2025年注冊電氣工程師考試電力系統(tǒng)自動化專項訓(xùn)練試卷：重點難點解析考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)的基本要求，并分別解釋選擇性、靈敏性、速動性和可靠性在保護(hù)配置中的作用。二、某發(fā)電機采用三相星形接線，額定電壓為10.5kV，額定容量為50MVA，Xd=12%。試計算其額定相電流、額定線電流以及100%額定電流時的阻抗繼電器整定阻抗（假設(shè)采用整流式相位比較原理，忽略二次回路電壓降）。若該線路末端發(fā)生單相接地故障，流過保護(hù)安裝處的A相接地電流為300A，為了保證保護(hù)靈敏，請說明應(yīng)如何整定該相電流速斷保護(hù)的動作電流，并簡述其可能存在的問題。三、解釋什么是自動勵磁調(diào)節(jié)器（AVR）的“強行勵磁”功能，并說明其在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時維持電壓和穩(wěn)定運行中的作用。簡述勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機頻率變化的基本調(diào)節(jié)過程。四、電力系統(tǒng)中常見的自動調(diào)節(jié)裝置有哪些？請分別簡述其在維持電壓水平、改善功率因數(shù)或抑制系統(tǒng)振蕩等方面的作用。五、簡述靜止無功補償器（SVC）的基本工作原理。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于額定電壓時，SVCtypically以哪種方式工作以提供無功補償？當(dāng)系統(tǒng)電壓低于額定電壓時，又通常以哪種方式工作？六、在電力系統(tǒng)中，自動重合閘裝置（ARU）有哪些基本類型？請分別說明其適用條件和可能存在的問題。配置自動重合閘裝置時，需要考慮哪些與繼電保護(hù)相配合的問題？七、什么是柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）？請列舉兩種典型的FACTS裝置，并簡述它們在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用效益。八、在數(shù)字化變電站中，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢是什么？它對繼電保護(hù)信息交換提出了哪些基本要求？九、某110kV線路采用分相電流互感器（CT）接成不完全星形接線，保護(hù)安裝處A相CT變比為200/5A。A相電流速斷保護(hù)采用整定系數(shù)Kset=1.2，最小靈敏系數(shù)Ksen(min)=1.5。試計算該保護(hù)的瞬時動作電流整定值。若在CT二次側(cè)測量，其最小故障電流應(yīng)不小于多少才能保證保護(hù)在故障時具有足夠的靈敏度？十、分析電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，對繼電保護(hù)裝置可能產(chǎn)生哪些影響？為提高保護(hù)的可靠性，常采取哪些反振蕩措施？十一、簡述電力系統(tǒng)穩(wěn)定的概念。影響電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的主要因素有哪些？提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的常用方法有哪些？十二、請解釋什么是電力系統(tǒng)的電壓崩潰現(xiàn)象，并簡述其發(fā)生的基本過程。電壓崩潰發(fā)生時，系統(tǒng)自動化裝置（如AVC、無功補償裝置等）應(yīng)如何響應(yīng)以試圖阻止或緩解崩潰？十三、某變電站配置了基于PLC的微機保護(hù)裝置，用于保護(hù)一臺變壓器。請簡述該微機保護(hù)裝置實現(xiàn)保護(hù)功能的基本步驟（例如，從故障發(fā)生到發(fā)出跳閘命令）。在設(shè)計與配置此類保護(hù)時，需要考慮哪些關(guān)鍵的技術(shù)問題（如采樣、開出、通信、可靠性等）？試卷答案一、電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)的基本要求是：選擇性、靈敏性、速動性和可靠性。選擇性：指保護(hù)裝置動作時，應(yīng)只將故障元件或線路切除，盡量減少對非故障部分系統(tǒng)及正常運行設(shè)備的影響。通常通過正確整定保護(hù)動作時限和實現(xiàn)保護(hù)間的配合來保證。靈敏性：指保護(hù)裝置對其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生的故障或不正常運行狀態(tài)的反應(yīng)能力，即故障時保護(hù)裝置能夠正確動作的能力。通常用靈敏系數(shù)來衡量。速動性：指保護(hù)裝置在故障發(fā)生后盡快動作，切除故障的時間要短。