企業(yè)供電系統(tǒng)及運(yùn)行的自動(dòng)控制教學(xué)初探

王文川+謝彩云+陳昌敏

（成都市技師學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化系 四川成都 610000）

摘要：企業(yè)供電系統(tǒng)及運(yùn)行是大電壓，強(qiáng)電流，人工操作的安全因素就極其重要，自動(dòng)控制能夠很好解決這方面的問題，但是在教學(xué)中，兩門課程的結(jié)合就有一些難題，因此我們?cè)诮虒W(xué)中，做了一些探索。

關(guān)鍵詞：企業(yè)供電；自動(dòng)控制；教學(xué)方法

我國(guó)進(jìn)入到現(xiàn)代化建設(shè)以來(lái)，許多的企業(yè)都因市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的變革而發(fā)展飛速，經(jīng)過了這幾十年來(lái)得發(fā)展，取得了很大的成就。對(duì)于企業(yè)的發(fā)展來(lái)說，不僅僅是依賴于對(duì)企業(yè)諸多方面的管理，設(shè)備、人力等資源，企業(yè)的供電系統(tǒng)，也為企業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)行提供了較大保障。由于企業(yè)供電是大電壓，強(qiáng)電流，人工操作的安全因素就極其重要，自動(dòng)控制就自然進(jìn)入該領(lǐng)域。因此，企業(yè)供電系統(tǒng)及運(yùn)行與自動(dòng)化控制理論兩門學(xué)科如何教學(xué)與融合，在高職高專的教學(xué)中，還沒有先例，在這方面，我們做了一些有益探索。

我們首先討論企業(yè)供電系統(tǒng)及運(yùn)行：

一、 電力系統(tǒng)

1. 定義：電力系統(tǒng)就是由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)組成的產(chǎn)生電能并供應(yīng)和輸送給用電設(shè)備的系統(tǒng)。

2. 組成 一次系統(tǒng) 二次系統(tǒng)

二、電力負(fù)荷及對(duì)供電的要求

（一）電力負(fù)荷

電力負(fù)荷是電力系統(tǒng)中所有用電設(shè)備消耗功率的總和。對(duì)于某一用電單位，它所設(shè)置的用電設(shè)備包括電源線路都是電力負(fù)荷。

（二）電力負(fù)荷分級(jí)及其對(duì)供電的要求

1.一級(jí)負(fù)荷

這類負(fù)荷若供電突然中斷將造成對(duì)人員的生命危害，或造成重大設(shè)備損壞且難以修復(fù)，或打亂復(fù)雜的生產(chǎn)過程并使大量產(chǎn)品報(bào)廢，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大損失。

2.二級(jí)負(fù)荷

這類負(fù)荷若突然斷電，將造成生產(chǎn)設(shè)備局部損壞，或生產(chǎn)流程紊亂且恢復(fù)較困難，企業(yè)內(nèi)部運(yùn)輸停頓，或出現(xiàn)大量廢品或大量減產(chǎn)，因而在經(jīng)濟(jì)上造成較大的損失。這類負(fù)荷一般允許短時(shí)停電幾分鐘，它在工業(yè)企業(yè)中占的比例最大。

3.三級(jí)負(fù)荷

凡不屬于一、二級(jí)負(fù)荷的用電設(shè)備，均列為三級(jí)負(fù)荷。三級(jí)負(fù)荷對(duì)供電無(wú)特殊要求，允許較長(zhǎng)時(shí)間停電，可用單回線路供電。

由于以上都是基本概念，因此在教學(xué)中，學(xué)生很好理解，教學(xué)基本上沒有問題。

三、電力系統(tǒng)的電壓

（一）額定電壓

能使受電器（電動(dòng)機(jī)、白熾燈等）、發(fā)電機(jī)、變壓器等正常工作的電壓，稱為電氣設(shè)備的額定電壓。

（二）額定電壓等級(jí)

（三）平均額定電壓

（四）額定電流

電氣設(shè)備的額定電流是指在一定的基準(zhǔn)環(huán)境下，允許連續(xù)通過設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)最大工作電流，在該電流的作用下，設(shè)備的載流部分與絕緣的最高溫度不超過規(guī)定的允許值。

