今天小编给大家找来了《水力发电自动化系统分析论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。摘要：间隙环节是机械系统中典型的非线性环节，亦存在于水轮机调节系统中;随着水轮发电机组服役年限的增加和执行机构的老化，间隙特性的影响也愈加明显。推导了孤网运行工况下水轮机调节系统各部分的传递函数，运用描述函数法表示系统执行机构内的间隙特性，建立了具有间隙非线性环节的水轮发电机组模型。
水力发电自动化系统分析论文 篇1：
浅谈当前电气工程中的自动化技术应用
摘要：电气工程是现代科学技术领域的核心学科之一，也是当今高新技术领域不可缺少的重点学科。电气工程及其自动化技术主要以电力电子和计算机技术为主要技术手段，包括系统分析、系统管理等研究领域，在此基础上提高电气工程的自动化程度和工作效率，节省资源和时间，不仅提高了生产工艺，提高了作业质量，而且有利于保护环境。本文讨论和分析了自动化技术在电气工程中的应用和发展。
关键词：电气工程;自动化技术;电力行业;技术运用
随着计算机技术的不断发展，计算机被广泛应用于社会各个领域以提高工作效率。各种便捷的自动化技术也受到不同行业的青睐。电气自动化技术在电气工程中占有重要地位，能够实时动态监测设备的运行状况，从而有效保证生产活动的顺利进行。该技术通过对系统和先进设备的控制和利用，规避了人工操作的各种不足，提高了电气工程的运行效率。
1.自动化技术在电气系统中的应用
1.1 发电厂自动化
发电厂是整个电力系统的源头，其自动化技术的发展和使用决定了整个电力工程的自动化程度。目前，我国主要采用三种发电方式：火力发电、水力发电和风力发电。
火力发电是利用煤炭石油天然气等作为燃料的发电厂。它的自动化一般由监控信息系统、管理信息系统、运动系统、故障管理系统、继电保护系统以及故障信息系统、数据采集与控制系统等构成。
水力发电厂是利用水的重力或运动势能为能量的发电厂。水力发电自动化一般由集调速系统、励兹、控制、保护、信息收集与监控系统于一体的自动化系统构成。主要对机组的测量、控制、调节、保护等功能，进行调速，調整机组的功率以及对电压的转换调节，从而保证使用水力发电厂的正常发电。
风力发电厂是比较新型的发电方式，主要通过风力进行发电。风力发电厂主要由叶片、主发电机、塔架、自动迎风转向设备、叶片旋角控制以及监控保护等功能组成。通过自动化技术，调整最佳迎风位置，保护监控发电装置，实现清洁稳定发电。
1.2电网调度自动化系统
以计算机为中心的电网监控调度自动化系统的基本结构按功能可分为信息采集与命令执行子系统、信息传输子系统、信息采集与处理与控制子系统、人机联系子系统。通过计算机系统，完成现有电力系统运行状态、电力负荷状态、自动发电和调度。自动化技术对整个电网的电镀有着非常关键的影响。不仅分析现有电力系统运行状态、电力负荷状态、可能出现的电力问题，还收集数据进行分析，做好电力调度和自动发电。接受实际使用反馈，确保合理安全用电。
1.3变电站自动化技术
变电站自动化是电力系统中的一个重要组成部分，它的主要作用就是为了提高工作效率，减少人力的使用，实现变电站功能最大化。变电站综合自动化采用分布式系统结构、组网方式、分层控制，其基本功能通过分布于各电气设备的远动终端和继电保护装置的通信，完成对变电站系统的调整和保护，对变电站进行实时的监控，发送和接受信息，是控制中心可以时刻保护变电站。利用新的计算机设备替代原本的常规设备，不仅是在满足了变电站的整体运行需要，对于整个电力系统更是起着十分重要的作用。
2.电力系统自动化的发展方向与趋势
2.1对电力调度系统的监测将从传统的稳态监测全面向动态监测发展
