淺談電力系統(tǒng)自動(dòng)化與自動(dòng)裝置

林 杰 ，溫 歡 ，李博浩 ，劉婧雯

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018；3.天水電氣傳動(dòng)研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；4.大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020）

1 引言

電力系統(tǒng)自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能生產(chǎn)、傳輸、管理的自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)度和自動(dòng)管理。電力系統(tǒng)自動(dòng)化的領(lǐng)域包括生產(chǎn)的自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)和控制，系統(tǒng)和元件的自動(dòng)安全保護(hù)，網(wǎng)絡(luò)信息的自動(dòng)傳輸，系統(tǒng)生產(chǎn)的自動(dòng)調(diào)度以及企業(yè)的自動(dòng)化經(jīng)濟(jì)管理等。電力系統(tǒng)自動(dòng)化的主要目標(biāo)是保證供電的電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理效能。

2 電力系統(tǒng)自動(dòng)化的原理及分類

電力系統(tǒng)自動(dòng)化的基本原理是應(yīng)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和電力電子技術(shù)，對(duì)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和記錄，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和決策，完成對(duì)各管理區(qū)域內(nèi)電力設(shè)備的就地或遠(yuǎn)方監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。

電力系統(tǒng)自動(dòng)化按管理區(qū)域分為：發(fā)電廠自動(dòng)化、變電站（換流站）自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、調(diào)度自動(dòng)化。

2.1 發(fā)電廠自動(dòng)化

發(fā)電廠自動(dòng)化包括分散控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.1.1 分散控制系統(tǒng)DCS

分散控制系統(tǒng)DCS完成數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、.順序控制、爐膛安全監(jiān)控等功能，可以滿足各種運(yùn)行工況的要求，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

DCS包括鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、除氧、給水、減溫、減壓等控制系統(tǒng)，可分為針對(duì)電廠鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)幾大主機(jī)的控制和針對(duì)水務(wù)系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等的輔助控制。圖1為DCS的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 DCS的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 電氣控制系統(tǒng)ECS

電氣控制系統(tǒng)ECS為分層分布式結(jié)構(gòu)，作為獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)，是電廠DCS的輔助監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)/備用變壓器、廠用變壓器、直流電源、UPS等設(shè)備的監(jiān)控，并把信息傳送給DCS。

ECS包括站控層、通信控制層、間隔設(shè)備層。

（1）站控層由各個(gè)主站系統(tǒng)構(gòu)成，是整個(gè)ECS系統(tǒng)的控制管理中心，完成對(duì)整個(gè)ECS的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并且經(jīng)過(guò)相應(yīng)授權(quán)，能對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制。

（2）通信控制層主要包括各個(gè)通信裝置，具有通信和控制功能。

（3）間隔設(shè)備層由保護(hù)和自動(dòng)裝置構(gòu)成，具有測(cè)量、控制、保護(hù)、信號(hào)、通信等基本功能。

2.1.3 升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS

升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS采用了分層分布式結(jié)構(gòu)，具備對(duì)廠內(nèi)升壓站系統(tǒng)的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)，進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控，對(duì)升壓站系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、加工和傳輸?shù)裙δ?，同時(shí)具備發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電控制和自動(dòng)無(wú)功控制功能以及負(fù)荷自動(dòng)分配等高級(jí)應(yīng)用功能，與DCS實(shí)現(xiàn)相互跟蹤、互相傳遞信息。

2.2 變電站（換流站）自動(dòng)化系統(tǒng)

2.2.1 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，與變電站二次設(shè)備進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站主要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、信息測(cè)量和操作控制。

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)一般分為站控層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。站控層包括監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、故障錄波和保護(hù)信息管理子站等，主要完成站內(nèi)數(shù)據(jù)的記錄、分析、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、管理功能；網(wǎng)絡(luò)層主要完成站控層和間隔層的信息交互；間隔層包括保護(hù)裝置、測(cè)量裝置和其他自動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)量和控制功能。圖2所示為典型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 典型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 換流站自動(dòng)化系統(tǒng)