四、電壓偏移及調(diào)整

（一）電壓降與電壓損失

電壓降即線路兩端電壓的相量差，而線路兩端電壓的幅值差ΔU=U1-U2稱為電壓損失，它近似等于電壓降的水平分量。

（二）電壓偏移及危害

電力負(fù)荷的大小是變動(dòng)的，當(dāng)最大負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)內(nèi)電壓損失增大，使用電設(shè)備的端電壓降低；反之則升高。

（三）電壓調(diào)整措施

1.正確選擇供電變壓器的變比和電壓分接頭

2.合理減少供配電系統(tǒng)的阻抗

3.均衡安排三相負(fù)荷

4.合理調(diào)整供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

5.采用無(wú)功功率補(bǔ)償裝置

6.采用有載調(diào)壓變壓器

五、負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量的影響

（一）電壓波動(dòng)和閃變

1.電壓波動(dòng)和閃變的概念

供電系統(tǒng)中的電壓有效值快速變化的現(xiàn)象叫做電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)是由于負(fù)荷急劇變動(dòng)，引起系統(tǒng)的電壓損耗快速變化，從而使電氣設(shè)備的端電壓出現(xiàn)快速變化而產(chǎn)生的。

2.電壓波動(dòng)和閃變的抑制

1）采用專線或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇?，選用短路容量較大或電壓等級(jí)較高的電網(wǎng)供電。

2）降低線路阻抗。

3）采用靜止補(bǔ)償裝置。

電力系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

一、供電系統(tǒng)接線方式的要求

安全可靠、操作方便，運(yùn)行靈活、經(jīng)濟(jì)合理、便于發(fā)展

二、供電系統(tǒng)的接線方式

（一）無(wú)備用系統(tǒng)接線

無(wú)備用系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、運(yùn)行方便、易于發(fā)現(xiàn)故障，缺點(diǎn)是供電可靠性差。主要用于對(duì)三級(jí)負(fù)荷和一部分次要的二級(jí)負(fù)荷供電。

1. 放射式

優(yōu)點(diǎn)：是供電線路獨(dú)立、線路故障互不影響、故障停電范圍小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、繼電保護(hù)設(shè)置整定簡(jiǎn)單、保護(hù)動(dòng)作時(shí)間短等。

缺點(diǎn)：電源出線回路較多，設(shè)備和投資也多。

2. 干線式

優(yōu)點(diǎn)：線路總長(zhǎng)度較短，造價(jià)較低，可節(jié)約有色金屬；由于最大負(fù)荷一般不同時(shí)出現(xiàn)，系統(tǒng)中的電壓波動(dòng)和電能損失較??；電源出線回路數(shù)少，可節(jié)省設(shè)備。

缺點(diǎn)：前段線路公用，增多了故障停電的可能性。

（二）有備用系統(tǒng)的接線

有備用系統(tǒng)的接線方式的主要優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性高，正常時(shí)供電電壓質(zhì)量好。但是設(shè)備多，投資大。

1、 雙回路放射式

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)雙回路同時(shí)工作時(shí)，可減少線路上的功率損失和電壓損失。

缺點(diǎn)：線路總長(zhǎng)度長(zhǎng)，電源出線回路數(shù)和所用開關(guān)設(shè)備多，投資大。

2.環(huán)式

環(huán)式接線系統(tǒng)所用設(shè)備少，各線路途徑不同，不易同時(shí)發(fā)生故障，故可靠性較高且運(yùn)行靈活；因負(fù)荷由兩條線路負(fù)擔(dān)，故負(fù)荷波動(dòng)時(shí)電壓比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是故障時(shí)線路較長(zhǎng)，電壓損失大（特別是靠近電源附近段故障）。因環(huán)式線路的導(dǎo)線截面應(yīng)按故障情況下能擔(dān)負(fù)環(huán)網(wǎng)全部負(fù)荷考慮，所以有色金屬消耗量增加，兩個(gè)負(fù)荷大小相差越懸殊，其消耗就越大。

三、變電所的主接線

變電所的主接線是由各種電氣設(shè)備（變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等）及其連接線組成，用以接受和分配電能，是供電系統(tǒng)的組成部分。是變電所設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一。

