電力系統(tǒng)自動化作業(yè)

1、1.簡述電力系統(tǒng)自動化的作用、發(fā)展階段及特征 電力系統(tǒng)及其自動化對電網的作用： 電網：在電力系統(tǒng)中，聯(lián)系發(fā)電和用電的設施和設備的統(tǒng)稱。屬于輸送和分配電能的中間環(huán)節(jié)。通常，電力系統(tǒng)中電力網是由不同電壓等級的電力線路和變電所組成。電力網簡稱電網。電力網按其供電范圍的大小和電壓等級的高低可分為地區(qū)電力網、區(qū)域電力網以及超高壓遠距離輸電網絡等類型。按電力網的功能又常常將其分為傳輸網和配電網。電力系統(tǒng)自動化對電網的作用：1、 對電網安全運行狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)控 電網正常運行時，通過調度人員監(jiān)視和控制電網的周波、電壓、潮流、負荷與出力；主設備的位置狀況及水、熱能等方面的工況指標，使之符合規(guī)定，保證電能質

2、量和用戶計劃用電、用水和用汽的要求。2、 對電網運行實現(xiàn)經濟調度 在對電網實現(xiàn)安全監(jiān)控的基礎上，通過調度自動化的手段實現(xiàn)電網的經濟調度，以達到降低損耗、節(jié)省能源，多發(fā)電、多供電的目的。3、 對電網運行實現(xiàn)安全分析和事故處理 導致電網發(fā)生故障或異常運行的因素非常復雜，且過程十分迅速，如不能及時預測、判斷或處理不當，不但可能危及人身和設備安全，甚至會使電網瓦解崩潰，造成大面積停電，給國民經濟帶來嚴重損失。為此，必須增強調度自動化手段，實現(xiàn)電網運行的安全分析，提供事故處理對策和相應的監(jiān)控手段，防止事故發(fā)生以便及時處理事故，避免或減少事故造成的重大損失。 20世紀50年代以前，電力系統(tǒng)容量在

3、幾百萬千瓦左右，單機容量不超過10萬千瓦，電力系統(tǒng)自動化多限于單項自動裝置，且以安全保護和過程自動調節(jié)為主。例如，電網和發(fā)電機的各種繼電保護，汽輪機的危急保護器，鍋爐的安全閥，汽輪機轉速和發(fā)電機電壓的自動調節(jié)，并網的自動同期裝置等。50至60年代，電力系統(tǒng)規(guī)模發(fā)展到上千萬千瓦，單機容量超過20萬千瓦，并形成區(qū)域聯(lián)網，在系統(tǒng)穩(wěn)定、經濟調度和綜合自動化方面提出了新的要求。廠內自動化方面開始采用機、爐、電單元式集中控制。各種新型自動裝置如晶體管保護裝置、可控硅勵磁調節(jié)器、電氣液壓式調速器等得到推廣使用。70至80年代，以計算機為主體配有功能齊全的整套軟硬件的電網實時監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）開始出現(xiàn)。2

4、0萬千瓦以上大型火力發(fā)電機組開始采用實時安全監(jiān)控和閉環(huán)自動起停全過程控制。水力發(fā)電站的水庫調度、大壩監(jiān)測和電廠綜合自動化的計算機監(jiān)控開始得到推廣。各種自動調節(jié)裝置和繼電保護裝置中廣泛采用微型計算機。2.簡述電壓無功綜合控制系統(tǒng)的結構和功能。（10）電壓無功綜合控制以維持電壓波動范圍和優(yōu)化無功補償為控制目標，實現(xiàn)對有載調壓變壓器分接頭和無功補償裝置(并聯(lián)電容器組CB)的綜合調節(jié)，是綜合自動化系統(tǒng)的控制功能之一。電壓無功綜合控制裝置（簡稱VQC裝置）的主要控制對象是變壓器有載分接開關和并聯(lián)補償電容器。VQC的功能主要是按照預先設制定的控制策略，合理地控制分接開關的檔位（改變變壓器變比）和控制電容器

5、的投切狀態(tài)（調整系統(tǒng)無功潮流分布），使監(jiān)測點的電壓保持在合格的范圍，并且提供適宜的無功補償量，使功率因數(shù)保持在目標范圍內。作為樞紐變電站，通常需要按照逆調壓的方式控制母線電壓，即重負荷時適當升高電壓，輕負荷時適當降低電壓，以保持負荷側電壓的基本穩(wěn)定。但是，受到發(fā)電機端電壓的限制，輸電距離較近或者負荷變動不大時，也可以采用順調壓和常調壓方式，VQC應能夠滿足上述不同的要求。 電壓無功綜合控制裝置的功能結構示意圖1.采樣環(huán)節(jié)VQC的輸入量有兩大類：模擬量主要有被監(jiān)測點的電壓、電流、相位等：開關量主要有主變有載調壓分接檔位、電容器開關的分、合閘位置信號、主變高中低壓側開關、母線聯(lián)絡開關以及外部閉鎖信

