2005-12B答案电力系统自动化

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电子科技大学二零零五至二零零六学年第二学期
1、简述电力系统自动化的含义和内容。

答：电力系统自动化就是根据电力系统本身特有的规律，应用自动控制原理，采用自动控制装置来自动地实现电力生产的安全可靠运行。

即应用各种具有自动检测、反馈、决策和控制功能的仪表和装置，通过信号系统、数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，以保证电力系统具有合格的供电质量和安全经济运行。

目的：保证电力系统安全可靠运行，减轻人的劳动强度，提高生产效率。

电力系统自动化也是自动化的一种具体形式。

电力系统自动化的主要内容有：电力系统调度自动化、电厂自动化、配电自动化、变电站自动化，即电力系统自动监视和控制系统、电厂动力机械自动控制系统、变电站自动控制系统、电力系统自动装置系统。

2、简述电网监控与调度自动化系统的基本结构和基本功能。

答：以计算机为核心的电网监控与调度自动化系统按其功能分为四个子系统：①信息采集和命令执行子系统。

是指设置在发电厂和变电所中的远动终端向调度控制中心传送信息的子系统。

远动终端（RTU）与主站配合可以实现四遥功能：即遥测、遥信、遥控、遥调。

②信息传输子系统。

③信息的收集、处理和控制子系统。

④人机联系子系统。

电网监控与调度自动化系统的基本功能：①变电站自动化：变电站综合自动化采用分布式系统结构、组网方式、分层控制，其基本功能通过分布于各电气设备的RTU对运行参数与设备状态的数字化采集处理、继电保护微机化、监控计算机与各RTU和继保装置的通信，完成对变电站运行的综合控制、完成遥测、遥信数据的远传与控制中心对变电站电气设备的遥控及遥调，实现变电站的无人值守。

②配电网管理系统（DSM）：是一种对变电、配电到用电过程进行监视、控制、管理的综合自动化系统，其中包括配电自动化（DA）、地理信息系统（GIS）、配电网络重构、配电信息管理系统（MIS）、需方管理（DSM）等几部分。

③能量管理系统（EMS）：主要包括数采与监控（SCADA）、自动发电与经济调度（AGC/EDC）、系统状态估计与安全分析（SE/SA）、配电自动化与管理（DA/DMS）、调度模拟培训（DTS）等。

3、简述远动终端的构成及功能。

答：远动终端（Remote Terminal Unit）是调度自动化系统基础设备。

它安装于各发电厂、变电所内，负责采集所在发电厂或变电所表征电力系统运行状态的模拟量或数字量，监视并向调度中心传送这些模拟量或数字量，执行调度中心发往发电厂或变电所的控制和调节命令。

现代的远动终端是一个以微型计算机为核心的具有多输入/输出通道，功能较为齐全的计算机系统。

作为采集电网运行数据和执行调度命令的远动终端，其作用也越来越重要。

RTU的基本组成：RTU的硬件；RTU的软件。

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在电网监控系统中，RTU 的功能是指RTU 对电网的监视和控制能力，也包括RTU 的自检、自调和自恢复等能力。

通常RTU 的功能可划分为远方功能和当地功能。

RTU 与调度中心之间通过远距离信息传输所完成的监控功能称为RTU 的远方功能。

远方功能有以下几种：①遥测（Tele metering ）即远程测量。

②遥信（Tele indication 或Tele signalisation ）即远程信号。

③数字值④计数脉冲⑤遥控⑥遥调⑦事件顺序记录⑧电力系统统一时钟⑨转发⑩适合多种规约的数据远传。

当地功能：RTU 的当地是指RTU 通过自身或连接的显示、记录设备，就地实现对电网的监视和控制的能力。

其他功能：RTU 的自检与自调功能反映了装置的可维护能力。

可维护能力越强，RTU 的可用率将越高。

RTU 的程序自恢复能力是指RTU 在受到某种干扰影响而使程序“走飞”时，能够自行恢复正常运行的能力。

4、简述同步发电机并列操作的意义及方法。

答：由于电网运行的需要，同步发电机经常需要投入或退出电网，将同步发电机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作。

通常一台发电机组在未投入系统运行之前，它与系统中其它发电机是不同步的。

它的电压U G 与并列母线电压U X 往往不等，因而须对待并发电机组进行适当的操作，使之符合并列条件后才允许断路器DL 合闸作并网运行，这一系列操作称为并列操作。

