電力系統(tǒng)自動裝置原理-自動裝置

1、電力系統(tǒng)自動裝置原理,肖先勇 教授 四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 智能電網(wǎng)四川省重點實驗室 電能質(zhì)量與電磁環(huán)境學(xué)省級重點實驗室 2012年2月,電話Email：,典型停電事故1,美加大停電2003年8月14日16時11分，美國和加拿大相鄰的一個變電站發(fā)生了事故，加拿大多倫多、渥太華斷電，美國紐約、克利夫蘭、底特律同時停電，釀成北美歷史上最為嚴(yán)重的大停電事故。美國東北部的密歇根、俄亥俄、紐約等6個州以及加拿大的安大略省受到嚴(yán)重影響。停電波及9300平方英里，5000萬人飽受斷電之苦。估計整個經(jīng)濟損失在250億300億美元之間。北俄亥俄州的事故導(dǎo)致線路跳閘，從而引起200萬千瓦潮

2、流變化，巨大的電力環(huán)流沖擊使電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線相繼跳閘，最后造成各地區(qū)電壓崩潰，引起了這次大停電。,停電前后對比圖,典型停電事故2,倫敦大停電2003年8月28日，英國倫敦和英格蘭東南地區(qū)發(fā)生了大面積的停電事故，倫敦地鐵等交通系統(tǒng)受到嚴(yán)重影響。這次停電的主要原因是安裝了一個錯誤規(guī)格的保險絲，致使自動保護設(shè)備被誤啟動，自動切斷了赫斯特、新克勞斯和威姆別利頓電站與電力傳輸系統(tǒng)的聯(lián)系，使倫敦電力供應(yīng)量瞬間減少了五分之一。由于電力缺額過大造成了這次大停電。,典型停電事故3,莫斯科大停電2005年5月25日10時許，俄羅斯首都莫斯科南部、西南和東南城區(qū)大面積停電，市內(nèi)大約一半地區(qū)的工業(yè)、商業(yè)和交通陷入癱瘓。停電

3、損失至少為10億美元。停電事故由恰吉諾變電站發(fā)生系列爆炸和火災(zāi)直接引起。該站建于1963年，設(shè)備均已老化。且電網(wǎng)處于超負(fù)荷運行狀態(tài)，運行人員也未引起注意，缺乏嚴(yán)格的操作規(guī)程約束及協(xié)調(diào)手段。,典型停電事故4,印尼大停電2005年8月18日10點30分，爪哇島至巴厘島的供電系統(tǒng)發(fā)生故障，造成首都雅加達至萬丹的電力供應(yīng)中斷，雅加達全部停電。同時，在西爪哇、中爪哇、東爪哇和巴厘地區(qū)的部分電力供應(yīng)中斷。約1億人口受到這次停電的影響，僅雅加達紡織業(yè)公會預(yù)計該行業(yè)的損失就超過了550億印尼盾。事故由位于爪哇島的兩個發(fā)電站出現(xiàn)故障所致。另外，隨著印尼的經(jīng)濟發(fā)展，電力建設(shè)滯后，從爪哇到巴厘的輸電系統(tǒng)也存在嚴(yán)重問

4、題。,典型停電事故5,洛杉磯大停電2005年9月12日中午，美國西部最大的城市洛杉磯發(fā)生大面積停電。停電引起了交通堵塞，許多人被困在電梯里，洛杉磯國際機場也一度受到影響。市區(qū)200多萬人生活、工作受影響。事故原因主要是誤操作引起的。當(dāng)時，數(shù)名電工不慎將一配電站里的電纜切斷后錯接到另一根電纜上，從而造成了這次事故，繼而引發(fā)三座電廠自動關(guān)閉而造成大部分地區(qū)瞬間電力中斷。,美加814大停電事故過程,美國東部時間（EDT）2003年8月14日16:11（北京時間2003年8月15日4:11），以北美五大湖為中心的地區(qū)發(fā)生大停電事故，包括美國東部的紐約、密歇根、俄亥俄、馬薩諸塞、康涅狄格、新澤西州北部和

5、新英格蘭部分地區(qū)，以及加拿大的安大略等地區(qū)。這是北美有史以來最大規(guī)模的停電事故，也是繼1965年、1977年以來的第三次大停電。停電涉及美國整個東部互聯(lián)電網(wǎng)。至少21座電廠停運，包括位于美國4個州的9座核電廠，約5000萬人受到影響，紐約州80%供電中斷。,事故過程,第一階段： （1）8月14日15:06 俄亥俄Chamberlain-Harding 345kV 線路跳閘，由克利夫蘭地區(qū)供電受影響。在此之前的14:00，俄亥俄州北部第一能源公司Eastlake 電廠的550MW發(fā)電機組停運。（2）15:32 Hanna-Juniper 345kV線路跳閘，克利夫蘭失去第二回電源線，電壓降低；密