6、號等。采樣環(huán)節(jié)的功能是將上述模擬量和開關量轉換為VQC所需的數(shù)據。模擬量的采樣一般采取繼電保護裝置的采樣技術，即將電壓、電流通過交流變換器轉換為交流小信號后用電壓，頻率變換器(VFC)與記數(shù)器來實現(xiàn)。獨立組屏的VQC需要自帶采樣設備和敷設相應的電纜，綜合自動化系統(tǒng)的VQC和利用RTU實現(xiàn)的VQC則可以共享測控單元或RTU提供的信息。2邏輯環(huán)節(jié) 邏輯環(huán)節(jié)的功能是根據輸入環(huán)節(jié)提供的數(shù)據來判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)(主變是否并列運行、是否轉供負荷、電壓無功是否越限等)和設定的條件(電壓上限、電壓下限、無功上限、無功下限、有載調壓分接開關動作次數(shù)限制等)，按照預先給定的控制策略進行邏輯判別，決定下一步的動作(

7、升降分接開關或投切電容器組)。邏輯環(huán)節(jié)的硬件載體通常是單片機、微機或工控機，也有用PLC的。3.執(zhí)行環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)根據邏輯環(huán)節(jié)發(fā)出的指令，驅動被控設備執(zhí)行相應的命令。集中組屏的VQC可以直接經繼電器來控制電容器組斷路器的分合閘線圈或變壓器有載調壓分接開關的驅動電機。嵌入綜合自動化系統(tǒng)的VQC通過總線系統(tǒng)向間隔層的測控單元發(fā)出指令來實現(xiàn)。利用RTU實現(xiàn)的VQC則通過遙控中間繼電器來實現(xiàn)。3.簡述分布式電源并網對電力系統(tǒng)自動化的需求（20分）答：分布式電源指小型(容量一般小于50 MW)、向當?shù)刎摵晒╇?、可直接連到配電網上的電源裝置。它包括分布式發(fā)電裝置與分布式儲能裝置。分布式電源對電網的影響 ：

8、1) 電壓調整問題。 原有的調壓方案不能滿足接入分布式電源后的配電網電壓調節(jié)要求。因此必須評估分布式電源對配電網電壓的影響，研究新的調壓策略。2）繼電保護問題 在線路發(fā)生故障后，繼電保護以及重合閘的動作行為都會受到光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。對基于斷路器的三段式電流保護的影響最為顯著。導致本線路保護的靈敏度降低及拒動；導致本線路保護誤動；導致相鄰線路的瞬時速斷保護誤動并失去選擇性；導致重合閘不成功。3）非正常孤島問題孤島引起的安全問題：線路維護人員人身安全受到威脅；與孤島地區(qū)相連的用戶供電質量受影響（頻率和電壓偏出正常運行范圍）；孤島內部的保護裝置無法協(xié)調；電網供電恢復后會造成相位不同步；孤島電網與主

9、網非同步重合閘造成操作過電壓；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負載欠相供電。4）電能質量問題 分布式發(fā)電通過電力電子逆變器并網，易產生諧波、三相電流不平衡；輸出功率隨機性易造成電網電壓波動、閃變；分布式電源直接在用戶側接入電網，電能質量問題直接影響用戶的電器設備安全。解決分布式電源并網關鍵技術：對電網的支撐能力：故障時保持并網。在電壓跌落到0時，至少要堅持150ms不脫網。對電網的支撐能力：故障時通過發(fā)出無功支撐電網電壓。 當電壓跌落超過10%時，每1%的電壓跌落，至少要提供2%的無功電流。響應速度應在20ms之內，必要時，必須能夠提供100%的無功電流。對電網的支撐能力：有功功率控制。電站必

10、須能夠以10%的步長限制其有功出力（目前常用的設置點有100%, 60%, 30%, 和0%） 頻率高于50.2Hz時，功率必須以40%額定功率/Hz的速率降低 僅當頻率恢復到50.05Hz以下時，才允許提高輸出功率 ；頻率高于51.5Hz或低于47.5Hz時必須脫網 對電網的支撐能力：通過無功功率控制為電網提供靜態(tài)支撐。 電站的功率因數(shù)必須能夠在0.95（感性）至0.95（容性）之間任意可調。發(fā)電計劃往往根據需要在幾分鐘內達到協(xié)議規(guī)定的無功功率的要求。如果電力公司提供了在線參數(shù)，那么要求在10秒之內完成自動整定。4.簡述配網自動化的主要功能、設備及其實現(xiàn)方式。（20）配網自動化包括：SCAD

