電力系統(tǒng)及其自動化研討

電力系統(tǒng)及其自動化

任課教師：馮健1參考教材《電力系統(tǒng)自動化》，商國才編著，天津大學出版社，2002.《電力系統(tǒng)自動控制新技術》，郭培源編著，科學出版社，2003.2第一章諸論1-1電力系統(tǒng)概述背景：到2007年底我國發(fā)電裝機總容量71329萬千瓦，同比增長14.36%。其中，水電達到14526萬千瓦，約占總容量20.36%，同比增長11.49%；火電達到55442萬千瓦，約占總容量77.73%，同比增長14.59%；發(fā)電總能量已經達到32559億千瓦時，居全世界第二位，僅次于美國。3電力系統(tǒng)示意圖電力系統(tǒng)示意圖(虛框內為電網，包括輸電網和配電網)4電力系統(tǒng)簡圖5國家電網（STATEGRID）概況國家電網區(qū)域分布圖6國家電網公司成立于2002年12月29日，以建設運營電網為核心業(yè)務，負責所轄各區(qū)域電網之間的電力交易和調度，承擔著為經濟社會發(fā)展提供堅強電力保障的基本使命。公司經營區(qū)域覆蓋26個省、自治區(qū)、直轄市，覆蓋國土面積的88%以上，直接服務客戶1.45億戶，供電人口超過10億，管理員工150.4萬人。五大發(fā)電集團——華能、大唐、華電、國電、中電投7國家電網公司組成8國網系統(tǒng)區(qū)域電網裝機容量

電網名稱2006年底統(tǒng)調裝機容量（兆瓦）總容量火電水電其他國網系統(tǒng)43586735540075403.55063.5華北11878011550032800東北41360352505740370華東128970109900148704200華中9108062840282400西北428902920013310380南方電網1095403298062740138209我國主要各區(qū)域電網裝機容量對比10目前我我國已已經初初步形形成了了以500kV（330kV）和和220kV為為骨干干的電電網結結構，，初步步形成成北、、中、、南三三大““西電電東送送”通通道，，實現現了區(qū)區(qū)域內內省間間及跨跨區(qū)域域電網網互聯(lián)聯(lián)。截至2006年年底，，全國國220千千伏及及以上上輸電電線路路回路路長度度28.15萬萬公里里，220千伏伏及以以上變變電設設備容容量98131萬千千伏安安。11電力系系統(tǒng)特特點及及組成成電力系系統(tǒng)特特點：：1、被被控制制對象象復雜雜且龐龐大；；2、被被控制制參數數很多多；3、干干擾嚴嚴重。。電力系系統(tǒng)組組成：：為了保保證電電力系系統(tǒng)安安全、、優(yōu)質質、經經濟運運行需需要靠靠發(fā)電電廠、、變電電站、、配電電線路路和電電能用用戶來來實現現。12火力發(fā)發(fā)電火電廠廠火電廠廠中的的汽輪輪機組組13水力發(fā)發(fā)電三峽電電站（效果果圖））14發(fā)電的的其它它一次次能源源主要要有：：潮汐發(fā)發(fā)電、、地熱熱發(fā)電電、風風能、、核能能發(fā)電電、垃垃圾發(fā)發(fā)電變電站站包括括：升壓變變電站站（靠靠近電電能起起始端端）降壓變變電站站（靠靠近電電能用用戶））配電站站：沒沒有變變壓器器，電電站兩兩端電電壓相相同~~（10KV）10.5KV升壓變壓器220-500KV(330)一次降壓變電站（地區(qū)降）35-110KV二次降壓變電站6-10KV220/380V10.5V指空載時端子電壓15變電站站的輸輸配電電系統(tǒng)統(tǒng)16電力系系統(tǒng)的的主要要電氣氣設備備簡介介主設備備有：：電力變變壓器器、高高壓斷斷路器器、隔隔離開開關、、負荷開開關、、母線線、電電抗器器、電流互互感器器、電電壓互互感器器、電電容器器、避雷器器以及及繼電電保護護裝置置等。。17電力變變壓器器是變電電站的的核心心設備備，通通過它它將一一種電電壓的的交流流電能能轉換換成另另一種種電壓壓的交交流電電能，，以滿滿足輸輸電或或用電電的需需要。。1819高壓斷斷路器器慣稱開開關,是變變電站站的重重要設設備，，用于于1kV以以上的的高壓壓電路路中。。