同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。

任何不恰当的并列操作，都可能会给发电机本体造成损害，甚至引起系统的不稳定运行。

并列操作也是较为频繁的一项操作。

同步发电机的并列方法可分为准同期并列和自同期并列两种。

在电力系统正常运行情况下，一般采用准同期并列方法将发电机组投入运行。

同步发电机准同期并列必须满足三个条件，即：合闸电压相等，合闸频率相等，合闸相角差为零。

0321===δe X G X G f f U U ）；（）；（）（
以上三个条件为准同期并列理想条件。

在理想条件下，发电机与系统并列时不会有任何冲击电流产生。

自同期并列是将一台未加励磁电流的发电机在接近同步转速时直接投入系统后再给发电机加上励磁电流，然后由系统将发电机拖入同步。

这种同期方式，必然会产生冲击电流，它的特点是操作简单，投入时间短。

所以通常用于小型水轮发电机上。

实际运行中待并发电机组的三个条件很难同时满足。

在实际操作并列合闸时只要冲击电流较小，不危及电气设备，合闸后发电机组能迅速拉入同步运行即可。

因此，在实际并列操作中，并列条件允许在一定的允许范围之内的偏离。

5、简述励磁调节装置的基本原理。

答：同步发电机是将旋转形式的机械功率转换成三相交流电功率特定的机械设备。

为了完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流，又称转子电流，与励磁电流有关的元件和设备，统称为励磁系统。

同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。

励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。

整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈闭环控制系统。

励磁控制系统是由同步发电机、励磁功率单元及励磁调节器共同组成的自动控制系统，励磁调节器检测发电机的电压、电流或其它状态量，然后按给定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，
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从而实现自动控制功能。

在电力系统运行中的各种励磁调节器，无论是机电型的、电磁型、还是半导体型的，都属于比例式调节器。

它们在U Gb~U Ga区间内都具有线段ab所示的特性，这就是比例式自动励磁调节器共有的基本调节特性。

励磁调节器按调节原理来划分，可分为反馈型和补偿型两类。

反馈型励磁调节器是按被调量与给定量的偏差进行调节，使被调量接近于给定值，因此能较好地维持电压水平。

如半导体励磁调节就是采用反馈型原理。

补偿型励磁调节器是补偿某些因素所引起被调量的变动，使被调量维持在所要求的定值附近。

如复式励磁调节器就是采用补偿型原理。

半导体励磁调节器原理：主要由基本控制和辅助控制两大部分组成。

基本控制由调差、测量比较、综合放大和移相触发单元组成，实现电压调节和无功功率分配等最基本的调节功能。

辅助控制是为满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，由一系列限制器所构成。

6、简述电力系统频率调整的方法。

答：维持频率恒定的频率调整，是使有功功率的产生和消耗，适当保持平衡的这样一种调节方式。

系统故障时的不平衡情况非常严重，为此，采取以下两种调整方式。

①平常情况下的调整方式
在实际的电力系统中，稳定的状态下产生负荷变化和发电机的并联、解列时，或者在日常运行中发生轻微故障等造成的功率过量或不足时，采取调速器调节发电机转速的同时，采取调节发电机发电功率这种与负荷偏差相对应地负荷频率调整（LFC）的方式。

②紧急情况时的调整方式
由于产生大的故障异常使功率供需平衡中产生严重的过量或不足时，只采用负荷频率调整是不能完全解决问题的。

为此，视频率下降的速度和功率过量或不足的情况，切断并停止一部分发电机，进行电源限制；或用系统保护继电器紧急停止对一部分用户的供电来进行负荷限制，紧急情况下采取这些频率保持调整方式来解决。

频率调整系统由平常情况和紧急情况两种调整方式组成。

把频率调整系统分成三种：
①采用发电机调速器的频率调整；
②系统整体的频率调整；
③考虑连接线效果的频率调整。

7、简述电力系统电压调节的方法。

答：常用的调压措施有：调节励磁电流以改变发电机端电压；适当选择变压器的变比；并联静电电容器和装设同步调相机以改变无功功率的分布，使电压损耗减小；串联电容补偿以改变网络参数X，从而减小电压损耗。

要尽量做到各种调压措施的合理应用。

当电力系统由于有功和无功不
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足而引起频率和电压都偏低时，因该首先解决有功功率的平衡问题。

