1、第一講 緒論自動裝置及同步發(fā)電機的自動并列,肖仕武 Office:J5B309 Tel:80794899 ,North China Electric Power University,2/43,2020/9/22,第一章 緒論,本課程使同學(xué)們對電力系統(tǒng)自動化及其基本問題有一個基礎(chǔ)性的了解。,North China Electric Power University,3/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)的構(gòu)成,電力系統(tǒng)（一次系統(tǒng)）： 電能生產(chǎn)、輸送、分配和消費所需要的發(fā)電機、變壓器、電力線路、斷路器、母線和用電設(shè)備等互相連接而成的系統(tǒng)。也稱為一次系統(tǒng)，其中所包括的電力設(shè)備稱為“一次設(shè)備”。 特

2、點：能量系統(tǒng)、主系統(tǒng)、高電壓、大電流。 二次系統(tǒng)（二次系統(tǒng)）： 由對一次系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制、保護和調(diào)度所需要的自動監(jiān)控設(shè)備、繼電保護裝置、遠動和通信設(shè)備等組成的輔助系統(tǒng)。其中包括的設(shè)備裝置稱為“二次設(shè)備”。 特點：信息系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、低電壓、小電流。,North China Electric Power University,4/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)構(gòu)成,發(fā)電 輸電 配電 用電,發(fā)電,輸電,配電,用電,North China Electric Power University,5/43,2020/9/22,電力生產(chǎn)特點和要求,特點：電能無法大容量存儲，電能的生產(chǎn)與消耗幾乎是時刻保

3、持平衡。 要求: 保證安全可靠運行 包括：輸變電設(shè)備的正常操作、故障的快速切除和恢復(fù)，均通過自動裝置才能保證安全、可靠。 保證優(yōu)質(zhì)電能 保證經(jīng)濟運行 最少的一次能源產(chǎn)生更多的電力。電力系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度運行，降低網(wǎng)損等。,North China Electric Power University,6/43,2020/9/22,中國電力系統(tǒng)及其互聯(lián)運行（現(xiàn)狀）,世界最大的同步互聯(lián)電網(wǎng) 西電東送、三峽核心 南直北交、鏈式同步,North China Electric Power University,7/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)：可怕的超級大系統(tǒng),一個脆弱的龐然大物!,1882年到現(xiàn)在，

4、120多年過去了。 作用越來越重要了 系統(tǒng)規(guī)模越來越大了 新裝備和新技術(shù)的使用越來越多了 壟斷下的機制和規(guī)范逐步不存在了 但是,大停電故障越來越多了,North China Electric Power University,8/43,2020/9/22,保守如此，脆弱依然,上個世紀60年代進入大電網(wǎng)互聯(lián)時代后，大停電事故頻繁發(fā)生。,North China Electric Power University,9/43,2020/9/22,8.14大停電,停電前 停電后,North China Electric Power University,10/43,2020/9/22,美加大停電，就發(fā)生

5、在昨天,North China Electric Power University,11/43,2020/9/22,Blackouts Example,2003 (8.14 US-Canada Blackout, 8.28 London Blackout, 9.1 Sydney Blackout, 9.1 Malaysia Blackout, 9.28 Italy Blackout)2006.11.4 West European blackout (8 countries),North China Electric Power University,12/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)特點

6、和工作狀態(tài),特點：電能無法大容量存儲，生產(chǎn)消耗幾乎同時。 正常工作狀態(tài): 電力系統(tǒng)的電壓和頻率電流等都在允許的范圍以內(nèi)，能夠保持長期安全工作的狀態(tài)。 等約束（PQ平衡）和不等約束條件(IUS等)都滿足 最關(guān)鍵的指標：Ue10%, f0.2Hz 不正常狀態(tài)：正常運行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。等約束條件滿足，部分不等約束條件不滿足。 故障狀態(tài)（繼電保護考慮，本課程不考慮。）,North China Electric Power University,13/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)狀態(tài)不正常運行狀態(tài),不正常運行狀態(tài)：正常運行條件受到破壞，但還未發(fā)生故障。等約束條件滿足，部分不等約束條件

