電力系統(tǒng)保護與控制基本原理課程簡介：電力系統(tǒng)的重要性電力系統(tǒng)是現代社會不可或缺的基礎設施。它為工業(yè)、商業(yè)、居民生活提供電力,是社會發(fā)展的重要支撐。因此,掌握電力系統(tǒng)的保護與控制技術至關重要,確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行,為社會經濟發(fā)展提供持續(xù)的電力保障。課程目標：掌握保護與控制的基本概念1了解電力系統(tǒng)的組成和運行特點掌握電力系統(tǒng)的基本構成,包括發(fā)電、輸電、變電、配電等主要環(huán)節(jié),了解電力系統(tǒng)的運行特點。2掌握電力系統(tǒng)保護的任務和要求明確電力系統(tǒng)保護的基本任務,包括選擇性、快速性、靈敏性、可靠性等,并理解保護的具體要求。3掌握電力系統(tǒng)控制的任務和要求了解電力系統(tǒng)控制的目的,包括頻率控制、電壓控制、功率潮流控制等,并掌握相關控制技術。電力系統(tǒng)概述：電力系統(tǒng)的組成發(fā)電廠利用水力、火力、核能等發(fā)電,將機械能轉換為電能。發(fā)電廠是電力系統(tǒng)的源頭,決定了電力系統(tǒng)的整體性能。輸電網利用高壓輸電線路,將發(fā)電廠產生的電能傳輸到用電負荷中心。輸電網連接發(fā)電廠和變電站,是電力系統(tǒng)的主干部分。變電站負責調整電壓等級,將高壓電能轉換為中低壓電能,為用電端提供適當的電壓供應。配電網將變電站輸出的中低壓電能,分配到工商業(yè)用戶和居民用戶。配電網分布廣泛,連接著電力系統(tǒng)的各個用戶。電力系統(tǒng)的運行特點1實時性電力系統(tǒng)必須實時平衡供需,發(fā)電必須與用電實時匹配。任何供需失衡都會導致頻率偏離,嚴重時甚至會引發(fā)系統(tǒng)崩潰。2大規(guī)模性現代電力系統(tǒng)覆蓋范圍廣泛,連接著大量發(fā)電廠、變電站和用戶負荷,規(guī)模巨大。系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對社會發(fā)展至關重要。3復雜性電力系統(tǒng)涉及發(fā)電、輸電、變電、配電等多個環(huán)節(jié),設備眾多,拓撲結構復雜。系統(tǒng)運行狀態(tài)隨時刻變化,需要精細的監(jiān)控和控制。電力系統(tǒng)故障類型：短路故障三相短路故障三相導線同時發(fā)生短路,這是最嚴重的短路故障。由于短路電流很大,可能會造成設備嚴重損壞。單線地故障單相導線與地之間發(fā)生短路,這是最常見的短路故障。雖然短路電流沒有三相短路那么大,但也可能導致設備損壞。兩相短路故障兩相導線之間發(fā)生短路,短路電流較單線地故障更大,也可能造成設備損壞。過負荷和低電壓故障過負荷故障由于負荷突然增大或設備故障,導致電流超過設備的額定容量,這種情況下設備可能會過熱,嚴重時會損壞設備。低電壓故障由于負荷突然增大或系統(tǒng)事故,導致電壓遠低于額定值。低電壓不僅會影響用戶設備的正常工作,也可能引發(fā)其他故障。電力系統(tǒng)保護的任務和要求1保護的基本任務電力系統(tǒng)保護的主要任務是及時發(fā)現和隔離故障,防止故障波及整個系統(tǒng),保證系統(tǒng)的安全可靠運行。2保護的基本要求電力系統(tǒng)保護應滿足選擇性、快速性、靈敏性、可靠性和安全性等基本要求,為系統(tǒng)提供全面、可靠的保護。保護的基本任務：選擇性選擇性選擇性要求保護裝置能夠精確識別故障的位置,及時隔離故障,而不影響正常部分的供電。這可以最大限度地減少故障影響范圍。分區(qū)保護為實現選擇性保護,電力系統(tǒng)通常分成多個保護區(qū)域,每個區(qū)域配備相應的保護裝置。當某一區(qū)域發(fā)生故障時,只有該區(qū)域的保護裝置動作,其他區(qū)域不受影響?？焖傩耘c靈敏性快速性快速性要求保護裝置能夠迅速動作,切斷故障電流,防止故障擴大并減少對系統(tǒng)的損害。這對于維護系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要。靈敏性靈敏性要求保護裝置能夠準確地感知和識別系統(tǒng)中的各種故障信號,以確保能夠及時、正確地動作。這是實現選擇性和快速性的前提?？