11、A功能、變電站自動化SA、饋線自動化。SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，完成從配電網供電網供電的110KV主變電站的10KV部分監(jiān)視，到10KV饋線自動化以及10KV開閉所、配電變電所和配變的自動化，稱為配電SCADA系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)會包括以下的子系統(tǒng)：人機界面（human machine interface，簡稱HMI）是一個可以顯示程序狀態(tài)的設備，操作員可以依此設備監(jiān)控及控制程序。（電腦）監(jiān)控系統(tǒng)可以采集數(shù)據，也可以提交命令監(jiān)控程序的進行。遠程終端控制系統(tǒng)（Remote Terminal Uni

12、t，簡稱RTU）連接許多程序中用到的傳感器，數(shù)據采集（Data acquisition）后將數(shù)字的數(shù)據傳送給監(jiān)控系統(tǒng)?？删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic controller，簡稱PLC） 因為其價格便宜，用途廣泛，也常用作現(xiàn)場設備，取代特殊功能的遠程終端控制系統(tǒng)。通信網絡：則是提供監(jiān)控系統(tǒng)及RTU（或PLC）之間傳輸數(shù)據的管道。SA：以數(shù)字信號處理為基礎，將保護自動重合閘、故障錄波等各種自動化裝置以及測量、控制結合在一起的系統(tǒng)。變電站自動化(SA)的主要功能;測量表計功能（運行工況監(jiān)視，遙測）1 自動控制功能（遙控及綜合調節(jié)）1 繼電保護功能（輸配電線路及主設備保護）1

13、與繼電保護有關的功能：1 遠動功能（與控制中心或調度交換信息）1 接口功能（與其他控制及信息系統(tǒng)聯(lián)接）系統(tǒng)功能：第一階段：在RTU的基礎上+當?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)，未涉及繼電保護，控制仍保留第二階段：變電站控制室設置計算機系統(tǒng)，另設置數(shù)據采集和控制部件。集中采集數(shù)據、幾種計算與處理、再完成微機保護、監(jiān)控和自動控制等。第三階段：按每個電網元件為對象，采用分散式系統(tǒng)，安裝現(xiàn)場輸入輸出單元部件，完成保護和監(jiān)控功能，構成智能化開關柜，與變電站控制室內計算機系統(tǒng)通信。采用串口或者網絡技術。饋線自動化FA(Feeder Automation)的故障隔離和供電恢復功能是配網自動化的重點功能之一，其主要作用是通過SCA

14、DA功能為運行人員定位故障點、并為隔離故障和恢復供電提供有用的實時信息、為隔離故障和恢復供電提供遙控手段。饋線自動化的實現(xiàn)方式：1：當?shù)乜刂品绞剑篴)電壓型實現(xiàn)方式 開關：重合器、重合分段器當?shù)乜刂品绞剑?b）重合器配合 開關：重合器當?shù)乜刂品绞剑?c）重合器和分段器配合 開關：重合器、分段器2:遠方控制方式： 以環(huán)網柜為例開關：負荷設備、FTU、重合器或者斷路器開關：斷路器、通信5詳細介紹一種電力系統(tǒng)安全評估算法及其應用。（20） 電力系統(tǒng)可靠性評估方法可分為確定性方法和概率性方法兩類。確定性方法主要是對幾種確定的運行方式和故障狀態(tài)進行分析，校驗系統(tǒng)的可靠性水平。電力系統(tǒng)是一個具有隨機特性的

15、系統(tǒng)，負荷水平的波動、元件故障等都具有隨機性，確定性方法難以考慮各種狀態(tài)的概率分布特性，評估結果存在較大偏差，因此概率性方法在電力系統(tǒng)的可靠性評估領域得到更加廣泛應用，并在理論和實踐方面取得很大的進展。 概率性可靠性評估方法主要有解析法和模擬法兩大類，后者一般又被稱作蒙特卡羅法(MCS-Monte Carlo Simulation)。蒙特卡羅方法又被稱作統(tǒng)計試驗方法(Statistical Test Method)或隨機抽樣技術(Random Sampling Technique)，其提出可以追溯到19世紀末期，20世紀40年代中期之后隨著科學技術的發(fā)展和電子計算機的發(fā)明，該方法得到了快速的發(fā)

