淺論電網(wǎng)能量傳遞及過程控制自動化

吳愛華

廣州能源檢測研究院 廣東 廣州 510000

前言

在發(fā)電機發(fā)明前,人類只能依靠大自然的原始能量。自1698年英國工程師托馬斯.塞維利發(fā)明活塞蒸汽機開始,到1832年法國人畢克西發(fā)明了第一臺手搖式直流發(fā)電機后,人類的生活生產(chǎn)用能發(fā)生了巨大變化,如燃料能、核能、水能、太陽能、風能等各種形式的能量通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。電能的傳播從簡單到復(fù)雜、從局部到整體直至發(fā)展到當今的電力電網(wǎng)時代,能量的傳遞及過程控制自動化日新月異。

1 電網(wǎng)能量傳遞過程

電力系統(tǒng)是電能生產(chǎn)、輸送及分配的綜合系統(tǒng),加上電磁過程本身的快速性,對電力系統(tǒng)運行控制的自動化系統(tǒng)提出了非常高的要求。為確保滿足電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性、電能的質(zhì)量及電網(wǎng)經(jīng)濟性等要求,離不開高水平的電力運行自動控制系統(tǒng)的支撐作用。一般地,發(fā)電機發(fā)出的電通過輸電、變電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)送到用戶終端使用。電網(wǎng)在安全、穩(wěn)定的環(huán)境下運行,根據(jù)能量守恒定律,發(fā)電機的有功功率等于網(wǎng)損功率和用戶使用功率之和,電網(wǎng)保持平衡狀態(tài)。當用戶負荷增加或者降低了,保持輸供電平衡是電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。發(fā)電、用電平衡問題,其實就是發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)自身輸出變化,調(diào)節(jié)自身輸入去匹配不斷變化的輸出,于是發(fā)電設(shè)備在輸入輸出之間有一個能量儲存池,即控制輸入能量的速度,使之盡可能等于輸出能量的速度,保持能量池的穩(wěn)定。當能量的輸入輸出的不平衡,能量池的水位會反映到電網(wǎng)的電壓頻率上,當輸入相對輸出比較快,頻率就會上升,反之下降,因此,通過調(diào)節(jié)觀察電網(wǎng)頻率來調(diào)節(jié)機械能量輸入調(diào)整發(fā)電功率。這個控制過程需要控制系統(tǒng)來完成,在發(fā)電機組、電廠、電網(wǎng)調(diào)度多個層面協(xié)同完成?？傊?發(fā)電系統(tǒng)通過監(jiān)視電網(wǎng)電壓的頻率,透過自動控制系統(tǒng),實時調(diào)整發(fā)電設(shè)備的能量輸入,使之與其輸出能量相等,保證發(fā)用電電能平衡,從而維持電網(wǎng)頻率。

2 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的概況

2.1 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的組成

20世紀中葉以來出現(xiàn)的巨型電力系統(tǒng),是有史以來規(guī)模最大、層次最復(fù)雜、資金和技術(shù)最密集的復(fù)合工業(yè)系統(tǒng)。這種巨型現(xiàn)代電力系統(tǒng),可以看做是由三個基本系統(tǒng)構(gòu)成。

一是物流系統(tǒng),即指動態(tài)的電力系統(tǒng),是實現(xiàn)能量變換、傳輸、分配和使用的一次系統(tǒng),就是電能的發(fā)、輸、變、配、用。對于物流系統(tǒng),我們一般重點研究能量的轉(zhuǎn)換和變換、電能傳輸和分配,及電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行的規(guī)律。

二是信息流系統(tǒng),即電力信息系統(tǒng),由監(jiān)視、測量、保護、控制、電網(wǎng)調(diào)度自動化等組成的能量管理系統(tǒng),其作用是保證電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行。對信息系統(tǒng)主要研究如何獲得物流系統(tǒng)各種狀態(tài)的特征信息,研究這些信息的傳輸、處理和應(yīng)用。此系統(tǒng)主要由傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機和各種復(fù)雜的程序構(gòu)成,是電力系統(tǒng)的核心。

三是貨幣流系統(tǒng),也就是電力交易系統(tǒng)。對貨幣流系統(tǒng)主要研究電能這種特殊商品如何通過市場進行交易,電能如何定價,在市場運營下如何保障電力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行。

2.2 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特點是由電能的特點決定的。電能的生產(chǎn)、傳輸和使用具有鮮明的系統(tǒng)性。電能以光速傳播,迄今為止人,人類還沒有實現(xiàn)大容量的電能存儲,因此電能的生產(chǎn)與消費幾乎是在同一瞬間完成的。發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)環(huán)相扣,組成了密不可分的整體,始終處在連續(xù)工作和動態(tài)平衡之中。電能供應(yīng)系統(tǒng)和用戶之間又相互影響和相互制約。電能供應(yīng)系統(tǒng)要適應(yīng)用戶對電能需求的隨機變化,向用戶連續(xù)不斷地提供質(zhì)量合格、價格便宜的電能。用戶的負荷特性和隨機變化又反過來又影響和沖擊著電能供應(yīng)系統(tǒng)。在各個環(huán)節(jié)和不同層次都要有先進的信息和控制系統(tǒng),對電能的生產(chǎn)、傳輸、使用的全過程進行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)、保護和協(xié)調(diào)調(diào)度,以保證電力系統(tǒng)的正常運行,使用戶獲得安全可靠、優(yōu)質(zhì)、廉價的電能。

