电力系统自动化-导论2015-李国杰
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Q U ABI I AR U ABR I AI U CBI I CR U CBR I CI
功角的计算
内功角 外功角
i
一般情况下功角指的是外功角 q
E q
a
E Q
( X X ) jI d q
隐极机： Xd=Xq
U jI X E q G q U jI X U x G e
Q U AI I AR U BI I BR U CI I CR U AR I AI U BR I BI U CR I CI
两表法：
I I ˆ ˆ S U U AB A CB C
P U ABR I AR U ABI I AI U CBR I CR U CBI I CI
标度变换系数
被测量的满量程与模/数转换的输出量,两者呈线性比 例关系,比例系数为K,称为标度变换系数。 设遥测量的实际值为S,模/数转换后的值为D,则 K=S/D 因为S和D呈线性比例关系,所以可以以满量程的对应 关系来求出标度变换系数K。
标度变换补充知识
例如被测电流的满量程为1500A，经变换后的满量程结 果为2047（11位非符号位）。
电力系统自动化
电力系统自
动装置
同步发电机 自动并列 自动调节 励磁 自动调频 自动按频 率减负荷
电网监控与
自动化系统
电网调度
自动化
变电站自动 化 配电自动化 电力系统信息 建模与集成
电力系统自动装置的功能
调压、调频功能
调整系
统电压 调整系
统频率
电力系统自动装置的发展历程
自动装置
常规的自动装置
采样
量化
编码
模拟信号在时间和幅值上是连续变化的， 数字信号在时间和幅值上是离散的， 模拟信号可以通过模拟信号--数字信号转换器即A/D转化为 数字信号。
采样频率的最小值理论上为模拟信号中最高频率的2倍.
电力系统数据预处理
数据预处理需求
测量时要滤除高次谐波的干扰 多路交流采样时，采样次数受限制，计算的高次谐 波信息不完整 模拟滤波：滤宽频段 数字滤波：灵活，受采样率限制
课程的教学安排
周次 1 1-2 2-4 4-5 5-6 7 8 9 10 11 12 13 教学内容 电力系统自动化导论 发电机自动准同期并列（第二章） 同步发电机自动励磁系统（第三章） 同步发电机同期、励磁调节器实验 电力系统自动调频（第五章） 习题课，期中考试， 小论文开题 面向对象信息建模 电力系统通信 电网调度自动化 变电站自动化 电网监控系统、实验变电站仿真实验 习题课，小论文交稿 期末考试 2课时 4课时 8课时 4课时 6课时 4课时 4课时 4课时 4课时 4课时 4课时 2课时 课时
基频信号的有效值
2 N 1 2 ( U (k-(N-1-m))cos( m) N m 0 N
2 N 1 2 U I ( U (k-(N -1-m))sin ( m) N m 0 N
U
2 U2 U R I 2
交流采样的电量计算
交流采样的电量计算
电压/电流量采用工频周期内12点采样法：
电力系统运行状态
正常运行状态－绿色 （满足负荷要求，有一定的安全储备）
储备系数减小 或干扰概率增大
N-1
恢复状态－黄色 （重新并列）
警戒状态－黄色 （预防性控制）
由于外界干扰 使电压、频率、 潮流越限
系统崩溃－黑色 （切机、切负荷 断开线路）
解列
紧急状态－红色 （紧急控制）
智能电网
国家电网对智 能电网的理解 国际对智能 电网的理解 自愈
二进制小数点后出现零
但在S/D小于0.5时，对应的二进制仍会出现有效位数 不足11位的情况。例如满量程值为300A的电流：
300 S/D 0.146555935 0.00100101100 B 2047
实际有效位为9位。 解决方法是将二进制数左移2位，0.10010110000B， 并在N移位标志上设置相应值。
1882年，第一次
1885年，实现
单相交流输电； 直流输电(6台直流 1891年，实现 发电机，总容量 670千瓦, 59个用户， 了三相交流输 电。 L=1.5km 110伏)
（爱迪生）
电力系统的形成和发展
1891年第一 个远距离输 电系统