換流站自動(dòng)化系統(tǒng)主要功能：實(shí)現(xiàn)停、送直流功率；控制直流功率的傳輸方向和大?。惶幚砗鸵种茡Q流器不正常運(yùn)行及交、直流系統(tǒng)干擾所造成的影響；發(fā)生故障時(shí)保護(hù)換流站的設(shè)備；檢測(cè)換流站的各種運(yùn)行參量，監(jiān)視控制系統(tǒng)本身的運(yùn)行信息；與遠(yuǎn)方調(diào)度中心進(jìn)行通信。

換流站自動(dòng)化系統(tǒng)包括運(yùn)行人員控制層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層以及各層之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）運(yùn)行人員控制層是由運(yùn)行人員控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)控制接口、保護(hù)及故障錄波信息子站等子系統(tǒng)組成的計(jì)算機(jī)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）控制層由直流控制系統(tǒng)、直流保護(hù)系統(tǒng)、交/直流站控系統(tǒng)構(gòu)成，是整個(gè)換流站自動(dòng)化系統(tǒng)的控制管理中心，完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理功能，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制和保護(hù)。

（3）現(xiàn)場(chǎng)層主要包含交流開(kāi)關(guān)場(chǎng)，交流濾波器場(chǎng)，直流場(chǎng)的就地測(cè)控裝置及直流參量采集裝置等，具備完善的測(cè)量、監(jiān)視與控制功能。圖3為典型換流站自動(dòng)化系統(tǒng)的配置圖。

圖3 典型換流站自動(dòng)化系統(tǒng)配置圖

2.2.3 智能變電站系統(tǒng)

智能變電站系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和檢測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的新一代變電站系統(tǒng)。

智能變電站系統(tǒng)分為站控層。間隔層和過(guò)程層，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。站控層包括自動(dòng)化站級(jí)監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。

間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測(cè)量裝置、檢測(cè)功能組合IED等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用與該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。過(guò)程層包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置。

圖4 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 配電自動(dòng)化系統(tǒng)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要應(yīng)用于配電網(wǎng)設(shè)備的檢測(cè)與控制。通過(guò)將配電網(wǎng)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)信息、設(shè)備信息、運(yùn)行維護(hù)狀況、電網(wǎng)分析參數(shù)、地理信息等進(jìn)行安全有效集成，使配電自動(dòng)化與配電生產(chǎn)指揮集成一體，構(gòu)成完整配電自動(dòng)化及調(diào)度運(yùn)行管理的綜合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)正常運(yùn)行及事故狀態(tài)下的檢測(cè)、控制和運(yùn)行管理。

配電自動(dòng)化系統(tǒng)需要與輸電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、配電地理信息、生產(chǎn)管理等應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，以獲得相關(guān)的配電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成完整的配電網(wǎng)模型。配電自動(dòng)化支持基于全網(wǎng)拓?fù)涞呐潆姺治鰬?yīng)用功能，以滿足配電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行管理、計(jì)劃?rùn)z修和故障搶修等配電生產(chǎn)指揮的需求。圖5為典型的配電自動(dòng)化主站配置圖。

圖5 典型的配電自動(dòng)化主站配置圖

2.4 調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度機(jī)構(gòu)的級(jí)別一般分為國(guó)家調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、大區(qū)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、省級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、地區(qū)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)、縣級(jí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。

典型的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)一般劃分為位于安全區(qū)Ⅰ的主系統(tǒng)、安全區(qū)Ⅱ的調(diào)度員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)DTS和安全區(qū)Ⅲ的Web子系統(tǒng)。

2.4.1 主系統(tǒng)主要包括冗余局域子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)、各種應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)與人機(jī)界面子系統(tǒng)。

（1）局域網(wǎng)子系統(tǒng)采用冗余的雙交換式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大型用戶可以采用三層交換功能的企業(yè)級(jí)或部門(mén)級(jí)交換機(jī)。通過(guò)雙網(wǎng)冗余配置，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