目前电气系统自动化监测还是处于传统的监测，不能实时的进行同步监测。下一步发展方向便是要从对电力调度系统的传统稳态监测逐步向动态监测方向发展，可以更好的保证电力调度系统的安全使用，最大化保证系统工作效率。
2.2 全面建立DMS系统
DMS系统是提高电气管理水平，适应电力系统自动化技术的发展需要。提高各个分系统对各自设备的保护，从而保证电力的供应;建立科学的事故处理措施，最大限度的减少电力事故所带来的损失;使管理者能够更加全面、准确的掌握电力系统运行的状况，如电力配备、电流电压的情况、设备使用情况、功率等，DMS系统也能进行详细精准的计算，对电力平衡、设备负荷等问题都能起到监控作用。通过这些功能的应用，真正达到无人看守自然运行的状态。
2.3 电力一次设备智能化
由于电力系统之间的互相影响，一般情况下，电力的一次设备与二次设备相隔几十米，而电力一次设备智能化就是将二次设备具有的部分功能通过一次设备实现，减少设备的使用和电信号的使用。电力一次设备只要具有在线自动监测功能和保护功能就基本上可以不借助二次设备，实现真正的自动化。目前这是电气工程自动化中最重要的发展趋势之一。
3.结束语
通过以上分析，我们可以看出，电力工程自动化技术的应用越来越广泛，越来越重要。社会发展的趋势使得电力系统对自动化的需求不断增加。只有开发更实用、更全面的自动化技术，增加能源使用量，提高工作效率，才能满足社会发展的需要。自动化技术不仅减少了劳动力的使用，而且节省了成本，提高了经济效益，保护了环境。 因此，电力工程自动化技术的提高必不可少。
参考文献
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作者：王刚 南海
水力发电自动化系统分析论文 篇2：
针对间隙非线性环节的水轮机调节系统稳定性分析
摘要：间隙环节是机械系统中典型的非线性环节，亦存在于水轮机调节系统中;随着水轮发电机组服役年限的增加和执行机构的老化，间隙特性的影响也愈加明显。推导了孤网运行工况下水轮机调节系统各部分的传递函数，运用描述函数法表示系统执行机构内的间隙特性，建立了具有间隙非线性环节的水轮发电机组模型。通过理论分析，基于Nyquist稳定判据分析了间隙特性对系统稳定性特征的影响，并采用时域数值仿真，模拟了在频率调节模式下负荷扰动的小波动过渡过程。结果表明：间隙特性能使机组瞬态性能恶化，甚至使系统产生极限环振荡，系统稳定性特征受到间隙死区大小、间隙特性与调速器参数匹配规律等因素的影响。分析结果可为具有典型间隙非线性环节的水轮机调节系统小波动稳定运行提供理论支持。
关键词：水轮机调节系统;间隙非线性环节;稳定性;Nyquist稳定判据;极限环
中图法分类号：TK73
文献标志码：A
DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.08.007
1 研究背景
作为电力系统调峰调频的骨干电源，水电站在一个合理的能源结构中占据不可或缺的地位。然而，水电站水轮机调节系统的时变、非线性、非最小相位等特点[1-2]使其调节过渡过程中的安全稳定性问题尤为突出，直接影响到电网安全及网源协调[3-4]。
水轮机调节系统是水机电多子系统耦合的非线性复杂系统[5]，确保其运行稳定性及具备良好的调节品质是水电站引水发电系统设计中一项传统且重要的课题[6-8]。文献[9]指出基于非线性水轮机模型的调节系统是研究水力系统与电力系统相互作用的最精确模型。虽然在小波动情况下，可以将系统简化为线性处理[10]刚，但在特定工况下，系统的某些非线性因素仍然有可能影响到整个水轮机调节系统的性能和动态品质。对于系统中非线性特性引发的混沌现象，前人已开展了许多研究。文献[11]引入水轮机非线性传递系数，综合分析了水轮机调节系统参数变化时系统的非线性动力学行为特性。文献[12]考虑了弹性水击效应的影响，建立了水轮机调节系统的非线性模型并进行了理论分析。文献[13]通过非线性建模与分析，对水电站中所观察到的持续振荡现象给出了一种可能的理论解释。文献[10]说明了线性化系统的稳定参数中一定包含了令非线性系统强稳定的控制器参数。
