電氣工程及其自動(dòng)化涉及電力電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，電機(jī)電器技術(shù)信息與網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)等諸多領(lǐng)域，是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)弱電結(jié)合，機(jī)電結(jié)合，軟硬件結(jié)合，電工技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，元件與系統(tǒng)相結(jié)合，使學(xué)生獲得電工電子、系統(tǒng)控制、電氣控制、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化裝置及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域的基本技能。
1、電力系統(tǒng)基本概念
1）電力系統(tǒng)定義
由發(fā)電廠內(nèi)的發(fā)電機(jī)、電力網(wǎng)內(nèi)的變壓器和輸電線路以及用戶的各種用電設(shè)備，按照一定的規(guī)律連接而組成的統(tǒng)一整體，稱(chēng)為電力系統(tǒng)。
2）電力系統(tǒng)的組成
電力系統(tǒng)由發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)、電力網(wǎng)及電能用戶（用電設(shè)備）組成的。
3）電力系統(tǒng)電壓等級(jí)
系統(tǒng)額定電壓：電力系統(tǒng)各級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)稱(chēng)電壓值。
系統(tǒng)額定電壓值是：220V、380V、3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750 kV。
4）電力設(shè)備
電力系統(tǒng)的電氣設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備，一次設(shè)備（也稱(chēng)主設(shè)備）是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主體，它是直接生產(chǎn)、輸送和分配電能的設(shè)備，包括發(fā)電機(jī)、電力變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電力母線、電力電纜和輸電線路等。二次設(shè)備是對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)和監(jiān)測(cè)的設(shè)備，它包括控制器具、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置、測(cè)量?jī)x表、信號(hào)器具等。二次設(shè)備通過(guò)電壓互感器和電流互感器與一次設(shè)備取得電的聯(lián)系
2、電力系統(tǒng)故障及其危害
凡造成電力系統(tǒng)運(yùn)行不正常的任何連接或情況均稱(chēng)為電力系統(tǒng)的故障。電力系統(tǒng)的故障有多種類(lèi)型，如短路、斷線或它們的組合。短路又稱(chēng)橫向故障，斷線又稱(chēng)為縱向故障。
短路故障可分為三相短路、單相接地短路（簡(jiǎn)稱(chēng)單相短路）兩相短路和兩相接地短路，注意兩相短路和兩相接地短路是兩類(lèi)不同性質(zhì)的短路故障，前者無(wú)短路電流流入地中，而后者有。三相短路時(shí)三相回路依舊是對(duì)稱(chēng)的，故稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)短路；其他幾種短路均使三相回路不對(duì)稱(chēng)，因此稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)短路。
斷線故障可分為單相斷線和兩相斷線。斷線又稱(chēng)為非全相運(yùn)行，也是一種不對(duì)稱(chēng)故障。大多數(shù)情況下在電力系統(tǒng)中一次只有一處故障，稱(chēng)為簡(jiǎn)單故障或單重故障，但有時(shí)可能有兩處或兩處以上故障同時(shí)發(fā)生，稱(chēng)為復(fù)雜故障或多重故障。
短路故障一旦發(fā)生，往往造成十分嚴(yán)重的后果，主要有：
（1） 電流急劇增大。短路時(shí)的電流要比正常工作電流大得多，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)正常電流的
十幾倍。大型發(fā)電機(jī)出線端三相短路電流可達(dá)幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)安培。這樣大的電流將產(chǎn)生巨大的沖擊力，使電氣設(shè)備變形或損壞，同時(shí)會(huì)大量發(fā)熱使設(shè)備過(guò)熱而損壞。有時(shí)短路點(diǎn)產(chǎn)生的電弧可能直接燒壞設(shè)備。
（2） 電壓大幅度下降。三相短路時(shí)，短路點(diǎn)的電壓為零，短路點(diǎn)附近的電壓也明顯下
降，這將導(dǎo)致用電設(shè)備無(wú)法正常工作，例如異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，甚至停轉(zhuǎn)。
（3） 可能使電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性遭到破壞。電力系統(tǒng)發(fā)生短路后，發(fā)電機(jī)輸出的電
磁功率減少，而原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率來(lái)不及相應(yīng)減少，從而出現(xiàn)不平衡功率，這將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速。有的發(fā)電機(jī)加速快，有的發(fā)電機(jī)加速慢，從而使得發(fā)電機(jī)相互間的角度差越來(lái)越大，這就可能引起并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失去同步，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引起大片地區(qū)停電。
（4） 不對(duì)稱(chēng)短路時(shí)系統(tǒng)中將流過(guò)不平衡電流，會(huì)在鄰近平行的通訊線路中感應(yīng)出很高
的電勢(shì)和很大的電流，對(duì)通訊產(chǎn)生干擾，也可能對(duì)設(shè)備和人身造成危險(xiǎn)。
在以上后果中，最嚴(yán)重的是電力系統(tǒng)并列運(yùn)行穩(wěn)定性的破壞，被喻為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的災(zāi)難，其次是電流的急劇增大。
除此之外，電力系統(tǒng)中還可能出現(xiàn)一些不正常工作狀態(tài)，如電氣設(shè)備超過(guò)額定值運(yùn)行（稱(chēng)為過(guò)負(fù)荷），它也將使電氣設(shè)備絕緣加速老化，造成故障隱患甚至發(fā)展成故障；如發(fā)電機(jī)尤其是水輪發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)荷引起定子繞組的過(guò)電壓、電力系統(tǒng)的振蕩、電力變壓器和發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)故障以及電力系統(tǒng)的頻率下降等。系統(tǒng)中的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)都可能引起電力系統(tǒng)事故，不僅使系統(tǒng)的正常工作遭到破壞，甚至可能造成電氣設(shè)備損壞和人身傷亡。