16、展和應用。1946年美國學者Von Neumann和SUlam首先用這種方法在數(shù)字電子計算機上模擬中子鏈式反應，并把第一個這樣的程序命名為“Monte Carlo"程序。幾十年來，隨著計算技術的迅速發(fā)展，蒙特卡羅方法的應用范圍日趨廣闊。目前它已經被廣泛應用到包括電力系統(tǒng)可靠性分析在內的各類科學研究與工程設計領域中，成為計算數(shù)學的一個重要分支。 采用蒙特卡羅方法評估電力系統(tǒng)可靠性，存在著明顯的優(yōu)勢。 （1）在一定的精度要求下，蒙特卡羅方法的抽樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關，因此特別適用于大型電力系統(tǒng)的評估計算。（2）采用蒙特卡羅方法評估可靠性，不但能夠獲得概率性指標，而且能夠得到頻率和持續(xù)時間

17、指標，得到的可靠性信息更加豐富、實用。（3）基于蒙特卡羅方法的程序數(shù)學模型相對簡單，且容易模擬負荷變化等隨機因素和系統(tǒng)的校正控制措施，因此計算結果更加符合工程實際。電力系統(tǒng)規(guī)模日趨擴大、元件眾多、控制策略復雜，因此蒙特卡羅法在其可靠性評估中獲得了日益廣泛的應用。蒙特卡羅方法評估電力系統(tǒng)可靠性的基本步驟：應用蒙特卡羅方法分析電力系統(tǒng)可靠性指標的過程可以大致劃分為系統(tǒng)狀態(tài)抽樣、系統(tǒng)狀態(tài)分析與系統(tǒng)指標統(tǒng)計三個步驟，基本流程如圖23所示。 上圖中，框(3)、(5)、(6)的計算過程由采用的蒙特卡羅仿真算法決定。 對非序貫仿真，框(3)僅對系統(tǒng)的隨機狀態(tài)抽樣，并不關心狀態(tài)的轉移率和持續(xù)時間。如果希望提高

18、抽樣效率、降低方差，則需要在該步驟修正抽樣技術； 對序貫仿真，框(3)代表了獲取系統(tǒng)狀態(tài)及其轉移特性和持續(xù)時間的過程，偽序貫仿真，在隨機狀態(tài)抽樣階段增加了系統(tǒng)分析和評估的過程。如果抽樣獲得的狀態(tài)為切負荷的故障狀態(tài)，則運用序貫仿真算法獲取本次停電事故的時序信息，否則繼續(xù)抽樣，其流程如圖23所示。 由圖2-4可以看出，該算法框(5)中增加了前向狀態(tài)序列隨機模擬和后向狀態(tài)序列隨機模擬過程。當通過框(3)的非序貫模擬得到一個故障狀態(tài)時，即可基于狀態(tài)轉移算法進行前向、后向狀態(tài)序列隨機模擬，得到本次停電事故的時序信息。顯然，可以方便地在該算法框(3)NN節(jié)結合非序貫仿真算法各種減小方差的算法，大幅度降低計

19、算費用，因此圖24所示的算法具有很好的實用性。隨著對電力系統(tǒng)可靠性評估計算速度的要求越來越高，非序貫仿真與偽序貫仿真算法將會得到越來越多的應用。在概率性指標能夠滿足工程需要的場合下，非序貫仿真是抽樣算法的最佳選擇；如果需要同時得到概率指標和頻率指標，偽序貫仿真算法則能夠顯示出其獨到的優(yōu)點。鑒于各種降低方差的算法是提高評估速度有效和實用的措施，本文對降低方差技巧展開研究，提出了幾種有效和可行的抽樣算法。為簡單起見，所有算法的計算效率均以非序貫仿真為基礎進行分析和驗證。如前所述，本文在非序貫仿真基礎上所提出的各種抽樣技巧完全可以應用在如圖24所示的偽序貫仿真的程序中，在提高計算效率方面的效果是完全

20、一致的。6.結合個人專業(yè)方向論述對電力系統(tǒng)自動化的理解及應用。（20） 我的主要研究方向是電力系統(tǒng)自動化，主要針對小電流接地故障選線問題。 目前，不同的小電流接地系統(tǒng)之間有個共同的特點，那就是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障以后，發(fā)生接地的故障點與系統(tǒng)中性點之間只會形成一個小電流通路，流經故障點的電流極其微小，故其產生的不良影響也相對很??；電力系統(tǒng)的三相線電壓仍然保持對稱狀態(tài)，一般不會對用戶的供電造成嚴重危害，可以在故障存在情況下運行一段時間，所以供電系統(tǒng)的安全可靠性比較高；對人身和設備都比較安全，對通信的干擾小。小電流接地方式在國內的使用越來越廣泛。但同時，小電流接地系統(tǒng)，尤其是諧振接地系統(tǒng)的故障信息