7、不滿足。 負荷潮流越限致使電流升高（過負荷）； 發(fā)電機突然甩負荷引起發(fā)電機頻率升高； 系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率缺額引起的頻率降低； 單相接地引起的非接地相電壓升高； 電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩； 不正常運行狀態(tài)產(chǎn)生的后果：電力設(shè)備的電流過大會使設(shè)備載流部分和絕緣材料的溫度不斷升高，加速絕緣的老化和損壞，可能發(fā)展成短路故障。 。,North China Electric Power University,14/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)不正常運行狀態(tài)對策,不正常運行狀態(tài)的對策：一旦電力系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生不正常運行狀態(tài)，應(yīng)該發(fā)出告警信號、減負荷或跳閘。 正常狀態(tài)和大部分的不正常狀態(tài)可以由以下措施予以調(diào)節(jié)和控制：

8、1）有功、無功的潮流和電壓、頻率的調(diào)整 調(diào)整發(fā)電機出力、變壓器分接頭、負荷等 2）自動化裝置 備用電源自動投入（備自投）、自動準同期裝置、 自動按低頻（低壓）減載、自動解列、過電壓檢測等。,依賴于自動化(自動裝置和自動化系統(tǒng)),North China Electric Power University,15/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)自動化定義,定義：電力系統(tǒng)自動化指采用各種具有自動檢測、決策和控制功能的裝置并通過信號系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各個元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)進行就地或遠方的自動監(jiān)視、協(xié)調(diào)、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行和具有合格的電能質(zhì)量。 因歷史原因被分成三部分

9、：繼保、遠動、自動化，目前普遍意義上講自動化是不包括繼保、遠動部分（含通信），本課程也是如此。由于遠動課程沒有單獨設(shè)置，本課程也簡要介紹遠動的內(nèi)容。,North China Electric Power University,16/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)的能力,North China Electric Power University,17/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)的過程+能力,局部功能,系統(tǒng)功能,協(xié)調(diào),North China Electric Power University,18/43,2020/9/22,復(fù)雜自動化系統(tǒng)分層控制,2 自動電壓調(diào)節(jié),1 自動并列,4 調(diào)

10、度自動化 5 狀態(tài)估計 6 安全調(diào)度 7 自動調(diào)頻,8 低頻減載,North China Electric Power University,19/43,2020/9/22,發(fā)電自動控制,控 制 對 象,自動控制裝置,控制信息,測量信息,North China Electric Power University,20/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)自動化作用,電力系統(tǒng)自動化是現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟運行的重要保證. 保證安全可靠運行 包括：輸變電設(shè)備的正常操作、故障的快速切除和恢復(fù)，均通過自動裝置才能保證安全、可靠。 保證經(jīng)濟運行 最少的一次能源產(chǎn)生更多的電力。電力系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度運行

11、，降低網(wǎng)損等，沒有自動化系統(tǒng)的參與是很難實現(xiàn)。 保證優(yōu)質(zhì)電能 暫態(tài)電能質(zhì)量 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量: 電壓偏差、頻率偏差,波形畸變（諧波）,三相不平衡度,電壓波動閃變,North China Electric Power University,21/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展階段(1),1、手工階段 電力工業(yè)萌芽階段，電廠小，就近供電。在發(fā)電機、開關(guān)設(shè)備旁就近監(jiān)視設(shè)備和手工調(diào)節(jié)操作。 特點：單獨運行，就近供電、手工操作。 2、簡單自動裝置階段 用電設(shè)備增多、發(fā)電設(shè)備規(guī)模擴大，對電能質(zhì)量和安全可靠性提出了要求，開始出現(xiàn)單一功能的自動裝置。包括：繼電保護、斷路器自動操作、發(fā)電機自動調(diào)壓和

12、調(diào)速等。 特點：電能質(zhì)量要求、單一的電力自動裝置。,North China Electric Power University,22/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展階段(2),3、 傳統(tǒng)調(diào)度中心階段 出現(xiàn)互連電網(wǎng)，保證供電可靠性和經(jīng)濟性的必然選擇。電網(wǎng)設(shè)立調(diào)度中心，統(tǒng)一調(diào)度電廠和處理電網(wǎng)的異常和事故。電話是通信聯(lián)絡(luò)的主要方式。 特點：電網(wǎng)互連、統(tǒng)一調(diào)度、電話通信。 4 、現(xiàn)代調(diào)度的初級階段 出現(xiàn)遠動裝置，實現(xiàn)“四遙”，滿足實時調(diào)度的要求。 特點：遠動四遙、實時調(diào)度。,North China Electric Power University,23/43,2020/9/22,電力