煽啃耘c安全性可靠性可靠性要求保護裝置能夠長期穩(wěn)定工作,在各種惡劣環(huán)境下仍能正常運行,確保系統(tǒng)始終處于受保護狀態(tài)。安全性安全性要求保護裝置自身不會因故障或誤動作而對人員和設備造成傷害,確保系統(tǒng)運行的安全性。電力系統(tǒng)控制的任務和要求1控制的基本任務電力系統(tǒng)控制的主要任務是保持系統(tǒng)的安全、經濟、可靠運行,滿足用戶用電需求。這包括頻率控制、電壓控制和功率潮流控制等。2控制的基本要求電力系統(tǒng)控制應滿足快速響應、高精度、強魯棒性等基本要求,確保系統(tǒng)能夠實時、準確地調整運行狀態(tài)。電力系統(tǒng)控制的目的：頻率控制頻率控制頻率控制的目的是保持電網頻率穩(wěn)定在額定值附近,確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。這需要通過調節(jié)發(fā)電機組輸出功率來實現供需平衡。頻率偏差的后果當供需失衡導致頻率偏高或偏低時,會對用戶設備和電網設備造成嚴重損害。因此頻率控制是電力系統(tǒng)控制的重點任務之一。電壓控制電壓控制電壓控制的目的是維持電網各節(jié)點電壓在額定范圍內,確保用戶設備的正常工作。這需要調節(jié)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、調壓器等設備來實現。電壓偏差的后果當電壓偏高或偏低時,會對用戶設備和電網設備造成損壞。因此電壓控制也是電力系統(tǒng)控制的重點任務之一。功率潮流控制功率潮流控制功率潮流控制的目的是確保電網各線路及變壓器不會過載,同時滿足負荷的用電需求。這需要調節(jié)發(fā)電機組的出力以及變壓器等設備的狀態(tài)。功率潮流失衡的后果當某些線路或變壓器出現過載時,會導致設備過熱甚至損壞。因此功率潮流控制也是電力系統(tǒng)控制的重要任務之一。電力系統(tǒng)保護裝置的組成測量元件測量電流和電壓等電氣量,為保護裝置提供輸入信號。常用的測量元件包括電流互感器和電壓互感器。保護繼電器分析測量信號,判斷是否發(fā)生故障,并發(fā)出跳閘指令。不同的故障類型對應不同的保護繼電器。斷路器接收保護指令后,迅速切斷故障電流。斷路器是保護裝置的最后執(zhí)行單元,對保護系統(tǒng)的可靠性至關重要。測量元件：電流互感器電流互感器(CT)電流互感器用于測量電力線路中的電流。它將大電流轉換為小電流,便于保護繼電器測量和分析。CT的精度和可靠性直接影響保護的性能。CT的工作原理CT的工作原理基于電磁感應。一次繞組串聯在電力線路中,二次繞組與保護繼電器相連。當一次電流變化時,會在二次繞組中感應出相應的電流。電壓互感器電壓互感器(PT)電壓互感器用于測量電力線路中的電壓。它將高電壓轉換為低電壓,便于保護繼電器測量和分析。PT的精度和可靠性同樣重要。PT的工作原理PT的工作原理與CT類似,也是基于電磁感應。一次繞組并聯在電力線路中,二次繞組與保護繼電器相連。當一次電壓變化時,會在二次繞組中感應出相應的電壓。繼電保護的原理：過電流保護過電流保護當電力線路中的電流超過預設值時,過電流保護繼電器動作,發(fā)出跳閘指令。過電流保護是最簡單、最常用的保護方式之一。保護原理過電流保護繼電器根據電流的大小和持續(xù)時間來判斷是否發(fā)生故障。當電流超過整定值,且持續(xù)時間超過設定的延時,繼電器就會動作。差動保護差動保護差動保護主要用于保護變壓器、發(fā)電機等設備。它通過比較設備兩側的電流,判斷設備內部是否發(fā)生故障。保護原理在正常情況下,設備兩側的電流相等。當設備內部發(fā)生故障時,兩側電流會出現差異,差動保護繼電器根據這個差異來判斷是否動作。距離保護距離保護距離保護主要用于保護輸電線路。它通過測量線路的阻抗,判斷故障點距離保護安裝位置的遠近。保護原理線路阻抗與故障距離成正比。距離保護繼電器根據測量的阻抗值來判斷故障是否發(fā)生在保護范圍內,從而決定是否動作。繼電保護的整定計算整定計算繼電保護的整定計算是指根據電力系統(tǒng)的運行方式和設備參數,合理設置保護裝置的動作值和動作時間,以滿足選擇性、快速性、靈敏性和可靠性的要求。重要性正確的整定計算是保證繼電保護正確動作的關鍵。整定值過小可能導致誤動作,整定值過大可能導致拒動作。保護的靈敏度校驗靈敏度校驗靈敏度校驗是指驗證保護裝置是否能夠可靠檢測到保護范圍內的最小故障電流。靈敏度校驗是保證保護裝置有效性的重要環(huán)節(jié)。