1、第一讲 绪论JIANGSU UNIVERSITY2/432022-8-8 第一章 绪论 本课程使同学们对电力系统自动化及其基本问题有一个基础性的了解。JIANGSU UNIVERSITY3/432022-8-8电力系统的构成l电力系统（一次系统）：n电能生产、输送、分配和消费所需要的发电机、变压器、电力线路、断路器、母线和用电设备等互相连接而成的系统。也称为电工一次系统，其中所包括的电力设备称为“一次设备”。n特点：能量系统、主系统、高电压、大电流。l电工二次系统（二次系统）：n由对电工一次系统进行监视、控制、保护和调度所需要的自动监控设备、继电保护装置、远动和通信设备等组成的辅助系统。其中包
2、括的设备装置称为“二次设备”。n特点：信息系统、辅助系统、低电压、小电流。JIANGSU UNIVERSITY4/432022-8-8电力系统构成l发电l输电l配电l用电发电发电输电输电配电配电用电用电JIANGSU UNIVERSITY5/432022-8-8电力生产特点和要求l特点：电能无法大容量存储，电能的生产与消耗几乎是时刻保持平衡。l要求:n保证安全可靠运行 u包括：输变电设备的正常操作、故障的快速切除和恢复，均通过自动装置才能保证安全、可靠。n保证优质电能 n保证经济运行 u最少的一次能源产生更多的电力。电力系统的经济优化调度运行，降低网损等。JIANGSU UNIVERSITY6
3、/432022-8-8中国电力系统及其互联运行（现状）世界最大的同步互联电网西电东送、三峡核心南直北交、链式同步东北东北华北华北华东华东华中华中西藏西藏台湾台湾西北西北新疆新疆南方南方山东山东川渝川渝福建福建JIANGSU UNIVERSITY7/432022-8-8电力系统：可怕的超级大系统1882年到现在，130多年过去了。l作用越来越重要了l系统规模越来越大了l新装备和新技术的使用越来越多了l垄断下的机制和规范逐步不存在了l但是,JIANGSU UNIVERSITY8/432022-8-8保守如此，脆弱依然上个世纪上个世纪60年代进入大电网互联年代进入大电网互联时代后，大停电事故频繁发生
4、。时代后，大停电事故频繁发生。JIANGSU UNIVERSITY9/432022-8-88.14大停电l停电前l停电后JIANGSU UNIVERSITY10/432022-8-8美加大停电，就发生在昨天JIANGSU UNIVERSITY11/432022-8-8Blackouts Examplel 2003(8.14 US-Canada Blackout,8.28 London Blackout,9.1 Sydney Blackout,9.1 Malaysia Blackout,9.28 Italy Blackout)2006.11.4 West European blackout(8
5、countries)JIANGSU UNIVERSITY12/432022-8-8电力系统特点和工作状态l 特点：电能无法大容量存储，生产消耗几乎同时。l 正常工作状态:n电力系统的电压和频率电流等都在允许的范围以内，能够保持长期安全工作的状态。n等约束（PQ平衡）和不等约束条件(IUS等)都满足n最关键的指标：Ue10%,f0.2Hzl 不正常状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。l 故障状态（继电保护考虑，本课程不考虑。）JIANGSU UNIVERSITY13/432022-8-8电力系统状态不正常运行状态l不正常运行状态：正常运行条件受到破
6、坏，但还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。n负荷潮流越限致使电流升高（过负荷）；n发电机突然甩负荷引起发电机频率升高；n系统出现有功功率缺额引起的频率降低；n单相接地引起的非接地相电压升高；n电力系统发生振荡；l不正常运行状态产生的后果：电力设备的电流过大会使设备载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，可能发展成短路故障。JIANGSU UNIVERSITY14/432022-8-8电力系统不正常运行状态对策l 不正常运行状态的对策：一旦电力系统设备发生不正常运行状态，应该发出告警信号、减负荷或跳闸。l 正常状态和大部分的不正常状态可以由以下措施予以调节和控制