13、系統(tǒng)自動化的發(fā)展階段(3),5、 綜合自動化階段 電力工業(yè)成為必不可少的支柱產(chǎn)業(yè)，電網(wǎng)規(guī)?？焖贁U大，單一功能的自動化裝置很難滿足電能質(zhì)量、可靠和安全的需要，出現(xiàn)自動化程度更高的自動化系統(tǒng)。多套獨立的自動化裝置用通信信道或網(wǎng)絡(luò)互連，實現(xiàn)信息共享，相互協(xié)調(diào)自動完成指定的功能。 特點：裝置互連，信息共享。 6、未來自動化 ? “smart”? 遙視,圖像識別等技術(shù)? 大范圍（空間和時間）內(nèi)的綜合優(yōu)化?,North China Electric Power University,24/43,2020/9/22,綜合自動化,綜合自動化,遠動和 通信裝置,信息處理,數(shù)學(xué)模型,控制決策,YX,YC,YX,Y

14、C,YK,YT,YK,YT,North China Electric Power University,25/43,2020/9/22,電力系統(tǒng)自動化的特點,計算機、通訊，測量傳感，控制技術(shù)等各種技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 理論要求高 較多地應(yīng)用如下知識：設(shè)備原理，電工原理、電機學(xué)、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)/暫態(tài)分析、經(jīng)濟調(diào)度等等。 綜合性科學(xué) 電工、電機、電子、電力系統(tǒng)、數(shù)學(xué)、計算機、通信理論、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用等，這些學(xué)科的發(fā)展都促進了電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展。,實現(xiàn)在自動裝置和自動化系統(tǒng)中,North China Electric Power University,26/43,2020/9/22,自動裝

15、置和自動化系統(tǒng)的發(fā)展(1),自動裝置 微型計算機系統(tǒng) 工業(yè)控制計算機系統(tǒng) 集散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 自動化系統(tǒng) EMS DMS ,North China Electric Power University,27/43,2020/9/22,自動裝置硬件組成形式,1、微型計算機系統(tǒng),2、工業(yè)控制計算機系統(tǒng),3、集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System-DCS) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)(Fieldbus Control System-FCS),對于控制功能單一的自動裝置,其輸入輸出的電氣量較少,適于采用微型計算機系統(tǒng),如同步發(fā)電機自動并列裝置.,對于控制功能要求較高,軟件開發(fā)任

16、務(wù)繁重的系統(tǒng),適于采用工控機系統(tǒng),如發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)系統(tǒng).,對于分散的多對象的成套監(jiān)測控制裝置適于采用DCS或FCS,如發(fā)電廠、變電站遠動裝置和電廠機爐集控系統(tǒng)。,North China Electric Power University,28/43,2020/9/22,1 微型計算機系統(tǒng),定義（本課程）：把較簡單的、借助于特定開發(fā)平臺才能編程的系統(tǒng)稱為微型計算機系統(tǒng)。,微型計算機系統(tǒng),1 傳感器,2 采樣保持器,3 模擬多路開關(guān),4 A/D轉(zhuǎn)換器,5 存儲器,6 通信單元,7 中央處理單元CPU,8 外部設(shè)備,North China Electric Power University,29

17、/43,2020/9/22,微型計算機系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu),North China Electric Power University,30/43,2020/9/22,微型計算機系統(tǒng)組成單元,1、傳感器：將非電量（壓力、溫度、轉(zhuǎn)速）和電量（電壓、電流、功率）轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的計算機可以接受的弱電壓信號,2、模擬多路開關(guān)：在采樣速度要求不高的場合，一般采用公用A/D轉(zhuǎn)換器。在每一個時刻中只將一路模擬信號輸入到A/D.目的簡化電路，降低成本。,3、采樣/保持器：A/D轉(zhuǎn)換器完成信號轉(zhuǎn)換需要一段時間，在這段時間內(nèi),輸入到A/D的模擬信號需保持不變，由S/H完成。,North China Electric Powe