校驗方法通常通過計算或仿真,驗證在保護范圍內的最遠端發(fā)生最小短路故障時,保護裝置是否能夠可靠動作。如果靈敏度不足,需要重新整定保護裝置。保護的選擇性校驗選擇性校驗選擇性校驗是指驗證保護裝置在保護范圍內發(fā)生故障時動作,而在保護范圍外發(fā)生故障時不動作。這是保證保護裝置選擇性的重要環(huán)節(jié)。校驗方法通常通過計算或仿真,驗證在保護范圍外發(fā)生最大短路故障時,保護裝置不會誤動作。如果選擇性不足,需要重新整定保護裝置。電力系統(tǒng)自動化裝置自動化裝置電力系統(tǒng)自動化裝置是指能夠自動完成電力系統(tǒng)監(jiān)控、控制和保護功能的設備。自動化裝置是實現電力系統(tǒng)安全、經濟、可靠運行的重要手段。主要功能電力系統(tǒng)自動化裝置的主要功能包括自動重合閘、備用電源自動投入、自動電壓調節(jié)等。自動重合閘自動重合閘(AR)自動重合閘是指在斷路器跳閘后,經過短暫延時,自動將斷路器合上的裝置。AR可以提高供電可靠性,減少停電時間。AR的適用場景AR主要適用于架空線路的瞬時性故障,例如雷擊引起的閃絡。對于永久性故障,AR通常會閉鎖,防止重復跳閘。備用電源自動投入備用電源自動投入(ATS)備用電源自動投入是指當主電源發(fā)生故障時,自動將負荷切換到備用電源的裝置。ATS可以提高供電可靠性,減少停電損失。ATS的應用ATS廣泛應用于重要場所,例如醫(yī)院、數據中心等,保證這些場所的持續(xù)供電。ATS通常需要配置雙電源供電系統(tǒng)。自動電壓調節(jié)自動電壓調節(jié)(AVR)自動電壓調節(jié)是指自動調節(jié)發(fā)電機勵磁電流,以維持發(fā)電機端電壓在設定范圍內的裝置。AVR可以提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。AVR的作用AVR可以快速響應負荷變化,自動調節(jié)發(fā)電機勵磁,維持電壓穩(wěn)定。AVR是現代電力系統(tǒng)的重要組成部分。變壓器保護：瓦斯保護瓦斯保護瓦斯保護是變壓器內部故障的主要保護方式。它通過檢測變壓器油箱內的氣體,判斷變壓器內部是否發(fā)生故障。瓦斯保護的原理當變壓器內部發(fā)生故障時,會產生大量的氣體。瓦斯保護繼電器檢測到這些氣體后,會發(fā)出報警或跳閘指令,防止故障擴大。過電流保護與差動保護的配合配合原則過電流保護和差動保護通常需要配合使用,以實現對變壓器的全面保護。差動保護主要用于保護變壓器內部故障,過電流保護主要用于保護變壓器外部故障。配合方式差動保護作為主保護,動作速度快,靈敏度高。過電流保護作為后備保護,動作速度較慢,但可靠性高。兩者配合使用,可以提高保護的可靠性。發(fā)電機保護：定子繞組故障保護定子繞組故障發(fā)電機定子繞組故障是發(fā)電機最常見的故障之一。定子繞組故障可能由絕緣老化、過電壓、過電流等原因引起。保護方式常用的定子繞組故障保護包括縱差動保護、橫差動保護、零序電壓保護等。這些保護方式可以有效地檢測和隔離定子繞組故障。轉子繞組故障保護轉子繞組故障發(fā)電機轉子繞組故障主要包括匝間短路和接地故障。轉子繞組故障可能由絕緣老化、過電壓、過電流等原因引起。保護方式常用的轉子繞組故障保護包括接地保護和匝間短路保護。這些保護方式可以有效地檢測和隔離轉子繞組故障,防止故障擴大。母線保護：差動保護母線差動保護母線是電力系統(tǒng)中連接多條線路的重要節(jié)點。母線故障會導致大面積停電,因此母線保護至關重要。差動保護是母線保護的主要方式。保護原理母線差動保護通過比較進入和流出母線的電流總和,判斷母線內部是否發(fā)生故障。在正常情況下,電流總和為零。當母線內部發(fā)生故障時,電流總和不為零,差動保護繼電器動作。線路保護：距離保護的原理距離保護距離保護主要用于保護輸電線路。它通過測量線路的阻抗,判斷故障點距離保護安裝位置的遠近。線路阻抗與故障距離成正比。保護原理距離保護繼電器根據測量的阻抗值來判斷故障是否發(fā)生在保護范圍內,從而決定是否動作。距離保護可以實現對線路的分段保護。距離保護的特性阻抗圓特性傳統(tǒng)的距離保護采用阻抗圓特性。當測量的阻抗值落在阻抗圓內時,保護繼電器動作。阻抗圓的大小和位置可以根據線路參數和保護要求進行整定。方向阻抗特性為了提高保護的選擇性,可以采用方向阻抗特性。方向阻抗特性可以區(qū)分故障方向,避免保護誤動作。