6、歇根州內(nèi)線路潮流保持穩(wěn)定。（3）15:41 Star-S. Canton 345kV線路跳閘。（4）15:46 Tidd-Canton Ctrl 345kV線路跳閘?？死蛱m附近電壓惡化，密歇根州內(nèi)線路潮流仍保持穩(wěn)定。（5）16:06 Sammis-Star 345kV線路跳閘，致使俄亥俄北部供電不足，俄亥俄與密歇根州間潮流逆轉(zhuǎn)，約200MW功率從密歇根州流向俄亥俄州。,動作裝置：勵磁控制裝置；頻率控制裝置；無功控制裝置,（6）16:08 加拿大與美國東部發(fā)生明顯功率搖擺。又有兩回線（E.Lima-Fostoria和Muskingum-OH Central）跳開，俄亥俄北部功率嚴(yán)重不足，約22

7、00MW功率從密歇根州流向俄亥俄州。密歇根州至安大略省的潮流發(fā)生逆轉(zhuǎn)，約200MW功率從安大略省流向密歇根州。密歇根州電壓下降，使密歇根州中部兩座電廠共計1800MW機組在15s內(nèi)相繼跳閘，導(dǎo)致密歇根州電壓崩潰。,第二階段：,（7）16:10 Campbell 電廠3號機組跳閘； Hampton-Thetford 345kV線路跳閘；Oneida-Majestic 345kV線路跳閘；ITC系統(tǒng)電壓崩潰，造成密歇根州30條線路跳閘，METC與ITC間的聯(lián)絡(luò)線斷開，使ITC成為孤島。此時俄亥俄州仍從密歇根州吸取功率。從安大略省流向密歇根州的功率達到2800MW。 動作裝置：低頻自動減載；低壓自動

8、減載；解列裝置,第三階段：,（8）16:11 Avon電廠9號機組跳閘；Beaver-Davis Besse 線路跳閘；Midway-Lemoyne-Foster 138kV線路跳閘；俄亥俄州Perry 核電站的1號機組跳閘。(9)16:17 Fermi 核電站全部機組跳閘。(10)16:1716:21 密歇根州許多線路跳閘，并有以下發(fā)電機組退出運行：St. Clair 7號機組，Judd電站機組，Monroe 1、2 、3 號機組，Greenwood電站機組，St. Clair 2、4、6號機組，Trenton 7、8、9號機組。動作裝置：解列裝置,此次事故停電29小時，共計損失負(fù)荷6180

9、0MW，受停電影響人數(shù)5000萬。直接損失為10.5億美元，間接損失約300億美元。 事故主要輸電線潮流過重，事故（或過負(fù)荷）引起重要電源或多回重要輸電線跳掉，造成了潮流大轉(zhuǎn)移，切（甩）大量負(fù)荷而保住了主系統(tǒng)沒瓦解！ 有多重故障相繼發(fā)生，形成災(zāi)難性事故，導(dǎo)致嚴(yán)重后果！ 切（甩）負(fù)荷過多，使事故后系統(tǒng)頻率和部分地區(qū)電壓均高于額定值，說明其自動裝置的定值整定也不合理。,事故與自動控制裝置的關(guān)系,1、勵磁控制 2、無功分配 3、頻率調(diào)整 4、低頻減載 5、低壓減載 6、發(fā)動機組自動并列,課程介紹,1、電力系統(tǒng)自動裝置是一門理論性與實踐性相結(jié)合的課程，是高等院校電力專業(yè)、電氣工程專業(yè)非常重要的專業(yè)方向

10、課。 2、本課程是實現(xiàn)發(fā)電廠、變電站綜合自動化的基礎(chǔ)。電力系統(tǒng)自動裝置正向著微機化、智能化方向發(fā)展。因此，本課程能體現(xiàn)現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)。 3、學(xué)好了本課程，畢業(yè)后可更好地從事電力系統(tǒng)運行、自動裝置的調(diào)試、自動化設(shè)備的研制開發(fā)、銷售、維護等方面的工作，也是進一步開展科學(xué)研究和工程設(shè)計的基礎(chǔ)。,課程的性質(zhì)和任務(wù),課程性質(zhì)： 本課程是電氣工程及其自動化、電力系統(tǒng)及其自動化、發(fā)電廠變電站電氣運行、繼電保護與自動化等專業(yè)的專業(yè)主干課。 課程任務(wù)： 使通過學(xué)習(xí)，初步具備電氣工程、電力系統(tǒng)及自動化專業(yè)必需的常規(guī)自動裝置的基礎(chǔ)理論知識、掌握基本工作原理、特點、操作技能等，培養(yǎng)辯證思維能力，使同學(xué)們能具有一定分析和

