基于電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用探索

張青安 姚鴿

[摘? ? 要]電力系統(tǒng)肩負(fù)能源供應(yīng)職能，從電力生產(chǎn)，至運(yùn)輸、分配，無(wú)一不需要專(zhuān)業(yè)設(shè)備、人員的高度配合，當(dāng)前伴隨電能需求的激增，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更是日趨復(fù)雜，亟須借助高效、智能的手段進(jìn)行優(yōu)化管理。文章聚焦自動(dòng)化管理思維，簡(jiǎn)要分析了電力系統(tǒng)自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)及意義，并從智能電網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)等幾個(gè)方面，對(duì)電力系統(tǒng)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容、優(yōu)化策略進(jìn)行了展開(kāi)探討。

[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng);自動(dòng)化技術(shù);應(yīng)用探索

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–0–02

Application Exploration Based on Power System and Its Automation Technology

Zhang Qing'an， Yao Ge

[Abstract]The power system is responsible for the energy supply function. From power production to transportation and distribution， there is no need for the high degree of cooperation of professional equipment and personnel. With the current surge in power demand， the power system structure is becoming more and more complex， and it is urgent to rely on high efficiency， Intelligent means to optimize management. This article focuses on automation management thinking， briefly analyzes the advantages and significance of power system automation， and discusses the application content and optimization strategies of automation technology in power systems from several aspects such as smart grid technology and PLC technology.

[Keywords]power system; automation technology; application exploration

自動(dòng)化技術(shù)擁有強(qiáng)大的控制能力，可以在自動(dòng)檢測(cè)、決策等裝置的綜合應(yīng)用下，對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景中設(shè)備的集成化運(yùn)行進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，并借助現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳送和指令收發(fā)，在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)、建筑運(yùn)營(yíng)等項(xiàng)目中都有極其廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)階段伴隨社會(huì)電力依賴性的上升，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜化、規(guī)模化趨勢(shì)，傳統(tǒng)管理手段已遠(yuǎn)不能滿足運(yùn)維需求，亟需借助自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行機(jī)制改進(jìn)和效率提升。

1 電力系統(tǒng)自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)

電能是當(dāng)今社會(huì)主導(dǎo)的能源利用形式?，F(xiàn)階段伴隨城市建設(shè)腳步的加快，智能建筑、集成生產(chǎn)等概念不斷涌現(xiàn)，各領(lǐng)域?qū)﹄娔芏急憩F(xiàn)出了極大的依賴性，長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷的運(yùn)行場(chǎng)景對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、高效性提出了更為明確的要求，電力系統(tǒng)自動(dòng)化趨勢(shì)正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，需要在動(dòng)力裝置、送變電線路等通力配合下，才能完成從電力生產(chǎn)至客戶端供應(yīng)的全過(guò)程，傳統(tǒng)模式下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、檢修等環(huán)節(jié)對(duì)人工依賴極大，操作不規(guī)范極易引發(fā)安全事故，而采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，所有設(shè)備都按照預(yù)定編程運(yùn)轉(zhuǎn)，極大削減了人為因素的干擾，有助于保障運(yùn)行效率的提升，促進(jìn)控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

維護(hù)保養(yǎng)工作對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行壽命、可靠性等都有較大制約效果，傳統(tǒng)模式中常采用故障檢修模式，由實(shí)際故障情況決定檢修安排，即使融入狀態(tài)檢修元素，也需要依靠人力進(jìn)行參數(shù)收集，滯后性較為明顯，工作量也極大，在當(dāng)前大系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)下，很難保障工作質(zhì)量。采用自動(dòng)化管理模式，傳感器會(huì)自動(dòng)采集各種類(lèi)型數(shù)據(jù)。并借助通信技術(shù)將之傳送至終端計(jì)算機(jī)中，方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC技術(shù)的使用，還能實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和自動(dòng)停運(yùn)，智能化手段也能滿足故障快速定位需求，電力系統(tǒng)維修保養(yǎng)更加及時(shí)和科學(xué)，有助于降低故障損耗，保證經(jīng)濟(jì)收益。

