1、微机监控系统基础知识第一章电力系统自动装置电力系统自动装置内内 容容 提提 要要微机监控系统的组成模拟量输入/输出通道开关量输入/输出通道干扰及其抑制数字滤波数据预处理交流采样的电量计算图1.1典型自动控制装置工作示意图1.1微机监控系统的组成1.1微机监控系统的组成系统的硬件组成如图1.2所示。整个系统由CPU、存储器、定时器、监视器、输入/输出通道、传感器或变送器以及其他各种外设(外部设备)组成图1.2微机监控系统典型硬件系统结构框图(1)CPUCPU是微机系统自动工作的核心,它是集成在一片大规模集成电路上的运算器和控制器的总成。CPU的运算器由一个或多个累加器AC与算术逻辑部件ALU和一
2、些专门的寄存器组成。可快速进行算术与逻辑加减运算,从而实现各种操作运算。(2)存储器存储器存储指令、程序、数据及中间运算结果,设备的状态也以数据方式存储存储器包括只读存储器(ROM)、紫外线擦除可编程只读存储器(EPROM)、电擦除可编程只读存储器(EEPROM)及随机存储器(RAM)。近年又有非易失性随机存储器(NVRAM)等新型存储器。存储器容量大小和访问时间直接影响整个微机系统的性能(3)定时器/计数器在监控系统中,它是十分重要的部件。微机系统是在规定时刻工作,它还向外设提供触发采样信号,引起中断采样。在图1.2中,定时与逻辑控制即该部件功能的体现。该部件还是将频率变换为数字信号的关键部
3、件(4)监视器监视器即看门狗(Watchdog)。自动装置的工作环境有多种干扰,尤其是在电力系统中,多存在电磁场干扰。当装置受到干扰后,可能导致微机系统运行程序出轨,从而使装置工作瘫痪,为此设置监视器,对微机系统工作进行监视,防止装置受干扰而不能工作(5)变送器或传感器受控设备的被测量经变送器或传感器送入监控系统的A/D转换输入端(6)A/D转换器将模拟量转换为数字信号的部件为A/D转换器。A/D转换模拟量为数字量的精度及速率,是评价数据采集性能的主要依据(7)采样/保持器(S/H)图1.3采样/保持器原理性电路图(8)模拟多路开关(Multiplexer,MUX)在实际的数据采样中,输入模拟
4、量是多路的。在满足采样速率要求下,为节省硬件,往往只用一个A/D转换器(S/H往往也只用一个),如图1.2所示。此时,应使用多路开关与A/D配合,分时轮流切换各被测量与A/D接通。故MUX是数据采集中常用到的一个部件(9)模拟量输出通道模拟量输出通道由D/A转换器与MUX组成当只有一路模拟量输出时,装置输出的一组数字信号经D/A转换成模拟量,经保持器保持并经过低通滤波器后作为输出当装置要输出多个模拟量时,每一组数字信号在规定时刻经过D/A转换成模拟量,经MUX的一路开关输出。由于多组数字量是以串联定时方式经D/A转换,故此时MUX的工作方式为单入多出方式对比于模拟量输入,模拟量的输出工作量模式
5、恰好与输入方式是对偶的(10)并口I/O通道及串口SIO通道装置需要的若干开关量(状态量)或输出的开关量(状态量)均用并行I/O接口接入或输出,而数字量的输入及输出则用SIO(11)通信接口当装置需要与外部联系通信时,通过通信接口发收信息(12)其他CPU的其他外设及人机对话接口、电源1.1.2其他型式的微机监控系统(1)基于单片机的测控单元单片机是专为实时监控而设计并制造的。其CPU比通用的CPU简单,因而更可靠,适合面向实时过程,且对输入、输出处理能力强,而对于事件管理能力则较弱(2)基于工控机的监控系统图1.4工控机监控系统框图(3)基于数字信号处理器(DSP)的测控单元图1.5DSP微
6、机系统结构图1.1.3集散控制系统(Distributed Control System,DCS)图1.6集散控制系统结构框图图1.6表示一个DCS系统。整个系统有一个管理级的上位机(工作站)。上位机进行整个系统的数据集中管理、监视及协调系统内各下位机,即各DDC的工作。图中每一个DDC系统即是一个独立工作的测控系统(或单元,常称为子站)。各DDC完成不同的监控功能。DDC又与管理级工作站进行必要的信息交换,或者通过工作站取得需要的某一DDC系统的信息DCS系统是计算机技术与网络通信技术结合的成果1.1.4软件功能说明(1)信号采集与处理程序(2)运行参数设置(3)系统管理程序(4)通信程序1
7、.2模拟量输入/输出通道(1)采样1实际采样过程图1.7采样过程示意图图1.8采样信号及其频谱图1.2.2量化与编码图1.9量化与编码过程示意图(2)编码量化后的数字信号用某种码制表示,即为编码。若是二进制编码,则其量化与编码同时完成1.2.3A/D转换原理图1.10逐次逼近A/D转换器工作原理示意图(1)D/A转换图1.11T形解码网络型D/A转换原理接线示意图图1.11中,D0D2为数字信号由低位到高位的输出。D0D2为“1”时,受控开关K0K2接通右侧;D0D2为“0”时,则接通左侧(2)逐次逼近式A/D转换工作过程逐次逼近式的寄存器与其D/A均为N位长(二进制数长)逐次逼近式A/D的技
