自動(dòng)化控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

趙曉淵

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司發(fā)電分公司，山西 太原 030053）

自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用最早可以追溯到20世紀(jì)初期，以發(fā)、變、配電系統(tǒng)中電力設(shè)備上的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用為起始，比如發(fā)電廠的自動(dòng)勵(lì)磁裝置，開關(guān)上的自動(dòng)重合閘裝置、繼電保護(hù)裝置等。如今，自動(dòng)化控制有更廣泛和深層的含義，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的加持下，我們可以倚靠可靠的通信系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行信息進(jìn)行即時(shí)數(shù)據(jù)采集，上傳數(shù)據(jù)后再由互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)采集來(lái)的信息作出分析，并根據(jù)電網(wǎng)綜合運(yùn)行工況做出準(zhǔn)確、迅速的判斷和控制。電力系統(tǒng)的自動(dòng)化控制技術(shù)按照類別可以分為以下幾個(gè)部分：軟件生態(tài)系統(tǒng)（SCADA/EMS）、數(shù)據(jù)通信和通信規(guī)約、電力頻率控制、電力電壓控制、電力系統(tǒng)運(yùn)行成本控制和電力系統(tǒng)安全控制。將自動(dòng)化控制技術(shù)完全應(yīng)用于電力系統(tǒng)各個(gè)場(chǎng)景，可以將電廠、變電站、配電裝置等各種自動(dòng)裝置進(jìn)行統(tǒng)一、協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)更符合當(dāng)今科技發(fā)展和社會(huì)需求的電網(wǎng)綜合自動(dòng)化，即智能電網(wǎng)。

一、自動(dòng)化控制技術(shù)的相關(guān)硬件系統(tǒng)

要想建成具有智能、高效、精準(zhǔn)協(xié)調(diào)調(diào)度的電力系統(tǒng)，我們首先要建成與我們所需各項(xiàng)功能相配套的硬件設(shè)施。我們依照不同工作任務(wù)，一般把硬件分為：遠(yuǎn)程工作站、視頻主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、通信管理機(jī)、縱向加密裝置、區(qū)域防火墻、交換機(jī)、直通電話以及智能安防系統(tǒng)等。

遠(yuǎn)程工作站：即調(diào)度工作站，由調(diào)度員使用，運(yùn)行防誤模擬操作和其他應(yīng)用軟件，完成操作模擬和調(diào)度等功能。

視頻主機(jī)：可以建設(shè)監(jiān)控工作站，由監(jiān)控員使用，通常配合存儲(chǔ)器等完成監(jiān)控系統(tǒng)的組建。

遠(yuǎn)動(dòng)裝置：即配合DCS分散控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，做到遠(yuǎn)方和就地的通信和操作互通。

縱向加密裝置：一般是指上級(jí)電力調(diào)度中心與下級(jí)電力調(diào)度相連，然后通過(guò)縱向加密裝置來(lái)創(chuàng)建vpn隧道傳輸實(shí)時(shí)及非實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，因?yàn)橐坏I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)加密（目前常用的算法有兩種，rsa和sm2）黑客即便獲取了報(bào)文也不能破解，因?yàn)樗淼纼啥说募咏饷芄€和私鑰是一一對(duì)應(yīng)的，這樣就保證了電力網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)安全。所以縱向加密所對(duì)應(yīng)的實(shí)際的物理物品就是縱向加密裝置，一般較多用在電廠側(cè)和光伏電站側(cè)及風(fēng)電場(chǎng)側(cè)。

區(qū)域防火墻：即控制區(qū)為安全I(xiàn)區(qū)，也是實(shí)時(shí)區(qū)；非控制區(qū)為安全I(xiàn)I區(qū)，是非實(shí)時(shí)區(qū)，在兩個(gè)區(qū)之間建立工控防火墻保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩€(wěn)定。

交換機(jī)：即實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)，它可以為任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信互聯(lián)，目前我們主要應(yīng)用的是光纖交換機(jī)。