2 電力系統(tǒng)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容

2.1 人工智能技術(shù)

電力系統(tǒng)運(yùn)作具有典型的非線性特征，其中很多問(wèn)題都無(wú)法依靠單純的數(shù)學(xué)模型解決，如機(jī)組優(yōu)化搭配，電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)?。這給電力系統(tǒng)自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)造成了一定困擾，因此必須借助靈活性更高的人工智能技術(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)前較為常見(jiàn)的應(yīng)用方式主要有以下幾種。

（1）專(zhuān)家系統(tǒng)。其采用經(jīng)典IF-THEN規(guī)則，主要用于復(fù)雜問(wèn)題決策。數(shù)據(jù)庫(kù)是其模擬決策的依據(jù)和基礎(chǔ)，通過(guò)人機(jī)接口與外界建立聯(lián)系。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)具有完全分布式特征，即使在大規(guī)模系統(tǒng)中也可以滿足并行處理要求，尤其適用于非線性數(shù)據(jù)的分析。當(dāng)前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)自動(dòng)化進(jìn)程中，在充足樣本支撐下，可以對(duì)短期電力負(fù)荷做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[1]。在關(guān)聯(lián)性分析機(jī)制下，還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜故障的診斷，提升自動(dòng)化檢修效率。

（3）模糊理論。近似計(jì)算一直是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)短板，這使自動(dòng)化控制設(shè)備在面對(duì)電力負(fù)荷等不確定性較大的參數(shù)項(xiàng)時(shí)略顯乏力，而人工智能技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)辟了模糊理論思維，用模糊值來(lái)直觀表示這類(lèi)數(shù)值，解決現(xiàn)實(shí)中的無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。通過(guò)DTU終端，人工智能可以實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)匯報(bào)，更好地解決故障。

2.2 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是建立在虛擬模型基礎(chǔ)之上的，可以將現(xiàn)實(shí)中的電力設(shè)備、線路等作為轉(zhuǎn)化對(duì)象，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)控技術(shù)等完成參數(shù)采集，最后以虛擬電站的形式進(jìn)行管理維護(hù)。伴隨時(shí)代變遷，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)也經(jīng)歷了幾次階段性的變革，在20世紀(jì)60年代之前，主要采用全物理仿真系統(tǒng)，以電力設(shè)備原型為基礎(chǔ)進(jìn)行同比例縮小，通過(guò)微縮模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)性能進(jìn)行間接反饋。這種方式原理簡(jiǎn)單易懂，反映真實(shí)直觀，但仿真系統(tǒng)布局對(duì)真實(shí)場(chǎng)地空間要求較高，當(dāng)試驗(yàn)需求變更時(shí)，還必須重新切換電路，實(shí)現(xiàn)步驟較為煩瑣。在計(jì)算機(jī)技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下，電力系統(tǒng)數(shù)?；旌鲜椒抡婕夹g(shù)又登上了歷史舞臺(tái)，在該技術(shù)方案中，電動(dòng)機(jī)組等設(shè)備以數(shù)字虛擬模型的形式存在;交流輸電線路、變壓器等則以物理模型形式存在，其糅合了兩種仿真思路的優(yōu)勢(shì)，可以在縮減物理模擬規(guī)模的同時(shí)，保障反饋試驗(yàn)的真實(shí)性。但其局限性也十分明顯，即只能滿足實(shí)時(shí)狀態(tài)下的仿真模擬需求，同時(shí)接口技術(shù)攻克難度也相對(duì)較大。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，全數(shù)字仿真技術(shù)開(kāi)始占據(jù)主導(dǎo)地位，該技術(shù)方案中所有設(shè)備元件都以數(shù)字模型形式呈現(xiàn)，具有成本低、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。在仿真系統(tǒng)中，電廠員工可以進(jìn)行模擬化的短路器操作、保護(hù)投停操作等常規(guī)訓(xùn)練，還可以進(jìn)行母線、隔離開(kāi)關(guān)等的故障演練[2]，從而提升專(zhuān)業(yè)水準(zhǔn)，保障電廠運(yùn)行秩序。

