电力系统自动装置原理读书报告.docx

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电力系统自动装置原理读书报告

结构形式

组成

适用范围

举例

微型计算机系统

传感器、采样保持器、模

拟多路开关、A/D 转换器、

存储器、通信单元、中央

处理器及外设

控制功能单一的

自动装置多需采

集电气量不多的

系统

同步发电机自

动并列装置

工业控制计算机系统

稳压电源、机箱和不同功

能的总线模板以及键盘等

控制功能要求高、

软件开发任务繁

发动机励磁自

动调节系统

2、 硬件

《电力系统自动装置原理》读书报告

武汉大学电气工程学院2011302540110陈懿

一、 学习本课程的目的与意义

通过本课程的学习，了解电力系统自动化、电力系统自动装置的重要意义，本课程主

要涉及电力系统安全运行的自动装置，以及对其利用计算机控制和数字化的一些方法介绍。

通过掌握电力系统自动装置的分析方法、基本原理与特点，深化对装置的理解，培养一定

的分析问题和解决问题的能力，为从事电力系统自动化及自动装置的调试、管理、开发与

研究等工作打下必要的基础

二、 本课程主要内容

电力系统自动监视与控制

发电厂动力机械与自动控制

同步发电机自动励磁调节

自动调节装置 电力系统自动调频

电力系统自动装置自动按频率减负载

同步发电机自动并

电力系统自动控制水轮机发电机低频自启动

自动操作装置 自动解列

备用电源和备用设备自动投入

自动重合闸

电气制动

事故切机

灵活交流输电系统装置（FACTS）

电力安全装置

（一）自动装置及其数据处理

主要内容：

自动装置的硬件的基本结构形式及数据采集和处理的工作原理

1、 自动装置的首要任务就是将连续的模拟信号采集并转换成离散的数字信号后进入计算

机，即数据采集和模拟信号的数字化。

并列方式

准同期并列

自同期并列

定义

将未投入系统的发电机加上励磁，并

调节其电压和频率，在满足并列条件

时，将发电机投入系统

将未加励磁电流的发电机组升速到

接近电网频率，合上并列断路器，

接着合上励磁开关，给转子加上励

磁电流，最终由电力系统将发电机

组拉入同步运行。

优点

冲击电流小

快速、方便；控制简单

缺点

操作复杂，控制难

冲击电流大；引起系统电压突降；

应用受限

外设接口

重的系统

集散控制系统 DCS

和现场总线系统 FCS

数据采集测控站、上位机

和通信线路

现场总结点、现场从节点

和路由器

分散的多对象的

成套监测控制装

置

发电厂、变电

所一些运动装

置

计算机网络

光纤为介质主干计算机专

用通信网络

调度

电力系统调频

3、

3、 软件：

信号采集与处理程序、运行参数设置程序、系统管理程序、通信程序

4、 基本概念解释：

采样：

对连续的模拟信号按一定的时间间隔 T，抽取相应的瞬时值的过程

量化：

把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，

以最接近采样信号幅值的最小数量单位倍数来表示该幅值。

