杨冠城《电力系统自动装置原理》第一章绪论

电 力 系 统自 动 装 置 原 理贺 州 学 院 物 电 系主 讲 教 师 ： 余 长 庚 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 电力系统自动装置原理余 长 庚 贺 州 学 院 物 理 与 电 子 信 息 工 程 系2010年 10月15207844023 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 背 景 介 绍v 北 美 “ 814”大 停 电 ！ ！ ！v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 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 ， 但 南 部 和 西 部 电 网未 受 影 响 。 事 故 中 至 少 有 21座 电 厂 停 运 ， 其 中 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 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 事 故 过 程v第 一 阶 段 ：v（ 1） 8月 14日 15:06 俄 亥 俄 州 ChamberlainHarding 345kV 线 路 跳 闸 ， 由 此 线 路 供 电 的 克 利 夫 兰 地 区 用 电 受 到影 响 。 在 此 之 前 的 14:00， 位 于 俄 亥 俄 州 北 部 的 第 一 能 源公 司 Eastlake 电 厂 的 550MW发 电 机 组 停 运 。（ 2） 15:32 HannaJuniper 345kV线 路 跳 闸 ， 克 利 夫 兰失 去 第 二 回 电 源 线 ， 电 压 降 低 ； 密 歇 根 州 内 线 路 潮 流 保 持稳 定 。（ 3） 15:41 StarS. Canton 345kV线 路 跳 闸 。（ 4） 15:46 TiddCanton 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 SammisStar 345kV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 ， 俄 亥俄 州 与 密 歇 根 州 间 潮 流 发 生 逆 转 ， 约 200MW功 率 从 密 歇根 州 流 向 俄 亥 俄 州 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理v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 的 功 率 摇 摆 。 又有 两 回 线 （ E.LimaFostoria和 MuskingumOH Central）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 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 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 第 二 阶 段 ：v（ 7） 16:10 Campbell 电 厂 3号 机 组 跳 闸 ； HamptonThetford 345kV线 路 跳 闸 ；OneidaMajestic 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。v动 作 装 置 ： 低 频 自 动 减 载 ； 低 压 自 动 减 载 ； 解 列 装 置 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 第 三 阶 段 ：v（ 8） 16:11 Avon电 厂 9号 机 组 跳 闸 ； BeaverDavis Besse 线 路 跳 闸 ； MidwayLemoyneFoster 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 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 v此 次 事 故 停 电 29小 时 ， 共 计 损 失 负 荷 61800MW， 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 。 v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 ！v有 多 重 故 障 相 继 发 生 ， 导 致 此 严 重 后 果 ！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 额 定 值 ， 说 明 其 自 动 装 置 整 定 也 不 到 家 ； 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 课 程 介 绍v1. 电 力 系 统 自 动 化 装 置 是 一 门 理 论 性 与 实 践 性 高度 结 合 的 课 程 。 本 课 程 适 合 在 高 等 院 校 的 电 力 技 术 类专 业 开 设 。v2.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 。v3.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 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 课 程 的 性 质 和 任 务v课 程 性 质 ： 电 力 系 统 及 其 自 动 化 专 业 、 发 电 厂 变 电 站电 气 运 行 专 业 、 继 电 保 护 与 自 动 化 的 一 门 主 干 专 业 课 。v课 程 任 务 ： 使 学 生 具 备 电 力 系 统 及 自 动 化 专 业 必 需 的常 规 自 动 装 置 的 理 论 知 识 和 操 作 技 能 ， 培 养 学 生 的 辩证 思 维 能 力 ， 使 学 生 具 有 分 析 问 题 和 解 决 实 际 问 题 能力 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 绪 论电 力 系 统 及 其 运 行 1. 电 力 系 统 自 动 控 制 的 划 分2. 电 力 系 统 自 动 化 发 展 趋 势3. 本 课 程 的 主 要 内 容4. 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 一 、 电 力 系 统 及 其 运 行v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 50万 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 电 力 系 统自 动 装 置 原 理G G 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 统自 动 装 置 原 理 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 ） ， 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 统自 动 装 置 原 理 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、 FACTSv3.新 型 能 源 的 应 用 ： 核 能 、 风 力 、 潮 汐 、 秸 秆电 力 系 统 运 行 自 动 化v1.发 电 厂 、 变 电 站 、 负 荷v2.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 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 电 力 系 统 运 行 控 制 目 标 ： 1. 保证电力系统运行安全可靠 （ 1） 等 式 约 束 条 件 ： P/Q（ 2） 不 等 式 约 束 条 件 ： 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. 