由于于它有有熄滅滅電弧弧的機機構，，故作作為閉閉合和和開斷斷電路路的設設備。。與相相應的的繼電電保護護及自自動裝裝置相相配合合能快快速切切斷故故障電電流，，防止止事故故擴大大，保保證系系統(tǒng)的的安全全運行行。2021隔離開開關隔離開開關是是與高高壓斷斷路器器配合合使用用的設設備，，它沒沒有熄熄弧機機構，，其主主要功功能是是起隔隔離電電壓的的作用用。隔隔離開開關必必須在在斷路路器開開斷后后才允允許拉拉開，，而合合閘時時，隔隔離開開關應應先閉閉合，，然后后再將將斷路路器接接通。。2223負荷開關是介于高壓壓斷路器之之間的開關關設備。在在結構上它它與隔離開開關相似，，但具有特特殊的滅弧弧裝置，能能夠斷開相相應的負荷荷電流，但但不具有切切斷短路電電流的能力力，一般與與高壓熔熔斷器配合合使用。目目前，負荷荷開關均制制成為10kV及以以下的額定定電壓等級級，用于次次要網路系系統(tǒng)。24負荷開關負荷開關實物25母線線實際母線理論上的是匯集和分分配電流的的主要環(huán)節(jié)節(jié)，它由鋼鋼芯鋁絞線線（用于戶戶外35kV及以上上）或矩形形鋁（銅））導線（用用于戶內電電壓20kV及以下下）構成。。26母線作用：匯集集和分配電電流圖形符號：：27電抗器用途：抑制制短路電流流，電網中中性點接地地28電流互感器器電壓互感器器電能變換器器件，前者者用以將大大電流變換換成小電流流（通常為為5A），，后者用以以將高電壓壓變換成低低電壓（通通常為100V），，供計量檢檢測儀表和和繼電保護護裝置使用用。電壓互感器器及電流互互感器29—電流互感感器的變比比電流互感器器原理30耦合電容器器電容器用途：減小小無功負荷荷，改善功功率因數31避雷器32由互感器及及一個或幾幾個繼電器器組成的裝裝置。繼電保護裝裝置的任務務：借助斷路器器，自動迅迅速、有選選擇的將故故障元件從從供電系統(tǒng)統(tǒng)切除，以以防事故擴擴大。給出不正常常運行信號號與其它自動動化裝置配配合，提高高電力系統(tǒng)統(tǒng)可靠性受感元件啟動元件保護的中間環(huán)節(jié)出口原件執(zhí)行元件采樣判斷變換、閉鎖鎖、延時、、放大發(fā)出命令脈脈沖跳閘指示信信號繼電保護裝裝置33電能產生、、分配過程程的特點：：1、結構復復雜龐大；；2、電能不不能大量存存儲；3、過度（（暫態(tài)）過過程非常迅迅速，電波傳播速速度米米/秒（與與光速一樣樣）；4、與國民民經濟各部部門關系密密切，特別別重要。電力系統(tǒng)的的顯著特點點341、保證供供電可靠性性電能用戶按按對供電可可靠性的要要求分為：：一級負荷（（保安負荷荷）二級負荷三級負荷2、保證電電能質量3、保證運運行的經濟濟性電力系統(tǒng)運運行的基本本要求35電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向2006年年，全國國全社會用用電總量達達到了28344億億千瓦時，，比上年同同期增長14.54%。其中，水電發(fā)電量量4167億千瓦瓦時，約占占全部發(fā)電電量14.7%，增增長5.1%；火電發(fā)電量量23573億千千瓦時，約約占全部發(fā)發(fā)電量83.2%，，增長15.3%；；核電發(fā)電量量543億億千瓦時時，約占全全部發(fā)電量量1.9%，增長2.4%。。2006年年電力力行業(yè)完成成銷售收入入20808億元元，同比增增長20%，實現利利潤1446億元元，增長43%。36電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向截止2006年底底按發(fā)電量量全國電力力供應結構構37電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向年度裝機容量(萬千瓦)發(fā)電量(億千瓦時)發(fā)電量增長率(%)用電量(億千瓦時)用電量增長率(%)200031932136858.00134668.00200133849148398.43146839.042002359001640010.521620010.332003384501908016.341891016