智能安防系統(tǒng)：即安裝防誤服務(wù)器，用于警戒、告警、報(bào)警和防誤分析等。

二、自動(dòng)化控制技術(shù)的相關(guān)軟件系統(tǒng)

電力系統(tǒng)中自動(dòng)化控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開高效準(zhǔn)確的調(diào)度系統(tǒng)，而SCADA/EMS系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制則是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化的基本功能。20世紀(jì)60年代，因?yàn)槊绹?guó)、加拿大頻繁發(fā)生大規(guī)模停電事故，故引起相關(guān)產(chǎn)業(yè)重視，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，SCADA系統(tǒng)正式應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。隨著該系統(tǒng)發(fā)展，也衍生出RTU（遠(yuǎn)方終端）、AGC以及電力系統(tǒng)安全分析等功能，極大地滿足了當(dāng)下的電力發(fā)展需求。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速進(jìn)步，新一代電網(wǎng)調(diào)度化系統(tǒng)融合了更多功能，例如，PAS（高級(jí)應(yīng)用軟件），里面不僅涵蓋網(wǎng)絡(luò)建模和在線潮流分析，甚至包含負(fù)荷預(yù)報(bào)和故障分析等更為智能化的功能。

SCADA/EMS系統(tǒng)包含六個(gè)子系統(tǒng)，分別為支撐平臺(tái)子系統(tǒng)、SCADA子系統(tǒng)、PAS子系統(tǒng)、DTS子系統(tǒng)、AGC/EDC子系統(tǒng)和調(diào)度管理信息子系統(tǒng)。

支撐平臺(tái)子系統(tǒng)包含網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形管理、報(bào)表管理、系統(tǒng)運(yùn)行管理等；SCADA子系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及處理、計(jì)算分析控制、人機(jī)交互和報(bào)警系統(tǒng)；更為高級(jí)的PAS系統(tǒng)則包括網(wǎng)絡(luò)建模、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、在線潮流、無(wú)功優(yōu)化、靜態(tài)安全分析和故障分析等。

三、數(shù)據(jù)通信與通信規(guī)約

電力系統(tǒng)是由眾多發(fā)電廠、變電站、配電線路和設(shè)備以及龐大的用戶所組成，各個(gè)組成部分都相距遙遠(yuǎn)但是聯(lián)系卻十分緊密。電網(wǎng)調(diào)度要實(shí)現(xiàn)采集實(shí)時(shí)信息，監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行工況并發(fā)送各種操作指令，就必須構(gòu)建穩(wěn)定可靠的通信系統(tǒng)，可以說(shuō)通信系統(tǒng)是電力系統(tǒng)不可或缺的一部分。

與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)相比，數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，傳輸差錯(cuò)可以控制，便于處理加工，還可以進(jìn)行高保密的加密處理。通常情況下數(shù)字信號(hào)使用二進(jìn)制計(jì)數(shù)制進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，以下以RTU（遠(yuǎn)方終端）的信號(hào)處理舉例說(shuō)明：

經(jīng)過(guò)RTU送來(lái)的“生數(shù)據(jù)”，經(jīng)公式（1）（2）算法變成實(shí)際值：

遙信參數(shù)以“1”表示開關(guān)合閘，“0”表示開關(guān)分閘。而RTU作為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化在發(fā)電廠、變電站的“耳目”和“手腳”，通過(guò)上述數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)上傳給調(diào)度系統(tǒng)的前置機(jī)，再通過(guò)調(diào)度控制中心將調(diào)度的控制、調(diào)節(jié)等命令送給廠站執(zhí)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)通信和傳輸。我們可以借助數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)這些基本功能。

通信規(guī)約就是事先由通信雙方約定的一種通信規(guī)則，可以傳輸特定的或者加密的數(shù)字信息，例如，我國(guó)用于電網(wǎng)調(diào)度的規(guī)約一般有循環(huán)式通信規(guī)約（CDT）和問(wèn)答式通信規(guī)約（POLLING）等。