高頻保護高頻保護高頻保護是一種快速、可靠的線路保護方式。它通過在被保護線路上發(fā)送和接收高頻信號,判斷線路是否發(fā)生故障。保護原理在正常情況下,高頻信號可以順利通過線路。當線路發(fā)生故障時,高頻信號會被阻擋或衰減,高頻保護繼電器根據信號的變化來判斷是否動作。電動機保護：過負荷保護過負荷保護電動機過負荷是指電動機長時間運行在超過額定電流的狀態(tài)。過負荷會導致電動機繞組過熱,縮短電動機的使用壽命。保護方式常用的過負荷保護包括熱繼電器和電子式過負荷繼電器。這些保護方式可以檢測電動機的運行電流,當電流超過設定值時,切斷電源。短路保護短路保護電動機短路是指電動機繞組發(fā)生相間短路或接地短路。短路會導致電動機繞組產生巨大的短路電流,嚴重損壞電動機。保護方式常用的短路保護包括熔斷器和斷路器。這些保護方式可以快速切斷短路電流,保護電動機免受損壞。低電壓保護低電壓保護電動機低電壓是指電動機端電壓低于額定值的85%。低電壓會導致電動機轉矩下降,無法正常啟動或運行。保護方式低電壓保護繼電器可以檢測電動機端電壓,當電壓低于設定值時,切斷電源,防止電動機在低電壓下長時間運行而損壞。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念電力系統(tǒng)穩(wěn)定性電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到擾動后,能夠保持或恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)安全運行的重要保證。穩(wěn)定性分類電力系統(tǒng)穩(wěn)定性可以分為靜態(tài)穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性等。不同類型的穩(wěn)定性問題需要采用不同的控制措施。靜態(tài)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性靜態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到小擾動后,能夠自動恢復到原穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。靜態(tài)穩(wěn)定性主要與電力系統(tǒng)的運行方式和設備參數有關。影響因素影響靜態(tài)穩(wěn)定性的因素包括發(fā)電機功角、線路阻抗、負荷特性等。提高靜態(tài)穩(wěn)定性可以通過優(yōu)化運行方式、增加線路容量等措施來實現。暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大擾動后,能夠保持同步運行的能力。大擾動可能由短路故障、發(fā)電機跳閘等引起。提高暫態(tài)穩(wěn)定性提高暫態(tài)穩(wěn)定性可以通過快速切除故障、提高發(fā)電機勵磁響應速度、加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器等措施來實現。電壓穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性電壓穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在負荷增加或受到擾動后,能夠維持電壓在可接受范圍內的能力。電壓穩(wěn)定性問題通常發(fā)生在負荷中心或弱連接區(qū)域。提高電壓穩(wěn)定性提高電壓穩(wěn)定性可以通過增加無功電源、調節(jié)變壓器分接頭、采用靜態(tài)無功補償器等措施來實現。提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施1控制措施采用發(fā)電機勵磁控制、加裝電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障等控制措施,可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2技術措施采用串聯電容器、柔性交流輸電系統(tǒng)等技術措施,可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3運行措施優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行方式,調整負荷分布,可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂拼胧喊l(fā)電機勵磁控制勵磁控制發(fā)電機勵磁控制是指通過調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流,來控制發(fā)電機的端電壓和無功出力。