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电力系统及其自动化

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  1. 电力系统及其自动化 任课教师:冯健

  2. 参考教材 • 《电力系统自动化》,商国才编著,天津大学出版社,2002. • 《电力系统自动控制新技术》,郭培源编著,科学出版社,2003.

  3. 第一章 诸论 1-1 电力系统概述 背景: 到2007年底我国发电装机总容量71329万千瓦,同比增长14.36%。 其中,水电达到14526万千瓦,约占总容量20.36%,同比增长11.49%;火电达到55442万千瓦,约占总容量77.73%,同比增长14.59%; 发电总能量已经达到32559亿千瓦时,居全世界第二位,仅次于美国。

  4. 电力系统示意图 电力系统示意图(虚框内为电网,包括输电网和配电网)

  5. 电力系统简图

  6. 国家电网(STATE GRID)概况 国家电网区域分布图

  7. 国家电网公司 • 成立于2002年12月29日,以建设运营电网为核心业务,负责所辖各区域电网之间的电力交易和调度,承担着为经济社会发展提供坚强电力保障的基本使命。 • 公司经营区域覆盖26个省、自治区、直辖市,覆盖国土面积的88%以上,直接服务客户1.45亿户,供电人口超过10亿,管理员工150.4万人。 • 五大发电集团——华能、大唐、华电、国电、中电投

  8. 国家电网公司组成

  9. 国网系统区域电网装机容量 南方电网 62740 32980 13820 109540

  10. 我国主要各区域电网装机容量对比

  11. 目前我国已经初步形成了以500kV(330kV)和220kV为骨干的电网结构,初步形成北、中、南三大“西电东送”通道,实现了区域内省间及跨区域电网互联。目前我国已经初步形成了以500kV(330kV)和220kV为骨干的电网结构,初步形成北、中、南三大“西电东送”通道,实现了区域内省间及跨区域电网互联。 • 截至2006年底,全国220千伏及以上输电线路回路长度28.15万公里,220千伏及以上变电设备容量98131万千伏安。

  12. 电力系统特点及组成 电力系统特点: 1、被控制对象复杂且庞大; 2、被控制参数很多; 3、干扰严重。 电力系统组成: 为了保证电力系统安全、优质、经济运行需要靠发电厂、变电站、配电线路和电能用户来实现。

  13. 火力发电 火电厂 火电厂中的汽轮机组

  14. 水力发电 三峡电站 (效果图)

  15. (10KV) 220-500KV 35-110KV 6-10KV 220/380V 10.5KV (330) ~~ 二次降压变电站 升压变压器 一次降压变电站 (地区降) 10.5V 指空载时端子电压 • 发电的其它一次能源主要有: 潮汐发电、地热发电、风能、核能发电、垃圾发电 • 变电站包括: 升压变电站(靠近电能起始端) 降压变电站(靠近电能用户) • 配电站:没有变压器,电站两端电压相同

  16. 变电站的输配电系统

  17. 电力系统的主要电气设备简介 主设备有: 电力变压器、高压断路器、隔离开关、 负荷开关、母线、电抗器、 电流互感器、电压互感器、电容器、 避雷器以及继电保护装置等。

  18. 电力变压器 是变电站的核心设备,通过它将一种电压的交流电能转换成另一种电压的交流电能,以满足输电或用电的需要。

  19. 高压断路器 惯称开关,是变电站的重要设备,用于1kV以上的高压电路中。由于它有熄灭电弧的机构,故作为闭合和开断电路的设备。与相应的继电保护及自动装置相配合能快速切断故障电流,防止事故扩大,保证系统的安全运行。

  20. 隔离开关 隔离开关是与高压断路器配合使用的设备,它没有熄弧机构,其主要功能是起隔离电压的作用。隔离开关必须在断路器开断后才允许拉开,而合闸时,隔离开关应先闭合,然后再将断路器接通。

  21. 负荷开关 是介于高压断路器之间的开关设备。在结构上它与隔离开关相似,但具有特殊的灭弧装置,能够断开相应的负荷电流,但不具有切断短路电流的能力,一般 与高压熔断器配合使用。目前,负荷开关均制成为10kV及以下的额定电压等级,用于次要网路系统。

