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1、電氣工程概論輔導資料十三 主 題：第三章 電力系統(tǒng)及其自動化技術（第3、4節(jié)） 學習時間：2012年12月24日－2012年12月30日 內 容： 我們在這周主要學習第三章電力系統(tǒng)及其自動化技術的第三節(jié)電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動化和第四節(jié)電力系統(tǒng)自動化技術，學習繼電保護的概念、基本內容、性能要求、基本原理及電力系統(tǒng)安全自動裝置，還要學習電力系統(tǒng)自動化概念、特點、要求及主要內容。 第三章 電力系統(tǒng)及其自動化技術 第三節(jié) 電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動化 電力系統(tǒng)繼電保護是指當電力系統(tǒng)中的電力元件(如發(fā)電機、線路等)或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障或發(fā)生危及其安全運行

2、的事件時，向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令，以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設備。 實現(xiàn)這種自動化措施的成套硬件設備，用于保護電力元件的裝置，一般通稱為繼電保護裝置；而用于保護電力系統(tǒng)的則通稱為電力系統(tǒng)安全自動裝置。 繼電保護裝置是保證電力元件安全運行的基本裝備，任何電力元件不得在無繼電保護的狀態(tài)下運行，電力系統(tǒng)安全自動裝置則用以快速恢復電力系統(tǒng)的完整性，防止發(fā)生和中止已開始發(fā)生的足以引起電力系統(tǒng)長期大面積停電的重大系統(tǒng)事故，如失去電力系統(tǒng)穩(wěn)定、頻率崩潰或電壓崩潰等。 1.繼電保護的基本內容 對被保護對象實現(xiàn)繼電保護，包括軟件和硬件兩方面的內容：

3、 1）確定被保護對象在正常運行狀態(tài)和擬進行保護的異?；蚬收蠣顟B(tài)下，有哪些物理量發(fā)生了可供進行狀態(tài)判別的量、質或量與質的重要變化。這些用來進行狀態(tài)判別的物理量，是最簡單也是最基本的例如通過被保護電力元件的電流大小等，稱為故障量或啟動量。 用于繼電保護狀態(tài)判別的故障量，隨被保護對象而異，也隨所處電力系統(tǒng)的周圍條件而異。最為普遍的是工頻電氣量，而最基本的是通過電力元件的電流和所在母線的電壓，和由這些量演繹出來的如功率、相序量、阻抗、頻率等，從而構成電流保護、電壓保護、阻抗保護、頻率保護等。對于發(fā)電機，可以檢測通過發(fā)電機繞組兩端的電流是否大小相等、相位相反，來判定定子繞組是否發(fā)生了短路故障；對于變

4、壓器，也可以用同樣的判據(jù)來實現(xiàn)繞組的短路故障保護，這種方式叫做電流差動保護，是電力元件最基本的一種保護方式。對于油浸絕緣的變壓器，可以用油中氣體含量作為故障量，構成氣體保護。線路繼電保護的種類最多，例如：在最簡單的輻射形供電網(wǎng)絡中，可以用反應被保護元件通過的電流顯著增大而動作的過電流保護來實現(xiàn)線路保護；而在復雜電力網(wǎng)中，除電流大小外，還必須配以母線電壓的變化進行綜合判斷，才能實現(xiàn)線路保護，最為常用的是可以正確地反應故障點到繼電保護裝置安裝處電氣距離的距離保護。對于主要輸電線路，還藉助連接兩側變電站的通信通道，相互傳輸繼電保護信息，來實現(xiàn)對線路的保護。近來又開始研究利用故障初始過程暫態(tài)量作為判據(jù)

5、的線路保護。對于電力系統(tǒng)安全自動裝置，簡單的例如以反應母線電壓的頻率絕對值下降或頻率變化率為負來判斷電力系統(tǒng)是否已開始走向頻率崩潰；復雜的則在一個處所設立中心站，通過通信通道連續(xù)收集相關變電站的信息，進行綜合判斷，及時向相應變電站發(fā)出操作命令，以保證電力系統(tǒng)的安全運行。 2）將反應故障量的一個或多個元件按規(guī)定的邏輯結構進行編排，實現(xiàn)狀態(tài)判別，發(fā)出警告信號或斷路器跳閘命令的硬件設備。 硬件結構中，反應一個或多個故障量而動作的繼電器元件，組成邏輯回路的時間元件和擴展輸出回路數(shù)的中間元件等。在20世紀50年代及以前，差不多都是用電磁型的機械元件構成。隨著半導體器件的發(fā)展，陸續(xù)推廣了利用整流二極