8、术参数包括分辨率、绝对精度、相对精度、转换时间、电源灵敏度、工作温度量程等。具体含义不再做进一步介绍目前,还有基于电压-频率变换(VFC)方式的A/D转换器,且已得到较多应用1.2.4模拟量输出通道(1)D/A转换及保持器1)电阻网络型D/A与保持器实现数模转换的工作原理图1.12数模转换过程示意图其他类型的D/A转换简介基于电阻网络的D/A可以构成双极性模拟量输出通道一类D/A转换是应用脉宽调制(PWM)技术来实现的(2)平滑滤波器的作用经过零阶保持器或一阶保持器输出的模拟量x(t)都是非平滑信号,即其中含有大量谐波成分,故实际上在保持器之后,均加上一低通滤波器平滑输出信号。滤波器的通带截止
9、频率应根据实际信号类别来确定1.3开关量输入/输出通道图1.13开关量输入电路结构框图1.3.1消抖滤波电路当输入开关量信号时,因干扰或其他原因,可能会使接点抖动或给出的状态信号不稳定而发生错误,故应设置消抖滤波电路消除噪声。消抖电路的基本原理是在输入信号路径上加一积分电路,只当输入信号达到规定门槛值并经积分延时,才以稳定的状态作为输入,送到下一个环节。1.3.2电隔离门现场开关量所处的是电压较高的环境,而计算机系统是低压系统,故应加电隔离,以免高压串入计算机而使之受损。加电隔离还可限制地回路电流因地线可能的错接而带来的干扰。在每个回路都加隔离还可避开多个输入电路的影响。当今的电隔离方法有继电
10、器隔离与光电隔离两种(1)继电器隔离现场设备的辅助接点作为开关量要输入计算机时,通过辅助继电器实现隔离,其原理接线如图1.14(a)所示。S为现场设备(如断路器等)的辅助接点。KA为中间辅助继电器,S的接点通过与计算机配合的弱电电源Uc接入计算机回路,实现电隔离图1.14电隔离电路原理(2)光电隔离光电隔离的原理接线如图1.14(b)所示。当现场设备辅助接点动作时,发光二极管导通,产生光束,使光敏三极管饱和导通。图1.14所示为射极输出器方式,射极有输出电平U0。根据要求不同,输出也可接成集电极输出方式1.3.3地址译码与驱动控制的说明监控装置中,输入开关量(信号源)均引入总线,输出开关量(视
11、为负载)均由总线引出。此时,因接入I/O为多组,以及总线工作方式、驱动方式等问题必须解决1.4干扰及其抑制图1.15信号及常模干扰示意图1.4.1常模干扰及其抑制（1）常模干扰的形式及干扰源常模干扰也称为常态干扰或串模干扰,是在有用信号上叠加了干扰噪声信号。图1.15示出了信号(设为一交流信号)受干扰(设为谐波)后的波形畸变。干扰噪声也可能是直流或其他随机形式(2)抑制方法信号源输入端串入输入滤波器,滤除高频干扰对于弱信号,应采用屏蔽线,并使强弱信号线分开布线,减少电磁干扰;信号线采用双绞线,以抵消同一电磁干扰源的干扰加必要的用程序实现的数字滤波(下一节专门介绍)设计合理的接地系统1.4.2共
12、模干扰及抑制图1.16共模干扰形成原理说明图(2)抑制方法要减小Unm的方法是:减少Ucm,加大Zc,尽量使电路平衡对称,即减小Z2-Z11.5数字滤波递推平均滤波(2)中位值法中位值法是一种很简单的滤波方式。对被滤波量每一次滤波计算是以连续采样3次的值进行比较,取中值作为有效采样值(3)惯性滤波1.5.2电信号的滤波方法(1)离散傅立叶变换(1)离散傅立叶变换对于一个含有谐波的电量,已知可写成傅立叶级数表示式:式中x(t)被分析处理的电压或电流;1基波频率式中k谐波次数令k=1,则得出基波分量,类推可求出其他分量1.6数据预处理1.6.2极性处理若A/D转换是单极性的,设输入模拟量是双极性的
13、,则输入时,要加一偏置量,使输入变为单极性量。经A/D转换后,应去除偏置量,使极性还原1.7交流采样的电量计算1.7.1电压、电流的计算(1)基波或谐波分量的取得(2)有效值的求取式中i(n),u(n)第n点电流、电压采样值N应在考虑到需计及的最高次谐波后,满足采样定理要求1.7.2有功功率及无功功率的计算图1.17用傅立叶级数系数求基波电流电压的相量图基波有功功率则为(见图1.17)同样,无功功率电力系统自动装置电力系统自动装置第第2章章同步发电机的自动并列同步发电机的自动并列2.1概述2.1.1并列的定义及并列操作的重要性为了避免并列操作不当而影响电力系统的安全运行，发电机的同期并列应满足