7、：n1）有功、无功的潮流和电压、频率的调整 调整发电机出力、变压器分接头、负荷等n2）自动化装置 备用电源自动投入（备自投）、自动准同期装置、自动按低频（低压）减载、自动解列、过电压检测等。依赖于自动化依赖于自动化(自动装置和自动化系统自动装置和自动化系统)JIANGSU UNIVERSITY15/432022-8-8电力系统自动化定义l定义：电力系统自动化指采用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号系统和数据传输系统对电力系统各个元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，以保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量。l因历史原因被分成三部分：继保、远动、自
8、动化，目前普遍意义上讲自动化是不包括继保、远动部分（含通信），本课程也是如此。由于远动课程没有单独设置，本课程也简要介绍远动的内容。JIANGSU UNIVERSITY16/432022-8-8电力系统的能力JIANGSU UNIVERSITY17/432022-8-8电力系统的过程+能力0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Sec.电磁暂态电磁暂态Electromagnetic Switching Transient暂态稳定暂态稳定Transient stability（angle and voltage）系统运行系统运行Power system operation小扰动
9、稳定小扰动稳定Small signal stability长期电压稳定长期电压稳定Long term voltage stability继电保护范围继电保护范围自动装置范围自动装置范围自动化系统范围自动化系统范围人员操作范围人员操作范围局部功能局部功能系统功能系统功能协调协调JIANGSU UNIVERSITY18/432022-8-8复杂自动化系统分层控制复杂自动化系统分层控制被控设备被控设备直接控制器直接控制器监督功能监督功能寻优功能寻优功能协调、安全调度等功能经营与管理x x1 1x x2 2u u2 2u u1 1r r1 1r r2 2x x1 1x x2 2+协议、市场及原料等协议
10、、市场及原料等第一层第一层第二层第二层第三层第三层第四层第四层第五层第五层2 自动电压调节1 自动并列4 调度自动化5 状态估计6 安全调度7 自动调频8 低频减载JIANGSU UNIVERSITY19/432022-8-8发电自动控制发电自动控制控 制 对 象自动控制装置控制信息测量信息JIANGSU UNIVERSITY20/432022-8-8电力系统自动化作用电力系统自动化是现代电力系统安全可靠和经济运行的重要保证.l 保证安全可靠运行 n包括：输变电设备的正常操作、故障的快速切除和恢复，均通过自动装置才能保证安全、可靠。l 保证经济运行 n最少的一次能源产生更多的电力。电力系统的经
11、济优化调度运行，降低网损等，没有自动化系统的参与是很难实现。l 保证优质电能n暂态电能质量n稳态电能质量:电压偏差、频率偏差,波形畸变（谐波）,三相不平衡度,电压波动闪变JIANGSU UNIVERSITY21/432022-8-8电力系统自动化的发展阶段(1)l1、手工阶段 n电力工业萌芽阶段，电厂小，就近供电。在发电机、开关设备旁就近监视设备和手工调节操作。n特点：单独运行，就近供电、手工操作。l2、简单自动装置阶段 n用电设备增多、发电设备规模扩大，对电能质量和安全可靠性提出了要求，开始出现单一功能的自动装置。包括：继电保护、断路器自动操作、发电机自动调压和调速等。n 特点：电能质量要求
