《电力系统及其自动化》课件

电力系统及其自动化电力系统及其自动化是现代电力工业的核心学科，涵盖了电力系统的规划、设计、运行和控制等各个方面本课程将系统介绍电力系统的基本概念、组成结构以及自动化技术的发展与应用电力系统基本概念系统定义基本构成电力系统是由发电、输包括发电厂、输电线路、电、变电、配电和用电设变电站、配电网络、用电备及其相应的辅助系统组设备以及相应的保护、控成的电能生产、输送、分制、测量和通信设备配、使用的统一整体系统特点电力系统的主要环节发电将各种一次能源转换为电能输电高压长距离电能传输变电电压等级变换与分配配电向终端用户供电电力系统各环节之间通过能流和信息流紧密连接，形成有机统一的整体能流指电能的生产、传输和消费过程，信息流包括系统运行状态、控制指令和保护信号等两者相互依存，共同保障电力系统的安全稳定运行发电系统基础火力发电水力发电新能源发电以煤炭、天然气等化石燃料为主要能利用水能发电，清洁环保，启停迅包括风电、光伏等可再生能源发电，源，技术成熟，调节能力强，是我国速，调节能力优秀在电网中主要承具有间歇性和随机性特点大规模接电力供应的主力具有出力稳定、可担调峰、调频和事故备用任务，对维入对电网调度和控制提出新挑战，需控性好的特点，在电网调度中承担基护电网稳定具有重要作用要配套储能和智能调度技术荷和调峰任务输电系统原理高压输电优势输电线路结构高压输电能够减少线路损耗，输电线路由导线、绝缘子、杆提高输送容量，降低工程造塔、接地装置等组成线路参价电压等级越高，输送能力数包括电阻、电抗、电纳等，越强，经济性越好我国已建直接影响输电能力和系统稳定成特高压输电网络，实现了大性范围资源优化配置技术难点高压输电面临绝缘配合、电磁环境、系统稳定等技术难题需要采用先进的绝缘材料、优化线路设计、配置灵活输电装置等措施变电站功能与结构电压变换开关控制继电保护通过主变压器实现不同配置断路器、隔离开关装设各类保护装置，监电压等级间的能量传递，等设备，实现电路的投测系统运行状态，在故满足电网运行和用户用切操作和故障隔离功能障时快速动作切除故障电需求设备测量监控通过测量装置实时监测电压、电流、功率等电气量，为调度运行提供数据支撑配电系统简介城市配电网采用环网结构，供电可靠性高，负荷密度大，多采用电缆线路，自动化程度较高农村配电网多为辐射状结构，线路较长，负荷分散，多采用架空线路，近年来改造升级较快工业配电负荷容量大，对供电可靠性要求高，多配置备用电源和不间断电源系统配电系统直接面向终端用户，是电力系统的最后环节随着用电需求的增长和用电结构的变化，配电网正朝着智能化、数字化方向发展，提升供电质量和服务水平电力系统负荷特性日负荷曲线季节性变化反映一日内负荷变化规律，呈现明显受气温影响，夏冬季用电量较高，春的峰谷差异秋季相对较低调峰调谷负荷预测通过发电计划调整和需求响应，平衡基于历史数据和影响因素，预测未来供需关系负荷需求电力市场与调度电价机制市场化电价形成机制经济调度优化发电资源配置降低成本调度体系分层分级调度管理架构电力市场化改革推动了调度运行模式的转变电价机制从计划定价转向市场化竞价，经济调度成为降低系统运行成本的重要手段调度中心建立了国调、省调、地调三级调度体系，实现了统一调度、分级管理的运行模式电力系统的动态与静态特性静态分析研究稳态运行条件下的系统特性暂态分析分析扰动后系统的动态响应过程稳定性研究评估系统抗干扰能力和恢复特性电力系统分析是理解和掌握系统运行规律的基础静态分析关注潮流分布、电压水平等稳态特性；动态分析重点研究故障、投切操作等扰动引起的暂态过程稳定性分析则评估系统在各种扰动下保持同步运行的能力，是系统安全运行的重要保障电力系统的自动化发展历程网络化智能化阶段数字化自动化阶段世纪以来，信息通信技术与电力系统深21机电自动化阶段年代，微机技术的应用推动了保度融合，智能电网建设全面展开，自动化80-90世纪年代，以机电式继电器和护控制设备的数字化升级系统系统向着更高的智能化水平发展2050-70SCADA模拟控制为主，实现了基本的自动保护和开始普及，自动发电控制技术成熟应AGC控制功能这一阶段奠定了电力系统自动用化的基础框架自动化系统基本结构控制层通信层调度中心和控制室，负责系统级决策和协信息传输网络，实现各层级间的数据交换调控制和指令下达监测层执行层传感器和测量设备，实时监测系统运行状现场设备和终端，直接执行控制指令和数态据采集电