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电力系统自动化课程综述
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二O一一年 七 月 一 日
摘 要
由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能,再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能,电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。
电力系统自动化技术包括众多内容，其中包括电压管理，电力系统的频率调节，还有.电力系统调度运行自动化的运行等众多内容。
[关键词]：电压管理，频率调节,变压器
一、 电力系统自动化技术当前国内外发展现状
电力系统是对电能生产、传输和管理实现自动控制、自动调度和自动化管理.电力系统是一个地域分布辽阔,由发电厂、变电站、输配电网络和用户组成的统一调度和运行的复杂大系统。电力系统自动化的领域包括生产过程的自动检测、调节和控制，系统和元件的自动安全保护,网络信息的自动传输，系统生产的自动调度，以及企业的自动化经济管理等。电力系统自动化的主要目标是保证供电的电能质量(频率和电压）,保证系统运行的安全可靠，提高经济效益和管理效能.
发展过程 20世纪50年代以前,电力系统容量在几百万千瓦左右,单机容量不超过10万千瓦，电力系统自动化多限于单项自动装置,且以安全保护和过程自动调节为主。例如，电网和发电机的各种继电保护,汽轮机的危急保安器,锅炉的安全阀，汽轮机转速和发电机电压的自动调节,并网的自动同期装置等。50～60年代， 电力系统规模发展到上千万千瓦，单机容量超过20万千瓦，并形成区域联网，在系统稳定、经济调度和综合自动化方面提出了新的要求。厂内自动化方面开始采用机、炉、电单元式集中控制。系统开始装设模拟式调频装置和以离线计算为基础的经济功率分配装置，并广泛采用远动通信技术。各种新型自动装置如晶体管保护装置、可控硅励磁调节器、电气液压式调速器等得到推广使用。70~80年代，以计算机为主体配有功能齐全的整套软硬件的电网实时监控系统 (SCADA）开始出现。20万千瓦以上大型火力发电机组开始采用实时安全监控和闭环自动起停全过程控制.水力发电站的水库调度、大坝监测和电厂综合自动化的计算机监控开始得到推广。各种自动调节装置和继电保护装置中广泛采用微型计算机。
二、 电力系统自动化技术分析
1. 电力系统电压管理：
影响电力系统电压稳定的因素主要有：无功电源的无功功率、电压控制极限、负荷特性、电压控制装置的控制方法。
综合管理控制电压：电力系统运行时，要保证负荷点电压质量符合要求,必须采用切实可行的调压措施来调节电压.通常采用如下调压方法。
调解发电机的励磁电流，从而改变发电机的端电压。
调整分接头来改变升降压变压器的电压比。
改变系统中无功功率电源的出力。
改变网络参数.电力系统中电压调整必须根据具体的调压要求，在不同的地点可采用不同的调压方法。
同步发电机通过升压变压器、输电线路和降压变压器向负荷用户供电。要求采取各种不同的调整和控制方式来控制用户端的电压。为分析简便,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。变压器的参数已经归算到高压侧，这样用户端的电压为:
式中，Kl、K2——分别为升压和降压变压器的变比;R和X——分别为变压器和输电线路的总电阻和总电抗。
无功功率:地区电网的电压无功控制, 主要是控制其管辖范围内的各级变电站， 实现无功的就地平衡来降低网损， 使电网电压合格。变电站电压无功控制的主要设备包括有载调压变压器、并联电容器以及并联电抗器。