12、、单一的电力自动装置。JIANGSU UNIVERSITY22/432022-8-8电力系统自动化的发展阶段(2)l3、传统调度中心阶段 n出现互连电网，保证供电可靠性和经济性的必然选择。电网设立调度中心，统一调度电厂和处理电网的异常和事故。电话是通信联络的主要方式。n特点：电网互连、统一调度、电话通信。l4、现代调度的初级阶段 n出现远动装置，实现“四遥”（测、信、控、调），满足实时调度的要求。n特点：远动四遥、实时调度。JIANGSU UNIVERSITY23/432022-8-8电力系统自动化的发展阶段(3)l 5、综合自动化阶段 n电力工业成为必不可少的支柱产业，电网规模快速扩大，单一
13、功能的自动化装置很难满足电能质量、可靠和安全的需要，出现自动化程度更高的自动化系统。多套独立的自动化装置用通信信道或网络互连，实现信息共享，相互协调自动完成指定的功能。n特点：装置互连，信息共享。l 6、未来自动化?n“smart”?n 遥视,图像识别等技术?n大范围（空间和时间）内的综合优化?JIANGSU UNIVERSITY24/432022-8-8综合自动化l综合自动化远动和远动和通信装置通信装置电力系统电力系统信息信息电力系统电力系统自动装置自动装置信息处理信息处理数学模型数学模型控制决策控制决策YX,YCYX,YCYK,YTYK,YTJIANGSU UNIVERSITY25/432
14、022-8-8电力系统自动化的特点计算机、通讯，测量传感，控制技术等各种技术在电力系统中的应用。l理论要求高n较多地应用如下知识：设备原理，电工原理、电机学、电力系统稳态/暂态分析、经济调度等等。l综合性科学n电工、电机、电子、电力系统、数学、计算机、通信理论、新技术、新材料的应用等，这些学科的发展都促进了电力系统自动化的发展。实现在自动装置和自动化系统中实现在自动装置和自动化系统中JIANGSU UNIVERSITY26/432022-8-8自动装置和自动化系统的发展(1)l自动装置n微型计算机系统n工业控制计算机系统n集散控制系统n现场总线控制系统l自动化系统nEMSnDMSnJIANGS
15、U UNIVERSITY27/432022-8-8自动装置硬件组成形式自动装置硬件组成形式1、微型计算机系统2、工业控制计算机系统3、集散控制系统(Distributed Control System-DCS)现场总线系统(Fieldbus Control System-FCS)对于控制功能单一的自动装置,其输入输出的电气量较少,适于采用微型计算机系统,如同步发电机自动并列装置.对于控制功能要求较高,软件开发任务繁重的系统,适于采用工控机系统,如发电机励磁自动调节系统.对于分散的多对象的成套监测控制装置适于采用DCS或FCS,如发电厂、变电站远动装置和电厂机炉集控系统。JIANGSU UNIV
16、ERSITY28/432022-8-81 1 微型计算机系统微型计算机系统定义（本课程）：把较简单的、借助于特定开发平台定义（本课程）：把较简单的、借助于特定开发平台才能编程的系统称为微型计算机系统。才能编程的系统称为微型计算机系统。微型计算微型计算机系统机系统1 传感器传感器2 采样保持器采样保持器3 模拟多路开关模拟多路开关4 A/D转换器转换器5 存储器存储器6 通信单元通信单元7 中央处理单元中央处理单元CPU8 外部设备外部设备JIANGSU UNIVERSITY29/432022-8-8微型计算机系统逻辑结构微型计算机系统逻辑结构JIANGSU UNIVERSITY30/43202
17、2-8-8微型计算机系统组成单元微型计算机系统组成单元1、传感器、传感器：将非电量（压力、温度、转速）和电量（电压、电：将非电量（压力、温度、转速）和电量（电压、电流、功率）转换为对应的计算机可以接受的弱电压信号流、功率）转换为对应的计算机可以接受的弱电压信号2、模拟多路开关、模拟多路开关：数据采集装置要对多路模拟信号进行采集。：数据采集装置要对多路模拟信号进行采集。在采样速度要求不高的场合，一般采用公用在采样速度要求不高的场合，一般采用公用A/D转换器。在每一个转换器。在每一个时刻中只将一路模拟信号输入到时刻中只将一路模拟信号输入到A/D.目的简化电路，降低成本。目的简化电路，降低成本。3、