14、下列两个基本要求：发电机投入瞬间冲击电流应尽可能小，其最大值及冲击力矩不应超过允许值；发电机组并入系统后，应尽可能快地进入同步运行状态。2.1.2并列的方式n(1)准同期并列(2)自同期并列自同期合闸时最大冲击电流的周期分量Iicy可由下式求得式中Xd发电机纵轴次暂态电抗X系统电抗U系统电压发电机母线电压Ug为2.2准同期并列原理2.2.1准同期并列的条件采用准同期并列的条件为：待并发电机和系统相序相同；待并发电机和系统频率相同；待并发电机电压和并列点的系统侧电压相等；待并发电机电压和并列点的系统侧电压相位角相等。图2.1发电机并列示意图（）存在电压幅值差若并列时,发电机角频率g等于系统角频率
15、x;发电机电压与系统电压相位相等,即相角差=0;电压幅值不等,即UgU。这时有相量图如图2.2所示图2.2电压不等时的相量图(2)存在相角差图2.3相位不等时的相量图(3)存在频率差图2.4脉动电压n相角差 =g-=gt-xt=102.2.2脉动电压的分析及恒定越前相位与恒定越前时间的概念n(1)脉动电压的分析将us=ug-u=Ugmsin gt-Umsin xt称为脉动电压。若Ugm=Um,此即为只有频率偏差时的情况。Us的相量与波形如图2.4所示,并有设图2.1(a)中待并发电机电压的瞬间值为n以s=g-x代入式(2.6)中得脉动电压us的幅值包络线Us含有准同期并列3个条件的信息:电压差
16、、频率差、相位差图2.5Us=U时的波形1)电压差条件在=0时检测Us的大小,若它的值足够小,说明电压差条件满足,反之,电压差不满足要求2)频率差条件因脉动电压Us的滑差角频率s=g-x就是频率差,因此,通过对s的检测,就能判别频率差条件是否满足3)相位条件并列断路器主触头能于两电压相位差角=0的时刻闭合,则说明满足相位条件(2)恒定越前相角与恒定越前时间的概念在=0之前某一恒定角度yq发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前相角型同期装置,yq称为恒定越前相角。若在=0之前某一恒定时间tyq发出合闸信号,则该同期装置称为恒定越前时间型同期装置,tyq称为恒定越前时间图2.6不同s时,恒定越前相
17、角与恒定越前时间对比图2.2.3自动准同期装置的组成及分类(1)组成频率差控制单元电压差控制单元合闸控制单元图2.7自动准同期基本结构框图(2)分类1)按自动化程度分类按自动化程度可分为半自动型与全自动型2)按装置中信号处理方式分类模拟式自动准同期装置数字式自动准同期装置2.2.4发电厂同期点在发电厂中，凡是可以进行同期并列操作的断路器，都是发电厂的同期点。2.2.5准同期并列参数的计算n(1)确定允许合闸误差角aen(2)确定允许滑差角频率sa2.3模拟式自动准同期装置2.3.1模拟式自动准同期装置的功能能自动检查频率差和电压差，鉴别它们是否满足同期条件；当待并发电机与系统频率差与电压差大于
18、允许范围时，型装置能自动调整发电机的频率与电压值，使之接近系统频率，且电压差满足要求；当频率差和电压差满足同期条件时，在两电压矢量重合（）之前某一给定时间发出合闸脉冲，实现恒定越前时间自动并列。2.3.2合闸控制部分（）合闸部分的组成线性整步电压环节恒定越前时间环节.频差闭锁环节.压差闭锁环节图2.8出口合闸回路逻辑方框图（）线性整步电压环节（1）全波线性整步电压环节电路及整步电压整形电路的作用在于将正弦波电压变换成方波图2.9全波线性整步电压电路全波线性整步电压的特点图2.10整步电压电路的波形图全波线性整步电压的特点（）恒定越前时间环节图2.11恒定越前时间信号形成电路2.3.3频率差检测
19、2.3.4电压差检测图2.12电压差检测原则框图2.3.5其他环节的工作原理（）合闸控制单元（）频率差控制单元图2.13逻辑判别频率差方向法控制原理图2.14逻辑判别区间确定原理（）电压差控制单元图2.15电压差控制逻辑框图2.4数字型自动准同期装置2.4.1模拟式准同期装置存在的问题2.4.2数字式（微机式）自动准同期装置工作原理（）主机（）输入输出接口电路（）输入电路1)并列点参数选择信号2)并列断路器辅助接点信号3)复位信号图2.16数字式自动准同期装置硬件系统原理框图（）输出电路控制信号报警信号录波显示2.4.3软件功能的工作原理n图2.17频率检测原理框图2)相角差检测图2.18相角
20、差检测原理框图及波形图2.19e(t)随s变化的轨迹(3)并列合闸命令发出的原理（2.25）（2.26）(4)微机并列装置的功能1)能适应电压互感器不同相别与电压值2)应有良好的电压差、频率差控制功能3)确保在e=0时同步4)应能在第一次出现同期条件时发合闸命令5)应具有低压和高压闭锁功能6)应能及时消除同期过程中的同频状态7)能自动在线检测并列断路器合闸回路动作时间8)应能接入发电厂的集散控制系统(DCS)9)其他功能(5)软件流程1)主程序流程图2.20并列装置主程序流程框图图2.21定时中断子程序流程图第第3章章 同步发电机自动励磁同步发电机自动励磁调节系统调节系统电力系统自动装置电力系
