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

《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。

2、硬件

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外设接口

控制功能要求高、软件开发任务繁重的系统

发动机励磁自动调节系统

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、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

3、

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

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s.

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。

一般Ua为额定工况下的励磁电压，则

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，USM作用于移相触发环节，控制晶闸管控制极上触发脉冲

的变化，从而调节可控输出的励磁电流，使发电机端电压保持正常值。

当UG上升时，

增大，励磁电流减少，使UG下降到正常值。

反之，UG下降，

减小，励磁电流增大，使UG上升到正常值

励磁调节其的特性曲线在工作区内的陡度，是调节器的性能的主要指标之一

8、发电机励磁自动控制系统=励磁系统+发电机

调节特性稍有下倾，下倾的程度表征了发电机励磁控制系统运行特性的一个重要参数：

调差系数。

调差系数δ表示无功电流从零增加到额定值时，发电机电压的相对变化.励磁调节器总的放大倍数K越大，ab直线越平缓，调差系数就越小

9、对励磁调节器静态特性调整的基本要求是⑴保证并联运行的发电机组间无功功率的合理分配；⑵保证发电机在投入和退出运行时，能平稳地转移无功负荷，而不致发生无功功率的冲击。

10、发电机投入或退出电网运行时，要求能平稳的转移负荷，不要引起对电网的冲击。

1）退出运行：

无功电流从IQ2减小到IQ1，调节特性从1平移到2的位置时，如果移到3的位置，则它的无功电流将减小到零。

这样机组退出运行，不发生无功突变。

2）投入运行：

调节特性从3的位置向上移动，使无功电流逐渐增加到运行的要求值。

11、

上式表明：

当母线电压波动时，发电机无功电流的增量与电压偏差成正比，与调差系数成反比，而与电压整定值无关。

负号表示正调差情况下，当母线电压降低时，发电机无功

电流增加。

调差系数小的发电机承担较多的无功电流增量；希望各发电机无功电流波动量的标幺值相等，要求公共母线上并列运行的发电机具有相同的调差系数。

12、数字式励磁调节器组成：

主控制单元、信息采集单元、调节控制输出、人机接口。

基本控制为：

电压调节和无功分配。

辅助控制：

瞬时电流限制、最大励磁电流限制、最小励磁电流限制、电压频率保护、失磁监控、励磁系统稳定器、PSS等等（辅助控制不参与正常情况下的自动控制，仅在发生非正常运行工况、需要励磁调节器具有某些特有的限制功能时，通过信号综合放大器中的竞比电路，闭锁正常的电压控制，使相应的限制器起控制作用）

（四）励磁自动控制系统的动态特性

主要内容：

列写出励磁自动控制系统各单元的传递函数；应用自动控制理论课程中的轨迹法对传递函数分析，得出励磁自动控制系统的特点及解决方法；对励磁系统稳定器的理解分析。

1、励磁自动控制系统动态特性是指在较小的或随机的干扰下，励磁自动控制系统的时间响应特性，可以用线性方程组来描述，分析这些问题的方法有经典的传递函数法及现代的状态变量法两种。