  22. 负荷开关实物 负荷开关

  23. 母 线 是汇集和分配电流的主要环节,它由钢芯铝绞线(用于户外35kV及以上)或矩形铝(铜)导线(用于户内电压20kV及以下)构成。 理论上的 实际母线

  24. 母线 作用:汇集和分配电流 图形符号:

  25. 电抗器 用途:抑制短路电流,电网中性点接地

  26. 电压互感器及电流互感器 电能变换器件,前者用以将大电流变换成小电流(通常为5A),后者用以将高电压变换成低电压(通常为100V),供计量检测仪表和继电保护装置使用。 电压互感器 电流互感器

  27. 电流互感器原理 —电流互感器的变比

  28. 电容器 用途:减小无功负荷,改善功率因数 耦合电容器

  29. 避雷器

  30. 受感元件 启动元件 保护的中间环节 出口原件 执行元件 继电保护装置 • 由互感器及一个或几个继电器组成的装置。 • 继电保护装置的任务: • 借助断路器,自动迅速、有选择的将故障元件从供电系统切除,以防事故扩大。 • 给出不正常运行信号 • 与其它自动化装置配合,提高电力系统可靠性 变换、闭锁、延时、放大 发出命令脉冲 跳闸指示信号 采样 判断

  31. 电力系统的显著特点 电能产生、分配过程的特点: 1、结构复杂庞大; 2、电能不能大量存储; 3、过度(暂态)过程非常迅速, 电波传播速度 米/秒(与光速一样); 4、与国民经济各部门关系密切,特别重要。

  32. 电力系统运行的基本要求 1、保证供电可靠性 电能用户按对供电可靠性的要求分为: 一级负荷(保安负荷) 二级负荷 三级负荷 2、保证电能质量 3、保证运行的经济性

  33. 电力工业现状及发展方向 • 2006 年,全国全社会用电总量达到了28344亿千瓦时,比上年同期增长14.54%。 • 其中, 水电发电量4167 亿千瓦时,约占全部发电量14.7%,增长5.1%; 火电发电量23573 亿千瓦时,约占全部发电量83.2%,增长15.3%; 核电发电量543 亿千瓦时,约占全部发电量1.9%,增长2.4%。 • 2006 年 电力行业完成销售收入20808 亿元,同比增长20%,实现利润1446 亿元,增长43%。

  34. 电力工业现状及发展方向 截止2006 年底按发电量全国电力供应结构

  35. 电力工业现状及发展方向 近年我国发电装机容量、发电量及用电量情况

  36. 世界主要国家电力工业发展指标(2002) 2149 (2006年)

  37. 电力工业现状及发展方向

  38. 电力工业现状及发展方向 • 国家发展和改革委员会能源局指出: 提高能源利用效率和效益,保护生态环境,不断开发利用新的能源发电技术装备,将成为未来20年电力工业新的发展方向。其中,输变电设备将向紧凑型、高可靠性方向发展,数字化、智能化和信息化将成为配、用电设备的发展重点。

  39. 电力工业现状及发展方向 • 国家电力发展规划 2006 年和2007 年两年,我国新增电力装机规模就超过了2 亿千瓦,总装机规模2007年底超过7 亿千瓦。根据中国电力工业最新发展规划,按“十一五”期间GDP 年均增长8.5%考虑,同时考虑万元GDP 能耗下降20%左右的约束性要求,到2010 年,全国电力装机总容量将达8.4 亿千瓦,其中水电装机将达1.9 亿千瓦,核电装机1000 万千瓦,风电装机500 万千瓦,生物质发电装机550 万千瓦,天然气发电装机3600 万千瓦,煤电装机5.93 亿千瓦。 根据国家电网公司和南方电网公司分别编制的各自“十一五”电网发展规划,“十一五”期间,我国电网建设总投资将超过1 万亿元,其中国家电网公司8500 亿元左右,南方电网公司2500 亿元左右,两家企业“十一五”期间规划电网投资为“十五”期间的1.2 倍。根据规划,“十一五”期间,全国将投产330 千伏及以上交流线路3.8 万公里,变电容量1.8 亿千伏安,平均每年新增交流线路7600 公里,新增变电容量3600 万千伏安;建成直流线路 3420 公里,换流容量1500 万千瓦(含背靠背换流站)。到2010 年,全国330 千伏及以上交流线路达11.4万公里,变电容量达4.7 亿千伏安,直流线路8200 公里,直流换流容量4000 万千瓦。