3、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)
電力系統(tǒng)中的各元件之間有十分緊密的電或電磁聯(lián)系，一旦某個(gè)元件發(fā)生故障，電氣信息將以近似光的速度向系統(tǒng)各處傳播。這種故障不可能用人工手動(dòng)方法排除而必須有高速自動(dòng)化的裝置來(lái)排除。這是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行最有效的方法。
電力系統(tǒng)繼電保護(hù)就是一門(mén)研究這種自動(dòng)識(shí)別故障并排除故障元件的自動(dòng)裝置的技術(shù)學(xué)科。也就是說(shuō)，繼電保護(hù)自動(dòng)裝置是能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出指示信號(hào)的一種自動(dòng)裝置。
1）繼電保護(hù)的作用
I、自動(dòng)、迅速、有選擇性的將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證無(wú)故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。
II、反應(yīng)電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行維護(hù)條件，而動(dòng)作于發(fā)出信號(hào)或跳閘。
2）繼電保護(hù)裝置
當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機(jī)、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)，能夠向運(yùn)行值班人員及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動(dòng)化措施和設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化措施的成套設(shè)備,一般通稱(chēng)為繼電保護(hù)裝置。
3）繼電保護(hù)裝置的組成及工作原理
一般繼電保護(hù)裝置由測(cè)量比較元件、邏輯判斷元件和執(zhí)行輸出元件三部分組成。
I、測(cè)量比較元件：測(cè)量通過(guò)被保護(hù)的電力元件的物理參量，并與給定的值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，給出“是”、“非”、“0”或“1”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào)，從而判斷保護(hù)裝置是否應(yīng)該啟動(dòng)。
II、邏輯判斷元件：根據(jù)測(cè)量比較元件輸出的邏輯信號(hào)的性質(zhì)、先后順序、持續(xù)時(shí)間等，使保護(hù)裝置按一定的邏輯關(guān)系判定故障的類(lèi)型和范圍，最后確定是否應(yīng)該使斷路器跳閘、發(fā)出信號(hào)或不動(dòng)作，并將對(duì)應(yīng)的指令傳給執(zhí)行輸出部分。
III、執(zhí)行輸出元件：根據(jù)邏輯判斷部分傳來(lái)的指令，發(fā)出跳開(kāi)斷路器的跳閘脈沖及相應(yīng)的動(dòng)作信息、發(fā)出警報(bào)或不動(dòng)作。
4) 繼電保護(hù)的分類(lèi)
I、按被保護(hù)的對(duì)象分類(lèi)：輸電線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等。
II、按保護(hù)原理分類(lèi)：電流保護(hù)、電壓保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、方向保護(hù)、零序保護(hù)等。
III、按保護(hù)所反應(yīng)故障類(lèi)型分類(lèi)：相間短路保護(hù)、接地短路保護(hù)、匝間短路保護(hù)、斷線保護(hù)、失步保護(hù)、失磁保護(hù)及過(guò)勵(lì)磁保護(hù)等。
IV、按繼電保護(hù)裝置的實(shí)現(xiàn)技術(shù)分類(lèi)：機(jī)電型保護(hù)、整流型保護(hù)、晶體管型保護(hù)、集成電路型保護(hù)、微機(jī)型保護(hù)。
V、繼電保護(hù)測(cè)量值與整定值的關(guān)系分類(lèi)：過(guò)量保護(hù)（測(cè)量值﹥整定值）、欠量保護(hù)（測(cè)量值﹤整定值）
VI、按保護(hù)所起的作用分類(lèi)：主保護(hù)、后備保護(hù)、輔助保護(hù)等。
主保護(hù)是指滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護(hù)設(shè)備和線路故障的保護(hù)。
后備保護(hù)是指主保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)用來(lái)切除故障的保護(hù)。又分為近后備保護(hù)和遠(yuǎn)后備保護(hù)。近后備保護(hù)：在本元件處裝設(shè)兩套保護(hù)，當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，由本元件的另一套保護(hù)動(dòng)作。遠(yuǎn)后備保護(hù)：當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，由該電力設(shè)備或線路的另一套保護(hù)實(shí)現(xiàn)后備的保護(hù)；當(dāng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，由斷路器失靈保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的后備保護(hù)。
5）繼電保護(hù)的基本要求：
選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性
可靠性是指保護(hù)該動(dòng)作時(shí)應(yīng)動(dòng)作，不該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作。
選擇性是指首先由故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)切除故障，當(dāng)故障設(shè)備或線路本身的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，才允許由相鄰設(shè)備、線路的保護(hù)或斷路器失靈保護(hù)切除故障。
靈敏性是指在設(shè)備或線路的被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)裝置具有的正確動(dòng)作能力的裕度，一般以靈敏系數(shù)來(lái)描述。
速動(dòng)性是指保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，提高自動(dòng)重合閘和備用電源或備用設(shè)備自動(dòng)投入的效果等。
4、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信息處理技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站二次設(shè)備(包括繼電保護(hù)、控制、測(cè)量、信號(hào)、故障錄波、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)的功能進(jìn)行重新組合、優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站全部設(shè)備的運(yùn)行情況執(zhí)行監(jiān)視、測(cè)量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。通過(guò)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間相互交換信息，數(shù)據(jù)共享，完成變電站運(yùn)行監(jiān)視和控制任務(wù)。