.732004440702187014.622173514.942005508412474713.162468913.592006622002834414.542824814.422007713293255914.443233914.56近年我國發(fā)發(fā)電裝機容容量、發(fā)電電量及用電電量情況38世界主要國國家電力工工業(yè)發(fā)展指指標（2002）2149（2006年）39電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向40國家發(fā)展和和改革委員員會能源局局指出：提高能源利利用效率和和效益，保保護生態(tài)環(huán)環(huán)境，不斷斷開發(fā)利用用新的能源源發(fā)電技術術裝備，將將成為未來來20年電力工業(yè)業(yè)新的發(fā)展展方向。其其中，輸變變電設備將將向緊湊型型、高可靠靠性方向發(fā)發(fā)展，數字字化、智能能化和信息息化將成為為配、用電電設備的發(fā)發(fā)展重點。。電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向41國家電力發(fā)展規(guī)規(guī)劃2006年年和2007年年兩年，我我國新增電電力裝機規(guī)規(guī)模就超過過了2億億千瓦，總總裝機規(guī)模模2007年底超過過7億千千瓦。根據據中國電力力工業(yè)最新新發(fā)展規(guī)劃劃，按“十十一五”期期間GDP年均增增長8.5%考慮，，同時考慮慮萬元GDP能耗耗下降20%左右的的約束性要要求，到2010年年，全國國電力裝機機總容量將將達8.4億千瓦瓦，其中水水電裝機將將達1.9億千瓦瓦，核電裝裝機1000萬千千瓦，風電電裝機500萬千千瓦，生物物質發(fā)電裝裝機550萬千瓦瓦，天然氣氣發(fā)電裝機機3600萬千瓦瓦，煤電裝裝機5.93億千千瓦。根據國家電電網公司和和南方電網網公司分別別編制的各各自“十一一五”電網網發(fā)展規(guī)劃劃，“十一一五”期間間，我國電電網建設總總投資將超超過1萬萬億元，其其中國家電電網公司8500億億元左右右，南方電電網公司2500億億元左右右，兩家企企業(yè)“十一一五”期間間規(guī)劃電網網投資為““十五”期期間的1.2倍。。根據規(guī)劃劃，“十一一五”期間間，全國將將投產330千伏伏及以上交交流線路3.8萬萬公里，變變電容量1.8億億千伏安，，平均每年年新增交流流線路7600公公里，新增增變電容量量3600萬千伏伏安；建成成直流線路路3420公里里，換流容容量1500萬千千瓦（含背背靠背換流流站）。到到2010年，全全國330千伏及及以上交流流線路達11.4萬萬公里，變變電容量達達4.7億億千伏安安，直流線線路8200公里里，直流換換流容量4000萬萬千瓦。。電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向42電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向具體發(fā)展方方向（1）大力力發(fā)展水電電、太陽能能、核電、、風力、坑坑口發(fā)電等等新的能源源發(fā)電技術術。1千克鈾-235裂裂變釋放的的能量=2700噸噸標準煤燃燃燒釋放的的能量一座100萬千瓦的的火電站一一年燃燒標標準煤約300萬噸噸,而一座座100萬萬千瓦的核核電站一年年消耗核燃燃料僅約30噸。（2）提高高單臺機組組容量；國內最大機機組——華華能玉環(huán)電電廠6×100萬kW其鍋爐效率率為９３．．８８％、、供電煤耗耗為２８３３．２克／／千瓦時，，機組熱效效率高達４４５．４％％，達到國國際先進水水平。據據測算，如如果國內燃燃煤發(fā)電廠廠熱效率都都達到４５５％的水平平，按２０００６年全全國火電發(fā)發(fā)電量計算算，相當于于全年可以以少燒約２２億噸標準準煤，減少少二氧化碳碳排放約５５．４億噸噸。43電力工業(yè)現現狀及發(fā)展展方向具體發(fā)展方方向（3）提高高投運機組組容量，，減少備用用設備（4）提高高輸電電壓壓，減少損損耗，節(jié)約約有色金屬屬用量；（5）擴大大整個電網網容量，建建立聯(lián)合電電網。