（一）線路-變壓器組接線

當(dāng)供電電源只有一回線路，變電所裝設(shè)單臺(tái)變壓器時(shí)，宜采用線路-變壓器組結(jié)線， 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)線簡(jiǎn)單，使用的設(shè)備少，基建投資省。缺點(diǎn)：供電可靠性低，多用于僅有二、三級(jí)負(fù)荷的變電所。

（二）橋式接線

為了保證對(duì)一、二級(jí)負(fù)荷進(jìn)行可靠供電，在企業(yè)變電所中廣泛采用由兩回電源線路受電和裝設(shè)兩臺(tái)變壓器的橋式主接線。橋式接線分為內(nèi)橋、外橋和全橋三種。

分別講授這三種接線的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)所。

（三）單母線分段式接線

當(dāng)某回受電線路或變壓器因故障及檢修停止運(yùn)行時(shí)，可通過母線分段斷路器的聯(lián)絡(luò)，保證繼續(xù)對(duì)兩段母線上的重要負(fù)荷供電。

（四）雙母線接線

可靠性高，用于負(fù)荷容量大，可靠性要求高，進(jìn)、出線回路多的重要變電所。

一、中性點(diǎn)不接地方式

中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)，單相接地電流基本上由電網(wǎng)對(duì)地電容決定，分析它的電路與相量關(guān)系圖。

對(duì)于高電壓、長(zhǎng)距離輸電線路，單相接地電流一般較大，在接地處容易發(fā)生電弧周期性的熄滅與重燃，出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過電壓，因此，中性點(diǎn)不接地方式對(duì)高電壓、長(zhǎng)距離輸電線路不適宜。

另外，中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí)，三相用電設(shè)備的正常工作并未受到影響。，因此三相用電設(shè)備仍可照常運(yùn)行。

二、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

消弧線圈實(shí)際上就是鐵芯線圈式電抗器，利用電抗器的感性電流補(bǔ)償電網(wǎng)的對(duì)地電容電流，可使總的接地電流大為減少。

這種接地方式在正常運(yùn)行時(shí)，如果三相對(duì)地分布電容不對(duì)稱，或發(fā)生一相斷線，或正常切除部分線路時(shí)，可能出現(xiàn)消弧線圈與對(duì)地分布電容的串聯(lián)諧振，這時(shí)變壓器中性點(diǎn)將出現(xiàn)危險(xiǎn)的高電位。為此，消弧線圈一般采用過補(bǔ)償運(yùn)行。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，其他兩相對(duì)地電壓也要升高到線電壓，但三相線電壓正常，也允許繼續(xù)運(yùn)行兩小時(shí)用于查找故障。

三、中性點(diǎn)直接接地方式

中性點(diǎn)直接接地方式電網(wǎng)在發(fā)生單相接地時(shí)實(shí)際上就是單相短路，這時(shí)所產(chǎn)生的單相短路電流很大。所以保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，故障部分切除，其它部分則恢復(fù)正常運(yùn)行。

在以上的教學(xué)過程中，我們盡可能做到要求學(xué)生理解基本概念，不做過深的計(jì)算，使學(xué)生有了學(xué)習(xí)的興趣。另外，我們將學(xué)生帶到企業(yè)，實(shí)地參觀，同時(shí)請(qǐng)企業(yè)的工程師講解，讓學(xué)生有了親身體會(huì)，學(xué)習(xí)就會(huì)自然加深。

一、自動(dòng)化控制有半自動(dòng)與全自動(dòng)化

例如：機(jī)器、設(shè)備可以按照生產(chǎn)的要求和目的，進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)；

自動(dòng)化控制，作為操作員，確定控制的要求和程序，不用直接參與生產(chǎn)過程的控制技術(shù)；半自動(dòng)化控制要人通過設(shè)施、設(shè)備、機(jī)械、儀器或手工等勞動(dòng)力的參與。

自動(dòng)化控制系統(tǒng)是指能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)，由控制器與控制對(duì)象所組成。

二、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的概念

自動(dòng)控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)理論

自動(dòng)控制是相對(duì)人工控制概念而言的，指的是在沒人參與的情況下，利用控制裝置使被控對(duì)象或過程自動(dòng)地按預(yù)定規(guī)律運(yùn)行。自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來(lái)并大大提高控制效率。