针对具体的非线性環节，文献[14]指出在水力发电系统瞬态过程中，机械系统内传动机构的非线性响应不利于水力发电系统的运行稳定性。文献[15]分析了小波动情况下限幅死区和转速死区对水轮机调节系统动态过程的影响。文献[16]考虑了饱和特性的非线性动力学行为，对水轮机调节系统的分叉现象进行了分析。已有研究成果为非线性水轮机调节系统的控制器参数整定及稳定运行提供了理论依据。间隙环节是各类机械系统中典型的非线性环节[17]，亦存在于水轮机调节系统中。随着水轮发电机组服役年限的增加和执行机构的老化，间隙特性的影响也愈加明显。然而，针对执行机构内间隙特性对系统影响的研究还相对较少，特别是从理论角度进行的定量分析仍需进一步展开。
本文以孤网运行的PI型水轮机调节系统为研究对象，在小波动条件下，通过数学建模、理论分析和仿真模拟相结合的方法，对考虑存在间隙非线性环节的系统进行了动力学特征和稳定性影响因素的研究。结果表明：间隙特性会使系统调节过渡过程性能恶化，但当间隙特性与调速器参数之间满足一定的匹配规律时，系统能获得较好的动态特性。
2 方法与模型
2.1 线性水轮发电机组模型
本文的研究对象是带有执行机构间隙的PI型水轮机调节系统，采用该调节系统的水轮发电机组框图如图1所示。为了便于对非线性系统进行研究，通常可将闭环系统视为非线性环节与线性系统相串联的形式[18-21]。首先建立线性水轮发电机组模型，其各部分数学模型由下文中的等式描述。
在小波动过渡过程分析计算中，通常采用的是频率调节模式[12]。在频率调节模式下的PI型调速器传递函数Ge、引水管道传递函数Gh、水轮机及引水系统传递函数Gt分别为
式（6）为机组综合自调节系数的含义;式（7）为系统总传递函数，该式表示的系统框图可表示为图2;式（8）为式（7）的传递函数表达式。
2.2 间隙非线性的描述函数表示
描述函数法主要用以分析无外作用情况下非线性系统的稳定性和自振荡问题[23]。运用描述函数法分析非线性系统时应满足以下应用条件[18.24]：①系统能简化成一个非线性环节和一个线性闭环系统连接的典型结构形式;②非线性环节具有时不变性且非线性特性关于原点对称;③系统的线性部分具有较好的低通滤波性。分析可知，具有间隙环节的水轮机调节系统满足以上应用条件[25]。
间隙环节具有如下的输入输出关系：当输入量的方向改变时，输出量保持不变，直到输入量的变化超出一定的数值（间隙）后，输出量才跟着变化[26]。间隙特性具有非光滑、局部记忆和多值映射的特性[27]，如图3所示。间隙特性的数学描述如式（10）所示[28]。
由上述推导可知，图1所示考虑间隙特性的水轮发电机组可化简为图4中带有描述函数环节的形式。
3 带间隙环节水轮机调节系统稳定性研究
本节将采用上文建立的水轮发电机组模型，研究考虑了执行机构间隙的水轮机调节系统的稳定性特征。
3.1 参数设置和工况选择
表1为我国一大型水电站的主要参数值。在表1主要参数值条件下，线性部分开环传递函数G。（s）如式（14）所示，其中C1-C8为常数，可知G。（s）取决于调速器参数。
将选取使系统稳定、不稳定和处于临界稳定状态附近的3组调速器参数进行分析，3组调速器参数的取值见表2，其相对位置见图5。针对每一组调速器参数设计不同的间隙特性如表3所示，使系统具有不同的开环传递函数。
3.2 稳定与失稳状态下间隙特性影响