這有助于縮小故障影響范圍，減少設(shè)備損壞和系統(tǒng)損失，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。可靠性：指保護(hù)裝置在實際運行中，在規(guī)定的條件下能正確動作，而在不發(fā)生故障時，則不應(yīng)誤動作。高可靠性是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。二、額定相電流Iph=S/(√3*Ue)=50MVA/(1.732*10.5kV)≈2.83kA額定線電流Il=√3*Iph≈1.732*2.83kA≈4.89kA100%額定電流時的阻抗繼電器整定阻抗Zset=Xd=12%*10.5kV/(√3*4.89kA)≈0.058Ω為滿足靈敏性要求（Ksen≥1.5），動作電流整定值Iop_set=Iph/Ksen=300A/1.5=200A。采用整流式相位比較原理的保護(hù)，其動作電流通常與流過繼電器的電流成正比。因此，應(yīng)將保護(hù)的動作電流整定為200A。該速斷保護(hù)可能存在的問題：①動作電流整定值較高，可能會在系統(tǒng)正常運行時發(fā)生負(fù)荷波動（如最小負(fù)荷時）導(dǎo)致誤動；②對于靠近保護(hù)安裝處發(fā)生的、故障電流遠(yuǎn)小于200A的故障，可能無法保證足夠的靈敏性（即Ksen<1.5）；③在系統(tǒng)發(fā)生非對稱故障或過渡電阻較大時，保護(hù)性能可能下降。三、自動勵磁調(diào)節(jié)器（AVR）的“強行勵磁”功能是指：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障（如短路）導(dǎo)致發(fā)電機端電壓急劇下降時，AVR能自動、迅速地增大勵磁機的勵磁電流（或直流電源），使發(fā)電機的勵磁電壓和輸出電壓得到快速提升，以維持系統(tǒng)電壓在允許水平，并增強發(fā)電機的電磁功率，有助于限制短路電流的進(jìn)一步增大和加速故障切除，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵磁系統(tǒng)對發(fā)電機頻率變化的調(diào)節(jié)過程：發(fā)電機輸出的電磁功率Pem與系統(tǒng)頻率f成比例。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，表明負(fù)載功率Pd大于發(fā)電機輸出功率Pem。勵磁系統(tǒng)（通過AVR）感知頻率下降（或功率不平衡信號），會增加勵磁電流，提高發(fā)電機電壓（若電壓未飽和），增強其電磁功率Pem。同時，原動機（如汽輪機）可能會根據(jù)頻率或功率信號進(jìn)行調(diào)節(jié)（如增加進(jìn)汽量），試圖增加機械功率Pm。通過這種負(fù)反饋調(diào)節(jié)，發(fā)電機輸出功率增加，頻率開始回升。反之，頻率升高時，調(diào)節(jié)過程相反。四、電力系統(tǒng)中常見的自動調(diào)節(jié)裝置包括：自動勵磁調(diào)節(jié)器（AVR）、自動電壓調(diào)節(jié)器（AVC）、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、自動重合閘裝置（ARU）、按頻率減負(fù)荷裝置（FLC）、自動調(diào)壓變壓器（AT）、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）等。AVR的作用：維持發(fā)電機端電壓或系統(tǒng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)穩(wěn)定，提高供電質(zhì)量。AVC的作用：根據(jù)系統(tǒng)電壓水平和負(fù)荷情況，自動調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁或投切無功補償設(shè)備，優(yōu)化無功功率分布，維持系統(tǒng)電壓水平穩(wěn)定。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的作用：提供和控制發(fā)電機所需的勵磁電流，從而控制發(fā)電機輸出電壓、功率因數(shù)和穩(wěn)定性。自動重合閘裝置（ARU）的作用：在發(fā)生暫時性故障導(dǎo)致線路跳閘后，能自動將線路重新投入運行，從而提高供電可靠性。按頻率減負(fù)荷裝置（FLC）的作用：在系統(tǒng)頻率持續(xù)下降到預(yù)設(shè)值時，自動切除部分非關(guān)鍵負(fù)荷，以減緩頻率下降速度，防止頻率崩潰。自動調(diào)壓變壓器（AT）的作用：通過自動改變變壓器分接頭位置，穩(wěn)定區(qū)域性配電網(wǎng)的電壓水平。