深析電力系統(tǒng)自動化的內(nèi)涵及其發(fā)展趨勢

【摘 要】本文從電力系統(tǒng)自動化的意義、構(gòu)成、發(fā)展階段和發(fā)展趨勢等方面對其進行了分析，對電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)運行以及向客戶提供可靠、合理的電能提供了重要理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；自動化；趨勢

電力系統(tǒng)自動化（automation of power systems）是對電能生產(chǎn)、傳輸和管理實現(xiàn)自動控制、自動調(diào)度和自動化管理的過程。目標(biāo)是保證電能質(zhì)量（頻率和電壓）、系統(tǒng)運行的安全可靠，提高經(jīng)濟效益和管理效能。

一、電力系統(tǒng)自動化的重要性

（1）保證安全可靠運行電力系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，在電力系統(tǒng)中任何一點發(fā)生的故障，都會在瞬間影響和波及全系統(tǒng)，往往引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致事故擴大，造成大面積停電，因此電力系統(tǒng)要求進行快速的自動控制，包括：輸變電設(shè)備的正常操作、故障的快速切除和恢復(fù)，均通過自動裝置才能保證安全、可靠。（2）保證良好的電能質(zhì)量電力系統(tǒng)被控制的參數(shù)很多，包括頻率、電壓、有功和無功功率、功率平衡等，監(jiān)視和控制成千上萬個運行參數(shù)必須依靠自動化。（3）保證經(jīng)濟運行由電力系統(tǒng)的特點和運行要求可見對電力系統(tǒng)的控制與管理一個大型電力系統(tǒng)，使之安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟的運行是十分困難而艱巨的。僅靠值班人員進行人工監(jiān)視是無法實現(xiàn)的，必須依靠自動裝置和設(shè)備才能實現(xiàn)。最少的一次能源產(chǎn)生更多的電力。電力系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度運行，降低網(wǎng)損等，沒有自動化系統(tǒng)的參與是很難實現(xiàn)。

二、電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展階段

（1）手工階段電力工業(yè)的初期萌芽階段，電廠小，就近供電。在發(fā)電機、開關(guān)設(shè)備旁就近監(jiān)視設(shè)備和手工調(diào)節(jié)操作。特點：單獨運行，就近供電、手工操作。（2）簡單自動裝置階段用電設(shè)備增多、發(fā)電設(shè)備規(guī)模擴大，對電能質(zhì)量和安全可靠性提出了要求，開始出現(xiàn)單一功能的自動裝置。包括：繼電保護、斷路器自動操作、發(fā)電機自動調(diào)壓和調(diào)速等。特點：電能質(zhì)量要求、單一的電力自動裝置。（3）傳統(tǒng)調(diào)度中心階段出現(xiàn)互連電網(wǎng)，保證供電可靠性和經(jīng)濟性的必然選擇。電網(wǎng)設(shè)立調(diào)度中心，統(tǒng)一調(diào)度電廠和處理電網(wǎng)的異常和事故。電話是通信聯(lián)絡(luò)的主要方式。特點：電網(wǎng)互連、統(tǒng)一調(diào)度、電話通信。（4）現(xiàn)代調(diào)度的初級階段出現(xiàn)遠動裝置，實現(xiàn)“四遙”，滿足實時調(diào)度的要求。特點：遠動四遙、實時調(diào)度。（5）單一功能的自動化裝置很難滿足電能質(zhì)量、可靠和安全的需要，所以出現(xiàn)自動化程度更高的自動化系統(tǒng)。其特點是把多套獨立的自動化裝置用通信信道或網(wǎng)絡(luò)互連，實現(xiàn)信息共享，相互協(xié)調(diào)自動完成指定的功能。特點：裝置互連，信息共享。

三、電力系統(tǒng)自動化的主要內(nèi)容

按電力系統(tǒng)運行管理，可將電力系統(tǒng)自動化分為調(diào)度自動化、發(fā)電廠自動化、變電站自動化；調(diào)度自動化又可分為輸電調(diào)度、配電網(wǎng)調(diào)度自動化；發(fā)電廠自動化又分為火電、水電、核電等。

1.電力調(diào)度自動化電力調(diào)度的主要任務(wù)可以概括為：（1）控制整個電力系統(tǒng)的運行方式，使其在正常狀態(tài)下能滿足安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟供電的要求；（2）在缺電狀態(tài)下做好負荷管理；（3）在事故狀態(tài)下能迅速消除故障，恢復(fù)供電。調(diào)度自動化是綜合利用電子計算機、遠動和遠程通信技術(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)度管理自動化，有效地幫助電力系統(tǒng)調(diào)度員完成調(diào)度任務(wù)。