18、采样、采样/保持器保持器：A/D转换器完成信转换器完成信号转换需要一段时号转换需要一段时间，在这段时间内间，在这段时间内,输入到输入到A/D的模拟的模拟信号需保持不变，信号需保持不变，由由S/H完成。完成。JIANGSU UNIVERSITY31/432022-8-8微型计算机系统组成单元微型计算机系统组成单元5、存储器、存储器：用于计算机数据缓存，提供进一步的数据处理。：用于计算机数据缓存，提供进一步的数据处理。6、通信单元、通信单元：包括：包括通信控制器和通信收发器。通信控制器和通信收发器。通信控制器通信控制器用于控制通信过程，确定通信的数据、地址以及用于控制通信过程，确定通信的数据、地址
19、以及建立建立/拆除通信的数据链路。拆除通信的数据链路。通信收发器通信收发器用于处理通信的物理层功能，包括物理引线的排用于处理通信的物理层功能，包括物理引线的排列、机械特性和物理电平等。列、机械特性和物理电平等。7、CPU及外设及外设：自动装置的核心部件，对系统的工作进行控制：自动装置的核心部件，对系统的工作进行控制和管理，对采集的数据作处理，根据要求做出判断和发出指令等。和管理，对采集的数据作处理，根据要求做出判断和发出指令等。4、A/D转换器转换器：将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，：将模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，它是影响数据采集速率和精度的主要因素之一。它是影响数据采集
20、速率和精度的主要因素之一。JIANGSU UNIVERSITY32/432022-8-82 2 工业控制计算机系统工业控制计算机系统工业控制计算机工业控制计算机由稳压电源、机箱和不同功能的总线由稳压电源、机箱和不同功能的总线模板，以及键盘（显示器）等外设接口组成。模板，以及键盘（显示器）等外设接口组成。工业控制计算机系统中的内部总线种类繁多，比较常用的主要有工业控制计算机系统中的内部总线种类繁多，比较常用的主要有：STD、PC104总线总线等。等。STD总线总线共有共有56根总线，信号之间的隔离消除了大部分总线上根总线，信号之间的隔离消除了大部分总线上的干扰，单元为小模板结构，每块模板具有独立
21、性，实现了板级的干扰，单元为小模板结构，每块模板具有独立性，实现了板级功能分散。功能分散。JIANGSU UNIVERSITY33/432022-8-82 2 工业控制计算机系统工业控制计算机系统STD总总线线的的功功能能单单元元1 CPU单元单元STD总线的主处理单元，处理数据、总线的主处理单元，处理数据、地址和控制功能。一般含有高速地址和控制功能。一般含有高速CPU和协处理器。和协处理器。2 A/D单元单元提供模拟提供模拟/数字转换接口，模数转换和数数字转换接口，模数转换和数据读取由据读取由CPU单元控制，也可以由外部触发。单元控制，也可以由外部触发。3存储器单元存储器单元作为通用存储器的
22、扩展卡，含有译码、作为通用存储器的扩展卡，含有译码、存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。存储器、后备电池等，防止失电后数据丢失。4定时单元定时单元STD总线的独立外设，具有可编程逻辑电路、总线的独立外设，具有可编程逻辑电路、选通电路和输出信号，可完成定时、计数及看门狗等功能。选通电路和输出信号，可完成定时、计数及看门狗等功能。5系统支持单元系统支持单元包括设置开关、后备电池、实时时钟、包括设置开关、后备电池、实时时钟、看门狗看门狗watchdog、上电复位、总线终端网络和通信口等。、上电复位、总线终端网络和通信口等。6外设单元外设单元包括包括I/O单元、键盘显示板、电源板等，单元、键盘显示