21、统自动装置内容概述概述励磁系统的换流电路自动励磁调节装置分类及原理概述半导体自动励磁调节装置工作原理励磁调节器静特性调整数字式励磁调节装置原理并联运行机组间无功功率的分配励磁调节系统动态特性概述自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响同步发电机的灭磁3.1概述同步发电机的励磁系统就是指为发电机提供可调节励磁电流装置的全部组合。其中包括产生可调节励磁电流的励磁功率单元(如励磁机,以下或称功率单元)与控制励磁功率单元的励磁调节器两个主要组成部分图3.1励磁控制系统框图3.1.1电力系统中自动调节励磁系统的任务图3.2同步发电机运行原理示意图（）系统正常运行条件下维持发电机端或系统某点电压在给定水平图
22、3.2(c)给出对应的相量图。由图可得(2)实现并联运行发电机组的无功功率的合理分配图3.3同步发电机接于无限大母线时向量图(3)提高同步发电机并联运行的稳定性图3.4单机与系统连接网络对提高静态稳定能力的作用图3.5自动调节励磁装置改善发电机静态稳定说明图励磁对提高暂态稳定的作用图3.6发电机的面积定则（）励磁系统能改善电力系统运行条件提高继电保护动作的灵敏度改善电动机自启动条件允许发电机失磁异步运行（）对于水轮发电机应要求能强行减磁由于水轮发电机的调速装置惯性大，所以，当发电机因故甩负荷时将超速，而超速则可能产生危险的过电压，励磁装置此时应进行强行减磁，以免产生危险过电压。汽轮发电机的调速
23、器均较灵敏，故汽轮发电机不易超速，对励磁系统可不作此要求。以上诸作用表明，同步发电机均应装设自动调节励磁装置。3.1.2对自动调节励磁系统的要求1.励磁系统应能保证发电机在各种运行工况下要求的励磁容量，并适当留有裕度2.应有高的强励顶值电压与励磁电压上升速度图3.7励磁电压上升速度的定义示意图3)应有足够的强励持续时间4)应有足够的电压调节精度与电压调节范围5)励磁系统应在工作范围内无失灵区6)励磁系统应有快速灭磁性能7)励磁系统本身应简单可靠,调节过程稳定3.1.3励磁系统的类型（）直流励磁机系统 图3.8自励直流励磁机系统原理图 图3.9他励式直流励磁机系统原理图(2)交流励磁机系统图3.
24、10交流励磁机系统原理图带静止整流器的励磁系统图3.11无刷励磁系统原理图带旋转整流器的无刷励磁系统(3)自励式半导体励磁系统图3.12自并励励磁系统自并励励磁系统自复励励磁系统交流侧串联型自复励方式图3.13交流侧串联自复励式系统直流侧并联型自复励方式直流侧串联型自复励方式3.2励磁系统的换流电路3.2.1三相半控桥式整流电路图3.15三相半控桥式整流电路及波形(1)基本假设交流电压是三相对称的正弦波电压,且整流变压器容量足够大,即不受直流侧工作的影响整流变压器的漏抗为零,因此,整流桥的换相过程被认为是瞬间完成,即重叠角为零直流回路负载是转子绕组,故电感足够大,因而认为整流电流Id完全平滑。
25、在控制角不改变,负载R不变时,电流Id恒定不变各相控制角一致,即对应A,B,C三相,触发电路控制脉冲的相角依次为,-120,-240(2)=0时的整流过程(3)0时的整流过程3.2.2三相全控桥式整流电路（）整流工作过程图3.16三相全控桥式整流电路及波形图（）逆变过程分析1)理想逆变过程U=-1.35Ulcos=1.35Ulcos (3.13)2)逆变工作分析3.3自动励磁调节装置分类及原理概述3.3.1自动励磁调节装置分类(1)按物理结构分类(2)按调节原理分类3.3.2自动励磁调节器工作概述（）复式励磁装置（）基于闭环反馈的自动励磁调节器3.3.2自动励磁调节器工作概述(1)复式励磁装置
26、图3.18复式励磁装置原理性接线示意图(2)基于闭环反馈的自动励磁调节器图3.19自动调节励磁系统框图.半导体自动励磁调节装置工作原理3.4.1半导体自动励磁调节装置的基本结构图3.21半导体励磁调节系统结构图3.4.2各环节工作原理（）测量比较环节（）测量比较环节 a.作用及对环节的要求 b.环节的组成正序电压滤过器多相整流滤波电路检测电路图3.22测量比较环节框图图3.23正序电压滤过器原理接线图图3.24正序电压滤过器相量关系图3.25六相桥式整流电路图3.26滤波电路图3.27检测电路接线及特性（）综合放大环节1)任务及对环节的要求2)工作原理图3.28运算放大器原理接线图图3.29综