（2）數(shù)據(jù)采集和通信子系統(tǒng)作為調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入、輸出的中心，主要承擔(dān)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)?；竟δ苡尚畔⒔粨Q、命令傳遞、規(guī)約的組織和解釋、通道的編碼與解碼、衛(wèi)星對(duì)時(shí)等、

（3）應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、自動(dòng)發(fā)電控制、能量管理高級(jí)應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控用于實(shí)現(xiàn)完整的、高性能的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，為其應(yīng)用提供全方位、高可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)；自動(dòng)發(fā)電控制子系統(tǒng)完成自動(dòng)發(fā)電控制功能，提供發(fā)電的監(jiān)視、調(diào)度和控制；能量管理高級(jí)應(yīng)用軟件是調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，主要用于電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的分析、控制策略的制定和輔助決策等，是電網(wǎng)運(yùn)行的神經(jīng)中樞和調(diào)度指揮司令部。

（4）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)主要完成歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理，歷史數(shù)據(jù)管理的所有功能都基于關(guān)系型商用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（5）維護(hù)人員通過(guò)人機(jī)界面子系統(tǒng)可以進(jìn)行模型維護(hù)、圖形維護(hù)、運(yùn)行維護(hù)，調(diào)度員通過(guò)圖形瀏覽器、告警窗口進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控。

2.4.2 DTS數(shù)字仿真系統(tǒng)主要用于在電網(wǎng)正常、事故、恢復(fù)控制下對(duì)調(diào)度人員進(jìn)行培訓(xùn)，也可以用于各種運(yùn)行方式的分析，協(xié)助遠(yuǎn)方人員制定安全的系統(tǒng)運(yùn)行方式。

2.4.3 安全Web子系統(tǒng)配置在安全Ⅲ區(qū)，配置Web服務(wù)器。安全Ⅰ區(qū)的數(shù)據(jù)通過(guò)電力專用正向隔離裝置傳送至Web服務(wù)器，客戶端通過(guò)Web瀏覽器進(jìn)行圖形瀏覽、告警查詢、歷史信息查詢等。圖6為典型的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6 典型的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置

電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置是指為電力系統(tǒng)提供自動(dòng)檢測(cè)、決策和控制功能的裝置，它通過(guò)高效快速的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行就地或遠(yuǎn)方的自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

自動(dòng)裝置通常包括備用電源和備用自動(dòng)投入裝置、廠用快速切換裝置、輸電線路自動(dòng)重合閘裝置、同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并列裝置、同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、故障錄波裝置等。

通常將實(shí)現(xiàn)按頻率自動(dòng)減負(fù)荷、按電壓自動(dòng)減負(fù)荷、自動(dòng)解列和某些備用電源和備用自動(dòng)投入等功能的裝置稱為安全自動(dòng)裝置，也稱為安全穩(wěn)定控制裝置。安全穩(wěn)定控制裝置是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二、第三道防線，在我國(guó)電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用，為提高供電可靠性和輸送能力，避免發(fā)生大面積停電事故發(fā)揮了重要作用。本節(jié)以安全穩(wěn)定控制裝置為代表簡(jiǎn)介電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置。

3.1 基本原理

安全穩(wěn)定控制裝置主要針對(duì)電力系統(tǒng)的系統(tǒng)性事故采取相應(yīng)對(duì)策，現(xiàn)以它的控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程為例簡(jiǎn)單介紹自動(dòng)裝置的基本原理。