当调速器参数设置取组合1（Kp=4.0，K=0.5）和组合2（Kp=5.0，Ki=2.0）时，此时距稳定域边界较远。当调速器参数设置为组合1，表明稳定状态下的水轮机调节系统具有较大的稳定裕量;当调速器参数设置为组合2，系统将处于不稳定的状态。表3中工况1～6的Nyquist曲线ΓGH和一1/N（A）曲线如图6所示，虽然式（14）存在一个积分环节，但其Nyquist曲线对本系统分析没有影响，故补充的虚线在本文图中均不予显示。根据Nvquist稳定判据，由图6可知，工况1～6的Nvquist曲线ΓGH与曲线一1/N（A）不存在交点，可以判断系统将处于恒为稳定或恒为不稳定的状态。图7和图8分别为在频率调节模式下，工况1～3和工况4～6情况下系统在10.0 s时发生有功功率2.5%阶跃变化的时域数值模拟响应曲线。当调速器参数取组合1（即工况1～3）情况下，系统在受到扰动后很快趋于稳定;当调速器参数取组合2（即工况4～6）情况下，系统逐渐发散。理论分析和时域数值模拟实现了良好的一致性。仿真结果表明：无论是处于稳定工况还是不稳定工况下，水轮机调节系统中的间隙特性会使系统的超调量变大，振荡持续时间延长，并发生相位滞后，而且随着间隙死区的增大，系统的调节性能会进一步恶化。
3.3 临界稳定状态附近的间隙特性影响
当调速器参数设置在稳定域边界附近，即调速器参数取组合3 （Kp= 3.0，Ki= 1.2）时，表3中工况7～9下的Nyquist曲线1-GH和曲线-1/N（A）如图9所示。
根据Nyquist稳定判据，在没有间隙存在（即间隙死区b=0）时，FGH不包围稳定点（一1，j0），此时系统稳定，与运用Hurwitz稳定判据判别结果一致。由图9可知，当间隙死区逐渐增大，-1/N（A）曲线将大致沿着原来方向不断延长，并会与Nyquist曲线1-GH相交于交点N1，此时系统将由稳定状态变为不稳定状态，并在N1点发生自激振荡，即存在一个极限环，交点的幅值为A1，频率为ω1。对系统进行时域数值模拟，在频率调节模式下，使系统在10.0 s时发生有功功率2.5%的阶跃变化，可绘制出图10-11。图10是工况7～9下的时域模拟响应曲线，图11是系统状态在频率一开度平面上投影的相平面图。由图10可知，随着间隙死区从0逐漸增大，系统将由稳定状态向不稳定状态发展，最终演变为持续等幅振荡，振荡幅度和相位滞后程度随间隙死区逐渐加大。图11清晰地显示了系统中存在的极限环，随着间隙死区的增大，系统极限环也不断增大，极限环中的水平区段体现了系统间隙在执行机构换向时的局部记忆性特征。
由图9可知，随着负荷扰动幅度增大，-1/N（A）曲线将由被1-GH包围的不稳定区域进入到1-GH之外的稳定区域，可以判断系统在N1点存在的极限环是一个稳定极限环。
图12是工况9（6=±0.5%，K=3.0，Ki=1.2）所对应的仿真结果，虚线表示系统减2.5%负荷时的时域响应，此时外界负荷扰动相对较大，大于A1，孤网水电站频率振幅将在初始发散后不断减小，最终稳定在[0.995，1.005] （pu）区间内振荡;实线表示系统甩0.1%负荷时的时域响应，此时外界负荷扰动相对较小，小于A1，系统频率振幅将逐渐增大，最终也稳定在[0.995，1.005] （pu）区间内振荡。图13为系统状态在频率一频率的一阶导数相平面上的投影，清晰地显示了系统存在一个稳定极限环，环内外的轨迹均收敛于该极限环上，系统发生等幅振荡现象。倘若合理选取调速器参数（如组合1），则能够避免发生此类现象。
4 结论
本文运用描述函数法表示间隙非线性环节，建立了具有间隙环节的水轮发电机组的传递函数数学模型，运用Nyquist稳定判据对系统动力学行为进行分析，研究了间隙特性对水轮机调节系统稳定性的影响。得出以下结论：
