《电力系统自动化》考试复习题及答案

《电力系统自动化》课程考试复习内容-答案

整理：史跃鹏2011.7.17

2011学年第二学期

说明：电气工程专业课为：《电力电子技术》《自动控制技术》《电力系统分析》，要求平均分大于75分才能获得学位。1．请简述电力系统的主要特点和运行的基本要求。

参考书：第1章“电力系统特点和基本要求”

答：特点：

1、与国民经济、人民日常生活联系紧密。

2、系统结构庞大复杂

3、各种暂态过程非常短促

4、电能不能大量储存

基本要求：

1、保证供电的可靠性

2、保证良好的电能质量

3、保证系统运行的经济性。

2．请简述电力系统自动化的主要研究内容。

参考书：第1章“电力系统自动化主要内容”

答：1、电力系统调度自动化

2、电厂动力机械自动化

3、变电站自动化

4、电力系统自动装置

3．准同期并列的三要素是什么？

参考书：第2章第1节“二、准同期并列”中的“准同期并列的理想条件”

答：

1．并列开关两侧的电压相等，

2．并列开关两侧电源的频率相同，

3．并列开关两侧电压的相位角相同。

4．并列操作瞬间如果存在相位差，请分析准同期并列操作对系统的影响。

参考书：第2章 第1节“二、准同期并列”中的“同期并列误差对并列的影响”的“合闸相角差对并列的影响”

答：出现因相位不等的电压差，相位差180度时，电压差最大，冲击电流可以达到额定电流的20倍，可能损坏定子绕组端部，相位差在0-180度之间时，冲剂电流既有有功分量，也有无功分量，在发电机轴上产生冲击力矩。

5．并列操作瞬间如果存在频率差，请分析准同期并列操作对系统的影响。 参考书：第2章 第1节“二、准同期并列”中的“准同期并列误差对并列的影响”的“合闸频率差对并列的影响”

答：因为频率不等产生电压差，这个电压差是变化的，变化值在0-2Um 之间。这种瞬时值的幅值有规律地时大时小变化的电压成为拍振电压。它产生的拍振电流也时大时小变化，有功分量和转子电流作用产生的力矩也时大时小变化，使发电机振动。频率差大时，无法拉入同步。

6．并列操作瞬间如果存在电压幅值差，请分析准同期并列操作对系统的影响。 参考书：第2章 第1节“二、准同期并列”中的“准同期并列误差对并列的影响”的“合闸电压幅值差对并列的影响”

答：合闸时产生冲击电流，为无功性质，对发电机定子绕组产生作用力。

7．已知发电机准同期并列允许压差为额定电压的5%，允许频差为额定频率的0.2%，当图1所示Ts 分别为9s 和11s 时，请分析正弦整步电压波形是否满足并列操作的压差和频差条件。

参考书：第2章 第2节“一、脉动电压”

答案：当Ts ＝9s 时，压差条件满足，频差条件不满足；

当Ts ＝11s 时，压差和频差条件均满足。

8．图2所示两种频差情况的U t.ad （恒定越前时间脉冲）与U δ.ad （恒定越前相角脉冲）关系波形图，通过比较U t.ad 与U δ.ad 顺序检查频差大小，请问哪种频差情

U 图1 正弦整步电压波形

况满足并列操作的要求，为什么？

u (b) u t.ad 2π u δ

u u t.ad 2π

u δ图2 两种频差情况的U t.ad 与U δ.ad 关系波形图

(a)

u u

u δ(c)

参考书：第2章 第3节“一、整步电压；二.恒定越前时间信号形成；三.频率差检测”答案：图(a)所示，u δ.ad 有效电平出现时间先于u t.ad ，表示s sY ωω<，即实际频差小于

允许频差；图(b)所示，u t.ad 有效电平出现时间先于u δ.ad ，表示s sY ωω>

，即实际频差大于频差设定值；图(c)所示，u δ.ad 有效电平出现时间等于u t.ad ，表示s sY ωω=

，即实

际频差等于允许频差；显然图(a)、图(c)所示情况满足并列操作要求。 9．同步发电机励磁自动调节的主要作用有哪些？

参考书：第3章 第1节“一、同步发电机励磁控制系统的主要任务”