現代化電力力工業(yè)的一一個重要標標志是電網網化、系統(tǒng)統(tǒng)化，將發(fā)電、輸輸變電、供供電、用電電組織成一一個區(qū)域性性大網絡，，形成聯(lián)合電電網或統(tǒng)一一電力系統(tǒng)統(tǒng)。44自動化：誕生于工工業(yè)生產，，是指用自自動進行調調解、檢查查、加工和和控制的機機器及設備備進行生產產作業(yè)，以以替代人人人直接的操操作。電力系統(tǒng)自自動化：是自動化化的一種具具體形式是指應用各各種具有自自動檢測、、決策和控控制功能的的裝置并通通過信號系系統(tǒng)和數據據傳輸系統(tǒng)統(tǒng)對電力系系統(tǒng)各元件件、局部系系統(tǒng)或全系系統(tǒng)進行就就地或遠方方的自動監(jiān)監(jiān)視、協(xié)調調、調節(jié)和和控制，保保證電力系系統(tǒng)安全經經濟運行和和具有合格格的電能質質量。電力系統(tǒng)自自動化45電力系統(tǒng)自自動化的發(fā)發(fā)展歷程（一）單一一功能自動動化階段1）初級階階段（初期，小小規(guī)模電廠廠）2）單一功功能的自動動化裝置（發(fā)電設備備和出力增增加，供電電范圍擴大大）故障自動切切除裝置自動操作和和調解裝置置遠距離信息息自動傳輸輸裝置3）電力系系統(tǒng)調度中中心（跨地區(qū)電電力系統(tǒng)））電話調度““四遙”（為了解決決調度的實實時性）遙信（YX）、遙測測（YC））、遙調（YT）、遙控控（YK））。46電力系統(tǒng)自自動化的發(fā)發(fā)展歷程電力系統(tǒng)自自動化的三三門主要技技術：故障自動切切除裝置電力系統(tǒng)繼繼電保護技技術自動操作和和調解裝置置電力系統(tǒng)自自動監(jiān)控技技術遠距離信息息自動傳輸輸裝置遠動技術電力系統(tǒng)繼繼電保護、、遠動從電電力系統(tǒng)自自動化獨立立出來之后后，電力系統(tǒng)自自動化只包包括電力設設備的自動動監(jiān)視、控控制及與其其相關的問問題。從高層次來來分類，三三門技術仍仍然同屬于于“電力系系統(tǒng)及其自自動化”中中的“自動動化”范疇疇。47單一一功功能能自自動動化化階階段段的的特特點點1.三三門門技技術術各各自自自自成成體體系系，，分分別別完完成成各各自自的的功功能能；；2.對對單單個個電電力力設設備備和和單單一一過過程程用用分分立立的的自自動動化化裝裝置置來來完完成成；；3.電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)中中各各發(fā)發(fā)電電廠廠和和變變電電站站的的自自動動裝裝置置之之間間無無聯(lián)聯(lián)系系；；4.電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)的的統(tǒng)統(tǒng)一一運運行行靠靠調調度度員員經經驗驗完完成成。。48（二二））綜綜合合自自動動化化階階段段電力系統(tǒng)信息電力系統(tǒng)自動裝置電力系統(tǒng)遠動和遙信裝置信息處理做出模糊決策確定數學模型電力系統(tǒng)調度計算機YX，YCYK，YTYX，YCYK，YT電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)工作模式圖用一一套套自自動動化化系系統(tǒng)統(tǒng)或或裝裝置置來來完完成成以以往往兩兩套套或或多多套套分分立立的的自自動動化化系系統(tǒng)統(tǒng)或或裝裝置置所所完完成成的的工工作作遙信（YX）遙測（YC）遙調（YT）遙控（YK）遙視（YS）+=電力系統(tǒng)五“遙”491-2電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動化化的的內內容容通常常所所說說的的電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)是是指指電電能能生生產產、、能量系統(tǒng)——電工一次系統(tǒng)其中的電力設備稱為一次設備信息系統(tǒng)——電工二次系統(tǒng)其中的電力設備稱為二次設備電力系統(tǒng)自動化屬于二次系統(tǒng)，它包含若干個子系統(tǒng)。