23、板、电源板等，用于与外部信号和设备的接口和操作。用于与外部信号和设备的接口和操作。JIANGSU UNIVERSITY34/432022-8-83 3 集散控制系统集散控制系统DCSDCS集散控制系统集散控制系统计算机网络技术与工业控制计算机系统相结计算机网络技术与工业控制计算机系统相结合，由若干数据采集测控站和上位机及通信线路组成。合，由若干数据采集测控站和上位机及通信线路组成。数据采集测控站数据采集测控站由单由单片机数据采集控制装置组片机数据采集控制装置组成，位于设备附近，上传成，位于设备附近，上传数据执行控制命令。数据执行控制命令。上位机上位机采用工业控制机或工作站，配置打印机和其他外设
24、。采用工业控制机或工作站，配置打印机和其他外设。采用双机热备用方式。分析处理上传数据、数据存储、系统协调、采用双机热备用方式。分析处理上传数据、数据存储、系统协调、集中显示、打印报表。最重要的是根据数据处理结果确定控制参集中显示、打印报表。最重要的是根据数据处理结果确定控制参数和方法，将结果下达给数据采集测控站。数和方法，将结果下达给数据采集测控站。通信接口通信接口数据结构采数据结构采用串行方式，访问方式为用串行方式，访问方式为令牌形式。令牌形式。JIANGSU UNIVERSITY35/432022-8-84 4 现场总线系统现场总线系统FCSFCS现场总线系统现场总线系统将分散在现场的测控
25、设备转变为网络节点，将分散在现场的测控设备转变为网络节点，以现场总线为纽带，连接成为可以相互沟通信息共同完成自控任务以现场总线为纽带，连接成为可以相互沟通信息共同完成自控任务的网络型控制系统。的网络型控制系统。现场总线主节点：现场总线主节点：整个系统协调者，完成整个系统协调者，完成信息的发起功能，完成信息的发起功能，完成显示、输出、打印和数显示、输出、打印和数据存储等功能。据存储等功能。现场总线从节点：现场总线从节点：系统终端设备的执行者，系统终端设备的执行者，不能发起信息，可以完不能发起信息，可以完成接收、查询等。成接收、查询等。路由器路由器主要完成路主要完成路由、中继、数据交换等由、中继、
26、数据交换等功能。功能。JIANGSU UNIVERSITY36/432022-8-85 5 典型测量控制系统典型测量控制系统RockwellRockwell测控系统测控系统JIANGSU UNIVERSITY37/432022-8-85 5 典型测量控制系统典型测量控制系统AOCTAOCT与保护一体化系统与保护一体化系统JIANGSU UNIVERSITY38/432022-8-85 5 典型测量控制系统典型测量控制系统研华工控机系统研华工控机系统JIANGSU UNIVERSITY39/432022-8-85 5 典型测量控制系统典型测量控制系统研翔研翔PC104PC104系统系统JIANG
27、SU UNIVERSITY40/432022-8-8自动装置和自动化系统的发展(2)l自动装置n微型计算机系统n工业控制计算机系统n集散控制系统n现场总线控制系统l自动化系统nEMS(CC2000,Open3000,TH2100)nDMS()nJIANGSU UNIVERSITY41/432022-8-8电力系统自动化的主要内容l 按管理区域分n电网调度自动化(发电输电，配电)n发电厂自动化(火电厂，水电厂，其他电厂)n变电站自动化 l 按自动控制角度n频率和有功控制n电压和无功控制n断路器的控制n安全自动控制l 基础问题：n数据采集与处理n数据传输（通信）JIANGSU UNIVERSITY
28、42/432022-8-8本课程的主要内容l发电机自动并列装置 l电压与无功功率自动控制（调压器或励磁系统）l频率与有功功率自动控制（调速器）l自动低频减载装置l电网监控与调度自动化 l变电站自动化l配电网自动化l电力系统动态安全评估l电力系统远动lJIANGSU UNIVERSITY43/432022-8-8教材与参考书目l教材1：杨冠城 主编电力系统自动装置原理l教材2：李先彬等编电力系统自动化l其他参考书目n张永健等编电网监控与调度自动化 n王 葵等编电力系统自动化n刘 健等编配电自动化系统n柳永智等编电力系统远动n书籍很多，内容大同小异，书籍很多，内容大同小异，关键是自己掌握思想。关键是自己掌握思想。