6、管構成的整流型元件和由半導體分立元件組成的裝置。70年代以后，利用集成電路構成的裝置在電力系統(tǒng)繼電保護中得到廣泛運用。到80年代，微型機在安全自動裝置和繼電保護裝置中逐漸應用。目前，是多種硬件結構并存的時代。 2.繼電保護的基本性能要求 對電力系統(tǒng)繼電保護的基本性能要求有：可靠性、選擇性、快速性、靈敏性和結構簡化諸項。這些要求之間，有的相輔相成，有的相互制約，需要針對不同的使用條件，分別地進行協(xié)調 。 （1）可靠性。繼電保護可靠性是對電力系統(tǒng)繼電保護的最基本性能要求。它又分為兩個方面，即可信賴性與安全性 。 1）可信賴性：要求繼電保護在設計要求它動作的異?；蚬收蠣顟B(tài)下，能夠準確地完成

7、動作。 2）安全性：要求繼電保護在非設計要求它動作的其他所有情況下，能夠可靠地不動作。 可信賴性與安全性，都是繼電保護必備的性能，但兩者相互矛盾。在設計與選用保護時，需依具體情況予以協(xié)調。例如：對于傳送大功率的輸電線路保護，一般宜于強調安全性，而對于其他線路保護，則往往宜于強調可依賴性。至于大型發(fā)電機組的繼電保護，無論它的拒絕動作或誤動作跳閘，都會引起巨大的經(jīng)濟損失，需要兼顧這兩方面的需要。提高保護安全性，主要采用經(jīng)過全面分析論證，有實際運行經(jīng)驗或經(jīng)試驗確證為技術性能滿足要求，元件工藝質量優(yōu)良的裝置；提高保護可信賴性，除了選用高可靠性的裝置而外，重要的還可以采取裝置雙重化，實現(xiàn)二中取一

8、的跳閘方式。 （2）選擇性。繼電保護選擇性是指在對系統(tǒng)影響可能最小的處所，實現(xiàn)斷路器的控制操作，以終止故障或系統(tǒng)事故發(fā)展。例如，對于電力元件的繼電保護，當電力元件故障時，要求最靠近故障點的斷路器動作斷開系統(tǒng)供電電源；而對于振蕩解列裝置，則要求當電力系統(tǒng)失去同步運行穩(wěn)定性時，在解列后兩側系統(tǒng)可以各自安全地同步運行的地點，動作于斷路器將系統(tǒng)一分為二，以中止振蕩，如此等等。電力元件繼電保護的選擇性，除了決定于繼電保護裝置本身的性能外，還要求滿足： ①由電源算起，愈靠近故障點的繼電保護的故障啟動值相對愈小，動作時間愈短，并在上下級之間留有適當?shù)脑６龋? ②要具有后備保護作用，如果最靠近故障點的繼

9、電保護裝置或斷路器因故拒絕動作而不能斷開故障時，能由緊鄰的電源側繼電保護動作將故障斷開。 （3）快速性。 繼電保護快速性是指繼電保護應以允許的可能最快速度動作于斷路器跳閘，以斷開故障或中止異常狀態(tài)發(fā)展。 保護快速動作可減輕故障元件損壞程度，提高線路故障后自動重合閘成功率，特別有利于故障后系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性?？焖偾谐€路與母線的短路故障，是提高電力系統(tǒng)暫穩(wěn)的最重要手段。 （4）靈敏性。 繼電保護靈敏性是指繼電保護對設計規(guī)定要求動作的故障及異常狀態(tài)能夠可靠地動作的能力。故障時通入裝置的故障量和給定的裝置啟動值之比，稱為繼電保護的靈敏系數(shù)。它是考核繼電保護靈敏性的具體指標，在一般的繼電