2、传递函数

1）励磁机（他励直流）

2）励磁调节器

励磁调节器由电压测量比较、综合放大及功率放大等单元组成。

电压测量比较单元由测量变压器、整流滤波电路及测量比较电路组成。

其时间常数要取决于滤波电路的参数。

传函如下：

综合放大单元、移相触发单元当作一个惯性环节。

放大倍数为KA、时间常数为T。

它们的合成传递函数是

功率放大单元是晶闸管整流器，工作是断续的，有可能造成输出平均电压ud滞后于触发器控制电压信号uSM。

滞后时间为Tz。

在分析中，这样一个延迟环节可近为一惯性环节

3）发电机

发电机端电压的稳态幅值被认为与其转子励磁电压成正比其次，认为发电机的动态响应可以简化为用一阶惯性元件特性来表示

4）励磁控制系统传递函数

3、励磁控制系统空载稳定性的改善：

要想改善励磁控制系统的稳定性，必须改变发电机极点与励磁机极点间根轨迹的射出角，使之只处于虚轴的左半平面。

为此必须增加开环传递函数的零点，使渐进线平行于虚轴并处于左半平面。

这可以在发电机转子电压uE处增加一条电压速率负反馈回路补偿后系统框图

根轨迹图

由于图4-20的根轨迹可见，引入电压速率反馈后，由于增加了一对零点，把励磁系统的根轨迹引向左半平面，从而使控制系统的稳定性大为改善。

因此，在发电机的励磁控制系统中，一般都附有励磁控制系统稳定器，作为改善发电机空载运行稳定性的重要部件。

这种方法是将发电机转子电压（或励磁机励磁电流）微分再反馈到综合放大单元的输入端参与调节。

这种并联校正的转子电压负反馈网络称为励磁稳定器，由于它有增加阻尼，抑止超调和消除振荡的作用，故又称为阻尼器

4、电力系统低频振荡产生的原因及电力系统稳定器的作用。

原因：

⑴励磁调节器按电压偏差比例调节；⑵励磁控制系统具有惯性。

作用：

采用电力系统稳定器去产生正阻尼转矩以抵消励磁控制系统引起的负阻尼转矩，能够有效地抑制远距离输电系统中的低频振荡，从而改善了电力系统稳定性。

5、励磁系统为何要采用电力系统稳定器（PSS）的原因：

由于常规的励磁调节器是按电压偏差比例调节，而且励磁控制系统存在惯性，因此在长距离、重负荷的电力系统中，励磁系统会减弱系统的阻尼能力，即降低发电机的阻尼转矩（负阻尼效应），使系统的动态性能变坏，从而引起电力系统低频振荡。

为了保证励磁控制系统维持电压稳定的基本功能，又能消除负阻尼效应，提高电力系统的动态稳定性，励磁系统常采用PSS来达到这一目的。

PSS的作用是产生正阻尼转矩，抵消励磁控制系统引起的负阻尼转矩，提高电力系统的动态稳定性。

（五）电力系统频率及有功功率的自动调节

主要内容：

首先对电力系统负荷的功率-频率特性、发电机组的功率-频率特性进行分析；介绍几种电力系统自动调频的方式，包括：

有差调频、主导调频、积差调频和联合电力系统调频；最后在稳定的基础上介绍了电力系统的经济调度和自动调频方式。

1、电力系统的频率控制实际上就是调节发电机组的转速。

频率调整有三种：

一次调频，由调速器控制，有差调频；二次调频，由调频器控制，无差调频；三次调频，由调度部门控制。

2、电力系统负荷的功率-频率特性

负荷的频率效应起到减轻系统能量不平衡的作用。

称KL∗为负荷的频率调节效应系数。

电力系统允许频率变化的范围很小，为此负荷功率与频率的关系曲线可近似地视为具有不变斜率的直线。

这斜率即为KL∗KL∗表明系统频率变化1%时，负荷功率变化的百分数。

对于不同的电力系统，KL∗值也不相同。

一般KL∗=1~3。

即使是同一系统的KL∗,也随季度及昼夜交替导致负荷组成的改变而变化。

3、发电机组转速的调整是由原动机的调速系统来实现的。

通常把由于频率变化而引起发电机组输出功率变化的关系称为发电机组的功率—频率特性或调节特性。

发电机组的功率—频率特性取决于调速系统的特性

R=−Δf/ΔPG;