勵磁控制可以提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性?？刂撇呗猿Ｓ玫膭畲趴刂撇呗园ㄗ詣与妷赫{節(jié)器(AVR)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)。AVR用于維持電壓穩(wěn)定,PSS用于抑制電力系統(tǒng)振蕩。串聯電容器串聯電容器串聯電容器是指將電容器串聯在輸電線路上,用于補償線路的感抗,降低線路的阻抗,提高輸電能力和穩(wěn)定性。應用串聯電容器廣泛應用于長距離、重負荷的輸電線路上,可以有效地提高線路的輸電能力和穩(wěn)定性。提高穩(wěn)定性的運行方式運行方式合理的運行方式可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如,保持發(fā)電機功角在合理范圍內,避免線路過載等。優(yōu)化調度電力系統(tǒng)調度人員需要根據系統(tǒng)的運行狀態(tài),合理調整發(fā)電機的出力和線路的潮流,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電力系統(tǒng)調度自動化調度自動化電力系統(tǒng)調度自動化是指利用計算機和通信技術,實現電力系統(tǒng)運行的監(jiān)控、控制和優(yōu)化。調度自動化是提高電力系統(tǒng)運行效率和安全性的重要手段。主要系統(tǒng)電力系統(tǒng)調度自動化的主要系統(tǒng)包括SCADA系統(tǒng)和EMS系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的功能SCADA系統(tǒng)SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系統(tǒng)是指數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)用于采集電力系統(tǒng)運行數據,監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài),并進行遠程控制。主要功能SCADA系統(tǒng)的主要功能包括數據采集、數據處理、數據存儲、數據通信、監(jiān)視和控制等。EMS系統(tǒng)的功能EMS系統(tǒng)EMS(EnergyManagementSystem)系統(tǒng)是指能量管理系統(tǒng)。EMS系統(tǒng)用于電力系統(tǒng)的運行優(yōu)化和控制,提高系統(tǒng)的經濟性和安全性。主要功能EMS系統(tǒng)的主要功能包括狀態(tài)估計、潮流計算、最優(yōu)潮流、安全分析、自動發(fā)電控制等。配電網自動化配電網自動化配電網自動化是指利用自動化技術,實現配電網運行的監(jiān)控、控制和保護。配電網自動化可以提高配電網的供電可靠性、電能質量和運行效率。目標配電網自動化的目標是實現配電網的智能化、自動化和信息化。配電自動化系統(tǒng)的組成系統(tǒng)組成配電自動化系統(tǒng)主要由主站系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、配電終端設備等組成。主站系統(tǒng)負責數據處理和控制,通信系統(tǒng)負責數據傳輸,配電終端設備負責數據采集和執(zhí)行控制指令。設備配電終端設備包括饋線終端單元(FTU)、配電變壓器終端單元(DTU)、開關終端單元(STU)等。配電自動化的功能主要功能配電自動化的主要功能包括故障定位與隔離、電壓控制、負荷管理、線損管理、電能質量監(jiān)測等。提升配電自動化可以提高供電可靠性,減少停電時間,優(yōu)化電壓分布,降低線損,提高電能質量。智能電網與電力系統(tǒng)保護控制智能電網智能電網是指利用先進的傳感、通信、控制和信息技術,構建的新一代電