50電力力系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動化化內內容容的的劃劃分分按電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)運運行行管管理理區(qū)區(qū)劃劃分分1、、電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)調調度度自自動動化化；；包括括發(fā)發(fā)電電和和輸輸電電調調度度自自動動化化、、配配電電網網調調度度自自動動化化。。2、、發(fā)發(fā)電電廠廠自自動動化化；；3、、變變電電站站自自動動化化。。從電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)自自動動控控制制角角度度劃劃分分1、、電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)頻頻率率和和有有功功功功率率自自動動控控制制；；2、、電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)電電壓壓和和無無功功功功率率自自動動控控制制；；3、、電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)安安全全自自動動控控制制；；4、、電電力力系系統(tǒng)統(tǒng)中中斷斷路路器器自自動動控控制制。。51一、電力系統(tǒng)統(tǒng)調度自動化化功能：信息收收集與執(zhí)行和和信息處理與與分析1）調度自動動化系統(tǒng)的基基本構成人機聯(lián)系設備主計算機通信控制器下層調度所上層調度中心RTU1RTUn主站系統(tǒng)框圖主站（MS）RTURTURTURTU下層主站上層主站調度中心發(fā)電廠發(fā)電廠變電站變電站調度自動化系統(tǒng)簡圖RTU——遠遠動終端，RemoteTerminalUnit522）調度自動動化的結構層層次a)集中控制制，廠站數量量較少（不多多于10個））b)分級（層層）控制中心調度所：：對整個電力力系統(tǒng)做出綜綜合判斷及控控制，負責與地地區(qū)調度所和和發(fā)電廠及變電所保持信信息交換和控控制。地區(qū)調度所：：接受中心調調度所的控制制指令，對本本地區(qū)的系統(tǒng)做做出綜合判斷斷和控制，對發(fā)電廠及變變電所控制中中心進行信息交換和控制制。53發(fā)電廠（變電電所）控制中中心：接受中中心調度所或或地區(qū)調度所所的指令，直直接對所屬機機組和設備進進行監(jiān)視及控控制。AB1BnC1D1DnC1D1DnD2DnD1D2D1Dn地區(qū)集控站廠站中心分層控制結構示意圖A——中心調度所（SCADA主站系統(tǒng)）；B——地區(qū)調度所（SCADA主站系統(tǒng)）；C——集控站（SCADA主站系統(tǒng)）；D——被控變電所（變電所自動化系統(tǒng)）54分級控制優(yōu)勢勢：滿足實時性需需要；有利于通訊的的實現；減少通訊流量量。3)調度自動動化的發(fā)展過過程SCADA———SupervisoryControlandDataAcquisition監(jiān)視控制及數數據采集（SCADA））+安全全分析+安安全控制+其他調度管管理和計劃管管理=能量管理系統(tǒng)統(tǒng)（EMS）以經濟運行為為主以以安全全控制為主55二、火電廠自自動化火電廠分為：：蒸氣動力發(fā)電電廠燃氣輪機發(fā)電電廠內燃機發(fā)電廠廠機組最大容量量1300MW火電廠最大裝裝機容量4800MW1）發(fā)展過程程目的：a)保障機組組安全經濟運運行；b)增加機組組對電網經濟濟調度和負荷荷變化的適應能力，保保證發(fā)電質量量；c)改革勞動動條件，提高高運行速率；；d)提高生產產效率；e)監(jiān)視和控控制發(fā)電過程程對環(huán)境的污污染。