11、解決實際問題能力。,緒論,一、電力系統(tǒng)及其運行,我國電力工業(yè)發(fā)展成就概覽,2000年,“九五”期間,“八五”期間,“七五”期間,核電站達到90 萬kW裝機,建成500kV直流輸電,裝機容量達到2.5億kW,建成了七個裝機容量達1500萬kW以上的規(guī)模電網(wǎng) 火力發(fā)電單機達到90 萬kW裝機,火電廠,水電廠,變電所,變電所,輸電線,配電,配電網(wǎng),控制中心,遠動通信,電力系統(tǒng)組成,電力系統(tǒng)特點,結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大：電力網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng),電能不能儲存：電源和負(fù)荷間功率平衡、所有傳輸環(huán)節(jié)暢通無阻，因此生產(chǎn)、變換、輸送、分配各設(shè)備環(huán)節(jié)需緊密配合。,暫態(tài)過程迅速：所有突變引起的電磁變化極其迅速影響整個系統(tǒng)（光速），

12、設(shè)備操作需在級短時間內(nèi)完成快速控制和快速排除故障。,特別重要,電力系統(tǒng)新特點 1. 大機組、高電壓、大電網(wǎng)、交直流互聯(lián)系統(tǒng) 2. 新型設(shè)備的應(yīng)用：HVDC、FACTS、其他智能設(shè)備 3. 新型能源的應(yīng)用：核能、風(fēng)力、太陽能、潮汐、秸稈 4. 友好、互動電網(wǎng)的建設(shè)和要求 電力系統(tǒng)運行自動化 1. 發(fā)電廠、變電站、負(fù)荷“源、網(wǎng)、荷”和諧共存 2. 能量管理系統(tǒng)、自動化管理系統(tǒng)、需求側(cè)管理系統(tǒng)、自動電壓管理系統(tǒng)、智能調(diào)度系統(tǒng)等現(xiàn)有服務(wù)于自動化的系統(tǒng) 3. 服務(wù)于智能電網(wǎng)的、不斷發(fā)展和完善的新系統(tǒng),電力系統(tǒng)運行控制目標(biāo)：,1. 保證電力系統(tǒng)安全、可靠,（1）等式約束條件：P/Q （2）不等式約束條件：

13、P/Q/S/U/F （3）電力系統(tǒng)的運行狀態(tài),2. 保證電能質(zhì)量：頻率、電壓、波形,3. 保證系統(tǒng)的經(jīng)濟性（環(huán)保）：高效、節(jié)能、環(huán)保,4. 促使系統(tǒng)友好、和諧、可持續(xù)發(fā)展,電力系統(tǒng)自動化、智能化的必要性：,被控對象及其復(fù)雜、參數(shù)極多、復(fù)雜,1. 電網(wǎng)規(guī)模擴大,4. 管理方式轉(zhuǎn)變,3. 電能質(zhì)量要求,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)不確定性增加，電源與負(fù)荷不可預(yù)測性增強、干擾嚴(yán)重、負(fù)荷敏感性、電力市場,人力資源成本增加、無人值守、信息化管理,2. 源、網(wǎng)、荷結(jié)合和屬性正發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化,大量被稱為垃圾電源的可再生能源接入，大量敏感設(shè)備投入,電力系統(tǒng)自控系統(tǒng)工作模式,一個規(guī)模很大的綜合自動化系統(tǒng)。,二、電力系統(tǒng)自動控

14、制的劃分,電力系統(tǒng)自動化定義：,是指應(yīng)用各種具有自動檢測、決策和 控制功能的裝置、通過信號系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)進行就地或遠方的自動監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟地運行和具有合格的電量質(zhì)量。,電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制,電廠動力機械自動控制,電力系統(tǒng)自動裝置,電力系統(tǒng)自動控制,電力安全裝置,電力系統(tǒng)中自控系統(tǒng)的劃分 ：,2. 電廠動力機械自動控制 是電廠自動控制的主要組成部分，需配置專門的計算機進行監(jiān)控；不同類型電廠差異很大（水輪機、汽輪機、核反應(yīng)堆）。,1. 電力系統(tǒng)自動監(jiān)視和控制 電力系統(tǒng)遠程監(jiān)控與調(diào)度自動化系統(tǒng),四遙：遙測、遙信、遙控、遙調(diào),3. 電力