10、保護設計與運行規(guī)程中，都有具體的規(guī)定要求。保護愈靈敏，愈能可靠地反應于要求動作的故障或異常狀態(tài)；但同時，也愈易于在非要求動作的其他情況下產(chǎn)生誤動作，因而與選擇性發(fā)生矛盾，需要協(xié)調處理。 （5）結構簡化。 通常所指的簡化，是要求盡可能采用最簡單的故障啟動元件和最簡要的邏輯回路構成性能滿足要求的繼電保護裝置。保護裝置愈簡單，可靠性愈高，這一點已為長期的運行實踐所充分證實。而現(xiàn)代繼電保護裝置簡化的另一個重要含義是便于運行維護和檢修。 隨著數(shù)字技術在電力系統(tǒng)中的推廣運用和電力系統(tǒng)本身的日益擴展，將在大容量機組和超高壓線路上日益推廣采用微機型的繼電保護裝置，預測和預防事故的技術和手段以及相應的電

11、力系統(tǒng)安全自動裝置也將隨微機的運用而日益向綜合、集中、智能化等高層次發(fā)展。 3.繼電保護的基本原理 電力系統(tǒng)中的繼電保護為了準確識別故障和不正常工作狀態(tài)，首先必須分析與提取電力系統(tǒng)發(fā)生故障和處于不正常運行狀態(tài)時一些物理量的特征和特征分量。然后利用這些特征和特征分量構成各種原理的保護。主要的基本原理有電流保護的原理、低電壓保護的原理、低阻抗保護的原理、方向保護的原理、縱聯(lián)保護的原理、序分量保護的原理及其他保護的原理。 4.電力系統(tǒng)安全自動裝置 電力系統(tǒng)安全自動裝置是指防止電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定性和避免電力系統(tǒng)發(fā)生大面積停電事故的自動保護裝置。 電力系統(tǒng)安全自動裝置的結構形式有兩種：一種是就地

12、方式，即收集裝置安裝處的有關信息進行處理與判斷，就地或者通過信息通道向另一地發(fā)出執(zhí)行命令；另一種是集中方式，即除本地信息外，還通過信息通道同時收集系統(tǒng)中其他點的有關信息，進行綜合處理與判斷，就地或者通過信息通道向其他點發(fā)出執(zhí)行命令。后一種方式有的稱之為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制。目前得到廣泛采用的電力系統(tǒng)安全自動裝置有：輸電線路自動重合閘裝置，發(fā)電機自動解列裝置，火電機組快關汽門，切集中負載，投入制動電阻，發(fā)電機快速勵磁裝置，電力系統(tǒng)自動解列裝置，自動低頻減負載裝置，自動低壓減負載裝置。 第四節(jié) 電力系統(tǒng)自動化技術 電力系統(tǒng)自動化是通過各種具有自動檢測、反饋、決策和控制功能的儀表和裝置，并通過

13、信號、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對電力系統(tǒng)各元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)進行就地或遠方的自動監(jiān)視、協(xié)調、調節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)的供電質量和安全經(jīng)濟運行。 1.電力系統(tǒng)的特點及對自動化的要求 1）電力系統(tǒng)自動化的基本特點如下： ①電力的生產(chǎn)、傳輸、分配、消費的各個環(huán)節(jié)是一個復雜的連續(xù)的過程,在電氣上是一個整體 ②電能質量不合格會影響生產(chǎn)和生活過程,并可能會損壞設備. ③電力系統(tǒng)中任何一個元件的參數(shù)和運行狀態(tài)的變化都會迅速地影響 到系統(tǒng)中其他元件的正常工作，所以在電力系統(tǒng)中任何一處發(fā)生故障，會波及電力系統(tǒng)其他運行部分，以至造成大面積停電； ④一次能源調度、發(fā)電機起停和負載分配、電網(wǎng)結構和潮流分布、負

14、載控制和管理的合理與否，都會影響電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。 2）電力系統(tǒng)自動化的基本要求如下： ①迅速而正確地采集、檢測和處理電力系統(tǒng)各的運行參數(shù)。 ②為運行人員提供調節(jié)和控制的決策，或者直接對各元件進行調節(jié)和控制。 ③實現(xiàn)全系統(tǒng)各層次、各局部系統(tǒng)和各元件間的綜合協(xié)調，尋求電力系統(tǒng)電能質量合格和安全經(jīng)濟運行。 ④提高供電可靠性，減少電力系統(tǒng)事故，延長設備壽命，提高運行水平，節(jié)省人力，減輕勞動強度。 2. 電力系統(tǒng)自動化的主要內容 電力系統(tǒng)自動化的主要包括電力系統(tǒng)調度自動化、火電廠自動化、水電廠自動化、配電自動化和變電站自動化。 （1）電力系統(tǒng)調度自動化 為了合理監(jiān)視、控制和協(xié)調