编码：

把量化信号的数值用二进制代码表示

5、香农定理：

采样频率必须大于原模拟信号频谱中最高频率的 2 倍

6、在数据变换后进入存储单元前还需进行前置处理，包括标度变换、有效性检验、线性化

处理、数字滤波。

（二）同步发电机的自动并列

主要内容：

同步发电机并列的条件、原则和方法介绍；准同期并列的幅

值、频率和相角差的分析及控制方法，从而衍生的各种自动装置控制单元

1、 同步发电机自动并列的理想条件：

实际条件：

频率差不应超过额定频率的±0.2％～±0.5％;电压差不应超过额定

电压的±5％～±10％;在断路器合闸瞬间，待并发电机电压与系统电压的相位

差应接近零，误差不应大于 10°。

2、 同步发电机自动并列应遵循的原则：

1） 发电机合闸时，冲击电流应尽可能小（小于允许值）US

2） 发电机合闸后，应尽快拉入同步WS

适用范围一般采用小型机或事故处理

4、 发电机准同期并列条件分析

（分析时仅研究对象不一致，其余 2 个条件严格一致）

1） 电压幅值差

冲击电流：

，主要为无功分量，对发电机绕组产生影响，由于

定子绕组端部的机械强度最弱，所以要特别注意对它所造成危害。

最大值：

2） 合闸相角差

冲击电流：

，当较小时，主要为有功分量，说明合闸时

发电机和电网间交换有功功率，使机组联轴受到冲击，对机组与电网运行不利。

最大值：

3） 频率不相等

QF 间电压差 US 为脉动电压：

US 可以看成是幅值为 Us ，频率接近工频的交流电压波形。

脉动电压：

滑差频率：

脉动周期：

4） 暂态分析

进入同步状态的暂态过程与合闸时的滑差角频率有关，滑差角频率越小，越快进入

同步运行；若太大会导致失步。

一般按冲击电流条件所得的滑差角频率值远小于稳

定条件下的滑差角频率，因此一般不进行该项检验计算。

但在带并发电机组与系统

间联系较弱时需进行该项计算。

5、 准同期并列主要是对脉动电压和滑差角频率进行监测和控制，并选择合适的时间发出

合闸信号，使合闸瞬间电压差在一定范围内。

归根结底是对脉动电压 Us 的检测分析。

脉动电压波形中载有准同期并列所需监测的信息——电压幅值差、频率差以及相角差随时

间变化的规律

1） 电压幅值差

电压幅值差|UG-UX|为对应于脉动电压 US 波形的最小幅值，由图得：

通过对 Usmin 的测量，就可判断 QF 两侧电压幅值差是否超出允许值

2） 频率差

ωs 反映了频率差 fs 的大小。

要求 ωs 小于某一允许值，就相当于要求脉动电压周期 Ts 大

于某一个给定值。

3） 合闸相角的控制

最佳是在 UG 与 UX 重合时合闸，即相角差为零时（相量重合）幅值差最小，考虑动作时间，

要提前。

根据相角差的变化规律，可求得合闸指令最佳发出时机，采用两种方式合闸：

恒

定越前相角准同期、恒定越前时间准同期。

6、 1）恒定越前相角准同期

提前量信号取某一恒定相角 YJ ，断路器的合闸时间为 tQF，同期装置动作时间为 tC

2）恒定越前时间准同期

提前量信号取恒定时间

理论上可以完全无冲击，但是动作时间存在误差，设 ey 为允许合闸相角

所以，还是要限制ωs.