四、電力系統(tǒng)電壓控制、頻率控制和安全控制

保證用戶電壓接近額定值才能發(fā)揮用電設(shè)備應(yīng)有的作用，同時(shí)也能避免不必要的浪費(fèi)和事故的發(fā)生。系統(tǒng)電壓過(guò)低，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率增大，定子電流也增大，發(fā)熱增加，絕緣老化加速甚至?xí)闺妱?dòng)機(jī)燒毀。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，一般家用電器也無(wú)法正常工作。電壓過(guò)高會(huì)使變壓器、電動(dòng)機(jī)鐵損增加，溫度升高，同樣加速絕緣老化，對(duì)于純電阻用電器更為致命，極易造成各類電氣事故。因此，電壓監(jiān)測(cè)以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐度胍员ＷC電壓穩(wěn)定尤為重要。具體措施有電力系統(tǒng)中加入無(wú)功電源，同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行自勵(lì)磁調(diào)節(jié)，電壓/無(wú)功優(yōu)化自動(dòng)控制（AVC）等。

電力系統(tǒng)的頻率始終須保持在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)發(fā)電機(jī)而言，其頻率f與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系為f=pn/60，（p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)，汽輪發(fā)電機(jī)一般為1），如果用KS表示全電力系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率則有公式（3）

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)是構(gòu)成現(xiàn)代電網(wǎng)的核心技術(shù)部分。電力系統(tǒng)安全控制則主要分為安全監(jiān)視、安全分析、安全控制，一般也是通過(guò)SCADA和RTU配合實(shí)現(xiàn)。

以上各種控制技術(shù)的應(yīng)用，目的就是使電力系統(tǒng)能充分合理地利用能源和設(shè)備能力，連續(xù)不斷地向用戶提供充足、質(zhì)量合格和便宜的電能，即電網(wǎng)要可靠、安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

五、電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制的構(gòu)建

電力系統(tǒng)中自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)，主要由系統(tǒng)軟件生態(tài)、電力專用通信網(wǎng)和電力系統(tǒng)電壓控制、頻率控制、安全控制以及運(yùn)行成本控制等部分一并構(gòu)成?，F(xiàn)代電網(wǎng)組成需要大容量、高精度、高速率的通信系統(tǒng)作為聯(lián)絡(luò)和傳輸基礎(chǔ)，在實(shí)際構(gòu)建中，我們多用交換機(jī)和光纖作為載體，布局上，由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和局域網(wǎng)共同構(gòu)建通信框架，通過(guò)不同的串口、交換機(jī)，加上特定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)約，例如，（CDT）形成通信組網(wǎng)循環(huán)。下圖是結(jié)合調(diào)度自動(dòng)化和通信自動(dòng)化組成的現(xiàn)代電網(wǎng)拓?fù)鋱D（圖1）。

圖1 現(xiàn)代電網(wǎng)拓?fù)鋱D

結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化步伐的穩(wěn)步推進(jìn)，我國(guó)的整體國(guó)力和科技水平已經(jīng)躋身世界前列，自動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)的大力推廣和發(fā)展是必然的趨勢(shì)，以國(guó)家電網(wǎng)為首的大型企業(yè)相繼將自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用到了電網(wǎng)系統(tǒng)，逐步構(gòu)建了以智能化、精確化、快速化和簡(jiǎn)單化為目標(biāo)的現(xiàn)代電網(wǎng)。相信未來(lái)運(yùn)用該技術(shù)的電力系統(tǒng)在方便簡(jiǎn)化電力運(yùn)行工作的同時(shí)，也能確保電力系統(tǒng)高效穩(wěn)定安全的運(yùn)行，在資源配置方面和節(jié)能環(huán)保方面為社會(huì)和國(guó)民帶來(lái)更大的收益。