f*+R*∆PG*=0（静态调节方程）

常常采用调差系数的倒数表示，KG*=1/R=-ΔPG*/Δf*

4、一般将运行发电厂分为调频厂，调峰厂和带基本负荷的发电厂。

调频是二次调节，自动改变功率给定值，用移动调频机组调速器的调节特性的方法，使频率恢复到额定值。

调速器的控制电动机称为同步器或调频器。

它是一个积分环节，只有在输入信号为零时才不转动，停止调节。

5、电力系统自动调频的任务主要是对系统的频率进行监视和控制，及时调整发电机组的出力，使系统的有功功率达到新的平衡，保证系统频率在规定范围内。

此外，在满足频率质量的前提下，还要考虑如何使发电成本最小，即按经济原则在电厂和机组间分配有功负荷，以达到电力系统的经济运行

原理

公式

优缺点

有

差

调

频

指用有差调频器进行并联运行，达到系统调频的目的的方法

1、各机组同时参加调频，没有先后之分；

2、计划外负荷在调频机组间是按一定的

比例分配的；各机组最终负担的计划外负荷与其调差系数成反比。

3、频率稳定值的偏差较大。

有差调节器不能使频率稳定为额定值

主

导

调

频

在一台主要的调频机组上使用无差调频器，而在其余的调频机组上均安装功率分配器

1、各调频机组间的出力也是按照一定的比例分配的。

2、在无差调频器为主导调频器的主要缺点是各机组在调频过程中的作用有先有后，缺乏“同时性”，导致调频容量不能被充分利用

积

差

调

频

按频率偏差的积分值来进行调节有集中式和分散式两种

1.频率积差调节法的优点是能使系统频率维持额定。

2.计划外的负荷能在所有参加调频的机组间按一定的比例进行分配。

3.缺点是频率积差信号滞后于频率瞬时值的变化，因此调节过程缓慢

改

进

式

积

差

调

频

当系统频率变化时，按Δf启动的调速器会比按积差工作的调频器先进行大幅度的调整，到频差累积到一定值时，调频器会取代调速器的工作特性，使频率稳定在fe。

1、集中制调频的主要优点是各机组的功率分配是有比例的，也即式中的αi，αi是按照经济分配的原则给出的。

2、分散机制调频的主要缺点是各调频装置的误差会带来系统内无休止的无谓的功率交换。

因各厂调频器内的标准信号是不会完全相等的

联

合

自

动

调

频

将系统中各发电机组的实发功率、系统各线路潮流、各节点电压等由各厂站端的远动装置送到调度中心，形成实时数据库，调度中心计算机的相关软件按预定的数学模型和调节准则确定各调频电厂或调频机组的调节量，并通过远动通道把调节指令发送到各厂站调频机组的控制器，使各调频机组按指令执行有功功率的调节。

调节控制优化，可全面完成调频经济功率分配方面的任务，系统的潮流分布符合经济、安全原则

6、微增率是指输入耗量微增量与输出功率微增量的比值。

等微增率法则，就是按微增率相等的原则来分配负荷运行的发电机组，这样就可使系统总的燃料消耗（或费用）为最小。

发电电厂内并联运行机组的经济调度准则为：

各机组运行时微增率b相等，并等于全厂的微增率λ

（六）电力系统自动低频减载及其它安全自动控制装置

主要内容：

简述了电力系统静态特性、动态特性；自动低频减载的工作原理，包括最大缺额的确定、动作顺序、每级切除等；以及其他安全自动控制装置，包括自动解列、水轮机组低频自启动、自动切机与电气制动。

1、当系统发生严重功率缺额时，自动低频减载装置的任务是迅速断开相应数量的用户负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保电力系统安全运行，防止事故的扩大。

因此是防止电力系统发生频率崩溃的系统性事故的保护装置。

2、电力系统装设自动低频减载装置的作用是限制系统频率的下降。

当电力系统出现较大的功率缺额，频率急剧下降时，动用备用容量往往来不及有效地制止频率的下降，须在电力系统中设置自动低频减载装置，按频率下降的程度自动切除部分负荷，以阻止频率的下降。

3、电力系统静态特性

4、系统频率变化不是瞬间完成的，而是按指数规律变化，其表示式为

5、在确定最大功率缺额时应考虑系统发生最严重事故，出现最大可能的功率缺额时的情况，以保证系统安全运行。

由于自动低频减载装置是针对事故情况的一种反事故措施，并不要求系统频率恢复至额定值，一般希望它的恢复频率低于额定值，约为49.5～50Hz之间，所以接到自动低频减载装置最大可能的断开功率可小于最大功率缺额。

当系统负荷、系统最大功率缺额已知后，只要系统恢复频率确定，就可按式，求得接到自动低频减载装置的功率总数。

6、由于接到自动低频减载装置的总功率是按系统最严重事故的情况来考虑的。

然而，系统的运行方式很多，而且事故的严重程度也有很大差别，对于各种可能发生的事故，都要求自动低频减载装置能作出恰当的反应，切除相应数量的负荷功率，既不过多又不能不足，只有分批断开负荷功率采用逐步修正的办法，才能取得较为满意的结果。

因此，自动低频减载装置采用分级动作。

7、自动解列：

尽量保持解列后各部分系统的功率平衡，已防止频率，电压的剧烈变化。

因此解列点应选择在有功功率，无功功率分点上或功率交换最小处。

适当考虑操作方便，易于恢复且具有较好的远动，通信条件。

8、水轮机低频自启动装置：

在水轮机组上安装按频率自动启动及快速并列的装置

9、自动切机与电气制动：

迅速切除部分机组，以减少输电线路的传输功率；把发电机产生的电能在发电机侧快速消耗掉，以迅速减少输电线路的传输功率，从而达到保持系统稳定的目的。

实施的方案是在发电机端装设足够容量的并联电阻。

三、本课程的重点、难点

本课程主要是对电力系统自动装置动作的原因、作用及简单模型建立的介绍，在学习过程中有着不少的主要知识点，列举如下：

1、自动并列装置中，最重要的就是对脉动电压的检测、分析，以此来判断合闸的条件是否满足，而在分析脉动电压的过