　有载调压变压器
有载调压变压器的原理接线见图1 所示。调压绕组上有多个分接头, 主绕组通过并联触头QA1 ,QA2 与调压绕组串联。可以在不断开主电路的情况下完成分接头的切换, 即首先断开SA1 ， 将QA1 切换至另一分接头上， 然后将SA1 接通。另一个触头QA2 也采用同样的切换步骤， 限流电阻R 是在分接头切换过程中作限流用的。当两个可动触头连接在不同的分接头上时, 两个分接头与电阻R 构成回路。R 可限制该回路的短路电流。
图1
变压器不能作为无功电源, 相反消耗电网中的无功功率, 属于无功负荷之一。有载调压变压器分接头（抽头） 的调整不但改变了变压器各侧的电压状况， 同时也对变压器各侧的无功功率的分布产生影响, 分接头上调后, 变压器二次侧电压上升， 同时流过变压器的无功功率增加; 分接头下调后, 变压器二次侧电压下降， 流过变压器的无功功率减少。
　并联电容器
在地区电网无功补偿中, 并联电容器广泛应用于功率因数校正和馈电电压校正, 是应用最多的无功补偿装置.一般来说, 每个变电站约安装1~4组电容器， 对于负荷较大的110 kV 变电站和220kV 变电站， 则需安装更多组数的电容器。其优点是： 可分散、集中、分相补偿; 投资少、功率损耗少（额定容量的013 %～015 %) ； 无旋转部件, 维护量小， 可根据负荷情况分组投切。缺点是： 电压下降时, 无功补偿量也急剧下降， 不利于电压稳定， 投入电容器时会产生尖峰电压脉冲。电容器只能发出感性无功功率, 可全部或部分切除, 不能平滑调节, 在最小负荷时， 通常切除变电站的全部电容器， 在负荷高峰期, 将变电站的并联电容器投入运行。电容器对电压无功的调节作用体现在: 当投入电容器后, 流过变压器的无功减少， 同时变压器二次侧电压上升； 当切除电容器后， 流过变压器的无功增加， 同时变压器二次侧电压下降。
2. 电力系统频率调节
影响系统频率的因素:导致电力系统频率变化的主要因素
　　—-有功负荷的变化。
　　　频率f(Hz）取决于发电机组的转速n（转/分)：
　　　f=pn/60
　　其中：p-—发电机的磁极对数。
　　　发电机转速n是由作用在发电机组转轴上的转矩或功率平衡所确定,即取决于发电机组的输入功率（蒸汽量或进水量）和输出功率（电负荷和热负荷)的平衡.该平衡受到破坏，则会导致频率变化。

有功功率的调节：
现代电力系统中并联运行的发电机组台数很多，负荷的数量就多，且分布在辽阔的地理区域之内。不难想象，控制如此庞大的电力系统，使频率满足要求、功率分布得经济合理是一项十分复杂得工作。为了使问题简化并突出主要矛盾，在分析电力系统频率和有功功率自动控制时 ,常将电力系统内并联运行得所有机组用一台等效机组代替；将电力系统内所有负荷用一个等效负荷代替；然后使用发电机组单机带负荷运行时频率和有功功率控制得基本原理和方法进行分析和计算。
电力系统负荷的静态频率特性
负荷的有功功率随着频率而变化得特性叫做负荷的静态频率特性.电力系统负荷功率与频率的关系为
零次方负荷：负荷功率与频率变化无直接关系，如电热、照明、电弧炉及整流负荷.
一次方负荷：负荷功率与频率成比例关系,如金属切削机床、磨煤机、卷扬机等。
二次方负荷：负荷功率与频率平方成比例关系，这类机械不多，但电力系统中的网损即是。
三次方负荷：负荷功率与频率三次方成比例关系，火电厂的厂用机械多属于此类,如鼓风机、循环水泵等.
此外，还有一些高水头的水泵,如给水泵，则是与频率的更高次方成正比。
电力系统负荷的静态频率特性曲线如图所示。可以看出当频率下降时负荷从系统取用的有功功率将下；系统频率升高时负荷从系统取用的有功功率将增加.这种现象称为电力系统负荷的频率调节效应,简称负荷调节效应,并用负荷调节效应系数来衡量负荷调节作用的大小.
