电力系统自动装置第一讲.ppt

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1、电力系统自动装置原理,汪颖四川大学 电气信息学院2015年2月,电话：Email：QQ:769429505,电力系统自动化的重要性,不要人员直接参与自动控制设备自动采集和传输数据、信息自动分析和处理数据、信息,电力系统自动化,世界最大的同步互联电网西电东送、三峡核心、南直北交、链式同步,厂网分离后，我国电力行业被拆分重组为11家：,2大电网公司,5大发电公司,4大辅业公司,国家电网公司中国南方电网有限公司中国华能集团公司中国大唐集团公司中国华电集团公司中国国电集团公司中国电力投资集团公司中国电力工程顾问集团公司中国水电工程顾问集团公司 中国水利水电建设集团公司中国葛洲坝集团公司国家电力监管委员

2、会,1）发电环节：常规发电、大规模可再生能源、大规模储能,智能电网是时代潮流,2）输电环节：输电线路状态监测、柔性交流输电、柔性直流输电,3）变电环节：智能变电站(数字变电站),4）配电环节：智能配电网、分布式电源和微网,5）用电环节：智能用电设备、智能用电小区、智能大用户、电动汽车,6）调度环节：智能调度,7）信息通信环节：输电网通信、配用电通信、信息化基础设施、信息安全,1、自动装置,电力系统自动化,2、调度自动化,(1)自动准同期装置,(2)自动励磁调节器,(3)自动调速器、调频器,(4)低频减负荷装置,(1)SCADA,(2)高级应用,(1)状态估计,(2)潮流计算,(0)继电保护装置

3、,三道防御,第一层,第二层,第三层,第四层,系统安全保护自动化的四个层次：（根据覆盖区域、作用对象、动作时间和设备的功能来进行划分）,结构复杂而庞大,电能不能大量储存,过渡过程非常迅速,电力和国民经济各部门关系密切,电力系统的特点,保证电力系统的安全性,保证持续供电的可靠性,保证具有较好的电能质量-电压、频率、波形,提高电力系统运行的经济性,电力系统的运行要求,全球典型停电事故ONE,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

4、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,典型停电事故TWO,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

5、一。由于电力缺额过大造成了这次大停电。,典型停电事故THREE,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FOUR,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

6、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（约0.24亿人民币）。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题。,典型停电事故FIVE,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

7、断。,Case-1:814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 3

8、45kV 线路跳闸，俄亥俄的第二大城市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200M

9、W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。,第二阶段：,（7）16:10 Campbell 电厂3号机组跳闸；Hampton-Thetford 345kV线路跳闸；Onei

10、da-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

11、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

12、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,现有解决方案,YX：遥信YC：遥测YK：遥控YT：遥调,课程介绍,1、电力系统自动装置是理论与实践相结合的课程，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

13、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

14、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），设备操作需在极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

15、、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：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

16、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

17、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

18、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

19、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,2.电厂自动化,1.电力系统调度自动化,电力系统自动化由多个子系统组成：,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、6

20、0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

21、、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

22、反展：SCADA、区域稳定控制，电源和负荷已成为系统内越来越重要的部分；（4）由单一功能向多功能、一体化发展，智能变电站等；（5）装置性能向数字化、快速化、智能化、自愈化发展；（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：信息化技术在系统内广泛采用。,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。,人民日报：国家电网公司原总经理(现董事长)谈建设坚强智能电

23、网,智能电网发展的四个阶段,智能电网发展的四个阶段,1）“智能电网”解决方案第一个阶段是2006年，美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案。IBM提出的智能电网的主要目的是解决电网安全运行、提高可靠性，从其发布的建设智能电网创新运营管理中国电力发展的新思路白皮书可以看出，解决方案主要包括几方面：1）通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；2）数据整合体系和数据收集体系；3）进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。IBM方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。但是，我们应该从中看

24、出，IBM的“解决方案”是一个市场推广策略，带有明显的目的性，并没有从根本上回答什么是“智能电网”。,智能电网发展的四个阶段,2）智能电网产业智能电网概念发展的第二个阶段，是奥巴马上任后提出的美国能源计划。除了已公布的计划，美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的线路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。,智能电网发展的四个阶段,从奥巴马的能源计划中可以看出，美国政府的智能电网有三个目的：1）由于美国

25、电网设备相对比较落后，急需进行更新改造，提高电网运营的可靠性；2）通过智能电网的建设，将美国经济拉出金融危机的泥潭；3）提高能源和资源的利用效率。从该计划仍然具有明确的目的性，但是，从中可以初步看出美国认为的智能电网的基本内涵和外延，这是形成智能电网概念的基础。,2）智能电网产业,智能电网发展的四个阶段,3）互动电网智能电网概念的第3个发展阶段，是中国能源专家武建东提出的“互动电网”。互动电网，英文为Interactive Smart Grid，将智能电网的含义涵盖其中。互动电网定义为：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发、输、供、用电、客户售电、电

26、网分级调度、综合服务等电力产业链全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。再造电网信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。,互动电网还可以通过电子终端，将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电信、电视、智能家电控制和电池集成充电等的多用途开发，实现用户富裕电能的回售；整合系统数据，完善中央电力体系的集成作用，实现有效的临界负荷保护，实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连，由此优

27、化电网管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率。从以上概念看，智能电网是一种全新的系统理念，是一套完整的技术途径、技术方案和技术手段，是一个完备的新的产业链，是未来电网的发展模式和时代要求。,智能电网发展的四个阶段,智能电网发展的四个阶段,4）绿色友好智能电网概念从以上3阶段的概念来看，每个阶段的概念有其特点和目的，从单纯的商业利益到产业发展，再到根本目的和构成模式等多角度的认识，越来越清晰化，使智能电网概念的内涵和外延逐步明确，但是，仍然缺乏基础性的完备认识。,自四川大学与四川省电力公司联合成立了“智能电网四川省重点实验室”以来，四

28、川大学和四川省电力公司，围绕智能电网开展了大量基础积累和开创性研究，分别从大系统安全稳定、系统经济调度与可视化、配电系统智能化技术等多层面开展了积极的研究和探索，尤其是结合过去几十年在电力系统专业的学术沉淀和理论积累，开创性地提出了发展“绿色友好智能电网的基本构想”，从电网与自然、与环境、与社会的和谐发展，从电力企业与电力用户、与社会公众的多方满意，从电网规划、运行与控制、调度、电能转换与传输，从电能高效转换与传输，从全新的电力价值链等多角度开展了研究，丰富了智能电网概念的内涵，拓展了该概念的外延。值得注意的是，由于对智能电网概念的认识始终受环境和条件的限制，目前尚难以给出确定的定义，对该概念

29、的认识还在不断发展的过程中。,智能电网发展的四个阶段,4）绿色友好智能电网概念,现代智能电网的关键技术领域,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、课外练习和资料收集）,（3）课本参考书网络,六、本章作业,智能电网对自动装置提出的新挑战!,Thank You!,