SVC和STATCOM的作用：快速、平滑地提供或吸收無功功率，有效抑制系統(tǒng)電壓波動和閃變，提高功率因數(shù)，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。五、靜止無功補償器（SVC）的基本工作原理：利用電力電子器件（如晶閘管）控制電容器組、電抗器組的導(dǎo)通和關(guān)斷，或調(diào)節(jié)其等效阻抗，快速地向系統(tǒng)提供或吸收可變的無功功率。當(dāng)系統(tǒng)電壓高于額定電壓時，SVCtypically以感性無功補償方式工作。通過控制晶閘管導(dǎo)通角，使SVC吸收系統(tǒng)多余的無功功率，從而降低系統(tǒng)電壓，抑制電壓上升，提高功率因數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)電壓低于額定電壓時，SVCtypically以容性無功補償方式工作。通過控制晶閘管導(dǎo)通角或采用其他控制策略（如電壓源型變流器），使SVC向系統(tǒng)提供無功功率，從而提升系統(tǒng)電壓，抑制電壓下降。六、電力系統(tǒng)中常見的自動重合閘裝置（ARU）類型有：1.單側(cè)電源線路的自動重合閘（單電源ARU）：在單電源線路發(fā)生故障跳閘后，由線路對側(cè)將線路重新投入。適用于單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)。有檢定線路兩側(cè)電源、檢定本側(cè)電源、無檢定等具體方式。2.雙側(cè)電源線路的自動重合閘（雙電源ARU）：在雙側(cè)電源線路發(fā)生故障跳閘后，由一側(cè)或兩側(cè)根據(jù)判斷結(jié)果將線路重新投入。需要考慮兩側(cè)電源同期性或相角差問題。有同期重合閘、自同期重合閘、非同期重合閘（帶解列）等。3.綜合重合閘：將線路保護(hù)、重合閘、故障錄波、通信等功能集成于一體的裝置。適用條件：適用于因雷擊、線路碰觸異物等引起的暫時性故障，這些故障跳閘后線路可能恢復(fù)絕緣，重合閘成功可提高供電可靠性。不適用于永久性故障（如斷線、絕緣損壞嚴(yán)重），否則會多次重合閘失敗，擴大停電范圍或損壞設(shè)備。可能存在的問題：*重合閘后加速：在雙側(cè)電源線路中，為縮短非永久性故障的停電時間，采用故障后加速保護(hù)動作的方式，但存在同側(cè)故障時加速跳閘的風(fēng)險。*重合于永久性故障：導(dǎo)致系統(tǒng)再次遭受故障沖擊，可能擴大事故范圍，損壞設(shè)備。*同期問題：雙側(cè)電源重合閘時，若未達(dá)到同期條件強行合閘，可能造成系統(tǒng)振蕩甚至解列。配置ARU與繼電保護(hù)相配合的問題：*選擇性：重合閘應(yīng)與保護(hù)選擇性相協(xié)調(diào)。*時限配合：保護(hù)動作時限應(yīng)考慮重合閘的固有延時和再次動作延時。*故障識別與檢定：保護(hù)需能準(zhǔn)確判斷故障類型（永久性/暫時性），部分重合閘方式（如檢定方式）需判斷故障是否發(fā)生在本側(cè)或?qū)?cè)。*同期問題：雙側(cè)電源重合閘需解決同期問題。七、柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是指：利用電力電子器件、計算機技術(shù)、傳感器和控制器等，對電力系統(tǒng)中交流部分的功率流進(jìn)行靈活、快速調(diào)節(jié)，以改善電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳輸能力和運行經(jīng)濟性的綜合技術(shù)或設(shè)備系統(tǒng)。典型的FACTS裝置包括：靜止無功補償器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）、串聯(lián)電容補償（TCSC）、可控串聯(lián)電抗器（CSR）、統(tǒng)一電力流控制器（UPFC）、靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）接口等。主要應(yīng)用效益：*提高輸電能力：通過無功補償和功率流控制，提高線路的輸電裕度。*改善系統(tǒng)穩(wěn)定性：抑制功率振蕩，提高小干擾和大干擾穩(wěn)定性。*維持電壓穩(wěn)定：快速調(diào)節(jié)無功功率，抑制電壓閃變和崩潰。*控制功率流：靈活調(diào)節(jié)線路功率流向和大小，優(yōu)化潮流分布。*提高電能質(zhì)量：抑制諧波，調(diào)節(jié)電壓暫降/暫升等。八、數(shù)字化變電站中，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)勢：*標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化：提供統(tǒng)一的通信模型和接口規(guī)范，促進(jìn)了不同廠商設(shè)備間的互操作性。