力系统调度自动化实时监控优化调度通过系统实现对全网设备和运行状态的实时监运用先进算法进行经济调度计算，优化机组出力分配，SCADA视，及时发现异常情况降低发电成本安全分析信息管理开展在线安全分析，评估系统运行风险，制定预防控制建立完善的数据库系统，实现运行信息的存储、查询和措施统计分析变电站自动化综合自动化系统无人值守技术变电站综合自动化系统集成了保护、测控、通信等功能，实通过先进的自动化技术，变电站实现了无人值守运行模式现了四遥功能系统采用分层分布式结构，提高了可靠性远程监控、自动巡检、智能诊断等技术确保了设备安全可靠和维护性运行现代综自系统支持标准，实现了设备间的互操无人值守变电站不仅降低了运行成本，还提高了运行效率和IEC61850作性，大大简化了工程设计和设备维护工作供电可靠性，代表了变电站发展的重要方向发电控制自动化自动发电控制AGC根据负荷变化和频率偏差，自动调节发电机组出力，维持系统频率稳定火电厂自动化包括锅炉、汽轮机、发电机的协调控制，实现机组的自动启停和负荷调节水电厂自动化水轮发电机组具有启停快速、调节灵活的特点，在电网调频中发挥重要作用新能源发电控制风电、光伏等新能源发电需要专门的控制策略，应对其间歇性和随机性特征负荷控制与需求响应自动负荷控制需求响应机制通过工频自动减负荷装置建立价格型和激励型需求响应（）和低频减负荷装置，机制，引导用户主动调节用电UFR在系统频率异常时自动切除部行为通过智能用电设备和能分负荷，维护系统稳定这些源管理系统，实现负荷的柔性装置按照预设程序分级动作，调节和优化配置有效防止频率崩溃用户侧资源聚合将分散的用户侧可调节资源进行聚合，形成虚拟电厂参与电网调节包括空调负荷、电动汽车、储能设备等，提升电网调节能力电网信息通信自动化载波通信利用电力线路传输信息，是电力系统专用通信的传统方式微波通信点对点无线通信，适用于地形复杂地区的信息传输光纤通信大容量、高可靠的现代通信方式，是电网通信的主要手段无线通信、等新兴技术，为智能电网提供灵活的通信解决5G WiFi方案系统全解SCADA数据采集监控显示远程控制实时采集电网运行数据，通过图形化界面显示电网实现对远方设备的遥控操包括电压、电流、功率、接线图和实时数据，便于作，包括断路器分合、调开关状态等信息运行人员监视节器调节等报警处理及时处理各类运行异常和设备故障告警，确保运行人员快速响应系统是电力系统自动化的核心平台，为调度运行提供了可靠的技术支撑SCADA现代系统具有开放性好、扩展性强、人机界面友好等特点SCADA能源管理系统EMS高级应用状态估计、最优潮流、安全分析网络分析潮流计算、短路计算、稳定计算数据管理实时数据库、历史数据、网络模型功能SCADA数据采集、监控显示、控制操作是在基础上发展起来的高级应用系统，为电网调度提供了强大的分析计算工具系统集成了多种算法模型，支持在线分析和离线EMS SCADA仿真，大幅提升了调度决策的科学性和准确性配电管理系统DMS故障管理网络拓扑快速定位故障点，优化抢修和恢复方管理配电网络结构和设备连接关系案分布式电源负荷预测管理分布式发电和储能设备的接入运基于历史数据和气象信息预测负荷需行求电力系统自动化的分层分级国家调度中心负责全国电网的统一调度和跨区域电力交换省级调度中心管理省内电网运行，协调省内发电和用电平衡地区调度中心负责地区电网的运行管理和设备维护协调厂站级控制4发电厂和变电站的就地控制和保护功能分层分级的调度体系实现了电力系统的有序管理各级调度中心按照管辖范围和职责分工，形成了统一指挥、分级负责的管理模式，确保了大电网的安全稳定运行自动安全保护技术继电保护检测故障并快速切除故障设备安全自动装置维护系统稳定运行的自动控制措施自动重合闸对瞬时性故障实现自动恢复供电负荷控制装置在紧急情况下自动调节系统负荷电力系统安全自动装置是保障电网安全运行的重要屏障这些装置按照预定逻辑自动动作，能够在毫秒级时间内响应系统异常，有效防止事故扩大和系统崩溃微机继电保护原理机电式保护早期采用机械和电磁原理，结构简单但精度有限，维护工作量大微机保护采用数字信号处理技术，精度高、功能强，支持多种保护算法网络化保护基于标准，实现保护设备间的信息共享和协调动作IEC61850智能化保护融入人工智能技术，具备自适应能力和故障智能识别功能电力系统远动技术

