久性故障时，需要将故障隔离在最小范围内，使非故障部分用户尽快地恢复供电；当发生瞬时性故障时，依靠继电保护和自动重合闸来消除故障并恢复供电。故障控制主要包括：配电线路的自动切换和自动分段；母线自动分段；重新恢复；电能质量控制、线路损耗控制、用户负荷控制。,1.2 电力系统自动化基本内容 1.2.4 配电自动化,目前，在一些发达工业国家，在这方面开展了相当多的工作，例如日本、西欧、美国等都已有相当成熟的配电网自动化运行经验，并正在向光纤通信、大规模地形显示、人工智能等实用化技术方面纵深发展。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)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。 当今控制领域的技术仍在不断拓展，新的控制方法层出不穷。智能控制领域发展尤其迅猛，有相当部分已投入实用。智能控制最大的吸引力在于实现多变量控制而不必列出繁琐的数学模型，于是神经网络、模糊逻辑和遗传算法成为优选的方法。由于模糊技术、人工神经网络与遗传演化技术等的发展，自动控制技术已有了进一步优化的新方向，即智能技术的方向。综合各种智能方法，互补优势，能把自动控制的适应范围进一步,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.1控制理论的应用,扩大深化，将推动工业建设与生产的发展，同时也促进电力系统自动化的发展。混杂系统(hybrid system)是系统科学领域中新提出的概念和理论。电力系统是一个标准的混杂系统，它的上层(调度中心)给出的调度决策主要是逻辑性的操作指令；而下层控制(如发电机的励磁与调速控制)主要是连续型的。如何将不同性质的上层和下层控制恰当地结合起来以达到电力系统的多目标优化控制的目的，这是一个重要理论问题和应用问题。此，借鉴控制领域的新理论，发展起在电力系统中的运行与应用，应当具有良好的前景。 自动控制从线性开环发展到闭环，使电力系统的各项控制提高到了一个新的水平。随着计算机应用的迅速发展，各项以前手算难以处理的问题，如矩阵运算、有限元法及微分方程的数字解等，都可利用计算机调用标准程序来解决。辨识、建模、在线监控等技术使自动化进入到现代化的新水平。,1.3电力系统自动化发展趋势 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(Digital 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。如果做到了这一点，就可以说建立了该实际电力系统的数字电力系统。某个电力系统的数字电力系统包括电力系统的物理结构(也即真实结构)、其各组成部件(单元)及整体的物理性能、运行方式和运营策略、管理的模式、人员的信息等；电力系统的各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量；各种自动控制装置的动作特性(包括继电保护装置)；发电厂、变电站的主要设备的“健康”状态；经济结构、市场信息。,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.2 数字化电力系统的概念与构架,21世纪，中国的电力市场的概念更加明确。将来的电价类似股票那样要波动的、变化的，比如半个小时刷新一次电价。电力市场的出现提出了新的问题，这就是这里所说的“经济结构和市场的信息”包含的内容。影响电力系统安全的特殊自然环境比如某一条超高压线路正处于落雷区或者台风袭击中，可能造成灾害，数字电力系统应能及时提示运行人员给予特别关注，以免发生重大灾难。21 世纪，我国环保指标和环保问题被提到非常重要的位置，关系到是否能够可持续发展的问题。我国环境保护法将对于不能达到环保要求的工厂、企业给予重罚。环保设备的水平和设备情况，也应该由DPS 实时地通报。电力系统的各个环节的实时效率，包括热力系统、汽轮机、发电机系统、网络损耗、用户、电压等环节的效率，数字电力系统也应实时显报。重要的信息比如人才的信息、科教活动的信息在数字电 力系统上应该有所记录和通报。有了数字电力系统，就可以不断地对电力系统的安全稳定性进行再评估、再调整、以达到最佳的安全运行状态。,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.2 数字化电力系统的概念与构架,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.2 数字化电力系统的概念与构架,图 1.5 给出了数字电力系统的图像化思考。在图的右边是一个运行中的电力系统，图的左边是一个DPS。DPS通过实时数据通讯和通信，软跟踪这个实时的电力系统。如上所述DPS 在正常运行时给出建议，通过调度人员进行闭环；在最紧急的情况下，将紧急地不通过调度人员进行闭环，然后再“通知”调度人员，刚才进行了什么操作，产生了什么效果等。如果没DPS(现在的系统即是如此)，则调度管理人员在运行中是相当盲目的，发生突然故障后他们不知道电力系统中发生了什么问题，产生了什么后果，稳定域如何变化，状态点在稳定域的什么位置等。如果发生了故障，调度人员茫然不知所措，甚至进行误操作，1996 年、1997 年美国西部电力系统发生事故后的情况就是如此。如果有DPS 的帮助，电力系统运行的安全和稳定性将会得到极大的提高。,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.2 数字化电力系统的概念与构架,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.3 电力自动化系统新技术与趋势,20 世纪40 年代将数据展现在模拟盘上，增强了调度员对实际系统运行变化的感知能力；50 年代自动发电控制(AGC)将调度员从频繁的操作中解脱出来；电网调度自动化系统概念的提出是在50年代中期，这标志着现代电网自动化的开始。以前只有远动装置及机电式的调频装置，不成为系统。60 年代初，有些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调度，开始了计算机在调度中的应用。在1965 年美国东北部大停电后，多数电力公司意识到依靠远动装置在模拟盘上显示信息的方式已远不能满足复杂电网安全运行的要求，便开始把计算机系统的应用从以考虑经济为主转移至以安全为主，出现了所谓电网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 世纪，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作。,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.3 电力自动化系统新技术与趋势,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，相应地，电力系统也不断地向自动化提出更高的要求。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；,1.3电力系统自动化发展趋势 1.3.3 电力自动化系统新技术与趋势,(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AGC(自动发电控制)； (2) 由高电压等级向低电压扩展，例如从EMC(能量管理系统)到DMC(配电管理系统)； (3) 由单个元件向部分区域及全系统发展，例如SCADA(监测控制与数据采集)的发展和区域稳定控制的发展； (4) 由单一功能向多功能、一体化发展，例如变电站综合自动化的发展； (5) 装置性能向数字化、快速化、灵活化发展，例如继电保护技术的演变； (6) 追求的目标向最优化、协调化、智能化发展，例如励磁控制、潮流控制； (7) 以提高运行的安全、经济、效率为目标、同时向管理、服务的自动化扩展，例如MIS(管理信息系统)在电力系统的应用； (8) 现场总线技术在变电站综合自动化系统中应用。,本 章 小 结 本章是全书内容的基础和概括，主要介绍了电力系统自动化的基本概念及其自动化发展历程、现状和趋势，旨在使读者了解、学习电力系统自动化控制目标和基本内容，特别是电力系统调度自动化的功能与组成，同时对该课程有一个较全面的认识。 思考题与习题 1-1 试述电力系统自动化的控制目标。 1-2 电力系统自动化有哪些内容？ 1-3 电力系统自动化安全控制有哪些状态？ 1-4 何谓电力系统调度自动化？ 1-5 何谓数字电力系统？ 1-6 为何要设置AGC和AVC 自动化装置？,