（1）间隙特性使机组调节过渡过程性能恶化，其影响程度与间隙死区大小成正相关。
（2）间隙特性能使系统产生极限环，通过理论推导和分析找到了极限环特性与调速器参数的关系。可通过使间隙特性与调速器参数满足一定的匹配规律消除极限环。
本文对考虑了执行机构间隙特性的水轮机调节系统的小波动稳定特征进行了初步研究，进一步验证了间隙死区、调速器参数等因素对系统稳定性的影响，为水轮发电机组稳定运行提供了理论支持。
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（编辑：李晓濛）
作者简介：廖溢文，男，主要从事水力发电系统运行的相关研究。E-mail：liaoyiwen@whu.edu.cn
通讯作者：杨威嘉，男，副研究员，博士，主要从事水力发电系统动态特性与控制研究。E-mail：weijia.yang@whu.edu.cn
作者：廖溢文 杨威嘉 赵志高 李旭东 慈晓虎 杨建东
水力发电自动化系统分析论文 篇3：
浅谈电气工程中自动化技术的运用
【摘 要】随着科学技术的快速发展和电力事业的进步，电气工程中逐渐开始应用自动化技术。本文结合电气工程的特点以及自动化技术的发展对其进行了相应的介绍，以供相关的工作人员参考和借鉴。
【关键词】电气工程；自动化；技术；应用
1.电气工程及其自动化
电气工程中的自动化涉及电力电子技术，计算机技术，电机电器技术信息与网络控制技术，机电一体化技术等诸多领域，其主要特点是强弱电结合，机电结合，软硬件结合。电气工程及其自动化技术主要以控制理论、电力网理论为基础，以电力电子技术、计算机技术则为其主要技术手段，同时也包含了系统分析、系统设计、系统开发以及系统管理与决策等研究领域。
电力网理论主要是基于电力系统出发。电力网主要分为输电网和配电网，二者中输电网承担着主要的电力传送和运输工作， 发电厂制造产生的所有电力需要通过配电网根据不同地区的电力需要， 对所有的电量进行理论数值的分配。分配后的电量最终通过输电网输送给用户。二者密切相关，共同运作，才能保证广大人民群众用上稳定的电能。发电、变电、输电、配电、用电等设备称为电力主设备， 也称为一次设备，由主设备构成的系统称为主系统，也称为一次系统； 测量、监视、控制、继电保护、安全自动装置、通信，以及各种自动化系统等用于保证主系统安全、稳定、正常运行的设备称为二次设备。较之一次设备相比，二次设备是一项重要的辅助系统， 主要是为了保证整个电力系统的安全和稳定， 为广大人民群众提供安全可靠的电力能源，保证社会的稳定发展和经济的提升。
控制理论是关于个中系统的一般性控制规律的科学。它的工作领域主要集中在，通过对运行中的信号的分析和统计， 来明确在具体的运行中的问题， 以便于对问题进行有效的调整， 最终实现电力能源的稳定运行。因此， 控制理论的实现， 需要一系列的机械设备和应用技术的支撑。该项工作的重点集中在对信息的获取、分析、处理和应用。
将控制理论运用在实际的电气工程管理过程中， 能够有效的提高电力能源的利用效率，并提高电力能源的使用效率，节约经济开支，提高电力系统的经济效益，对于缓解劳动力压力，提高工作质量，实现工业化快速进程都有积极的意义。
2.电气工程中自动化技术的应用
电能的使用源于物理学上对于电流的发现和深入研究，随后，电能开始融入人们的生活当中去， 自从问世以来逐渐获得完善和发展， 我国的用电历史较国外发达国家相比比较晚，距今只有近百年的历史，但是随着我国经济的快速发展和科学技术的进步， 现在已经进入了大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。
2.1现代电气工程自动化技术的特点