27、合放大电路图3.30综合放大电路工作特性图3.30示出了 与主信号 的关系特性（此时设其他信号均为零）。改变 与 的比值，可以改变特性斜率；当 大于一定值后，输出不再变，呈饱和状态，这是根据移相电路的要求而设定的。（）移相触发环节图3.31三相移相触发电路工作示意图图3.32移相触发电路原理图移相触发电路工作原理同步信号环节移相触发电路脉冲输出电路图3.33移相触发电路原理图图3.34控制信号移相原理说明移相触发环节的移相特性图3.35移相特性3.4.3自动调节励磁装置工作特性 图3.36ZTL简化框图(1)ZTL系统的静态工作特性 图3.37测量与放大环节合成工作特性图3.38励磁调节器静态
28、工作特性If=K4 (D)If=K1K2K3K4UG=KUG (3.18)Uk=K2U (B)U=K1(UG-Us)=K1UG (A)=K3Uk (C)（）具有 装置的发电机外特性:对于励磁调节而言，发电机的外特性在此是指发电机的无功电流 与端电压 的关系：（），这也常称为电压调差特性。该关系不仅与 的特性有关，且与励磁机、发电机的工作特性有关。这即是本节图3.38所示的励磁控制系统的静态工作特性。图3.39发电机外特性的形图3.40调差系数定义说明3.4.4励磁控制系统中的辅助控制励磁调节器主要由测量比较、综合放大、移相触发 个基本单元组成。此外，还有若干重要辅助电路组成的辅助控制单元。这些
29、辅助控制单元的输出均以综合放大单元输入回路方式加入相应辅助控制信号。它们的作用均体现在改变综合放大输出 的大小上，以达到最后改变移相触发输出 的相位，从而达到应有的改变励磁的目的。3.5励磁调节器静特性调整3.5.1调差系数的调整（）调差特性图.发电机不同的调差特性图3.42正调差系数的形成(2)调差环节工作原理调差环节的输出电压为 UG=UG+Rir (3.21)U=K1(UG-Us)=K1(UG+RIr-Us)调节稳态时,有U=0UG+RIr-Us=0即UG=Us-Rir (3.22)图3.43调差环节原理接线图图3.44调差环节矢量图图3.45接入正调差环节前图3.46外特性平移调整无功
30、电流3.5.2调差特性的平移图3.47ZTL特性与调节特性平移的关系3.6数字式励磁调节装置原理3.6.1数字式励磁调节装置的硬件构成（）工业控制微型计算机（）测量单元（）同步和数字触发（移相触发）单元图3.50同步电压波形（）交流电源相电压（）晶闸管电路的线电压 （）整形后方波电压 （）经非门后的方波电压（）输出脉冲3.6.2软件组成及其应用程序原理（）电压调节量计算（调节与控制的算法）调差计算 控制算法（）辅助控制功能 瞬时电流限制 最大励磁（强励）限制 最小励磁（欠励磁）限制 电压 频率（）限制 发电机失磁监控（）主程序流程 初始化 开机条件判别及空载设置 开中断 故障检测及检测设置 终
31、端显示与人机接口命令（）调节限制程序.并联运行机组间无功功率的分配图3.56一台无差与一台有差特性机组并联运行3.7.1一台无差特性与一台有差特性机组并联运行3.7.2两台无差特性的机组并联运行图3.57两台无差特性机组并联运行这是一种不能并联运行的方式。两台机组均为无差特性时，可能有两种情况：两条特性不重合，如图3.57所示。两台机组各有其电压整定值为 和。因为，两机组不能并联运行两条特性重合，此时两机组无明确交点，无功分配是任意的，不合理图3.58两台正调差特性机组并联运行3.7.3两台正调差特性的机组并联运行3.7.4发电机经升压变压器并联运行图3.59两台机组各自经升压变压器后并联运行
32、图3.60励磁控制系统结构框图3.8励磁调节系统动态特性概述3.8.1对励磁系统动态指标的要求1)上升时间tr上升时间指响应曲线自10%稳定响应值上升到90%响应值时所需的时间。有时也取为稳态响应值从零上升到100%时对应的时间3)调节时间ts从输入阶跃信号响应值与稳态值之差(见图3.61)调节到不再超过稳态值的2%(有时给定为5%)所需的最小时间,称为调节时间3.8.2励磁控制系统的传递函数(1)同步发电机的传递函数(2)励磁功率单元的传递函数直流励磁机图3.62他励式励磁机简化原理图式中E励磁机励磁回路磁链;E=NE;N绕组匝数;E与N交链的磁通;RE励磁机励磁回路电阻;iEUE作用下输入
33、回路的电流图3.63励磁机的饱和特性曲线计入饱和后,有iE=G(1+SE)uf (3.40)设气隙中磁通为a,在恒定转速下uf=ka (3.41)式中k常系数E在穿过气隙时有漏磁l,且漏磁通与a成正比E=a+l=a (3.42)式中分散系数,一般取=1.11.2利用以上各式,可以求出励磁机传递函数。将式(3.40)、式(3.41)、式(3.42)代入式(3.37),得图3.64他励式励磁机结构框图图3.65交流励磁机等效电路原理图图3.66交流励磁机饱和特性曲线交流励磁机本体传递函数为图3.67交流励磁机结构框图可控整流器图3.68单相全波可控整流输出与角的关系(3)励磁调节器的传递函数图3.