答：

1、 控制电压

2、 合理分配并联发电机间的无功功率

3、 提高电力系统的稳定性

4、 改善电力系统的运行条件（1、改善异步电动机的启动性能2、为发电机异步运行创造条件3、提高带时限继电保护动作的可靠性）

5、 水轮发电机组要求强行减磁

10.简述同步发电机自并励励磁系统结构及其工作原理和特点？画出其示意图。

参考书：第3章第3节“同步发电机励磁系统”中的“三、静止励磁系统”

答：工作原理：（如下图）发电机励磁功率取自发电机端，经过励磁变压器TV降压，可控硅整流器VS整流后供给发电机励磁。发电机励磁电流通过自动励磁调节器控制晶闸管的控制角进行控制。

特点：1、结构简单，可靠性高，造价低，维护量小。

2、没有励磁机，缩短了机组主轴的长度，可减少电厂土建造价。

3、直接用可控硅控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可以近似地认为具有阶跃函数那样的响应速度。

示意图：

11. 简述同步发电机他励交流励磁系统结构及其工作原理和特点？画出其示意图。

参考书：第3章第3节“同步发电机励磁系统”中的“二、交流励磁机励磁系统”

答：工作原理：交流主励磁机与交流副励磁机与发电机同轴转动。交流副励磁机配有一个自励恒压调节器维持其端电压为恒定值。副励磁机输出的交流电经过可控硅整流变成直流给主励磁机励磁。主励磁机输出的交流电经过不可控硅整流器变成直流，供给发电机作为励磁电流。

特点：1、取消了直流励磁机，不存在换向问题，而交流励磁机的容量可以做的很大，所以容量不受限制

2、交流主励和副励与发电机同轴，自成体系，励磁系统不受电网的干扰，可靠性高

3、由于晶闸管的控制角变化很快，励磁电流可以很快变化，所以为快速励磁系统。

4、交流励磁机的时间常数大，控制环节多，增加了励磁系统的时间常数。为解决此问题，励磁机转子采用叠片式结构，也使得输出的直流波纹减小。

5、有转子滑环和碳刷。

6、加长了主机轴长度。

12．同步发电机自动励磁调节器由哪几个单元电路构成？各单元的主要功能要求是什么？

参考书：第3章第4节“自动励磁调节器基本原理”中的“二、半导体励磁调节器原理”

答:构成：1、测量比较单元2、综合放大单元3、移相触发单元

对个单元的要求：

一、测量比较单元

1、测量电路应该有足够高的灵敏度，基准电压稳定，电压给定电路的调整范围必

须满足运行要求

2、测量电路应该具有优良的动态性能

3、测量电路的输出电压应该平稳，波纹要小

二、综合放大单元

1、要求能线性无关地综合、放大各个输入信号。

2、有足够的运算精度和放大系数，放大系数可调整

3、响应速度要快，时间常数要小

4、工作稳定、输出阻抗低。

5、输出电压范围满足移相触发单元的要求

三、移相触发单元

1、晶闸管的触发脉冲应该与奸诈管阳极电压同步。

2、触发脉冲移相范围要符合相应可控整流电路的要求

3、触发脉冲应有足够的功率以保证可控硅元件可靠地导通。

4、触发脉冲的上升前沿要陡。

5、触发脉冲有足够的宽度。

6、触发脉冲与主电路应相互隔望

7、保证各相可控硅元件的控制角一致。

8、对三相全控桥式整流电路，还要求触发脉冲宽度大于60度或者采用双脉冲触

发。

13．什么叫发电机“灭磁”，有哪几种灭磁方法？并做比较。（所学教材没有相关知识）

我在估计你们可能采用的教材中没有找到此部分知识点，如果届时我拿到你们的教材有这个知识点，就可能会把这道题作为考试题，如果你们的教材中没有这部分知识点，我就不出此考题。请大家在所拿到的教材中找到相应部分并进行复习。参考教材：王葵、孙莹《电力系统自动化》第2章第3节“励磁系统中的转子磁场的建立和灭磁”