自动化技术主要表现在经济成本低，工作效率高等几个主要的优势上， 而电力系统的自动化工程受到电气工程本身特性的制约相对复杂， 主要包括电力系统调度自动化、变电站自动化、配电网自动化、火电场自动化、水电厂自动化五个方面。现代电力系统技术上的发展主要以“大机组、大电网、高电压、高度自动化”为特征来描述。本世纪初，随着科学技术的进步，计算机技术和电子技术等都得到了飞速度的发展，它们在电气工程发展过程中的引进日益提高电力系统的自动化水平。同时，洁净煤技术、水电开发、核电的发展也越来越得到重视；新能源的开发利用，特别是可再生能源的开发利用也是现代电力技术的发展趋势。因此，建立健全的电力市场机制是提高效率、降低成本，促进电力资产的合理利用与发展的有效保证。
2.2发电厂自动化
电力系统是由发电厂、输配电系统及负荷组成的统一整体， 通常覆盖广阔的地域。发电厂作为电力系统的始端，它的自动化决定了整个电力工程的自动化。
（1）火力发电厂。火力发电厂是利用煤、油、天然气、油页岩等为燃料的发电厂。它的自动化系统一般由厂级监控信息系统（SIS）、电厂管理信息系统（MIS）、远动系统、故障信息子系统、继电保护及故障信息管理子站、数据采集与监视控制系统（SCADA）、机组分散控制系统（DCS）构成。
（2）水力发电厂。水力发电是我国主要的发电形式，我国的水力发电长数量多，发电总量大， 为全国的供电贡献了重要的力量。水力发电的自动化技术应用时间也比较长，取得的效果比较显著。水电厂自动化系统一般采用了集调速、励磁、保护、监控于一体的自动化系统，实现单元控制模式。机组LCU主要分为6大要点模块构成。其中主控（CPU）模块主要完成机组测量、控制、调节等功能，调速模块主要完成机组转速及有功功率的调节，励磁模块主要完成机组电压及无功功率的调节， 保护模块主要完成发电机组的保护功能。
2.3变电站综合自动化
变电站的引用是电力系统的一个重要的突破， 变电站的技术最先诞生在欧美地区， 上个世纪的七十年代才被逐渐的引入到国内， 随着使用规模的扩大和实用技术的推广， 人们已经越来越多的认识到变電站综合自动化的重要性。自动化的变电站系统主要应用自动化技术和系统， 对变电站的基本数据和电能传输等工作进行二十四小时的无人系统监控， 并对运行的系统进行及时的保护。自动化变电站系统主要由以下五个具体的子系统构成：
（1）控制系统。主要是进行变电站的数据包括模拟量、开关量和电能量的数据采集、故障录波和测距、故障记录、断路器跳合闸记录、保护动作顺序记录的事件顺序记录、操作控制功能、安全监视功能、人机联系功能、数据处理与记录功能、谐波分析与监视、打印功能。
（2）继电保护子系统。变电站综合自动化系统中的微机继电保护主要包括输电线路保护、电力变压器保护、母线保护、电容器保护、小电流接地系统自动选线、自动重合闸等。
（3）电压、无功综合控制子系统。变电站综合自动化系统必须具有保证安全、可靠供电和提高电能质量的自动控制功能。电压和频率是电能质量的重要指标， 因此电压、无功综合控制也是变电站综合自动化系统的一个重要组成部分。
（4）低频减负荷控制及备用电源自动投入子系统。备用电源自动投入已成为变电站综合自动化系统的基本功能之一。
（5）通信子系统。主要由内部的信息沟通和变电站与其他管理部门的信息沟通。
3.总结
众所周知， 自动化技术的引用大大提高了电气工程的工作效率， 减少了其工程的人力投入，为电力工程节约了经济成本，同时通过自动化的管理和程序使用， 能够有效的避免由于人为错误操作而带来的故障，为了电气工程的稳定，未来自动化技术将更广泛的应用到电气工程中去。
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作者：杨斌