*分層結(jié)構(gòu)：采用變電站層、過程層、設(shè)備層的三層（或兩層）結(jié)構(gòu)，簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高了可靠性。*信息集成：實現(xiàn)了設(shè)備層信息的共享和訪問，便于實現(xiàn)智能化應(yīng)用（如故障診斷、狀態(tài)評估）。*網(wǎng)絡(luò)化：基于以太網(wǎng)技術(shù)，提高了傳輸速率和帶寬，支持更復(fù)雜的應(yīng)用。*減少電纜，簡化二次接線：通過過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字量信息，大幅減少了二次電纜和端子排。IEC61850對繼電保護(hù)信息交換的基本要求：*對象模型：建立統(tǒng)一的設(shè)備、變量、邏輯節(jié)點等對象模型。*通信服務(wù)：定義了信息傳遞服務(wù)（MMS），用于設(shè)備間可靠的信息交換。*數(shù)據(jù)模型：使用擴展的MMS模型（如GOOSE、SMV、報告服務(wù)等）來描述和傳輸保護(hù)信息。*信息發(fā)布：保護(hù)裝置能按需發(fā)布狀態(tài)信息和事件信息（如GOOSE報文）。*配置管理：支持基于模型的配置，簡化了保護(hù)和控制系統(tǒng)的配置、調(diào)試和維護(hù)。九、A相電流速斷保護(hù)瞬時動作電流整定值Iop_set=Iph_min*Kset=200A*1.2=240A。保護(hù)安裝處CT二次側(cè)的額定電流為5A。若保護(hù)采用電磁式或整流式電流繼電器，其線圈電流通常取CT額定電流的5%-10%，即0.25A-0.5A。為保證可靠動作，可按5A設(shè)計。最小故障電流（CT二次側(cè)）應(yīng)滿足Ksen(min)=If_min_set/Iop_set≥1.5。If_min_set=1.5*Iop_set=1.5*240A=360A。因此，CT二次側(cè)測量的最小故障電流應(yīng)不小于360A才能保證保護(hù)具有足夠的靈敏度。這要求故障電流必須遠(yuǎn)大于240A，且在流過CT時衰減和測量誤差不能導(dǎo)致實際值低于此閾值。十、電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，對繼電保護(hù)裝置可能產(chǎn)生的影響：*電流和電壓的周期性變化：導(dǎo)致測量元件（如電流、電壓繼電器）輸出信號幅值和相位周期性擺動。*保護(hù)動作時限的延長：振蕩時系統(tǒng)阻抗和電壓變化復(fù)雜，可能使保護(hù)（特別是距離保護(hù)、方向保護(hù)）動作時間延長。*死區(qū)現(xiàn)象：在振蕩中心附近，電壓和電流可能都較小，導(dǎo)致某些保護(hù)（如電流速斷）進(jìn)入死區(qū)而拒動。*誤動風(fēng)險：對于一些對電流、電壓波動敏感的繼電器（如某些型式的差動保護(hù)、匝間保護(hù)），或因振蕩解列、系統(tǒng)失步引發(fā)的有功功角擺動，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動。*方向判據(jù)不穩(wěn)定：電壓、電流相位的快速變化可能使方向繼電器判斷錯誤。為提高保護(hù)的可靠性，常采取的反振蕩措施：*振蕩閉鎖：在保護(hù)裝置中設(shè)置專門的振蕩閉鎖元件。當(dāng)檢測到系統(tǒng)發(fā)生振蕩時（通過測量電流、電壓的頻率、相角差或利用特定判據(jù)），閉鎖可能誤動的保護(hù)（特別是距離保護(hù)、方向保護(hù)），待振蕩停止或轉(zhuǎn)入故障狀態(tài)后再開放保護(hù)。*采用振蕩閉鎖的復(fù)合電壓起動：在距離保護(hù)中，使用包含振蕩閉鎖功能的復(fù)合電壓起動元件，以提高在振蕩和故障共存情況下的可靠性。*選擇不依賴振蕩影響的保護(hù)：如采用簡單的電流速斷保護(hù)（在振蕩中心附近除外）或零序保護(hù)（對不對稱故障）。*調(diào)整保護(hù)時限：在振蕩時適當(dāng)延長保護(hù)動作時限。*設(shè)置死區(qū)：對某些保護(hù)元件設(shè)置死區(qū)，防止在電壓、電流很小（如振蕩時）時誤動。十一、電力系統(tǒng)穩(wěn)定的概念：指電力系統(tǒng)受到擾動（如故障、負(fù)荷變化、發(fā)電機退出等）后，能夠恢復(fù)到原始運行狀態(tài)或進(jìn)入一個新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)安全運行的基礎(chǔ)。影響電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的主要因素：*系統(tǒng)阻抗：系統(tǒng)的等效阻抗越小，功率傳輸能力越強，靜態(tài)穩(wěn)定性越高。*發(fā)電機勵磁特性：強勵能力越強，有助于維持電壓和功角穩(wěn)定。