起于劳芬镇，终于法兰克福 全长175km 升压变压器将电压升高至 15.2kV，200kW 用两台降压变压器将电压降 至112V
标度变换作用
在被控系统中有各种不同的遥测量，它们的数值不同， 量纲相异。 但是经过相应的变送器后，即变成统一的0～5V直流 模拟电压送入装置。 经过A/D转换器，变换成几位二进制数。
为了解决用什么方法才能将遥测量的绝对值显示出来 的问题，并能在接收端用同一数码显示器显示不同的 遥测量值，就要乘以不同的系数。 这个过程称为标度变换
qk uak ia
dq坐标
N k 4
ubk ib
N k 4
uck ic
k
N 4
P ud id uqiq
Q uqid ud iq
频域计算法
来自百度文库 周期信号
a0 f ( t ) (a n cosn0 t b n sinn 0 t) 2 n 1
2 T a 1 2T f ( t )cos0 t dt T 2
标度变换公式
A。——一次测量仪表的下限；
Am ——一次测量仪表的上限； Ax ——实际测量值(工程量)；
N。——仪表下限对应的数字量，
Nm ——仪表上限对应的数字量 Nx ——测量值所对应的数字量。
( Ax A0) : ( Nx N 0) ( Am Ao) : ( Nm N 0)
电力系统自动化 导论
李国杰 上海交通大学 电气工程系
内容
电力系统自动化的概念的引入 电力系统自动装置的功能 电力系统自动装置的发展历程 采样、量化和编码 电力系统数据预处理 课程的教学安排 学习方法和考核要求
电力系统自动化的概念的引入
电力系统的形成和发展
1831年，法拉 第发现了电磁 感应定律,随后 发明了交流发 电机、直流发 电机 （麦克斯韦）
n=1基频分量余弦系数 正弦系数 f(t)的基频分量
2 b1 T
T 2 T 2
f ( t )sin 0 t dt
f1 ( t ) a1cos1t b1sin1t
f1 ( t ) 2 Fcos(1t )
频域计算法
离散化，每周期采样N次， UR 第k次实部UR 虚部UI
S/D 1500 0.732779677 0.10111011100 B 2047
标度变换系数K在遥测系数区中以两个字节存放，其格式：
F1 F2 N1 N2 0/1 S/D （11位标度变换系数） 小数点 移位标志 正/ -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 标志 负
数字式微机自动装置
变电站（发电厂）综合自动化
自动装置的组成
硬件构成形式
1.
2. 3. 4.
微型计算机系统
工业控制计算机系统 集散控制系统DCS和现场总线系统FCS 综合自动化系统CIPS(最上、上、中间、下)
微型计算机系统
采样、量化与编码技术
模拟信号--数字信号转换器（Analog to Digital Conversion),简称A/D，内部分采样、量化和编码三个部分
我国历史上的大停电
1996 北京大面积停电 1985 大连大面积停电 1980 湖北黄石大面积停电 1973上海、常州、新安江发生大面积停电
2012年印度电网大停电
7月30日, 北部电网崩溃, 影响9省 370万人 7月 31日, 电网再次崩溃. 超过620 万人受影响.
电网网架落后 自动化程度低
满量程值为300A的电流的遥测系数 0010010010110000B
电量计算
电压电流幅值计算
1 T
1 T
U
T
0
T
1 2 u (t )dt N
1 2 i (t )dt N
2 u k k 1
N
均方根
0
i
k 1
N
2 k
1 N
u
k 1
N
2 k
I
1 N
2 i k k 1
N
1 3 1 U 1 U 11 U 5 U 7 U 2 U 10 U 4 U 8 U R U 0 U 6 6 2 2
1 3 1 U 2 U 4 U 8 U 10 U 1 U 5 U 7 U 11 U I U 3 U 9 6 2 2
信息 化
自动 化
集成
兼容
互动 化
互动
优化
智能电网是世界各国电力工业应对未来挑战的共同选择， 是21世纪电力系统的发展方向。
学过的课程对电力系统安全有何作用?