21、，不容易分辨，是故障選線和繼電保護的難題，所以小電流的接地選線始終是配電自動化研究的熱點。運行實例顯示，接地故障會隨著電壓等級的降低而增多。從故障類型的角度來分析，“單相接地故障是最常見的，約占總故障的80%以上”，所以在小電流的接地電網中，單相接地故障下的選線問題一直都是最具代表性的研究方向。針對不同的小電流接地方式，下面來說一下故障選線問題：1. 中性點不接地系統(tǒng)在中性點不接地系統(tǒng)中，接地故障電流為系統(tǒng)的等值電容電流；對于不接地系統(tǒng)而言，故障電流通常只有幾十安，其值遠小于正常的負荷電流，所以一般不會對線路、電纜以及其它電力設備造成破壞。但是這種故障電流不宜持續(xù)時間過長，需要電網的單相接地選

22、線保護及時報警或者自動切除故障線路。如圖2.3.1.2所示，每一回饋出線路用一組獨立的集中對地電容(C1或者CN表示)作為模擬分布電容值。由于所研究系統(tǒng)中的任何中性點都不接地，所以系統(tǒng)中的任何一點的零序阻抗均為無窮大。對于零序電流而言，線路或者其它元件的串聯(lián)阻抗比以線路對地導納表示的并聯(lián)阻抗要小得多，因此可忽略不計，此時接地故障電流由各相對地的電容構成的回路決定。通過分析可得如下結論： 1）在中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓為系統(tǒng)的線電壓。系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓，它的大小等于系統(tǒng)正常工作時的相電壓，但系統(tǒng)的線電壓仍是三相對稱的。 2）非故障線路零序電流的大小等

23、于本線路的接地電容電流。故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。 3）非故障線路的零序電流超前零序電壓90度；故障線路的零序電流滯后零序電壓90度；即故障線路與非故障線路的零序電流相位差180度。當接地電阻Rr不為0時，也就是系統(tǒng)發(fā)生了非金屬接地故障。（圖）非金屬接地故障與金屬接地情況相比，同一條線路發(fā)生單相接地故障后產生的零序電流幅值變小，并且幅值與接地點過渡電阻的大小有關，過渡電阻越大，電流幅值越小。2.中性點經高阻接地系統(tǒng)中壓配電網中性點阻性接地等值電路如圖2.3.2.1所示，當接地電阻R=0時，即發(fā)生了金屬接地故障，分析如下：A相

24、發(fā)生接地故障時系統(tǒng)零序等值電路如圖2.3.2.2所示;其中U0單相接地故障時中性點零序電壓，Rn為中性點接地電阻，In為通過Rn的電流，IC0為通過電容的電流，I0為零序電流。則有 通過分析可得如下結論：1）在阻性接地情況下，中性點接地電阻的大小影響單相接地故障電流的幅值，接地電阻越小，接地電流的值越大，而對非故障相的電弧過電壓則正相反；與消弧線圈接地方式相比，阻性接地方式不能減小接地點的電流，實際電流大于三相電容電流的代數(shù)和。2）非故障線路的零序電流超前零序電壓90度；故障線路的零序電流滯后零序電壓90度；即故障線路與非故障線路的零序電流相位差180度。3）中性點經高電阻接地方式可以有效的限

25、制接地故障電流的大小，從而有效的減少故障造成的接觸電壓和跨步電壓。與不接地系統(tǒng)相比，中性點經高阻接地有效的限制了間歇性電弧過電壓。但與直接接地系統(tǒng)相比，會造成非故障相對地電壓的升高。同樣，當接地電阻R不為0時，表明系統(tǒng)發(fā)生了非金屬接地故障，非金屬接地故障與金屬接地情況相比，同一條線路發(fā)生單相接地故障后產生的零序電流幅值有所減小，并且幅值與接地點過渡電阻的大小有關，過渡電阻越大，電流幅值越小13。3. 中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中壓配電網中性點經消弧線圈接地的三相系統(tǒng)如圖2.3.3.1所示，當接地電阻R=0時，即發(fā)生了金屬接地故障，分析如下： 假設A相發(fā)生單相接地故障，不計系統(tǒng)自身阻抗，則系統(tǒng)的零序等值電路如圖2.3.3.2所示，其中U0為接地點零序電壓，L為消弧線圈的電感值，C0為所在電壓等級單相對地等值電容，IL