电力系统自动装置电子教案及讲义

电力系统自动装置电子教案及讲义授课内容：一、电力系统自动化的主要任务：（1）保证电能质量：频率、电压、波形。

通过有功功率的调节保证频率；无功功率的调节保证电压。

（2）提高系统运行安全性。

通过计算机程序化的事故预想，能够实现对系统当前的运行状况进行详细的安全分析，确定具有足够承受事故冲击能力的运行方式。

（3）提高事故处理能力。

一旦电力系统中发生事故，迅速正确地处理事故，是减小事故损失、尽快恢复正常运行的保证。

通过安全自动装置实现局部的故障处理。

（4）提高系统运行经济性。

在系统安全运行、保证用户有合格电能质量前提下，整个电力系统是处在最经济的运行状态，其发电成本是最小的。

二、电力系统自动化技术包括的内容：电力系统自动装置，电力系统调度自动化。

1、电力系统自动装置包括：1）保证同步发电机并列操作的正确性和安全性的自动并列装置；2）保证电压水平，提高电力系统的运行稳定性的自动调节励磁AER ；保证系统频率水平且使系统负荷在同步发电机之间实现最优经济分配的自动调频；3）反事故安全自动装置自动重合闸ARD；备用电源和备用设备自动投入ATS；自动按频率减负荷AFL及自动解列、电气制动、水轮发电机自动起动及自动切负荷、火电厂事故减出力、水电厂事故切机等，如图1-1为电力系统安全自动装置配置：图1-1电力系统自动装置配置示意图2、电力系统调度自动化：1）对实时数据进行收集和处理，保证电能质量，保证系统安全和经济运行。

2）对事故的实时预想以选择合理的最优运行方式；系统事故发生后，提供正确的事故处理措施。

因此，电力系统调度自动化是一项效果显著、经济效益高、提高系统安全经济运行水平的技术措施。

三、主要学习内容及计划课时1、同步发电机的自动并列装置（10+2课时）保证了并列操作的正确性和安全性，而且减轻了运行人员的劳动强度，加快并列操作的过程。

ZZQ-5 自动准同步装置；数字式并列装置2、同步发电机的自动调节励磁装置AER（18+2）调整同步发电机励磁系统的励磁电流维持发电机机端电压；分配并列运行发电机间无功功率，保证系统运行时的电压水平；提高电力系统的稳定性；3、电力系统频率和有功功率自动调节（4）通过调整发电机的有功出力保证电力系统正常运行时有功功率的自动平衡，使系统频率在规定范围内变动。

4、输电线路的自动重合闸ARD（10+2）将被非正常操作跳开的断路器重新自动投入的一种自动装置，提高输电线路供电的可靠性。

5、备用电源和备用设备自动投入装置ATS（4+2）当工作电源(或工作设备)因故障被断开以后,能自动而迅速地将备用电源(或备用设备)投入工作,保证用户供电可靠性6、自动按频率减负荷装置AFL（4）防止电力系统因事故发生有功功率缺额时频率的过度降低，保证了电力系统的稳定运行和重要负荷的正常工作；7、反事故措施（2）1）自动解列装置可防止系统稳定破坏时引起系统长期大面积停电和对重要地区的破坏性停电。

2）水轮机组低频自启动当电力系统发生功率缺额、频率降低时，水轮发电机迅速起动并投入系统运行。

3）自动切机自动切机是在系统发生短路故障时，在功率过剩侧自动切去部分机组，以减少过剩功率，使重合闸时保持系统的稳定性。

4）电气制动是在系统发生短路故障时，在功率过剩的电厂侧快速投入制动电阻，消耗过剩功率以限制机组加速，使重合闸时两侧电势摆开的角度不致过大。

8、电力系统安控装置包括检测单元、判断单元、决策单元、执行单元和通信单元，控制电力系统稳定安全（2）9、故障录波装置（2）正确分析事故原因、研究防止对策提供原始资料，帮助查找故障点；分析评价继电保护及自动装置、高压断路器的动作情况，及时发现设备缺陷，以便消除隐患；实测系统参数，研究系统振荡。

一、同步发电机的并列1、同步运行并列运行的同步发电机，其转子以相同的电角速度旋转，每个发电机转子的相对电角速度都在允许的极限值以内。

2、并列操作把一台待投入系统的空载发电机经过必要的调节，在满足并列运行的条件下经开关操作与系统并列。

3、同步发电机的并列方法1）准同步并列：发电机在并列合闸前已加励磁，当发电机电压的幅值、频率、相位分别与并列点系统侧电压的幅值、频率、相位接近相等时，将发电机断路器合闸，完成并列操作。

2）自同步并列：将未加励磁、接近同步转速的发电机投入系统，随后给发电机加上励磁，在原动机转矩、同步力矩的作用下将发电机拉入同步，完成并列操作。

3）准同步并列的优点是并列时冲击电流小，不会引起系统电压降低；不足是并列操作过程中需要对发电机电压、频率进行调整，并列时间较长且操作复杂，另外，如果合闸时刻不准确，可能造成非同步合闸。

4）自同步并列的优点是并列过程中不存在调整发电机电压、频率的问题，并列时间短且操作简单，在系统电压和频率降低的情况下，仍有可能将发电机并入系统，容易实现自动化；不足是并列发电机未经励磁，并列时会从系统中吸收无功而造成系统电压下降，同时产生很大的冲击电流。