继电保护 电力系统分析 发电厂电气部分
• 快速切除故障 • 保护原理
• 潮流计算 • 短路计算 • 稳定计算 • 变电站主接线 • 发电厂电气设备 • 发电厂二次系统
1500A电流的遥测系数 K = 0000010111011100
十进制小数点后出现零
若某电流的幅值满量程为150A，则
S/D 150 0.0732779677 0.00010010110 B 2047
这一系数的有效位仅有8位，当模/数转换的 结果与之相乘后，有效位数减少了
为了保证有效位数，将十进制数放大10倍。 即把F1F2置为01。例如幅值为150A的电流，可得 0100010111011100B
更大的电力 系统出现
• 汽轮机取代蒸汽机
• 交流电取代直流电
• 高电压取代低电压 • 输电距离增加
现代电力系统时代
电源和负荷 特点 运行与管理 特点
• 可再生能源比例逐步增大 • 分布式电源比例逐步增大 • 负荷成分发生巨大变化 • 调度运行高度自动化 • 系统管理高度信息化 • 交流输电电压超过1000kV • 直流输电电压达到±800kV • 输电距离超过1000km • 输电功率超过3000MW
有功功率和无功功率采用“三表法”和“两表法” 功角采用余弦定理获得
频域三相功率计算
三表法：
I I I ˆ ˆ ˆ S U U U A A B B C C
P U AR I AR U BR I BR U CR I CR U AI I AI U BI I BI U CI I CI
输电电压与
距离特点
北美8.14大停电
北美大停电
影响区域: 人口: 输电网: 发电机: 负荷: 恢复时间: NE USA (8 States) Canada (2 Provinces) 50 million 54,000 km (34,000 miles) 290 units 61,800 MW 1 day to New York City 2 days to Detroit Other parts, up to 4 days U.S., $4 – 10 billion Canada, $2.3 billion (Canadian)
损失:
大停电原因
小事故酿成大灾难
线路走廊维护差。调度自动化和信息系统不完善。 电网结构不合理。人员培训不足。
自动化系统缺陷
北美历史上的大停电
11. 9, 1965 – Northeast 7.13, 1977 – New York City 12.22, 1982 – West Coast 7.2-3, 1996 – West Coast 8.10, 1996 – West Coast 6.25, 1998 – MAPP
式中uk、ik是电压、电流在一周期N次采样中的第k次 采样值。
三相功率计算
按定义计算三相有功功率P和无功功率Q
平均功率
P 3UI cos
Q 3UI sin
瞬时法
p(t ) ua (t )ia (t ) ub (t )ib (t ) uc (t )ic (t )
pk uak iak ubk ibk uck ick
B
X jI q
设 OB a
OA b
1 2 2
AB c
2
U G
c b a 则 a cos 2ab
a
i
X jI e AU
x
I
O
d
以EQ为参考（零度），求取向量UX，就可以求得功角.
课程的教学安排
教材
《电力系统自动装置原理》第五版 中国电力出版社 杨冠城 主编 《面向对象的电力系统自动化》 中国电力出版社 刘东 张沛超 李晓露编著
功角的计算
内功角 外功角
i
一般情况下功角指的是外功角 q
E q
a
E Q
( X X ) jI d q
隐极机： Xd=Xq
U jI X E q G q U jI X U x G e
Q U AI I AR U BI I BR U CI I CR U AR I AI U BR I BI U CR I CI
两表法：
I I ˆ ˆ S U U AB A CB C
P U ABR I AR U ABI I AI U CBR I CR U CBI I CI
标度变换系数
被测量的满量程与模/数转换的输出量,两者呈线性比 例关系,比例系数为K,称为标度变换系数。 设遥测量的实际值为S,模/数转换后的值为D,则 K=S/D 因为S和D呈线性比例关系,所以可以以满量程的对应 关系来求出标度变换系数K。
标度变换补充知识
例如被测电流的满量程为1500A，经变换后的满量程结 果为2047（11位非符号位）。
电力系统自动化
电力系统自
动装置
同步发电机 自动并列 自动调节 励磁 自动调频 自动按频 率减负荷
电网监控与
自动化系统
电网调度
自动化
变电站自动 化 配电自动化 电力系统信息 建模与集成
电力系统自动装置的功能
调压、调频功能
调整系
统电压 调整系
统频率
电力系统自动装置的发展历程
自动装置
常规的自动装置
采样
量化
编码
模拟信号在时间和幅值上是连续变化的， 数字信号在时间和幅值上是离散的， 模拟信号可以通过模拟信号--数字信号转换器即A/D转化为 数字信号。
采样频率的最小值理论上为模拟信号中最高频率的2倍.