2.3 PLC技術(shù)

PLC實(shí)際上是可編程邏輯控制器的簡(jiǎn)稱，可以以內(nèi)嵌形式放置于電力設(shè)備內(nèi)部，在通信技術(shù)的支撐下，與其他設(shè)備建立聯(lián)系，從而形成整體化的運(yùn)行系統(tǒng)，達(dá)成自動(dòng)化控制目標(biāo)。舊有自動(dòng)化進(jìn)程中，繼電器控制占據(jù)主導(dǎo)地位，操作難度較低，但面對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，繼電器設(shè)計(jì)、安裝難度就會(huì)直線上升，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，設(shè)備振動(dòng)等狀況還會(huì)增加機(jī)械觸點(diǎn)的故障率。但PLC技術(shù)采用的是單片機(jī)，內(nèi)部集成度相對(duì)較高，組態(tài)靈活，還能滿足差異化的編程需求，運(yùn)行速度極快。其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要可見(jiàn)以下幾個(gè)方面。

（1）順序控制。在PLC裝置的加持下，電力設(shè)備可以按照預(yù)定流程完成供電、輸變電操作，與現(xiàn)場(chǎng)總線配合，還可以協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，能夠有效降低繼電器控制下產(chǎn)生的損耗情況，優(yōu)化電力系統(tǒng)效益成本構(gòu)成。

（2）斷路器控制。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)緊急事故時(shí)，PLC可以滿足自動(dòng)跳閘需求，并伴隨聲光警報(bào)提醒工作人員注意，與繼電器控制模式相比，它不會(huì)受機(jī)械觸點(diǎn)制約，整體可靠性更高。同時(shí)，由于PLC集成化特征顯著，因此線路布局時(shí)相對(duì)靈活，可以簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)，降低斷路器故障概率。

（3）閉環(huán)過(guò)程控制，主要面向電力系統(tǒng)中溫度、壓力等參數(shù)的變化情況，可以在模擬量I/O模塊的輔助下，完成閉環(huán)PID控制，實(shí)現(xiàn)D/A、A/D之間的轉(zhuǎn)化[3]。

（4）數(shù)據(jù)處理。涵蓋電力系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)采集、分析等過(guò)程，借助通信技術(shù)，還能夠?qū)?shù)據(jù)排序、轉(zhuǎn)換等可視化成果傳送到其他智能設(shè)備當(dāng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)比對(duì)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，該系統(tǒng)也能迅速做出響應(yīng)和反饋。

2.4 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)簡(jiǎn)稱FACTS，應(yīng)用場(chǎng)景主要為電力輸電系統(tǒng)，其可以在綜合電子裝置的輔助下，有效控制電壓、電抗等參數(shù)，改善交流系統(tǒng)運(yùn)行狀況，使之更加適應(yīng)當(dāng)前遠(yuǎn)距離傳輸場(chǎng)景?？煽卮a(bǔ)設(shè)備（TCSC）是該技術(shù)中關(guān)鍵的組成部分，核心元器件為串聯(lián)電容器組，在氧化鋅非線性電阻、旁路斷路器等器件的配合下，可以有效提升輸電能力，改善阻尼低頻振蕩，優(yōu)化電壓條件等。靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備（TCR-SVC）同樣是其中關(guān)鍵構(gòu)成部分，在電容器組的基礎(chǔ)上，增加空心電抗器，采用并聯(lián)技術(shù)聯(lián)接，對(duì)感性無(wú)功進(jìn)行改造[4]。柔性交流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯：①能夠提升交流系統(tǒng)穩(wěn)定性，它的出現(xiàn)改變了舊有的機(jī)械控制模式，是對(duì)緩慢、間斷性控制的一種徹底變革，精準(zhǔn)性有效提升，潮流功率輸送明顯優(yōu)化，可以有效規(guī)避區(qū)域故障問(wèn)題下，系統(tǒng)連續(xù)反應(yīng)的問(wèn)題，從而降低大規(guī)模停電概率。②該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能也極好，可以與原輸電方式相適應(yīng)，在極小的功率輸出環(huán)境下，也能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。同時(shí)該技術(shù)支撐下，線路輸送能力也實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，線路與發(fā)電機(jī)都能夠得到充分利用，故障概率也被有效控制。