保证电力系统运行的经济性（环保） 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 正 常 的 运 行 状 态恢 复 状 态 紧 急 状 态系 统 崩 溃 警 戒 状 态 储 备 减 小干 扰 增 大干 扰 导 致约 束 越 限 安 全 紧 急危 险 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 电 力 自 动 化 的 必 要 性 ：被 控 对 象 及 其 复 杂 、 参 数 极 多 、 复 杂 的 MIMO1. 电网规模扩大 3. 管理方式转变 2. 电能质量要求负 荷 不 可 预 测 、 干 扰 严 重 、 负 荷 敏 感 性 、 电 力 市 场减员增效、无人值守、电子化管理 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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 。 控 制 对 象自 控 装 置 测量信息控制信息 典 型 自 控 系 统二 、 电 力 系 统 自 动 控 制 的 划 分 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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量质量。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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 ： 电 力 系 统自 动 装 置 原 理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 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 3. 电 力 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 原 理 电力系统自动装置的任务 提 高 供 电 的 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 统自 动 装 置 原 理 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 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及 自 动 解 列 、 电 气 控 制 、水 轮 发 电 等 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 运 行 中 出 现 问 题 ， 若 处 理 不 及 时 或 处 理 不 正 确 都会 影 响 电 力 系 统 的 正 常 运 行 ， 甚 至 造 成 大 面 积 停 电 ；局 部 发 生 的 故 障 ， 如 处 理 不 当 ， 会 影 响 整 个 电 力 系 统 。随 着 发 电 机 单 机 容 量 及 电 力 系 统 容 量 的 不 断 扩 大 ， 对运 行 水 平 的 要 求 越 来 越 高 。 因 此 ： 只 有 借 助 自 动 装 置 的 帮 助 ， 才 能 达 到 现 代 电力 系 统 要 求 的 运 行 水 平 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 u 电 力 自 动 化 是 上 述 3种 类 型 自 动 控 制 系 统 的 综 合 电 力 系 统自 动 装 置 原 理2.电 厂 自 动 化 1. 电 力 系 统 调 度 自 动 化 电 力 系 统 自 动 化 由 许 多 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（AG C） 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） 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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 家 系 统 。 。 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 数 字 化 电 力 系 统 （ DPS） 的 概 念 与 构 架 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 可 控 ； DPS涵 义 ： 是 指 对 某 一 实 际 运 行 的 电 力 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 系 统自 动 装 置 原 理 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 ：（ 1） 由 发 、 输 电 自 动 化 向 发 、 输 、 配 电 自 动 化 全 面 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 系 统 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 多 ” 兵 种 “ 联 合 作 战 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 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 ； AGC（ 2） 由 高 电 压 等 级 向 低 电 压 发 展 ； EMC-DMC（ 3） 由 单 个 元 件 向 部 分 区 域 及 全 系 统 反 展 ： SCADA、 区 域 稳 定 控 制（ 4） 由 单 一 功 能 向 多 功 能 、 一 体 化 发 展 ， 变 电 站 综 合 自 动 化 ；（ 5） 装 置 性 能 向 数 字 化 、 快 速 化 、 灵 活 化 发 展 ： 微 机 保 护 ；（ 6） 追 求 的 目 标 向 最 优 化 、 协 调 化 、 智 能 化 发 展 ；（ 7） 以 提 高 运 行 的 安 全 、 经 济 、 效 率 为 目 标 管 理 、 服 务 的自 动 化 发 展 ： MIS系 统 在 电 力 系 统 中 的 应 用 。 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 坚 强 智 能 电 网“ 我 们 不 仅 仅 要 成 倍 增 加 可 再 生 能 源 的 开 发 能 力 ， 还 要 建 立 一 个 更 坚强 、 更 智 能 的 电 网 。 ” 美 国 总 统 奥 巴 马 如 是 说 。 国 际 金 融 危 机 尚 未 远 去 ， 哪 些 产 业 能 成 为 下 一 波 经 济 增 长 的 制 高 点 ？奥 巴 马 把 目 光 投 向 了 新 能 源 和 智 能 电 网 建 设 等 领 域 。 国 际 金 融 危 机 尚 未 远 去 ， 哪 些 产 业 能 成 为 下 一 波 经 济 增 长 的 制 高 点 ？奥 巴 马 把 目 光 投 向 了 新 能 源 和 智 能 电 网 建 设 等 领 域 。人 民 日 报 ： 国 家 电 网 公 司 总 经 理 谈 建 设 坚 强 智 能 电 网 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 四 、 本 课 程 的 主 要 内 容v1.自 动 装 置 及 其 数 据 的 采 集 处 理v2.同 步 发 电 机 的 自 动 并 列v3.同 步 发 电 机 励 磁 自 动 控 制 系 统v4.同 步 发 电 机 励 磁 自 动 控 制 系 统 动 态 特 性v5.电 力 系 统 频 率 和 有 功 功 率 自 动 控 制v6.电 力 系 统 自 动 减 载 及 其 其 他 安 全 自 动 控 制 装 置 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 1、 相 关 知 识 五、相 关 知 识 及 学 习 方 法 （ 1） 电 力 系 统 运 行 的 基 础 知 识 （ 2） 自 动 控 制 理 论 （ 3） 电 力 电 子 技 术 （ 4） 单 片 机 原 理 （ 5） 计 算 机 、 网 络 、 通 信 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 2、 学 习 方 法 （ 1） 框 架 式 ： 整 体 细 节 （ 2） 理 论 实 践 （ 实 验 、 实 习 、 报 告 ）（ 3） 课 本 参 考 书 网 络 电 力 系 统自 动 装 置 原 理 六、本 章 作 业 我 论 （ 谈 ） “ 坚 强 智 能 电 网 ”