电力系统数据预处理
数据预处理需求
测量时要滤除高次谐波的干扰 多路交流采样时，采样次数受限制，计算的高次谐 波信息不完整 模拟滤波：滤宽频段 数字滤波：灵活，受采样率限制
课程的教学安排
周次 1 1-2 2-4 4-5 5-6 7 8 9 10 11 12 13 教学内容 电力系统自动化导论 发电机自动准同期并列（第二章） 同步发电机自动励磁系统（第三章） 同步发电机同期、励磁调节器实验 电力系统自动调频（第五章） 习题课，期中考试， 小论文开题 面向对象信息建模 电力系统通信 电网调度自动化 变电站自动化 电网监控系统、实验变电站仿真实验 习题课，小论文交稿 期末考试 2课时 4课时 8课时 4课时 6课时 4课时 4课时 4课时 4课时 4课时 4课时 2课时 课时
基频信号的有效值
2 N 1 2 ( U (k-(N-1-m))cos( m) N m 0 N
2 N 1 2 U I ( U (k-(N -1-m))sin ( m) N m 0 N
U
2 U2 U R I 2
交流采样的电量计算
交流采样的电量计算
电压/电流量采用工频周期内12点采样法：
电力系统运行状态
正常运行状态－绿色 （满足负荷要求，有一定的安全储备）
储备系数减小 或干扰概率增大
N-1
恢复状态－黄色 （重新并列）
警戒状态－黄色 （预防性控制）
由于外界干扰 使电压、频率、 潮流越限
系统崩溃－黑色 （切机、切负荷 断开线路）
解列
紧急状态－红色 （紧急控制）
智能电网
国家电网对智 能电网的理解 国际对智能 电网的理解 自愈
二进制小数点后出现零
但在S/D小于0.5时，对应的二进制仍会出现有效位数 不足11位的情况。例如满量程值为300A的电流：
300 S/D 0.146555935 0.00100101100 B 2047
实际有效位为9位。 解决方法是将二进制数左移2位，0.10010110000B， 并在N移位标志上设置相应值。
1882年，第一次
1885年，实现
单相交流输电； 直流输电(6台直流 1891年，实现 发电机，总容量 670千瓦, 59个用户， 了三相交流输 电。 L=1.5km 110伏)
（爱迪生）
电力系统的形成和发展
1891年第一 个远距离输 电系统
起于劳芬镇，终于法兰克福 全长175km 升压变压器将电压升高至 15.2kV，200kW 用两台降压变压器将电压降 至112V
标度变换作用
在被控系统中有各种不同的遥测量，它们的数值不同， 量纲相异。 但是经过相应的变送器后，即变成统一的0～5V直流 模拟电压送入装置。 经过A/D转换器，变换成几位二进制数。
为了解决用什么方法才能将遥测量的绝对值显示出来 的问题，并能在接收端用同一数码显示器显示不同的 遥测量值，就要乘以不同的系数。 这个过程称为标度变换
qk uak ia
dq坐标
N k 4
ubk ib
N k 4
uck ic
k
N 4
P ud id uqiq
Q uqid ud iq
频域计算法
来自百度文库 周期信号
a0 f ( t ) (a n cosn0 t b n sinn 0 t) 2 n 1
2 T a 1 2T f ( t )cos0 t dt T 2
标度变换公式
A。——一次测量仪表的下限；
Am ——一次测量仪表的上限； Ax ——实际测量值(工程量)；
N。——仪表下限对应的数字量，
Nm ——仪表上限对应的数字量 Nx ——测量值所对应的数字量。
( Ax A0) : ( Nx N 0) ( Am Ao) : ( Nm N 0)
电力系统自动化 导论
李国杰 上海交通大学 电气工程系
内容
电力系统自动化的概念的引入 电力系统自动装置的功能 电力系统自动装置的发展历程 采样、量化和编码 电力系统数据预处理 课程的教学安排 学习方法和考核要求
电力系统自动化的概念的引入
电力系统的形成和发展
1831年，法拉 第发现了电磁 感应定律,随后 发明了交流发 电机、直流发 电机 （麦克斯韦）
n=1基频分量余弦系数 正弦系数 f(t)的基频分量
2 b1 T
T 2 T 2
f ( t )sin 0 t dt
f1 ( t ) a1cos1t b1sin1t
f1 ( t ) 2 Fcos(1t )
频域计算法
离散化，每周期采样N次， UR 第k次实部UR 虚部UI
S/D 1500 0.732779677 0.10111011100 B 2047
标度变换系数K在遥测系数区中以两个字节存放，其格式：
F1 F2 N1 N2 0/1 S/D （11位标度变换系数） 小数点 移位标志 正/ -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 标志 负
数字式微机自动装置
变电站（发电厂）综合自动化
自动装置的组成
硬件构成形式
1.
2. 3. 4.