2．發(fā)電廠自動化無論是火電、水電、核電或其他發(fā)電方式，都是通過某種動力機械驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，其自動化系統(tǒng)具有很多共同點，既要分別控制動力裝置、發(fā)電機及其他輔助設(shè)備，又要對各個控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)和統(tǒng)一關(guān)管理。（1）火電廠利用化石燃料釋放出來的熱能發(fā)電，以蒸汽動力發(fā)電為主，也有少量采用內(nèi)燃機發(fā)電。蒸汽動力發(fā)電廠的主要動力設(shè)備有鍋爐、汽輪機、汽輪發(fā)電機及輔助設(shè)備。火電廠自動化是一門綜合技術(shù)，具有自動檢測、自動保護、順序控制、連續(xù)控制、管理和信息處理等功能。各種自動化系統(tǒng)主要包含有數(shù)據(jù)采集及計算機監(jiān)視系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)、汽輪機控制系統(tǒng)、發(fā)電機控制系統(tǒng)、機爐協(xié)調(diào)主控制系統(tǒng)、輔助設(shè)備及各種支持系統(tǒng)等。（2）水電廠需要控制水輪機、調(diào)速器以及水輪發(fā)電機勵磁裝置等，水電自動化系統(tǒng)可自動地對水電廠進行監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)和管理，以提高水電廠運行的安全性、經(jīng)濟性、勞動生產(chǎn)率和供電質(zhì)量。水電廠自動化可分為單機自動化（包括水輪發(fā)電機組自動控制、水輪機調(diào)速和水輪發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)的自動控制）、公用設(shè)備自動化、全廠綜合自動化（包括水電廠自動發(fā)電控制、水電廠自動電壓控制、水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)）和梯級水電站綜合自動化。水電廠自動發(fā)電控制是在水輪發(fā)電機組自動控制的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全廠自動化的一種方式，它根據(jù)水庫上游來水量或電力系統(tǒng)的要求，考慮全廠及機組的運行限制條件，以經(jīng)濟運行為原則，確定電站機組運行的臺數(shù)、運行機組的組合和機組間負荷分配。（3）核電已成為繼火電、水電之后的第三大能源，對自動化系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格和苛刻，特別是可靠性。隨著先進控制理論和計算機數(shù)字監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了發(fā)電機綜合自動控制系統(tǒng)，其功能包括發(fā)電機組開停順序控制、勵磁控制、調(diào)速控制、穩(wěn)定裕度監(jiān)視控制等。

3．變電站自動化變電站的作用是變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向等，主要通過變壓器將各級電壓的電網(wǎng)聯(lián)系起來。隨著微機監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)開始引入變電站，變電站正在向綜合自動化方向發(fā)展，我國已實現(xiàn)了變電站的遠程監(jiān)控、遠動和繼電保護微機化，同時大力推廣無人值班變電站。無人值班變電站將會使變電站綜合自動化程度推向一個更高的階段，其功能包括變電站的遠動、繼電保護、遠方開關(guān)操作、自動測量、故障和事故的自動記錄以及運行參數(shù)自動打印等功能。

四、電力系統(tǒng)自動化發(fā)展趨勢

1．智能控制理論的應(yīng)用。電力系統(tǒng)裝機容量不斷增加，供電區(qū)域不斷擴大，其結(jié)構(gòu)和運行方式也變得越來越復(fù)雜多變；故對供電質(zhì)量、供電可靠性和運行經(jīng)濟性的要求越來越高，這些都需要新的控制方法來適應(yīng)這些要求。目前電力系統(tǒng)發(fā)展中的自動控制技術(shù)趨向于控制策略的日益優(yōu)化，呈現(xiàn)出適應(yīng)性強、協(xié)調(diào)控制完善、智能優(yōu)勢明顯、區(qū)域分布日益平衡的發(fā)展趨勢。在設(shè)計層面電力自動化系統(tǒng)更注重對多機模型的問題處理，且廣泛借助現(xiàn)代控制理論及工具實現(xiàn)綜合高效的控制。新的控制方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊技術(shù)和遺傳算法等，最大的優(yōu)點在于實現(xiàn)多變量控制而不必列出繁瑣的數(shù)學(xué)模型，因此將這些新的控制方法應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，則是電力系統(tǒng)自動化發(fā)展的趨勢。

2．?dāng)?shù)字化電力系統(tǒng)（DPS）的形成。數(shù)字電力系統(tǒng)在實踐控制手段的運用中合理引入了大量的計算機、電子器件及遠程通信應(yīng)用技術(shù)，可以形象地展現(xiàn)電力系統(tǒng)的真實結(jié)構(gòu)、各組成部件的物理性能；各個元件、各個網(wǎng)絡(luò)、各節(jié)點的實時狀態(tài)變量；各自動裝置的動作特性；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、市場信息、人員信息；運營策略等。