15、系統(tǒng)自動裝置 控制的對象是發(fā)電廠、變電所電氣設(shè)備；電氣設(shè)備操作的自動化是電力系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)。,并列、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、低頻減載、備用電源自投、機組自啟動,電力系統(tǒng)自動裝置的任務(wù),提高供電可靠性（如自動重合閘、備用電源自動投入等裝置）；,保證電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平、減輕運行人員的勞動強度（如自動調(diào)節(jié)裝置、低頻減載裝置、自動并列裝置等）；,自動記錄故障過程，有利于分析處理事故（如故障錄波器等）電力系統(tǒng)任何事件均要求記錄。,電力系統(tǒng)自動裝置器件,1）保證發(fā)電機并列準(zhǔn)確性、安全性的自動并列裝置； 2）保證電壓水平，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的自動調(diào)節(jié)勵磁； 3）保證系統(tǒng)頻率水平，使系統(tǒng)負(fù)荷在機組間

16、最優(yōu)經(jīng)濟分配的自動調(diào)頻； 4）反事故安全自動裝置自動重合閘； 5）備用電源和設(shè)備的自動投入裝置； 6）自動按頻率、電壓減負(fù)荷裝置，自動解列等裝置。,運行中出現(xiàn)問題，若處理不及時或處理不當(dāng)均可能影響系統(tǒng)正常運行，甚至造成災(zāi)難性事故；局部故障或事故，如處理不當(dāng)，可能影響整個系統(tǒng)。隨著發(fā)電機單機容量及電力系統(tǒng)容量的不斷擴大，尤其是大量可再生能源、新負(fù)荷（如電動汽車等）的接入，對系統(tǒng)運行、控制水平的要求越來越高。,因此，只有借助自動裝置的幫助，以源、網(wǎng)、荷的新特點、新要求為出發(fā)的點，以源、網(wǎng)、荷的和諧共存，低碳、友好、智能為目標(biāo)，才能達到現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。,電力自動化是上述3種類型自動控制系統(tǒng)的綜合

17、,2.電廠自動化,1. 電力系統(tǒng)調(diào)度自動化,電力系統(tǒng)自動化個子系統(tǒng)組成 ：,3.變電站自動化,分為：發(fā)電和輸電調(diào)度自動化（通常稱電網(wǎng)調(diào)度自動化） 配電網(wǎng)調(diào)度自動化（通常稱配電自動）,包括：動力機械自控系統(tǒng) 自動發(fā)電量控制系統(tǒng)（AGC） 自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）,包括： 微機監(jiān)控、微機保護、遠動控制（綜合自動化）,三、電力系統(tǒng)自動化發(fā)展趨勢,控制理論的應(yīng)用,電力系統(tǒng)自動化理論的發(fā)展經(jīng)歷的三階段：,1、60年代前：經(jīng)典控制理論階段；,2、70年代：以計算機為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制論階段；,3、90年代后,1）注入經(jīng)濟理論，電力市場理論階段；,2）智能控制理論：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、 遺傳算法、蟻群算法、專

18、家系統(tǒng)、,數(shù)字化電力系統(tǒng)（DPS）引出現(xiàn)在智能電網(wǎng),電力網(wǎng)絡(luò)的可控性：,原來：不可控；,缺點：增加了系統(tǒng)的靈活性，同時也增加了復(fù)雜性。,近年來：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)ACTS（柔性交流輸電技術(shù)）設(shè)備的引人，變得越來越多的可控；,DPS涵義：是指對某一實際運行的系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、各組成部分及整體的物理性能、運行方式和運行策略、管理模式、人員信息、實時運行狀態(tài)變量、各自控裝置的動作特性、各主要設(shè)備的健康狀態(tài)、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、市場信息等數(shù)字地、形象化地和實時地描述與再現(xiàn)。,電力自動化、智能化系統(tǒng)新技術(shù)與趨勢,當(dāng)今電力系統(tǒng)的自動化技術(shù)正趨向于：,（1）由發(fā)、輸電自動化向源、網(wǎng)、荷自動化發(fā)展； （2）FACTS的發(fā)展進一步提高輸電、配電自動化水平； （3）控制策略：最優(yōu)化、適應(yīng)化、智能化、協(xié)調(diào)化、區(qū)域化 （4）設(shè)計分析上：要求面對多級、多維模型來處理問題； （5）理論工具上：借助現(xiàn)代控制理論； （6）控制手段上：增多了微機、電力電子器件和遠程通信 （7）研究人員上：需要更高綜合素質(zhì)和能力。,整個電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展趨勢：,（1）由開環(huán)監(jiān)測向閉環(huán)控制發(fā)展； （2）由高電壓等級向低電壓發(fā)展； （3）由單個元件向部分區(qū)域及全系統(tǒng)反展：SCADA、區(qū)域穩(wěn)定控制，電源和負(fù)荷已成為