4、分类：按自动化程度不同，准同步并列分为手动准同步、半自动准同步和自动准同步。

5、同步点在发电厂和变电所中，两侧均有电源可以进行并列操作的断路器。

例如，发电机、发电机双绕组变压器组高压侧、发电机三绕组变压器组各电源侧的断路器都是同步点，用以实现一台发电机的并列操作；母线联络断路器是同步点，作为同一母线上所有发电单元的后备同步点；双绕组变压器、三绕组变压器各电源侧断路器都是同步点，在任一侧故障断开或检修后恢复时，可以减少并列过程中的倒闸操作，保证迅速可靠地恢复供电。

母联、旁路、35KV及以上系统联络线等的断路器都是同步点。

母线分段断路器一般不作为同步点，因为低压侧母线解列时，高压侧是连接的，没有同期要求。

对变压器为Y,d11连接，采用△侧电压在Y侧实现准同步时，可用接线为D，y1,相电压变比为的中间转角变压器进行相位补偿。

二、准同步条件分析1、滑差ωs在相量图上G和sys以不同的电角速度ωG和ωsys旋转，如果以系统侧电压为基准，则发电机以（ωG―ωsys）的相对电角度旋转，记为即ωs=ωG―ωsys=2π（f G―f sys）=2πf s2、滑差频率f s= f G―f sys；如果从G和sys同相位时开始计时，则G和sys之间的3、相角差δ=|ωG―ωsys|t=|ωs|t4、滑差周期T s我们称δ变化360°（2πrad）所用的时间，如果ωs在一个T s内保持不变，则T s与ωs、f s 有如下关系（2-3）显然，T s的大小反映了待并发电机和系统之间频率差的大小，T s小则表示频差大，T s大则表示频差小。

我们可以将这一结论用于检测待并发电机是否满足并列条件。

5、发电机并列操作应该遵循以下原则：（1）并列瞬间，发电机的冲击电流应尽可能小，不应超过允许值；（2）并列后，发电机应能迅速进入同步运行，暂态过程要短。

6、发电机并列时不满足准同步条件的后果。

1）设U G与U sys相位相同（δ=0），f G=f sys，但U G≠U sys。

则相量图如图2-2所示当U G>U sys时，滞后G90°对发电机起去磁作用，发电机并列后立即带无功负荷；当U G<U sys,超前G90°对发电机起助磁作用，发电机并列后立即从系统吸收无功功率。

如果ΔU很大，则I im过大时，将会引起发电机定子绕组发热，或定子绕组端部在电动力的作用下受损。

因此，一般要求电压差不应超过额定电压的5%~10%。

2）设f G=f sys，U G =U sys=U，但G与sys相位不同（δ≠0），则，如果δ很大，I im很大，其有功分量电流在发电机轴上产生冲击力矩，严重时损坏发电机。

通常准同步并列操作允许的合闸相位差不应超过去5°。

如果合闸瞬间发电机与系统之间存在较小的相位差，当G超前sys，发电机并列后立即发出有功功率；当G滞后sys，发电机并列后立即从系统吸收有功功率。

3）设U G =U sys，但f G≠f sys 。

G与sys之间具有相对运动，则并列合闸后的δ在0°到360°之间周期性变化，当δ=0°时，ΔU=0，则I im=0；当δ=180°时，ΔU=2U G=2U sys，则I im最大；当δ=360°（0°）时，ΔU=0，则I im=0。

可见，发电机在频差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的（或负的）有功功率，对转子产生制动（或加速）的力矩，使发电机产生振动，严重时导致发电机失步，造成并列不成功。

一般准同步并列时的允许频率差范围为额定频率的0.2%~0.5%。

对工频额定频率50Hz，允许频率差为0.1~0.25Hz。

7、发电机准同步并列的实际条件是：（1）待并发电机与系统电压幅值接近相等，电压差不应超过额定电压的5%~10%。

（2）在断路器合闸瞬间，待并发电机电压与系统电压的相位差应接近零，误差不应大于5°。

（3）待并发电机电压与系统电压的频率应接近相等，频率差不应超过额定频率的0.2%~0.5%。

8、合闸脉冲命令的发出在压差、频差满足要求的情况下，并列断路器主触头闭合时，应使δ等于0°。

由于断路器的合闸过程有一定的时间，作为自动准同步装置，必须在δ=0°导前一个时间tad发出合闸脉冲。

9、恒定导前时间tad为从发出合闸脉冲起到断路器主触头闭合止中间所有元件动作时间之和，一般约为0.1~0.7s。

导前时间tad应不随频差、压差而变，是一个固定的数值，所以有恒定导前时间之称，以此原理作成的装置也被称为恒定导前时间式自动准同步装置。

1、整步电压u zb包含同步条件信息量的电压。

整步电压分为正弦整步电压（与时间具有正弦函数关系）和线性整步电压（与时间具有时间具有线性函数关系）。

2、全波线性整步电压获得框图、电路、波形由图2-9（b）可见，当[u sys]和[u G]中任意一个是高电位，而另一个是低电位时，VT获得基极电流而饱和导通，输出a点为低电位；只有在[u sys]和[u G]同时高电位（u sys和u G同时为负）或[u sys]和[u G]同时低电位（u sys 和u G同时为正）时，VT无法获得基极电流而截止，输出a点才为高电位。

u zb的最大值与u a高电位相等,为EΔ，u zb的表达式u zb波形的上升部分斜率下降部分斜率3、全波线性整步电压特点1）u zb最大值EΔ对应δ=0°或360°，最小值对应δ=180°。

所以线性整步电压包含了相角差信息量。

2）u zb波形和顶值电压与u G、u sys 的幅值无关，不包含压差信息量。

3）u zb的斜率与f s成正比，包含了频差信息量。

4.导前时间脉冲脉冲产生u zb（最大值对应于δ=0°，u act≠0）通过比例—微分电路和电平检测电路获得。