2.5 動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)

電力系統(tǒng)設(shè)備種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在當(dāng)前長(zhǎng)時(shí)間、高負(fù)荷運(yùn)行需求下，極易發(fā)生故障事件，影響送變電流程的推進(jìn)，因此動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)也被納入了自動(dòng)化進(jìn)程范疇。現(xiàn)階段電力系統(tǒng)監(jiān)控體系構(gòu)建過(guò)程中，主要可以從3個(gè)方面進(jìn)行考量。

（1）主站監(jiān)控中心，以電子地圖系統(tǒng)為支撐，可以全面呈現(xiàn)監(jiān)控信息，為內(nèi)部調(diào)度決策提供依據(jù)。

（2）站端，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備、線路等信息的收集，與遙感技術(shù)、通信技術(shù)配合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送和接收。

（3）網(wǎng)絡(luò)客戶端，主要以Web形式存在，以密碼賬號(hào)形式管理，電力系統(tǒng)客戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)界面登錄后，可以實(shí)時(shí)查看電力系統(tǒng)對(duì)外公開(kāi)的監(jiān)控信息。在動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)的支持下，電力系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)化調(diào)度成為可能，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲等異常時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)采集和傳送，并將異常信息記錄在冊(cè)，便于后期分析保養(yǎng)，有利于預(yù)防故障隱患的發(fā)生，提升電網(wǎng)檢修效率。

3 電力系統(tǒng)自動(dòng)化應(yīng)用的優(yōu)化策略

伴隨信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)達(dá)，電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制已經(jīng)具備了充分成熟的理論基礎(chǔ)，自動(dòng)化技術(shù)也日益多樣，為避免應(yīng)用中各執(zhí)一詞，互不協(xié)調(diào)的情況，應(yīng)建立起與國(guó)際接軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，在應(yīng)用現(xiàn)狀客觀分析的基礎(chǔ)上，對(duì)PLC、柔性交流輸電等技術(shù)中涉及的設(shè)備生產(chǎn)、設(shè)計(jì)安裝等環(huán)節(jié)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部也要以該標(biāo)準(zhǔn)為統(tǒng)一要求，使設(shè)備檢修、調(diào)度管理等有依據(jù)可循，從而提升各電力子系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)調(diào)性，促進(jìn)電網(wǎng)的高效運(yùn)營(yíng)。同時(shí)自動(dòng)化技術(shù)具備明顯的新興產(chǎn)業(yè)特征，其發(fā)展日新月異，電網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用也不能處于停滯狀態(tài)，而是要積極豐富自動(dòng)化技術(shù)內(nèi)涵，加強(qiáng)以太網(wǎng)、對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)的探索和引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息在子系統(tǒng)之間的交流共享，對(duì)分散信息進(jìn)行整合利用，發(fā)揮其實(shí)際功能效用。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及應(yīng)用是大勢(shì)所趨，可以顯著降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)難度，提升調(diào)度和運(yùn)轉(zhuǎn)效率，保障穩(wěn)定性。當(dāng)前仿真技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線及PLC技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)等都是較為常見(jiàn)的應(yīng)用類(lèi)型，應(yīng)用時(shí)要厘清思路，從電能生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)入手，進(jìn)行針對(duì)性分析，選取適宜的技術(shù)類(lèi)型，構(gòu)建系統(tǒng)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一技術(shù)管理，豐富自動(dòng)化內(nèi)涵，促進(jìn)電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

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