安全穩(wěn)定控制裝置由五部分組成，分別為檢測(cè)單元、判斷單元、決策單元、執(zhí)行單元、通信單元。其中，檢測(cè)單元用于實(shí)時(shí)測(cè)量、存儲(chǔ)變電站或者電廠的電氣量和開(kāi)關(guān)量信息；判斷單元根據(jù)裝置預(yù)設(shè)的算法對(duì)這些信息進(jìn)行分析處理，并識(shí)別故障類型，啟動(dòng)后續(xù)功能單元；決策單元根據(jù)故障類型，選定合適的控制措施，并將控制量下發(fā)給執(zhí)行單元；執(zhí)行單元直接給元件下發(fā)控制命令及具體控制量（控制命令有兩種獲取方式，一種是查找本裝置自帶的控制策略，另一種是通過(guò)遠(yuǎn)方控制主站進(jìn)行通信，獲取綜合的控制策略）；通信單元用于不同安全穩(wěn)定控制裝置之間的通信和聯(lián)系，及時(shí)傳送電氣信息和相應(yīng)的控制策略。下圖7所示為安全穩(wěn)定控制裝置基本原理示意圖。

圖7 安全穩(wěn)定控制裝置基本原理示意圖

3.2 安全穩(wěn)定控制裝置的分類

在電力系統(tǒng)中使用的安全穩(wěn)定控制裝置，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的功能和控制的范圍可分為區(qū)域型、就地型和其他安全穩(wěn)定控制裝置。

3.2.1 區(qū)域型安全穩(wěn)定控制裝置

圖8 區(qū)域型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了解決一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問(wèn)題而安裝在兩個(gè)或兩個(gè)以上廠站的分布式安全穩(wěn)定控制裝置，經(jīng)信息通道和通信接口設(shè)備聯(lián)系在一起組成了區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。區(qū)域型控制系統(tǒng)，通常由一個(gè)主站、若干個(gè)子站和若干個(gè)終端站組成。圖8為區(qū)域型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2.2 就地型安全穩(wěn)定控制裝置

就地型安穩(wěn)控制裝置單獨(dú)安裝在一個(gè)廠站，與其他安穩(wěn)控制裝置之間不交換信息，且沒(méi)有通信聯(lián)系，解決的是本廠站母線、主變壓器或出線故障時(shí)出現(xiàn)的安全穩(wěn)定問(wèn)題。按頻率自動(dòng)減負(fù)荷、按電壓自動(dòng)減負(fù)荷、失步解列是典型的就地型安穩(wěn)控制裝置具備的功能。目前，在電網(wǎng)運(yùn)行中使用的有SCS-500分布式安穩(wěn)控制裝置、SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置等。

3.2.3 其他安全穩(wěn)定控制裝置

其他安穩(wěn)控制裝置指故障解列裝置、備用電源自動(dòng)投入裝置等。

（1）故障解列裝置：其主要作用是在系統(tǒng)發(fā)生各類故障或者穩(wěn)定破壞時(shí)，參照系統(tǒng)電壓、頻率等運(yùn)行參數(shù)的變化，將系統(tǒng)有計(jì)劃、有步驟地解列為若干個(gè)部分，以達(dá)到有效防止事故范圍擴(kuò)大的目的。

故障解列裝置常見(jiàn)的功能有失步解列、低頻解列、低壓解列等。常用的有WJE-821A型微機(jī)故障解列裝置。

（2）備用電源自動(dòng)投入裝置

為了提高電力系統(tǒng)中重要負(fù)荷的供電可靠性，往往采用兩個(gè)或多個(gè)電源供電，同時(shí)裝設(shè)備用電源自動(dòng)投入裝置（簡(jiǎn)稱備自投裝置）。

備自投裝置是當(dāng)主供電源發(fā)生故障時(shí)，在工作母線失去電源后迅速地將備用電源自動(dòng)投入以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的安全穩(wěn)定控制裝置。常用的有WBT-821A型微機(jī)備自投裝置。

4 技術(shù)展望與結(jié)語(yǔ)

隨著具有信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化特征的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進(jìn)，統(tǒng)一建模技術(shù)、空間信息技術(shù)以及適應(yīng)大規(guī)模新能源接入的運(yùn)行控制技術(shù)和適應(yīng)PMU采集裝置普及的海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，成為發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。同時(shí)，在自動(dòng)裝置的研制方面，功能集成、通信標(biāo)準(zhǔn)和接口統(tǒng)一的智能安全穩(wěn)定控制裝置是未來(lái)的研究方向。