3．電力系統(tǒng)自動化新技術(shù)與趨勢。電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展正由發(fā)、輸電自動化向發(fā)、輸、配電自動化全面發(fā)展。電力系統(tǒng)的自動控制技術(shù)的趨勢是：在控制策略上日益向最優(yōu)化、自適應(yīng)化、智能化、協(xié)調(diào)化發(fā)展；在理論工具上越來越多地借助于各種先進控制理論；在設(shè)計分析上日益要求面對多機系統(tǒng)模型處理問題；在控制手段上日益增多了微機、電力電子器件和遠程通信的應(yīng)用。電力系統(tǒng)自動化的總體發(fā)展趨勢是：由開環(huán)監(jiān)測向閉環(huán)控制發(fā)展；由高電壓等級向低電壓擴展；由單個元件向部分區(qū)域及全系統(tǒng)發(fā)展，追求目標(biāo)向最優(yōu)化、協(xié)調(diào)化、智能化發(fā)展，如勵磁控制、潮流控制；由提高運行的安全性、經(jīng)濟性和效率向管理、服務(wù)的自動化擴展，如管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用。其中的典型技術(shù)有：（1）高壓直流輸電直流輸電是利用電力電子技術(shù)，將交流電變換成直流電輸送至受電端，再用逆變器將直流電變換成交流電送到受端交流電網(wǎng)，主要應(yīng)用于遠距離大功率輸電和非同步交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，具有線路投資少、不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問題、調(diào)節(jié)快速、運行可靠等優(yōu)點。直流輸電與交流輸電相比的主要優(yōu)點：直流線路造價低、功率和能量損耗??；對通信干擾小、沒有電容電流和電抗壓降；直流輸電線兩端的交流系統(tǒng)不需要同步運行；不存在交流輸電固有的穩(wěn)定問題，輸送距離和功率也不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制；容易實現(xiàn)對功率和電流的調(diào)節(jié)控制、并且迅速；如果交、直流并列運行，有助于提高交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善整個系統(tǒng)的運行特性。（2）柔性交流輸電系統(tǒng)柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）是針對高壓輸電系統(tǒng)，綜合運用電力電子技術(shù)、微機處理技術(shù)、控制技術(shù)等，在原有的輸電系統(tǒng)的幾個重要的部位加上了有效的電力電子裝置，對輸電系統(tǒng)的幾個重要指標(biāo)（如電壓、相位差、電抗）加以控制，這種高壓輸電系統(tǒng)采用了危機處理、力電子、自動控制等新技術(shù)，以提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可控性、運行性能和電能質(zhì)量，可獲取大量節(jié)電效益，并由此技術(shù)獲得了大量的具有節(jié)點效益的新興的綜合技術(shù)。柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）的發(fā)展進一步提高了輸電、配電自動化水平；在控制策略上日益向最優(yōu)化、適應(yīng)化、智能化、協(xié)調(diào)化、區(qū)域化發(fā)展。（3）基于廣域測量系統(tǒng)的動態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)GPS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用為電力系統(tǒng)提供了較方便的全網(wǎng)統(tǒng)一時鐘信號，其定時精度小于1微秒?；贕PS的廣域測量系統(tǒng)是以電力系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測、分析和控制為目標(biāo)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，具有異地高精度同步相量測量、高速通信和快速反應(yīng)等技術(shù)特點，非常適合大跨度電網(wǎng)，可以測量廣域范圍內(nèi)電壓幅值和相角、潮流等的精確值，主要用于電力系統(tǒng)模型校核、功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定評估、低頻振蕩的研究等?；贕PS統(tǒng)一時鐘的新一代動態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)EMS，它是新動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)與原有SCADA的結(jié)合。主要由同步定時系統(tǒng)，動態(tài)相量測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和中央信號處理機四部分組成。采用GPS實現(xiàn)的同步相量測量技術(shù)和光纖通信技術(shù)，為相量控制提供了實現(xiàn)的條件。GPS技術(shù)與相量測量技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物-PMU（相量測量單元）設(shè)備，正逐步取代RTU 設(shè)備實現(xiàn)電壓、電流相量測量（相角和幅值）。電力系統(tǒng)調(diào)度監(jiān)測從穩(wěn)態(tài)/準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)監(jiān)測向動態(tài)監(jiān)測發(fā)展是必然趨勢。GPS技術(shù)和相量測量技術(shù)的結(jié)合標(biāo)志著電力系統(tǒng)動態(tài)安全監(jiān)測和實時控制時代的來臨。

五、結(jié)語

我們必須在實踐發(fā)展中不僅提升系統(tǒng)的安全運行性、經(jīng)濟合理性、高效科學(xué)性，引入諸如管理信息系統(tǒng)等高效自動化服務(wù)控制體系，才能令電力系統(tǒng)自動化朝健康、有序、科技化、創(chuàng)新化、全面化的方向前進。

參 考 文 獻

[1]電力系統(tǒng)自動化市場發(fā)展快前景．

http://www.gridsources.com/contents/1476/205582.html

[2]李華．電力系統(tǒng)自動化主要技術(shù)及發(fā)展趨勢研究[J]．河南科技．2011（11下）：19

[3]王勁松．淺談電力系統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)技術(shù)[J]．黑龍江科技信息．2011（35）：105

[4]成海榮．談我國電力系統(tǒng)自動化市場發(fā)展前景[J]．中國科技財富．2011（19）：91