答：发电机灭磁是将发电机励磁电源切除再通过一定的方式来消除残余的磁场从而达到消除发电机电压的目的，目前我们国家常用的灭磁方法有三种：线性电阻灭磁（目前用得比较多）、非线性灭磁、碳化硅灭磁。

14．图3给出了同步发电机感应电动势和励磁电流关系。(1)请推导发电机感应电动势、机端电压以及无功电流之间的关系；(2)根据推导结论画出发电机的I Q －U G无功调节特性；(3) 结合发电机无功调节特性曲线，请解释系统无功负荷减小时，发电机机端电压的变化过程。若要维持发电机端电压不变，则发电机的励磁电流应该如何调节？为什么？

g

G

图3. 同步发电机感应电动势和励磁电流关系

参考答案：由矢量图可知：

q G G d E U j I X =+g g g

感应电动势q E g 和机端电压G U g

的代数关系为： cos (cos 1)q G G Q d q G Q d

G E U I X E U I X δδ=+?≈+≈

由上式可知I Q －U G 无功调节特性为：

或：

当系统无功负荷减小时，发电机需要减小无功电流，以使无功负荷与发电机无功功率达到平衡，由图可知当无功电流减小，机端电压升高，由上式可知，如要维持机端电压，必须减小励磁电流，即通过减小发电机的感应电动势维持机端电压的不变。

参考书：第3章“第1节“同步发电机励磁控制系统的主要任务”中的（一）控制电压”

15．简述电力系统的典型调频方法及其调频方程式。

16．图4给出了电力系统的功率－频率关系及频率特性，图中P L 和P L1曲线为负荷频率－有功功率特性，P G 和P G1曲线为发电机频率－有功功率特性，a 点为初始稳定运行点。假设系统内所有机组均装设调速器，如果系统中负荷有功功率减少△P L ，请简述系统的频率调整过程。

图4. 电力系统的功率-频率关系及频率特性 f

P

f f

参考书第4章第1节“(三)电力系统的功率－频率特性”

参考答案：频率变化过程：a →b →c ，发电机输出功率变化过程：P L →P L1→P L2，答案中包括一次调频和二次调频。

17．分别写出电力系统运行的等式约束、不等式约束条件，并说明式中各符号含Q U G Q

U G

义。

答：参考课本P90.

18．从安全分析与控制的角度可将电力系统运行状态划分为哪几种？如何划分？答：五种：

1、正常运行状态。电力系统总有功和总无功满足需求，母线电压频率在正常范

围内，电源设备和输变电设备又均在规定的限额内运行。

2、警戒状态。电能指标，各个参量虽然在允许的限值之内，但是系统的安全系

数已经下降。

3、紧急状态。在正常运行状态或者警戒状态的情况下，发生短路故障或者切除

大容量机组等状况时的状态。

4、系统崩溃。紧急状态下，如果处理不当，有可能使初始的干扰及其产生的连

锁反应身份严重，使系统失去稳定的状态。

5、恢复状态。系统崩溃后，借助继电保护和自动装置将故障隔离，使事故停止

扩大。

19．什么是电力系统分层调度控制？现代电力大系统为什么实行分层调度控制？答：分层调度控制：大电力系统分为三级调度，网调、省调、地调。分层控制将全电力系统的监视控制任务分配给属于不同层次的调度中心，下一层调度根据上一层调度中心的命令，结合本层电力系统的实际情况，完成本次的调度任务，同时向上层调度传递所需信息。

原因：1、集中调度控制有明显的缺点。

2、分层调度的优点：

2.1便于协调调度控制

2.2便于提高系统运行的可靠性

2.3提高实时响应速度

2.4灵活性增强

2.5提高投资效率

20．什么是电力系统的能量管理系统EMS，EMS与电网调度自动化SCADA系统有什么关联？

答：EMS：现代电网调度自动化系统除SCADA基本功能和自动发点控制和经济调

度之外，又增加了许多高级应用软件的新功能，如网络拓扑、电力系统状态估计、负荷预报、系统安全分析、调度员在线潮流等，还开发了调度管理信息系统和调度员仿真培训系统等，由此形成了新一代电网调度自动化系统——能量管理系统EMS。

EMS包括了SCADA。

21．请做出分别用数字调幅、数字调频、二元绝对调相和二元相对调相四种调制方法，对数字信号10100101进行调制的波形。

答：参见课本P115.