18、r University,31/43,2020/9/22,微型計算機系統(tǒng)組成單元,5、存儲器：用于計算機數(shù)據(jù)緩存，提供進一步的數(shù)據(jù)處理。,6、通信單元：包括通信控制器和通信收發(fā)器。 通信控制器用于控制通信過程，確定通信的數(shù)據(jù)、地址以及建立/拆除通信的數(shù)據(jù)鏈路。 通信收發(fā)器用于處理通信的物理層功能，包括物理引線的排列、機械特性和物理電平等。,7、CPU及外設(shè)：自動裝置的核心部件，對系統(tǒng)的工作進行控制和管理，對采集的數(shù)據(jù)作處理，根據(jù)要求做出判斷和發(fā)出指令等。,4、A/D轉(zhuǎn)換器：將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可以處理的數(shù)字信號，它是影響數(shù)據(jù)采集速率和精度的主要因素之一。,North China Electr

19、ic Power University,32/43,2020/9/22,2 工業(yè)控制計算機系統(tǒng),工業(yè)控制計算機由穩(wěn)壓電源、機箱和不同功能的總線模板，以及鍵盤（顯示器）等外設(shè)接口組成。,工業(yè)控制計算機系統(tǒng)中的內(nèi)部總線種類繁多，比較常用的主要有：STD、PC104總線等。,STD總線共有56根總線，信號之間的隔離消除了大部分總線上的干擾，單元為小模板結(jié)構(gòu)，每塊模板具有獨立性，實現(xiàn)了板級功能分散。,North China Electric Power University,33/43,2020/9/22,2 工業(yè)控制計算機系統(tǒng),STD總線的功能單元,1 CPU單元STD總線的主處理單元，處理數(shù)據(jù)、地

20、址和控制功能。一般含有高速CPU和協(xié)處理器。,2 A/D單元提供模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取由CPU單元控制，也可以由外部觸發(fā)。,3存儲器單元作為通用存儲器的擴展卡，含有譯碼、存儲器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。,4存儲器單元作為通用存儲器的擴展卡，含有譯碼、存儲器、后備電池等，防止失電后數(shù)據(jù)丟失。,5系統(tǒng)支持單元包括設(shè)置開關(guān)、后備電池、實時時鐘、看門狗watchdog、上電復(fù)位、總線終端網(wǎng)絡(luò)和通信口等。,6外設(shè)單元包括定時器單元、I/O單元、鍵盤顯示板電源板等，用于與外部信號和設(shè)備接口和操作。,North China Electric Power University,34/4

21、3,2020/9/22,3 集散控制系統(tǒng)DCS,集散控制系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)控制計算機系統(tǒng)相結(jié)合，由若干數(shù)據(jù)采集測控站和上位機及通信線路組成。,數(shù)據(jù)采集測控站由單片機數(shù)據(jù)采集控制裝置組成，位于設(shè)備附近，上傳數(shù)據(jù)執(zhí)行控制命令。,上位機采用工業(yè)控制機或工作站，配置打印機和其他外設(shè)。采用雙機熱備用方式。分析處理上傳數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、集中顯示、打印報表。最重要的是根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果確定控制參數(shù)和方法，將結(jié)果下達給數(shù)據(jù)采集測控站。,通信接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用串行方式，訪問方式為令牌形式。,North China Electric Power University,35/43,2020/9/22,4

22、現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS,現(xiàn)場總線系統(tǒng)將分散在現(xiàn)場的測控設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，連接成為可以相互溝通信息共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)型控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線主節(jié)點：整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)者，完成信息的發(fā)起功能，完成顯示、輸出、打印和數(shù)據(jù)存儲等功能。,現(xiàn)場總線從節(jié)點：系統(tǒng)終端設(shè)備的執(zhí)行者，不能發(fā)起信息，可以完成接收、查詢等。,路由器主要完成路由、中繼、數(shù)據(jù)交換等功能。,North China Electric Power University,36/43,2020/9/22,5 典型測量控制系統(tǒng)Rockwell測控系統(tǒng),North China Electric Power University,37/43,2020/9/22,5 典型測量控制系統(tǒng)AOCT與保護一體化系統(tǒng),North China Electric Power University,38/43,2020/9/22,5 典型測量控制系統(tǒng)研華工控機系統(tǒng),North Chi