负荷调节效应与负荷的组成和比重有关。
电力系统等效发电机组的静态调节特性
等效机组的调差系数和以及静态调节方程式的物理意义与单机调速系统一直.调差系数的倒数称为机组的单位调节功率,即
电力系统频率控制的基本原理
集中调频方式示意图：
调频电厂的选择：
电力系统中并联运行的发电机组都装有调速器。当系统负荷变化时，有可调容量的机组均参与频率的一次调整，而二次调整只由部分发电厂承担。从是否承担频率的二次调整任务出发,可将系统中所有发电厂分为调频厂和非调频厂两类.调频厂负责全系统的频率调整任务；非调频厂在系统正常运行情况下只按调度控制中心预先安排的负荷曲线运行,而不参加频率调整。选择调频电厂时,主要考虑下列因素:
(1)具有足够大的容量和可调范围；
(2）允许的出力调整速度满足系统负荷变化速度的要求；
(3)符合经济运行原则;
(4）联络线上交换功率的变化不致影响系统安全运行。
系统的经济调度：电力系统运行的经济性当然与电力系统的设计有很大关系,因为电厂厂址的选择与布局、燃料的种类与运输途径、输电线路的长度与电压等级等都是设计阶段的任务，而这些都是与系统远行的经济性有关的问题.对于一个已经投入运行的系统，其发供电的经济性就取决于系统的调度方案了。一般说来，大机组比小机组效率高，新机组比日机组效率高，高压输电比低压输电经济。但调度时首先要考虑系统的全局，要保证必要的安全水平，所以要合理安排备用容量的分布，确定主要机组的出力范围竿。由于电力系统的负荷是经常变动的，发送的功率也必须随之变动。因此,电力系统的经济调度是一项实时性很强的工作，在使用调度自动化系统以后，这项任务大部分已依靠计算机来完成了。理安排备用容量分布，确定主要机组的出力范围竿。由于电力系统的负荷是经常变动的，发送的功率也必须随之变动。因此，电力系统的经济调度是一项实时性很强的工作，在用调度自动化系统以后,这项任务大部分已依靠计算机来完成了。
3、电力系统调度运行自动化
电力系统调度:
为完成前述的调度任务,根据电力系统在结构与分布上的特点，一宜盛行分级调度印制度.即一般将整个电力系统按输电线路与变电所的电压等级分届不同的调度单位进行电能生产的日常管理与控制.电力系统的分级调度虽然与行政隶属关系的结构相类似．但却是电能生产过程的内部特点所决定的。—'般来说，高压网络传送的功率大,影响着该系统的全局，如果高压网络发个了事故,有关的低压网络肯定会受到很大的影响，致使正常的供电过程遇到障碍；反过来则不一样，如果故障只是发生在低压网络、高压网络则受影响较小，不致影响系统的全局，这就是分级调度较为合理的技术原因.从网络结构上看，低压网络,特别是城市供电网络，往往线路繁多，构图复杂，W高压网络则线路反而少些；但是调度电力系统却总是对高压网络运行状态的分析与控制倍加注意,对其运行数据与信息的收集与处理、运行方式的分析与监视等都作得十分严谨．也是基于上述的原因。因此，中心调度是电力系统实时调度及调度自动化的典型例子.
分级调度结构图
自动发电控制
4、变电站综合自动化
.变电站综合自动化系统的功能
变电站综合自动化是多专业性的综合技术，它以微计算机为基础，实现了对变电站传
统的继电保护、控制方式、测量手段、通信和管理模式等的全面技术改造。国际大电网会
议WG34.03工作组在研究变电站的数据流时，分析了变电站综合自动化需完成的功能大概
有63种，归纳起来可分为以下几种功能组:①控制、监视功能；②自动控制功能；③测量
表计功能；④继电保护功能;⑤与继电保护有关功能;⑥接口功能；⑦系统功能。
结合我国的情况，变电站综合自动化系统的基本功能体现在下述五个方面。
监控、微机保护、电压、无功综合控制、低频减负荷控制、备用电源自动投入控制.
三、 未来展望与自我总结
电力系统有着远大的发展前景，随着社会的发展的，电力系统自动化会更趋向于自动化,网络化,数字化，会更好的促进电力行业的发展.
通过学习这门课程，是我更加详细的了解了电力系统的自动化，明确了它所包含的内容,对电力系统有了更深的理解。
参考文献：
1。李亚平。姚建国。黄海峰SVG技术在电网调度自动化系统中的应用［期刊论文］-电力系统自动化 2005(23)
2.辛耀中新世纪电网调度自动化技术发展趋势[期刊论文］-电网技术 2001（12）
3.姚建国。高宗和。杨志宏EMS应用软件支撑环境设计和功能整合［期刊论文]—电力系统自动化 2006（04）