22．简述电力系统正常运行状态（包括警戒状态）的安全控制主要内容。

答：

1、满足用户供电需要，包括供电数量和质量。

2、系统安全性，保证连续的系统功能

3、最小成本

4、环境保护

5、节约燃料和其他资源

23．什么是电力系统静态和动态安全分析，其目的是什么？

答：

目的：提高系统安全性。

24．为维持电力系统的无功功率平衡，可以从哪些方面采取措施？

答：①发电机发出的无功功率;②系统无功补偿设备（调相机，并联电容器，静止补偿器和静止调相机）;③110kV及以上电压架空线路及各级电压电缆的充电功率;④从电力网外可能输人的无功功率。

25．图5为电力系统电压控制原理图，请推导负荷端电压U B的表达式，并根据推导结论，说明调节U B的控制方式有那些，并列举实现这些控制方式的装置。

P+jQ

图5. 电力系统电压控制原理图

答：当略去输电线路的充电功率、变压器的励磁功率以及网络中的功率损耗，变压器参数已归算到高压侧，则用户端电压表达式为：

1212()/()/B G G N

PR QX U U K U K U K K U +=-?=- （1N G U U K =） 由上述表达式可知：可以采取如下方式控制和调整用户端电压U B 。具体包括：

① 调节发电机的励磁电流调节发电机机端电压；②通过调节变压器的分接抽头以改变变比

来实现电压调节；③通过并联电抗器或静止无功补偿器，以及发电机的无功率或同步调相机、同步电动机等调节系统的无功功率分布以实现电压调节；④通过调节串联电容器以改变线路中的电抗参数，以实现电压调节。

26．简述配电网馈线自动化的主要功能。它有哪两种实现方式？

答:主要功能：1、配电线路负荷监测 2、实时调整、变更配电系统的运行方式

3配电线路出现故障时，将故障区段隔离，减少停电的区域和持续时间。 实现方式：1、当地控制方式 2、远方控制方式

27．安全自动装置在电力系统中起什么作用？从功能上分有哪几大类？

答：作用：延伸继电保护的功能，在消除事故的第一阶段——继电保护动作切除电网故障区段之后，自动担负起消除事故的第二阶段任务，即消除电网设备切除引起的不良后果，诸如线路或设备过负荷、系统解列、频率下、电压下降等。 功能上分：1用于紧急状态的稳定控制

2用于恢复状态的安全稳定控制

28．简述电力系统自动解列装置及其作用。

答：自动解列装置是一种反应电力系统稳定性被破坏或受到威胁而动作，在预定解列点将系统解列，防止系统崩溃或出现大面积停电，以提高电力系统安全性的自动装置。

作用：当电力系统发生稳定性破坏，如电力系统振荡的时候，能够有计划地将系

统迅速而合理地解列为功率尽可能平衡且各自保持同步运行的两个或几个部分，可以防止系统长时间不能拉入同步而造成系统瓦解扩大事故，是对电力系统紧急状态进行控制的有效措施。

29．什么叫自动低频减负荷装置？其作用是什么？

答：自动低频减负荷装置：为了提高供电质量，保证重要用户供电的可靠性，当系统出现有功功率缺额引起频率下降时，根据频率下降的程度，自动断开一部分不重要的用户，阻止频率下降，以使频率迅速恢复到正常值，这种装置叫自动低频减负荷装置。

作用：它不仅可以保证对重要用户的供电,而且可以避免频率下降引起的系统瓦解事故。

30．简述自动低频减载装置为什么要设置附加级？附加级的动作该如何设置。答：规程规定，按频率自动减负荷装置动作后应该使系统稳定运行频率恢复到不低于恢复频率（49.5HZ）水平。但在改装置分级动作过程中，可能会出现：第i 级动作切负荷后，系统频率稳定在恢复频率（49.5HZ）一下，但又不足以使得第i+1级动作，这样会使系统频率长时间低于恢复频率以下运行，这是不允许的。为了消除这一现象，按频率自动减负荷装置设置较长延时的附加级。

附加级动作频率取回复频率下限，当附加级动作后，应足以使系统频率回升到回复频率范围内。