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 2011.7.172011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。

U 图1 正弦整步电压波形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，请问哪种频差情况满足并列操作的要求，为什么？u (b) u t.ad 2π u δu u t.ad 2πu δ图2 两种频差情况的U t.ad 与U δ.ad 关系波形图(a)u uu 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IQ －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？Uψ IG I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 =+感应电动势q E 和机端电压G U 的代数关系为：cos (cos 1)q G G Q d q G Q dG 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。

Q U G QU G图4. 电力系统的功率-频率关系及频率特性 fPf 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。