34、69综合放大单元框图(4)励磁控制系统的传递函数图3.70励磁控制系统的传递函数框图3.8.3励磁控制系统的稳定性（）用劳斯判据讨论稳定性（）用 图讨论稳定性自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响图3.73经外阻抗接于无限大母线的同步发电机的传递函数(3)同步发电机的固有特性其特征方程式为(Tjs2+K10)(1+K3Td0s)-K2K3K40=0图3.74不计ZTL时同步发电机的传递函数框图3.9.3自动励磁调节系统对电力系统稳定性的影响(2)电力系统的低频振荡及电力系统稳定器(Power System Stabilizer,PSS)的概念在远距离输电线路重负荷时,采用通常的按电压偏差进行比
35、例调节的ZTL,由于励磁控制系统存在惯性,这种调节方式提供的励磁电流具有时滞,其滞后相位使本应衰减的振荡角度反而加大,即出现负阻尼。当这一负阻尼足够大,就形成持续的低频振荡电力系统稳定器(PSS)的作用及工作原理产生一个附加的正的电磁转矩MD,或者能产生一个附加的机械阻尼转矩Mm。能产生MD的装置为电力系统稳定器(PSS),而能产生Mm的是直接控制调速器,以达到控制转速(从而控制)的调速器电力系统稳定器(Governor PSS,GPSS)PSS实际是励磁控制系统中的一个补偿网络图3.75具有PSS的励磁系统及发电机框图3.10同步发电机的灭磁3.10.1概述(1)灭磁的含义(2)对自动灭磁装
36、置的要求灭磁时间应尽可能短当灭磁开关断开励磁绕组时,励磁绕组两端产生的过电压不超过允许值Um,通常Um=(45)Ufn,Ufn为额定励磁电压灭磁装置动作后,发电机定子剩余电势不足以维持电弧灭磁装置的电路和结构应简单可靠图3.76不同灭磁方案的灭磁曲线(3)灭磁方法灭磁方法种类较多,如单独励磁机灭磁、对线性电阻放电灭磁、对非线性电阻放电灭磁、采用灭弧栅灭磁。当采用全控桥的半导体励磁系统时,还可利用全控桥逆变灭磁。其中,单独励磁机灭磁方法只用于小型机组,它的灭磁时间比较长,相当于图3.76中的曲线43.10.2线性放电电阻灭磁图3.77采用放电电阻的灭磁装置3.10.3非线性电阻灭磁3.10.4采
37、用灭弧栅灭磁3.10.5利用全控桥逆变灭磁第第4章章 电力系统频率及有功功率的自动调节电力系统自动装置电力系统自动装置4.1概述4.2电液式调速系统的工作原理及特性4.3电力系统的频率特性4.4电力系统自动调频方法及自动发电控制4.5电力系统的经济调度及自动调频简介内容概述4.1概述4.1.1频率调节及其重要意义频率与电压是电能的两个主要质量标准。在同一个电力系统中,与调节电压不同的是,在稳态运行条件下,并联运行的各同步发电机只能有一个共同的频率,即频率是一个全系统一致的运行参数(我国规定频率为50 Hz)4.1.2现代电力系统调频简介图4.1为电力系统调节频率示意图。当电力系统因负荷与机组间
38、有功功率失去平衡后,系统频率改变。发电机组的调速器通过改变动力因素方式,直接进行转速调节,以调整发电机送出的有功功率。这称为一次调频图4.1电力系统调频示意图4.2电液式调速系统的工作原理及特性4.2.1调速器的基本概念速器由转速测量、放大与执行诸环节组成。不论是汽轮机还是水轮机,其调速器的执行环节现在都采用液压放大器(油动机)来控制汽门或导水叶的开度4.2.2模拟电液式调速器原理图4.2电液调速系统功能框图(1)系统组成1）转速测量2）功率测量3）控制器4）电液转换及液压系统(2)调速系统工作过程1）发电机孤立运行2）机组并网运行及调速系统的静态特性4.2.3数字式电液调速器(1)概述20世
39、纪80年代开始出现数字式电液调速器(简称数字电调或微机电调)数字式有以下优点1）控制性能好2）功能多3）灵活性好4）运行稳定可靠(2)数字电调系统的结构图4.7数字式电液调速系统原理性结构图4.3电力系统的频率特性4.3.1负荷的静态频率特性图4.8负荷的静态频率特性4.3.2发电机组的静态频率特性图4.9发电机组的频率调节特性(2)多机并联运行特性(3)调节特性的失灵区图4.11调速器失灵区特性（人为设为失灵区）4.3.3电力系统的静态频率特性图4.12电力系统的静态频率4.4电力系统自动调频方法及自动发电控制4.4.1概述(1)调频与电力系统经济运行(2)按计划负荷划分机组进行调频(3)对