因为频率的提高可以减少无功功率的缺额，这样将有利于电压的调整。

几种调压措施的比较：
在上述几种调压措施中，应优先考虑利用发电机调压，因为这种措施不需要附加设备，从而不需附加投资。

在多机系统中，调节发电机的励磁电流要引起发电机间无功功率的重新分配，应根据发电机与系统的连接方式和承担有功负荷的情况，合理地规定各发电机调压装置的整定值。

发电机调压时，一般采用逆调压方式，而且其无功功率的输出不应超过允许的限值。

当系统的无功功率供应比较充足时，可以通过选择变压器的分接头来实现调压。

对于普通的变压器，只能在变压器退出运行的条件下才能作分接头的改变。

因此，改变变压器变比调压，通常是指采用有载调压变压器或带有附加调压器的加压调压变压器，但是有载调压变压器比普通变压器价格贵。

在无功功率不足的情况下，不能靠改变变压器的变比调压，常采用无功补偿设备来增加无功电源，改变电力网的无功功率分布。

无功功率补偿设备有调相机、静止补偿器、并联电容器等，这几种各有不同特点，只能根据电力系统的具体情况，在不同的地点采用不同的方法。

如对网络中一些枢纽变电所，可以考虑采用调相机。

调相机能够平滑调压，在高峰负荷时过励运行，发出无功，低谷负荷时欠励运行，吸收无功。

但调相机属旋转设备需要维护和管理，所以最好装设在枢纽变电所。

当网络中个别母线的电压较低时可以采用静止补偿器或并联电容器。

此外，在输电线路上串联电容器，可以补偿线路的电抗，通过改变线路参数，降低无功损耗，起到调压作用。

从调压的角度看，并联电容补偿和串联电容补偿的作用都在于减少电压损耗的QX/U 分量，并联补偿能减少Q，串联补偿能减少X。

只有在电压损耗中QX/U分量占有较大比重时，其调压效果才明显。

对于35kV或10kV的较长线路，导线截面较大约在70mm2以上，负荷波动大而频繁，功率因数又偏低时，采用串联补偿调压可能比较合适。

这两种调压措施都需要增加设备费用，采用并联补偿时可以从网损节约中得到抵偿。

在处理电压调整问题时，保证系统在正常运行方式下有合乎标准的电压质量是最基本的要求。

如果正常状态下的调压措施不能满足这一要求时，还应考虑采取特殊运行方式下的补充调压手段。

当电力系统由于有功和无功不足而引起频率和电压都偏低时，应该首先解决有功功率的平衡问题。

因为频率的提高可以减少无功功率的缺额，这对于电压调整是有利的，如果先调整电压，就会扩大有功缺额，导致频率的进一步下降。

8、简述电力系统无功功率调节的方法。

答：当系统中无功功率不够充足时，要采用各种无功补偿设备进行调压。

无功补偿的方式有并联补偿和串联补偿两种。

并联补偿是将调相机、静止补偿器或并联电容器等无功电源设备并联在主电路上，起到就地供应无功功率，减少线路上无功功率传输的作用。

串联补偿是将电容器串联在电路中以抵偿线路的部分感抗。

两种方式都能达到减少线路压降损耗的目的。

并联补偿设备的调节方式：
调相机的调节方式是改变励磁电流，这样即可平滑地改变它所发出（或吸收）的感性无功功率。

当调相机端电压为定值时，这个无功功率与励磁电流之间有线性关系。

直流助磁饱和电抗器型静止补偿器的调节方式是改变直流助磁电流，从而调节电抗器所吸收的无功功率，它的电容器支路是可以分组投切的。

当端电压为定值时，补偿器的无功功率与直流助磁电流之间也大致成线性关系。

可控硅控制电抗器静止补偿器的调节方式是通过改变可控硅的控制角来改变电抗器所吸收无功功
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率。

当端电压为定值时，其无功功率与控制角之间大致有余弦关系。

改变线路参数——串联电容：对于110kV 及以下电压的输电线路，为了调压的目的，在仅一端有电源时，可以在线路上串联电容器以抵偿一部分线路电抗。

串联电容器的安装地点要恰当地选择，以便使沿线电压尽可能均匀，各负荷点电压都在允许范围之内。

在单电源线路上，如果负荷是集中于线路末端的，则串联电容器应安装在线路末端，以免始端电压过高；同时，将串联电容放在线路末端可使通过电容器的短路电流不致过大。

当沿线有多个负荷时，可以在全线路1/2电压损耗处接入串补电容器。

二、问答题（每小题10分，共20分）
1、同步发电机准同期并列必须满足哪些条件？
答：同步发电机准同期并列必须满足三个条件，即并列断路器两侧电源电压的三个状态量全部相
等：⎪⎩⎪⎨⎧====（即相角差为零）（即电压幅值相等）（即频率相等）或0δωωe
x G x G X G
U U f f 以上三个条件为同步发电机准同期并列的理想条件，在理想条件下，发电机与系统并列时不会有任何冲击电流产生，即并列合闸的冲击电流等于零，并且并列后发电机G 与电网立即进行同步运行，不发生任何扰动现象。

在准同期并列操作中，合闸信号控制单元是准同期并列装置的核心部件，其控制原则是当频率和电压都满足并列条件的情况下，在•U G 与
•U X
要重合之前发出合闸信号。

两电压相量重合之前的信号称为提前量信号。

按提前量的不同，准同期并列装置可分为恒定越前相角和恒定越前时间两种原理。

2、同步发电机励磁系统的基本任务是什么？
答：（1）电压控制；（2）控制无功功率的分配；（3）提高同步发电机并列运行的稳定性；
（4）改善电力系统的运行条件：①改善异步电动机的自启动条件；②为发电机异步运行创造条件；③提高继电保护装置工作的正确性。

（5）水轮发电机组要求实现强行减磁。