  40. 电力工业现状及发展方向 • 具体发展方向 (1)大力发展水电、太阳能、核电、风力、坑口发电等新的能源发电技术。 1千克铀-235裂变释放的能量=2700吨标准煤燃烧释放的能量 一座100万千瓦的火电站一年燃烧标准煤约300万吨,而一座100万千瓦的核电站一年消耗核燃料仅约30吨。 (2)提高单台机组容量; 国内最大机组——华能玉环电厂6×100万kW 其锅炉效率为93.88%、供电煤耗为283.2克/千瓦时,机组热效率高达45.4%,达到国际先进水平。 据测算,如果国内燃煤发电厂热效率都达到45%的水平,按2006年全国火电发电量计算,相当于全年可以少烧约2亿吨标准煤,减少二氧化碳排放约5.4亿吨。

  41. 电力工业现状及发展方向 • 具体发展方向 (3)提高投运机组容量 ,减少备用设备 (4)提高输电电压,减少损耗,节约有色金属用量; (5)扩大整个电网容量,建立联合电网。 现代化电力工业的一个重要标志是电网化、系统化, 将发电、输变电、供电、用电组织成一个区域性大网络, 形成联合电网或统一电力系统。

  42. 电力系统自动化 • 自动化:诞生于工业生产,是指用自动进行调解、检查、加工和控制的机器及设备进行生产作业,以替代人人直接的操作。 • 电力系统自动化:是自动化的一种具体形式 是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号系统和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,保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量。

  43. 电力系统自动化的发展历程 (一)单一功能自动化阶段 1)初级阶段(初期,小规模电厂) 2)单一功能的自动化装置(发电设备和出力增加,供电范围扩大) 故障自动切除装置 自动操作和调解装置 远距离信息自动传输装置 3)电力系统调度中心(跨地区电力系统) 电话调度 “四遥” (为了解决调度的实时性) 遥信(YX)、遥测(YC)、 遥调(YT)、遥控(YK)。

  44. 电力系统自动化的发展历程 电力系统自动化的三门主要技术: 故障自动切除装置 电力系统继电保护技术 自动操作和调解装置 电力系统自动监控技术 远距离信息自动传输装置 远动技术 电力系统继电保护、远动从电力系统自动化独立出来之后,电力系统自动化只包括电力设备的自动监视、控制及与其相关的问题。 从高层次来分类,三门技术仍然同属于“电力系统及其自动化”中的“自动化”范畴。

  45. 单一功能自动化阶段的特点 1.三门技术各自自成体系,分别完成各自的功能; 2.对单个电力设备和单一过程用分立的自动化装置来完成; 3.电力系统中各发电厂和变电站的自动装置之间无联系; 4.电力系统的统一运行靠调度员经验完成。

  46. 调度计算机 电力系统 遥信(YX) 遥测(YC) 遥调(YT) 遥控(YK) YX,YC 电力系统 五“遥” 电力系统信息 电力系统 远动和 遥信装置 信息处理 + 遥视(YS) = YX,YC 确定数学模型 电力系统 自动装置 YK,YT YK,YT 做出模糊决策 电力系统自动控制系统工作模式图 用一套自动化系统或装置来完成以往两套或多套分立的自动化系统或装置所完成的工作 (二)综合自动化阶段

  47. 1-2 电力系统自动化的内容 通常所说的电力系统是指电能生产、输送、分配和消费所需的发电机、变压器、电力线路、断路器、母线和用电设备等互相联结而成的系统。 能量系统——电工一次系统 其中的电力设备称为一次设备 信息系统——电工二次系统 其中的电力设备称为二次设备 电力系统自动化属于二次系统,它包含若干个子系统。