40、调频系统的要求为能达到稳态时f=0,对调频系统有如下要求:调频系统必须有足够的稳定性。这是工作的基本要求。一般情况下,调节精度越高,闭环调节系统不稳定的可能性越大。为此,调频系统应有一定的稳定裕度负荷变动后,调频系统应使稳态频差f返回至零,并保证电钟的准确性。但在调整过程中,瞬态频差是存在的,只是希望其尽可能小为使稳态频差为零,调频系统都采用积分控制。但频率仍将存在瞬态偏差。而电钟的时间误差正比于频率偏差的时间积分。为减小其时间误差,要求频差积分不超过一个定值(4)自动发电控制(AGC)4.4.2调频方法(1)虚有差法(2)积差调节法1)单机积差调节2)多台机组的积差调频3)改进的积差调节法4
41、)集中制与分散制调频4.4.3自动发电控制及联合电力系统调频概述AGC控制的目标可具体为以下几点:调整全系统发电出力与全系统负荷平衡经过调节,维持系统频率为额定或频率偏差在允许范围内在系统中,各区域内分配全系统发电出力,使各区域间联系或交换功率和计划值等,且各区域内有功功率平衡各区域内的发电厂之间实现负荷的经济分配AGC还是调度管理中实现安全约束经济调度的执行环节(2)AGC的基本功能1)负荷频率控制(LFC)2)经济调度控制(EDC)区域跟踪控制区域调节控制机组控制回路(3)AGC控制方式(1)AGC控制的基本目标:4.4.4联合电力系统调频简介图4.17联合电力系统示意图4.5电力系统的经
42、济调度及自动调频简介电力系统的经济调度是指在保证系统频率为额定的前提下,对系统负荷在各电厂及各机组间进行合理分配,使所需的发电成本最小。4.5.1等微增率的基本概念(1)耗量特性与耗量微增率图4.18典型的耗量特性图4.19典型的微增率特性(2)按等微增率分配负荷的分析图4.20两机组的微增率特性(2)按等微增率分配负荷的分析图4.20两机组的微增率特性4.5.2发电厂中各机组按经济分配负荷的调频系统图4.21经济调度的调频系统示意图第第5章章 按频率自动减负荷及其他安全自动控制装置电力系统自动装置电力系统自动装置内 容 提 要5.1概述5.2按频率自动减负荷5.3自动解列装置5.4水轮机组低
43、频自启动装置5.2按频率自动减负荷5.2.1概述(1)系统长期在4949.5 Hz内运行时(2)频率下降至4748 Hz时(3)频率的下降会使发电机电压下降5.2.2电力系统动态频率特性图5.1系统的动态频率特性式中PG*,PL*相应地以系统总发电功率PGn为基准时,发电总功率和负荷功率的标幺值,即PG*=PG/PGn100%PL*=PL/PGn100%5.2.3 工作原理（）的分级实现1)第一级启动频率f1的确定2)末级启动频率fN的确定（）频率级差 的确定按选择性确定f不强调级差的选择性图5.2频率选择性级差的确定（）各级最佳切除负荷的计算且有Pi-1*=Pi*+PLi*(5.9)所以PL
44、i*=Pi-1*-Pi*（）特殊级（附加级）的设置图5.3AFL中的特殊情况示意（）装置的动作时限AFL装置动作时,理论上要求尽可能快,以利于频率恢复。但要防止系统发生振荡或电压短时下降AFL可能会误启动,因此一般采用一个不大的时限,通常取为0.150.5 s5.2.4自动按频率减负荷装置（）对 的基本要求能在系统各种运行方式下，产生有功功率缺效时，有计划地切除负荷，防止频率下降至危险点以下切除负荷应尽可能少，以防止超调电力系统发生低频振荡或受谐波干扰时，不应误动变电站电源消失时，不应误动(2)AFL装置的实现图5.4AFL装置工作示意图低频继电器是AFL中的关键元件(3)微机型AFL1)硬件