499.9%四遥功能通信可靠性遥测、遥信、遥控、遥调远动通道可用率指标100ms响应时间遥控指令执行时延远动技术是电力系统自动化的重要组成部分，实现了对远方设备的监视和控制现代远动系统采用数字化通信协议，具有传输速度快、可靠性高、抗干扰能力强等优点随着通信技术的发展，远动系统正朝着更高的智能化和标准化方向发展电力二次系统自动化测控装置自动化终端测量、监视、控制功能的综现场数据采集和控制执行设合设备备保护装置通信网络各种继电保护设备，保障一次设备安全连接各设备的信息传输网络智能电网概述核心特征技术支撑智能电网是传统电网的智能化升级，具有自愈、安全、兼智能电网建设依托先进的信息通信技术，包括物联网、大数容、经济、集成、优化等特征通过先进的传感、通信、控据、云计算、人工智能等这些技术的融合应用，推动了电制技术，实现电网的智能化运行网向更高智能化水平发展•双向互动的电力流和信息流•先进的测量基础设施•分布式电源和储能的广泛接入•高速双向通信网络•用户参与的需求响应机制•智能化的控制决策系统智能用电与用能管理智能电表系统家庭能源管理智能电表支持双向通信和远程通过智能家居设备和能源管理抄表，提供实时用电信息配系统，用户可以实时监控和控合用电信息采集系统，实现了制家庭用电设备系统能够优用电数据的自动采集、传输和化用电时间安排，降低用电成处理，为用户提供详细的用电本，提高能源利用效率分析报告需求响应终端智能负荷控制终端能够响应电网调度指令，自动调节可控负荷包括空调、热水器、充电桩等设备的智能控制，实现削峰填谷和电网友好互动分布式能源与微电网自动化协调控制统一协调各分布式电源运行能量管理优化配置内部能源资源并网控制安全可靠的大电网连接孤岛运行独立供电保障重要负荷微电网作为分布式能源的重要载体，需要先进的自动化控制系统系统具备孤岛检测、无缝切换、能量管理等功能，既能并网运行，也能孤岛运行，提高了供电可靠性和能源利用效率电力系统自动化中的通信网络骨干传输网基于光纤的高速大容量传输网络，连接各级调度中心和重要变电站采用、等技术，具有高可靠性和安全性，是电力通SDH OTN信的主要承载网络接入网络连接基层设备的接入网络，包括工业以太网、电力载波、无线通信等多种技术根据应用场景和技术要求，选择合适的接入方式和通信协议电力应用5G技术为电力系统提供了低时延、高可靠的无线通信解决5G方案在配电自动化、应急通信、移动作业等场景中发挥重要作用，推动电网数字化转型电力大数据与物联网数据采集通过智能传感器和物联网设备，实现电网全景数据的实时采集数据存储建立电力大数据平台，采用云存储技术管理海量运行数据数据分析运用机器学习和人工智能技术，挖掘数据价值和运行规律智能应用基于数据分析结果，开发智能诊断、预测维护等创新应用电力大数据技术正在改变传统的运行维护模式通过对设备运行数据、环境数据、用电数据等的深度分析，可以实现故障预测、负荷预测、设备状态评估等功能，提升电网运行的智能化水平在线监测与故障诊断状态监测故障诊断实时监测设备运行状态和健康水平基于监测数据分析识别设备故障类型维护决策趋势预测制定科学的设备维护计划和策略预测设备性能劣化趋势和故障发展电力系统综合自动化软件人机界面数据管理安全防护友好的图形化操作界实时数据库和历史数据完善的网络安全和信息面，支持多屏显示和触库，提供高效的数据存安全防护体系，保障系摸操作储和查询服务统安全运行移动应用支持移动终端接入，实现随时随地的系统监控和操作现代电力自动化软件采用模块化设计，具有良好的扩展性和维护性软件支持多种操作系统和数据库，能够适应不同规模和类型的电力系统应用需求电力企业管理自动化生产管理发电计划、检修管理、运行统计等生产业务的自动化处理财务管理电费计算、成本核算、财务分析等财务业务的信息化管理人力资源员工信息、培训管理、绩效考核等人事管理的数字化转型客户服务用电业务、故障报修、客户关系等服务业务的智能化升级新一代自动化系统技术云计算应用边缘计算技术电力云平台提供弹性计算资源和海量存储能力，支持大规模在电网边缘部署计算和存储资源，实现数据的就近处理和实数据处理和复杂算法运算云原生架构提高了系统的可扩展时响应边缘计算减少了数据传输延迟，提高了系统响应速性和可维护性，降低了建设和运营成本度和可靠性电力企业通过上云实现了资源共享和协同办公，提升了信息智能配电终端、保护装置等设备具备边缘计算能力，能够独化水平和管理效率立完成部分分析和决策功能电力调度决策支持系统智能决策基于人工智能的决策支持算法仿真推演电