15、日益擴大的電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，及時處理影響整個系統(tǒng)正常運行的事故和異?，F(xiàn)象，必須設立電力系統(tǒng)調度控制中心。 電力系統(tǒng)調度自動化系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行、通信、計算機、人機聯(lián)系4個子系統(tǒng)所組成。 1)數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行子系統(tǒng)。在各發(fā)電廠、變電站收集各種數(shù)據(jù)和信息，向調度控制中心發(fā)送。如果在一些廠(所)設有以微型計算機為核心的遠動終端(remote terminal unit，RTU)，則所傳送的信息將是已經(jīng)處理和加工過的。這個子系統(tǒng)同時接受上級控制中心發(fā)來的操作、調節(jié)或控制命令，例如斷路器設備操作、起停機組、調節(jié)功率等命令。在接到命令后，或者直接作用于控制機構，或者按一定的規(guī)律將命令轉發(fā)給各被控設備

16、。 2)通信子系統(tǒng)。將收集到的信息通過傳輸媒介送到調度控制中心，傳輸媒介有電力載波、微波、光纖、同軸電纜、公共話路等。 3)計算機子系統(tǒng)。以電子計算機為核心的主要組成部分，對收集的信息進行處理、加工，為監(jiān)視和分析計算電力系統(tǒng)運行狀態(tài)提供正確的數(shù)據(jù)。分析計算的結果為運行人員提供控制決策的依據(jù)，或者直接實現(xiàn)自動控制。這種分析計算主要有：①為調節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓的電能質量計算，②經(jīng)濟調度計算，③安全監(jiān)視和安全分析計算。計算機還可用于完成日發(fā)電計劃編制、檢修計劃編制、統(tǒng)計計算等工作。 4)人機聯(lián)系子系統(tǒng)。用以向運行人員顯示和輸出信息，同時也輸入運行人員的控制和操作命令。通過這一子系統(tǒng)使運行人員與電

17、力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)構成一個整體。人機聯(lián)系設備包括圖形顯示器及其控制臺和鍵盤、模擬盤、制表或圖表打印機、記錄器(儀)等。 （2）火電廠自動化 現(xiàn)代火電廠的發(fā)展趨勢是采用高溫、高壓、中間再熱的大型單元式發(fā)電機組，機組的單機容量大而熱力系統(tǒng)復雜，其運行工況多變，操作頻繁而復雜，控制的對象和參數(shù)多。所以對火電廠的自動化程度提出了很高的要求，傳統(tǒng)的監(jiān)控儀表和運行方式已滿足不了火電廠安全經(jīng)濟運行的要求。20世紀70年代以來，已經(jīng)應用計算機來代替常規(guī)調節(jié)儀表對單項參數(shù)的控制或用一些相對獨立的自動控制系統(tǒng)來完成局部設備的控制(如鍋爐自動控制，噴燃器自動控制，汽輪機自動啟動和發(fā)電機自動同步等)，或者在傳統(tǒng)的

18、儀表和控制器的基礎上增加電子計算機的協(xié)調和控制。其主要的功能有安全監(jiān)視、正常調節(jié)、機組起停、事故處理幾方面。 （3）水電廠自動化 水電廠除了按計劃發(fā)電外，還在電力系統(tǒng)中起著調峰、調頻和事故備用的作用，所以機組啟動頻繁，工況多變(如調相改發(fā)電，抽水蓄能發(fā)電廠的抽水改發(fā)電等)。水電廠一般要通過遠距離輸電線將電能送到負載中心，易出現(xiàn)穩(wěn)定問題。同時，水電廠還應考慮水力資源的綜合作用。所以，水電廠的自動化要能適應這些要求。水電廠自動化也是從單機自動化開始，首先實現(xiàn)機旁的儀表監(jiān)視和報警，就地操作和單個元件的自動化。 隨著水電廠機組數(shù)量的增多和單機容量的增大，以及水電的梯級開發(fā)和逐步實現(xiàn)水電廠、梯

