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1、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,余 长 庚 贺州学院物理与电子信息工程系 2010年10月,15207844023 ,背景介绍,北美“814”大停电！ 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
2、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。,事故过程,第一阶段： （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
3、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。,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
4、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； 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。 动作装置：低频自动减载；低压自动减载；解列装置,第三阶段：,（8）16:11 Avon电厂9号机组跳闸；BeaverDavis Bes
5、se 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,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。 事故主要输电线潮流
6、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，导致此严重后果！ 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，说明其自动装置整定也不到家；,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。 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。
7、 3.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。,课程的性质和任务,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。 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。,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
8、 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），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、大电网互联系统 2.新型设备的应用：HVDC、FACTS 3.新型能源的应用：核能、风力、潮汐、秸秆 电力系统运行自动化 1.发电厂、变电站、负荷 2.能
9、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）,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,电力自动化的必要性：,被控对象及其复杂、参数极多、复杂的MIMO,1. 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
10、子化管理,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。,二、电力系统自动控制的划分,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
11、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）。,电力系统自动装置器件,1）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； 2）保证电压水平，
12、提高电力系统的运行稳定性的自动调节励磁AER； 3）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； 4）反事故安全自动装置自动重合闸ARD； 5）备用电源和备用自动投入ATS； 6）自动按频率减负荷AFL及自动解列、电气控制、水轮发电等。,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。,电力自动化是上述3种类型自动控制系统的综合,2.电厂自动化
13、,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（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、专家系统。,数
14、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
15、、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。,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
16、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。,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,四、本课程的主要内容,1.自动装置及其数据的采集处理 2.同步发电机的自动并列 3.同步发电机励磁自动控制系统 4.同步发电机励磁自动控制系统动态特性 5.电力系统频率和有功功率自动控制 6.电力系统自动减载及其其他安全自动控制装置,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,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,六、本章作业,我论（谈）“坚强智能电网”,Thank You !,