微型计算机系统
工业控制计算机系统 集散控制系统DCS和现场总线系统FCS 综合自动化系统CIPS(最上、上、中间、下)
微型计算机系统
采样、量化与编码技术
模拟信号--数字信号转换器（Analog to Digital Conversion),简称A/D，内部分采样、量化和编码三个部分
我国历史上的大停电
1996 北京大面积停电 1985 大连大面积停电 1980 湖北黄石大面积停电 1973上海、常州、新安江发生大面积停电
2012年印度电网大停电
7月30日, 北部电网崩溃, 影响9省 370万人 7月 31日, 电网再次崩溃. 超过620 万人受影响.
电网网架落后 自动化程度低
满量程值为300A的电流的遥测系数 0010010010110000B
电量计算
电压电流幅值计算
1 T
1 T
U
T
0
T
1 2 u (t )dt N
1 2 i (t )dt N
2 u k k 1
N
均方根
0
i
k 1
N
2 k
1 N
u
k 1
N
2 k
I
1 N
2 i k k 1
N
1 3 1 U 1 U 11 U 5 U 7 U 2 U 10 U 4 U 8 U R U 0 U 6 6 2 2
1 3 1 U 2 U 4 U 8 U 10 U 1 U 5 U 7 U 11 U I U 3 U 9 6 2 2
信息 化
自动 化
集成
兼容
互动 化
互动
优化
智能电网是世界各国电力工业应对未来挑战的共同选择， 是21世纪电力系统的发展方向。
学过的课程对电力系统安全有何作用?
继电保护 电力系统分析 发电厂电气部分
• 快速切除故障 • 保护原理
• 潮流计算 • 短路计算 • 稳定计算 • 变电站主接线 • 发电厂电气设备 • 发电厂二次系统
1500A电流的遥测系数 K = 0000010111011100
十进制小数点后出现零
若某电流的幅值满量程为150A，则
S/D 150 0.0732779677 0.00010010110 B 2047
这一系数的有效位仅有8位，当模/数转换的 结果与之相乘后，有效位数减少了
为了保证有效位数，将十进制数放大10倍。 即把F1F2置为01。例如幅值为150A的电流，可得 0100010111011100B
更大的电力 系统出现
• 汽轮机取代蒸汽机
• 交流电取代直流电
• 高电压取代低电压 • 输电距离增加
现代电力系统时代
电源和负荷 特点 运行与管理 特点
• 可再生能源比例逐步增大 • 分布式电源比例逐步增大 • 负荷成分发生巨大变化 • 调度运行高度自动化 • 系统管理高度信息化 • 交流输电电压超过1000kV • 直流输电电压达到±800kV • 输电距离超过1000km • 输电功率超过3000MW
有功功率和无功功率采用“三表法”和“两表法” 功角采用余弦定理获得
频域三相功率计算
三表法：
I I I ˆ ˆ ˆ S U U U A A B B C C
P U AR I AR U BR I BR U CR I CR U AI I AI U BI I BI U CI I CI
输电电压与
距离特点
北美8.14大停电
北美大停电
影响区域: 人口: 输电网: 发电机: 负荷: 恢复时间: NE USA (8 States) Canada (2 Provinces) 50 million 54,000 km (34,000 miles) 290 units 61,800 MW 1 day to New York City 2 days to Detroit Other parts, up to 4 days U.S., $4 – 10 billion Canada, $2.3 billion (Canadian)
损失:
大停电原因
小事故酿成大灾难
线路走廊维护差。调度自动化和信息系统不完善。 电网结构不合理。人员培训不足。
自动化系统缺陷
北美历史上的大停电
11. 9, 1965 – Northeast 7.13, 1977 – New York City 12.22, 1982 – West Coast 7.2-3, 1996 – West Coast 8.10, 1996 – West Coast 6.25, 1998 – MAPP
式中uk、ik是电压、电流在一周期N次采样中的第k次 采样值。
三相功率计算
按定义计算三相有功功率P和无功功率Q
平均功率
P 3UI cos
Q 3UI sin
瞬时法
p(t ) ua (t )ia (t ) ub (t )ib (t ) uc (t )ic (t )
pk uak iak ubk ibk uck ick
B
X jI q
设 OB a
OA b
1 2 2
AB c
2
U G
c b a 则 a cos 2ab
a
i
X jI e AU
x
I
O
d
以EQ为参考（零度），求取向量UX，就可以求得功角.
课程的教学安排
教材
《电力系统自动装置原理》第五版 中国电力出版社 杨冠城 主编 《面向对象的电力系统自动化》 中国电力出版社 刘东 张沛超 李晓露编著