19、級水電廠的集中控制，開始采用對全廠和梯級水電廠運行狀態(tài)的巡回檢測，全廠主輔機的集中起停，自動調頻和有功功率及無功功率的成組調節(jié)，機組的優(yōu)化運行，穩(wěn)定的監(jiān)視和控制(如切機、電氣制動、低頻自動啟動機組等)等。 水電廠除了本身機組及電氣設備的監(jiān)視和控制外，還要考慮水力系統(tǒng)(上、下游，以至跨流域)對水電廠的約束，實現(xiàn)水庫長、中、短期的優(yōu)化調度，以及防洪、灌溉、航運、供水、養(yǎng)殖的綜合利用。所以，廣義的水電廠自動化還包括對水庫的調節(jié)和管理，以及大壩的自動監(jiān)視和管理。目前，已采用先進的無線電通信手段和以微型計算機為基礎的水庫流域水情測報及防洪調度自動化系統(tǒng)，定時收集全流域的氣象和水文(包括降雨，上、下游用

20、水情況等)實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后可以得到未來時段水庫的入水流量變化過程及洪水預報。也應用自動測量和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)觀察大壩各項變量(如溫度、應變、應力、壩縫開度、滲透壓力等)。 （4）配電自動化 配電自動化是近l0余年發(fā)展起來的一門新技術，其定義和功能含義都在發(fā)展之中。國際供電會議1995第2特設工作小組提出《配電自動化的功能與數(shù)據(jù)》的專題報告，下圖是該報告提出的配電自動化功能及其與技術改進和得益的聯(lián)系。 配電自動化的主要功能有下列幾方面： 1)配電網(wǎng)的監(jiān)視和自動操作。通過裝在配電斷路器和配電變壓器上的終端，采集信息和數(shù)據(jù)，并接受遙控操作命令，如投切配電網(wǎng)中聯(lián)絡斷路器或分段斷路器，以便切除故

21、障或調整潮流。 2)無功功率和電壓自動調整。在電壓變動時，自動投切靜電電容器或調節(jié)變壓器分接頭。 3)用戶的監(jiān)控。對一些用戶可采取控制最大需電量、分時計價、按合同規(guī)定用電時間等辦法進行控制。在高峰負載或低谷負載及必要時可按合同投切一部分負載。采用光纖、載波、無線電等通信手段直接發(fā)出對用戶的控制信號，操作被控用戶的斷路器。 4)配電網(wǎng)管理自動化。采用基于地理信息系統(tǒng)(geography information system，GIS)的自動成圖(automatic mapping，AM)和設備管理(facilities management，F(xiàn)M)功能，實現(xiàn)配電設備的管理、設備的檢修和計劃管

22、理、自動抄表、用戶報修和報裝等多種管理業(yè)務的自動化。 （5）變電站自動化 直到90年代數(shù)字保護技術(即微機保護)的廣泛應用，才使變電站綜合自動化進入實質性階段。尤其是隨著電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)的全面發(fā)展和無人職守變電站的推廣，綜合微機應用技術、計算機網(wǎng)絡技術和現(xiàn)代通信技術組成的各種類型的變電站綜合自動化系統(tǒng)才大量涌現(xiàn)。220kV及以上電壓變電站由于電壓高，主變壓器壓器容量大，進出線回路數(shù)多，因而變電站占地面積亦大，為充分發(fā)揮變電站綜合自動化系統(tǒng)的優(yōu)點，減少一次設備和變電站綜合自動化系統(tǒng)主站端的通信電纜數(shù)量，可以采用分散式結構。而110kV及以下電壓的變電站，相對進出線回路數(shù)較少，占地面積亦小，少數(shù)變電站還采用戶內、地下等布置形式，因此可以考慮采用集中式結構的變電站綜合自動化系統(tǒng)。 本周要求掌握的內容如下： 通過學習本周我們要了解掌握繼電保護的概念、基本內容、性能要求、基本原理及電力系統(tǒng)安全自動裝置，掌握電力系統(tǒng)自動化概念、特點、要求及主要內容。 習題 （一）簡答題 1．簡述繼電保護的基本性能要求。 答： （1）可靠性 （2）選擇性 （3）快速性 （4）靈敏性 （5）結構簡化 2．簡述電力系統(tǒng)自動化的主要內容。 答： （1）電力系統(tǒng)調度自動化 （2）火電廠自動化 （3）水電廠自動化 （4）配電廠自動化 （5）變電站自動化