爐、機、電：：就地——〉〉集中——〉〉計算機562）主要功能能a)自動檢測測；b)自動動保護；c)順序控制制；d)連續(xù)續(xù)控制；e)管理和信信息處理。3）包括的內內容a)計算機監(jiān)監(jiān)視系統(tǒng)；b)機機爐協(xié)調主控控制系統(tǒng)；c)鍋爐自動動控制系統(tǒng)；；d)汽輪機機自動控制系系統(tǒng)；e)發(fā)電機和和電氣控制系系統(tǒng)；f)旁路控制制系統(tǒng)；g）輔助助設備及各支支持系統(tǒng)的自自動控制系統(tǒng)統(tǒng)；h））就地控制系系統(tǒng)。57火電廠機組自自動控制示意意圖斷路器控制G勵磁系統(tǒng)調速系統(tǒng)自動同期并列裝置汽輪機電壓無功轉速有功發(fā)電機同期并列母線YH1YH2YH3YH4DL電壓互感器發(fā)電機和電氣氣控制系統(tǒng)舉舉例58三、水電廠自自動化1）水輪發(fā)電電機組和電壓壓自動控制2）水電廠自自動發(fā)電控制制a)按上游來來水量發(fā)電；；b)按給定的的發(fā)電機負荷荷曲線；c)按電力系系統(tǒng)維持在一一定頻率下運運行；d)按綜合因因素。靜止發(fā)電調相水輪發(fā)電機組工況及其轉換示意圖從電力系統(tǒng)吸吸收有功功率率；向電力系統(tǒng)輸輸送無功功率率；目的是補償獨獨立系統(tǒng)無功功功率不足，，維持電力系系統(tǒng)電壓水平平。分配和和調節(jié)節(jié)各機機組的的無功功功率率；目的是是維持持電廠廠高壓壓母線線電壓壓水平平。593）水水電廠廠計算算機控控制系系統(tǒng)兩種應應用模模式：：a)以以計算算機為為輔的的監(jiān)控控系統(tǒng)統(tǒng)；b)以以計算算機為為主的的監(jiān)控控系統(tǒng)統(tǒng)。計算機機參加加決策策與否否是區(qū)區(qū)分這這兩種種模式式的關關鍵。。通信設備計算機系統(tǒng)I/O進程通道生產過程數據存儲設備人機聯(lián)系設備至電力系統(tǒng)調度中心水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖兩種結結構模模式：：集中式式分布式式60四、變變電站站自動動化1）發(fā)發(fā)展過過程階段一一：變變電站站常規(guī)規(guī)的二二次回回路（主要要由有有觸點點的繼繼電器器構成成）；階段二二：監(jiān)監(jiān)控、、遠動動、繼繼電保保護分分別實實現微微機化，但但依然然分別別工作作，自自成體體系；；階段三三：構構成一一個統(tǒng)統(tǒng)一的的計算算機系系統(tǒng)（變電電站綜綜合自自動化化）。2）變變電站站常規(guī)規(guī)二次次回路路包括括的內內容：：a)控控制系系統(tǒng)；；b)信信號系系統(tǒng)；；c)測測量系系統(tǒng)；；d)同同步系系統(tǒng)；；e)二二次回回路電電源。。613）變變電站站自動動化內內容：：a)微微機監(jiān)監(jiān)控b)微微機遠遠動具體包包括：：1)巡巡回監(jiān)監(jiān)測和和召喚喚測量量；2)脈脈沖量量計數數、開開關量量狀態(tài)態(tài)判別別、被被測量量越界界判別別、功功率總總加和和電能能量累累計；；3)顯顯示變變電站站運行行情況況，如如越限限和事事故報報警、、打印印以及及順序序記錄錄等；；4)報報表打打印；；5)漢漢字人人機對對話及及提示示功能能；6)變變電站站遠動動終端端。62五、配配電網網自動動化（110KV~220/380KV之之間））配電自自動化化分為為：配電電網網調調度度自自動動化化配電電變變電電站站自自動動化化配電電線線路路自自動動化化用戶戶自自動動化化功能能：：a)數數據據采采集集與與控控制制；；b)負負荷荷管管理理（包括括負負荷荷監(jiān)監(jiān)視視和和負負荷荷控控制制（（直接接控控制制、、間間接接控控制制））；c)電電壓壓/無無功功綜綜合合控控制制；；d)可可靠靠性性管管理理；；e)信信息息管