45、结构框图2)频率检测3)闭锁信号4)功能设置5)输出6)AFL应有与上级计算机通信接口图5.5AFL装置硬件框图(4)AFL功能的分散实现1)闭锁方式时限闭锁低电压带时限闭锁低电流闭锁2)自动按频率减负荷后的重合闸(5)AFL装置运行中可能的误动作与防止措施5.2.5电力系统频率异常的计算机控制简介通过前面的论述可见，即使是微机型 装置，其工作过程是固定逻辑式，也不能适应电力系统运行方式的复杂变化。例如，一个联合电力系统事故后，可以解列为几个系统独立运行，其 的定值显然较单一系统的整定复杂。且系统解列后，个别子系统不在故障区而可能出现频率升高的情况。此外，是以频率为启动信号，系统频率是发电机转
46、速的直接反映，而发电机转速的变化是有机电惯性的。因此，从更精确的角度看，频率下降反映是有时滞的。5.3 自动解列装置5.3.1解列的作用解列是系统的一种安全控制措施5.3.2厂用电系统的解列装置5.3.3系统中的解列装置（）系统解列的应用尽力保持解列后各部分系统的功率平衡，以防止频率、电压的急剧变化，因此解列点应选在有功功率、无功功率的分界点上，或交换功率最小处。适当地考虑操作方便、易于恢复系统，具有较好的远动条件或通信条件。图5.6电力系统示意图（）解列装置实现原理按频率下降原则构成解列条件按频率下降与功率大小确定解列图5.7利用频率、功率的解列逻辑图利用测量电压实现振荡解列图5.8利用测量
47、电压构成振荡解列的说明(3)可行的计算机解列方式电力系统实现调度自动化后,应用前述的静态安全分析功能,对实际运行的电力系统给出假想事故并作出预防。一旦系统出现振荡,根据实情作出判断后,由预先选定的解列点的断路器动作,实现解列5.4水轮机组低频自启动装置5.4.1水轮机组的启动特性（）按中特性或高特性启动（）按低特性启动图5.9水轮机组的启动特性5.4.2水轮机组的低频率自动启动水轮发电机组低频率自动启动装置可用频率继电器作启动元件，当系统频率降低到继电器动作值后，继电器启动水轮机自动控制回路，当机组转速接近系统频率时，按准同期或自同期方式将机组并入电网。第第6章章 电力系统调度自动化的监控技术
48、及配电网自动化简介电力系统自动装置电力系统自动装置内 容 提 要.概述.电力系统 系统的基本构成原理.配电网自动化简介.概述.电力系统调度自动化的重要意义我国电力系统已进入大机组、大电网、超高压的新阶段，但这并不能完全表达现代电力系统的重要特征。现代电网有一个重要特征，就是为确保电网安全经济运行，提高供电可靠性，需要配置一套与一次系统相适应的二次系统。这除了继电保护及安全自动装置、自动调节系统之外，还要求有为正确调度电网正常运行和事故预想、事故处理的调度自动化系统。因此，调度自动化是支持现代电网能正常运行的一大支柱。.调度自动化的内容调度自动化是指以数据采集和监控系统（）为基础技术手段，包括自
49、动发电控制（）和经济调度运行（）、电网静态安全分析（）以及调度员培养仿真（）在内的能量管理系统（），即调度自动化系统是一个 系统。.分层控制与电网调度自动化（）电力系统调度管理的分层控制方式 为适应现代电网的发展与管理，电力系统均采用分层控制方式（）分层控制的调度自动化特点 根据分层控制的概念，电力系统每一层面上均有相应的调度自动化实现自动化管理。其中，省级及其以上调度均是面向发电厂、输电系统，故它的调度自动化功能中，除包含输电系统必具的自动化外，还包含自动发电控制功能，加上前述诸多功能后，形成能量管理系统（）。.本章阐述范围 电力系统自动化范围十分广泛。调度自动化与配电网自动化已属于另设专业
50、课。为了能对电力系统自动化内容有一个完整概念，特在本章介绍调度自动化的技术基础，即 系统的原理。6.2 电力系统 系统的基本构成原理.系统的基本功能（）数据的收集及监控 ）遥远测量（）遥远信号（）遥远控制（）遥远调节（）（）数据处理.遥远信息传送过程的概念 在发电厂、变电站内部传送信息（如各种电气参数及各种控制命令信号等），都是用控制电缆将信号的发送与接收两端直接连接的方式，或用计算机网络、现场总线等方式传输信息。但发电厂、变电站与调度中心端相距几十千米甚至几百千米，不可能采用上述信号传送方式，电力系统自动装置,而只能将已采集的电气量或其他物理量、状态量再转换成适合远距离传输的信号，运用通信技