网运行方式的仿真分析和预演应急指挥事故应急处置的自动化指挥平台决策支持系统为调度员提供了科学的决策依据和智能化的辅助工具系统集成了电网分析计算、运行方式优化、事故处理预案等功能，能够快速响应各种运行工况变化通过仿真推演和智能分析，系统帮助调度员制定最优的运行策略和应急处置方案电力系统安全与防护安全管理建立完善的安全管理体系网络安全2防火墙、入侵检测、加密通信物理安全设备防护、环境监控、门禁管理人员安全身份认证、权限管理、操作审计电力系统安全防护采用纵深防御策略，从物理层、网络层、应用层、管理层构建多重安全屏障新型威胁不断出现，需要持续完善安全防护技术和管理机制，确保电力系统的安全可靠运行电力系统自动化典型架构案例省级调度中心地区调度系统省调中心采用双机热备架构，地调系统管理及以下电220kV配置系统，覆盖网，采用一体化设计理念，集EMS/SCADA全省及以上电网系统成调度自动化、配电自动化、500kV具备实时监控、安全分析、经客服等业务系统支持95598济调度等功能，日处理数据量移动化应用，实现了全业务覆超过千万条，保障全省电网安盖和协同作业全运行智能变电站智能变电站全面采用标准，实现了信息的数字化、500kV IEC61850通信的网络化、模型的标准化站内设备即插即用，大幅降低了工程投资和运维成本变电站无人值守工程案例智能巡检部署巡检机器人和在线监测装置，实现设备状态的小时监控24视频监控高清摄像头和智能识别技术，实现安防监控和设备状态识别远程运维建立远程运维中心，实现多站集中监控和故障快速处置效益分析减少运维人员，降低运营成本，提高供电可靠性至60%30%

99.9%无人值守变电站通过技术创新实现了运维模式的根本性变革智能化设备替代人工巡检，远程监控替代现场值守，预测性维护替代定期检修，大幅提升了运维效率和设备可靠性典型电力系统失效及自动化响应故障检测保护装置在毫秒级时间内检测到故障，启动快速切除程序故障隔离自动化装置快速隔离故障区域，防止事故范围扩大系统恢复黑启动程序自动执行，优先恢复重要负荷和关键设备运行重建逐步恢复正常运行方式，重建系统稳定运行状态年美国东北部大停电事故促进了电网自动化技术的发展我国建立了完善的2003大面积停电应急体系，通过安全自动装置、黑启动方案、应急预案等措施，能够有效应对各类电网事故再生能源自动化应用风电控制光伏管理智能风机具备变桨控制和偏航控制功最大功率点跟踪和逆变器控制，提高能，自适应风况变化发电效率和电能质量并网控制储能协调4智能并网技术确保新能源安全可靠接储能系统平滑可再生能源出力波动，入电网系统提供调频调峰服务电力市场与智能调度876015min95%小时级交易调度周期预测精度现货市场实现小时级电力交易超短期调度的时间间隔负荷预测和新能源功率预测准确率电力市场化改革推动了调度运行模式的创新智能调度系统集成了市场交易、安全约束、经济优化等功能，实现了安全与经济的统一系统支持现货交易、辅助服务市场等多种交易模式，为市场主体提供公平透明的交易环境人工智能技术在负荷预测、价格预测、风险评估等方面发挥重要作用电动汽车及充电网络自动化智能充电有序充电避免电网冲击双向互动技术实现储能功能V2G平台管理充电桩运营管理平台负荷调节参与电网削峰填谷调节电动汽车充电网络是未来智能电网的重要组成部分通过车网互动技术，电动汽车既是电力消费者，也可以成为移动储能单元智能充电管理系统能够优化充电时间和功率，减少对电网的冲击，同时降低用户充电成本两网融合与能源互联网泛在电力物联网数字电网建设建设泛在电力物联网，实现电力系统各环节万物互联、人机基于数字孪生技术构建数字电网，实现物理电网与数字电网交互通过感知层、网络层、平台层、应用层的四层架构，的深度融合数字电网具备全息感知、泛在连接、开放共构建智慧能源生态圈享、融合创新的特征物联网技术促进了电网设备的智能化升级，提升了电网的感通过数据驱动的方式，优化电网规划建设和运行维护，提升知能力和互动水平电网的智能化水平双碳目标与电力自动化清洁替代大力发展可再生能源，推动能源结构清洁化转型电能替代提升电气化水平，以清洁电能替代化石能源消费智能管控运用智能化技术，提高能源系统整体效率碳达峰碳中和目标对电力系统自动化提出了新要求需要构建以新能源为主体的新型电力系统，大幅提升系统的灵活性和智能化水平自动化技术在源网荷储协调、多能互补、需求响应等方面发挥关键作用，支撑能源清洁低碳转型。