7、 并列的检测信号有两种方法：

正弦整步电压法和线性整步电压法

1） 正弦整步电压含有电压差、频率差、相位差的信息。

正弦整步电压的最小值是电压

差；正弦整步电压的周期是滑差周期，能够反映频差的大小；正弦整步电压随时间

变化过程对应相位差的变化过程。

所以，利用正弦整步电压的最小值检测是否满足

电压差条件，利用正弦整步电压的周期检测是否满足频率差的条件，利用正弦整步

电压随时间变化过程确定合闸时刻，使相位差满足条件

2） 线性整步电压含有频率差、相位差的信息，但不含有电压差的信息。

线性整步电压

的周期是滑差周期，能够反映频差的大小；线性整步电压随时间变化过程对应相位

差的变化过程，所以利用其周期可以检测是否满足频率差的调节，利用电压随时间

变化

线性整步电压形成电路由电压变换、整形电路、相敏电路、低通滤波器和射极跟随

器组成

8、 准同期并列装置的控制单元主要包括：

频率差控制单元、电压差控制单元和合闸信号

控制单元。

（三）同步发电机的励磁自动控制系统

主要内容：

介绍了同步发电机的励磁自动控制系统的组成；励磁调节的作用、意义及

要求；励磁调节系统的类型；励磁调节的特性原理分析及产生的作用：

电压调节及无

功分配；数字数励磁调节器的组成与控制作用；

1、 同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。

整个励磁自动控制系统是由同步发电机、励磁功率单元及励磁调节器构成的一个反馈

控制系统。

2、 同步发电机励磁控制系统的任务：

电压控制、控制无功功率的分配、提高同步发电机

并联运行的稳定性、改善电力系统的运行条件和水轮发电机组要求实行强行减磁

1） 电压控制

通过近似图像分析得

负荷的无功功率是造成 Eq 和 UG 幅值差的主要原因，同步发电机的励磁自动控制系统就是

通过不断地调节励磁电流来维持机端电压为给定水平的

2） 控制无功功率的分配

由于发电机发出的有功功率只受调速器控制，与励磁电流的大小无关

因为发电机端电压 UG 为定值，所以发电机励磁电流的变化只是改变了机组无功功率和

功率角值的大小。

3） 提高同步发电机并联运行的稳定性

静态稳定：

励磁调节器能有效提高系统静态稳定的功率极限，励磁自动控制系统是通过改

变励磁电流 IEF 从而改变空载电动势 Eq 值来改善系统稳定性的

暂态稳定：

故障期间和故障切除后，励磁系统施加的作用是力图促使发电机的内电动势 Eq

上升而增加电功率输出，使 Pmax 增加，功角特性曲线 II 和功角特性曲线 III 幅值增加，既减

小了加速面积，又同时增加了减速面积。

• 快速响应=缩小励磁系统的时间常数+提高强行励磁的倍数

4） 改善电力系统的运行条件：

改善异步电机自启动条件、为发电机异步运行创造条件、

提高继电保护装置工作的正确性。

5） 水轮发电机组要求实行强行减磁

当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，由于它的调速系统具有较大的惯性，不能迅速

关闭导水叶，因而会使转速急剧上升。

如果不采取措施迅速降低发电机的励磁电流，

则发电机电压有可能升高到危及定子绝缘的程度。

因此，在这种情况下，要求励磁自

动控制系统能实现强行减磁

3、 励磁系统对励磁调节器的要求：

 系统正常运行时，励磁调节器应能反映发电机电压高

低以维持发电机电压在给定水平； 励磁调节器应能合理分配机组的无功功率；远距离

输电的发电机组，为了能在人工稳定区域运行，要求励磁调节器没有失灵区；励磁调

节器应能迅速反应系统故障、具备强行励磁等控制功能，以提高暂态稳定和改善系统

运行条件； 具有较小的时间常数，能迅速响应输入信息的变化； 励磁调节器正常工

作与否，直接影响到发电机组的安全运行，因此要求能够长期可靠工作。

4、 励磁系统对励磁功率单元的要求：

要求励磁功率单元有足够的可靠性并具有一定的调

节

容量； 具有足够的励磁顶值电压和电压上升速度

电压响应比反映了励磁机磁场建立速度的快慢。

通常将励磁电压在最初 0.5 秒内上升的

平均速率定义为励磁电压相应比。

𝑈𝑎 ）/0.5

一般 Ua 为额定工况下的励磁电压，则

𝑈𝐸𝐹.𝑚𝑎𝑥

𝑢𝑎

为强励倍数

5、自励

直流励磁机励磁系统

他励

静止整流器

同步发电机励磁系统他励旋转整流器

交流励磁机励磁系统

自励静止可控硅

静止整流器

静止励磁系统（发电机自并励系统）

静止励磁系统的优点：

励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠

性高；不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减小基建投资；直接用晶闸管控制转

子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度；由

发电机端取得励磁能量，当机组甩负荷时静止励磁系统机组的过电压就低

6、 励磁调节器最基本的功能是调节发电机的端电压。

常用的励磁调节器是比例式调节器，

它的主要输入量是发电机端电压，其输出用来控制励磁功率单元。

电压升高时输出减

小，电压降低时输出增大。

比例式励磁调节器调节特性

励磁调节器基本框图

7、 励磁调节器的静态工作原理：

根据发电机电压 UG 变化，把测得的发电机端电压经调差、

测量比较环节与基准电压进行比较，得到正比于发电机电压变化量的 Ude，经综合放大

环节得到 USM