*原動機調(diào)速特性：調(diào)速器性能影響發(fā)電機有功功率的調(diào)節(jié)速度。*負(fù)荷特性：部分負(fù)荷（如感應(yīng)電動機）的功角特性影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。*網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)的連接方式、聯(lián)絡(luò)線阻抗等影響功率傳輸和系統(tǒng)抗干擾能力。提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的常用方法：*縮短“電氣距離”：采用更高電壓等級輸電、采用聯(lián)絡(luò)線、采用串聯(lián)電容補償（TCSC）或同步調(diào)相機等。*提高系統(tǒng)電壓水平：減少線路和變壓器阻抗。*加強無功補償：提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，限制電壓下降。*采用自動調(diào)節(jié)裝置：如AVR、UPFC等，快速調(diào)節(jié)電壓和無功功率。*改善原動機調(diào)速和勵磁系統(tǒng)性能。*采用靜態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。十二、電力系統(tǒng)的電壓崩潰現(xiàn)象：指在電力系統(tǒng)中，由于負(fù)荷增長過快、無功電源不足、系統(tǒng)運行方式不合理或發(fā)生擾動等原因，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓水平持續(xù)快速下降，最終多個電壓水平較低的節(jié)點電壓跌落至無法承受的程度（通常低于額定電壓的50%-70%甚至更低），造成大范圍停電的嚴(yán)重事故。電壓崩潰發(fā)生的基本過程：1.觸發(fā)：系統(tǒng)發(fā)生擾動，如大的負(fù)荷增長、某關(guān)鍵發(fā)電機或輸電線路跳閘、短路故障等。2.功率缺額和電壓下降：擾動導(dǎo)致系統(tǒng)有功或無功功率缺額，或功率傳輸能力下降，引起系統(tǒng)電壓水平開始下降。3.負(fù)荷-電壓特性惡性循環(huán)：系統(tǒng)電壓下降導(dǎo)致負(fù)荷（特別是感應(yīng)電動機）消耗的有功和無功功率增加（電壓-功率靜態(tài)特性），進(jìn)一步加劇了功率缺額，導(dǎo)致電壓更快下降。4.潮流分布惡化：電壓下降使線路和變壓器工作在非經(jīng)濟運行區(qū)，阻抗增大，功率損耗增加，進(jìn)一步加劇電壓下降和功率缺額。5.連鎖反應(yīng)和崩潰：電壓持續(xù)快速下降最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點電壓失穩(wěn)跌落，系統(tǒng)解裂成若干無法繼續(xù)運行的孤立部分，電壓崩潰發(fā)生。電壓崩潰發(fā)生時，系統(tǒng)自動化裝置（如AVC、無功補償裝置等）的響應(yīng)：*AVC：應(yīng)檢測到系統(tǒng)電壓下降趨勢或區(qū)域電壓水平，快速增加發(fā)電機勵磁（若響應(yīng)快），或優(yōu)先投切并聯(lián)電容器等無功補償設(shè)備，向系統(tǒng)注入更多無功功率，以提升電壓。*SVC/STATCOM：應(yīng)根據(jù)控制策略（如電壓外環(huán)控制），檢測到電壓下降后，快速提供感性無功功率（若允許），以支撐電壓水平。*發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR）：自動增強勵磁，提升發(fā)電機端電壓。*按頻率減負(fù)荷（FLC）：若頻率因電壓崩潰相關(guān)擾動而下降，F(xiàn)LC動作切除負(fù)荷，減少系統(tǒng)總功率需求，有助于減緩電壓下降和頻率崩潰。*解列裝置：在極端情況下，為防止系統(tǒng)全網(wǎng)崩潰，可能需要按預(yù)設(shè)方案執(zhí)行系統(tǒng)解列，將系統(tǒng)分割成幾個小系統(tǒng)，使每個小系統(tǒng)能在較低負(fù)荷下恢復(fù)穩(wěn)定運行。十三、某變電站配置了基于PLC的微機保護(hù)裝置實現(xiàn)變壓器保護(hù)的基本步驟：1.信息采集：通過裝設(shè)在變壓器各側(cè)（高壓、低壓）的電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）采集電流、電壓信號。信號經(jīng)過傳感器、濾波、隔離、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，變?yōu)閿?shù)字量輸入PLC。2.數(shù)據(jù)處理與判斷：PLC內(nèi)的保護(hù)算法程序?qū)Σ?/p>