拉普拉斯變換（簡(jiǎn)稱拉氏變換）是一種常用的變換域（將時(shí)域的問題放在復(fù)頻率域）的分析方法，它的變換域是復(fù)頻率域，也稱為”s”域，即函數(shù)或方程的變量是”s”而不是時(shí)間變量t，它在數(shù)學(xué)理論上及工程問題中都有著重要的應(yīng)用，是自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)。

但是拉氏變換的計(jì)算，非常繁復(fù)，學(xué)生基本不能理解，我們就主要解決概念問題，輔以簡(jiǎn)單的計(jì)算，給每位同學(xué)發(fā)一頁(yè)拉氏變換公式表，讓學(xué)生對(duì)照計(jì)算，解決了學(xué)生畏懼計(jì)算的學(xué)習(xí)問題。

一、我國(guó)配電網(wǎng)的特點(diǎn)：城市配電網(wǎng)負(fù)荷相對(duì)集中，發(fā)展速度快，用戶對(duì)供電質(zhì)量要求高，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，接線較復(fù)雜，供電管理水平要求高，配電設(shè)施要求高。農(nóng)村配電網(wǎng)供電線路長(zhǎng)，分布面積廣，負(fù)載小而分散，設(shè)備利用率低，發(fā)展速度快，存在各種先天不足，農(nóng)電隊(duì)伍專業(yè)水平不理想，用戶用電安全知識(shí)較貧乏，嚴(yán)重影響安全供用電。中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地。

二、配電網(wǎng)自動(dòng)化包含的內(nèi)容：配電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化包括SCADA、配電網(wǎng)電壓管理系統(tǒng)、故障診斷和斷電管理系統(tǒng)、操作票專家系統(tǒng)等。配電自動(dòng)化包括變電站自動(dòng)化和饋線自動(dòng)化。配電管理系統(tǒng)包括SCADA、LM、DPAS等。

配電系統(tǒng)自動(dòng)化的通信方式：一、有線通信（一）光纖通信：通信容量大，傳輸衰耗小，體積小，敷設(shè)方便，防電磁干擾，保密性好，防腐蝕，但強(qiáng)度不如金屬線，連接比較困難，分路和耦合不便彎曲半徑不宜太小。（二）載波通信：相相制高頻通道衰耗少，但所需加工設(shè)備多，投資大；相地制高平通道的傳輸效率低，但所需的加工設(shè)備少，投資小。配電線載波通信存在高噪聲，阻抗變化大和衰耗大擴(kuò)頻通信抗干擾能力強(qiáng)，爆震性高，誤碼率低，功譜密度低，發(fā)射功率小，繞射功率差。（三）專線：投資少（四）電信本地網(wǎng)：不需要投資建設(shè)專用通信網(wǎng)，開通費(fèi)用低，但運(yùn)行費(fèi)用高。

三、變電站

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基本功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與記錄、控制與操作閉鎖、微機(jī)保護(hù)與自動(dòng)裝置、與遠(yuǎn)方操作控制中心通信、人機(jī)聯(lián)系功能、自診斷功能、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。

電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)：由三部分組成，即調(diào)度端、場(chǎng)站端和數(shù)據(jù)傳輸電路，按IEC典型結(jié)構(gòu)中的定義，調(diào)度端又稱控制中心，場(chǎng)站端又稱被控站。由于我國(guó)電力系統(tǒng)實(shí)行分層調(diào)度，按地域劃分，具有國(guó)調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)、縣調(diào)五級(jí)建制，因此調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的控制中心也按分層控制對(duì)應(yīng)設(shè)置。分層控制最上面的一層是國(guó)調(diào)或網(wǎng)調(diào)，他除了控制大型電廠、站外，還控制省調(diào)。省調(diào)控制廠、站，并管轄縣調(diào)。

參考書籍

[企業(yè)供電系統(tǒng)及運(yùn)行] 中國(guó)電力出版社 盧文鵬

[自動(dòng)控制原理及應(yīng)用] 清華大學(xué)出版社 董紅生