2.3 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展方向

現(xiàn)代電力系統(tǒng)正向兩個不同的發(fā)展方向發(fā)展:一個方向是電網(wǎng)互聯(lián),這將導(dǎo)致電網(wǎng)規(guī)模越來越大;另一個方向是向電網(wǎng)內(nèi)分布式發(fā)電及微型電網(wǎng)發(fā)展。

鄰近電網(wǎng)互聯(lián)規(guī)模越來越大,有一定的優(yōu)點那就是有利于在更大的范圍內(nèi)優(yōu)化資源配置和一次能源利用;有利于降低造價、節(jié)約能源、降低系統(tǒng)發(fā)電成本;有利于承受大的沖擊負荷,從而改善電能質(zhì)量,提高供電可靠性;有利于不同地區(qū)時差、錯峰用電,減少系統(tǒng)備用機組容量;有利于水、火、核電之間的互補調(diào)節(jié),實現(xiàn)系統(tǒng)水、火、核電的經(jīng)濟調(diào)度

缺點就是大電網(wǎng)互聯(lián)要依賴遠距離高壓交流輸電,這使得大電力系統(tǒng)的運行更加的復(fù)雜,突出表現(xiàn)在調(diào)度復(fù)雜、穩(wěn)定復(fù)雜,一旦有故障會波及鄰近電網(wǎng),處置不當會造成大面積停電。

微型電網(wǎng)是一些電氣上孤立的發(fā)電機組成的獨立電網(wǎng),它們有些與主網(wǎng)相連,大多不與主電網(wǎng)相連的。一般是光伏電池、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、微型水電、燃料電池、小型燃氣輪機組等發(fā)電裝置,它們靠近用戶,對環(huán)境無污染或者少污染。但是,與電網(wǎng)相連的分布式發(fā)電也會對電網(wǎng)頻率、電壓等造成各種沖擊。

3 現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制

安全穩(wěn)定運行是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基本要求,現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制為此提供基本保障。

3.1 現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制內(nèi)容

現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制運行非常復(fù)雜,必須建設(shè)有效的控制系統(tǒng),這是現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時還采用先進的控制理論來設(shè)計控制規(guī)律,這是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

3.2 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的控制體系

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的調(diào)度控制體系是“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”,共分五級,即國家電網(wǎng)或南方電網(wǎng)調(diào)度控制中心、大區(qū)電網(wǎng)調(diào)度控制中心、地區(qū)或市電網(wǎng)調(diào)度控制中心、縣級電網(wǎng)調(diào)度控制中心。電網(wǎng)調(diào)度控制實行分級管理體系,奠定了電網(wǎng)分層控制的模式,調(diào)度的自動化系統(tǒng)的配置也與之相適應(yīng),信息分層采集,逐級傳送,命令按層次逐級下達。電網(wǎng)分級調(diào)度體系圖見下圖1。

圖1 電網(wǎng)分級調(diào)度體系圖

3.3 現(xiàn)代電力系統(tǒng)控制組成

電力系統(tǒng)運行的可靠性及其電能質(zhì)量,與自動控制系統(tǒng)的水平有著密切的關(guān)系。20世紀中葉以來出現(xiàn)的巨型電力系統(tǒng),是有史以來規(guī)模最大、層次最復(fù)雜、資金和技術(shù)最密集的復(fù)合工業(yè)系統(tǒng)。這種巨型的現(xiàn)代電力系統(tǒng),可以看成是由三個基本系統(tǒng)組成:一是物流系統(tǒng);二是信息流系統(tǒng);三是貨幣流系統(tǒng)。但隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展,電力系統(tǒng)調(diào)度控制的內(nèi)涵發(fā)展也不盡統(tǒng)一,完成上述電力系統(tǒng)三大組成的自動控制結(jié)構(gòu)也不完全一樣。本文所述的系統(tǒng)控制組成是對《現(xiàn)代電網(wǎng)自動控制系統(tǒng)》基礎(chǔ)上進行適當?shù)难a充,電力調(diào)度控制結(jié)構(gòu)圖見下圖2。

圖2 電力調(diào)度控制結(jié)構(gòu)圖

3.4 現(xiàn)代電力系統(tǒng)的控制趨勢

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展,現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨著新的挑戰(zhàn)與機遇。面臨的挑戰(zhàn)是:第一、可再生能源等新能源。新電源與傳統(tǒng)的火電、水電、核電相比,最大的區(qū)別在于可再生能源發(fā)電具有間接性及隨機波動性、不完全可控性。第二、電動汽車等新負荷。電動汽車等新負荷與傳統(tǒng)負荷相比,最大的區(qū)別在于主動負荷具有雙向性。既可以作為負荷存在又可以作為電源存在,具有很大的不確定性。第三、網(wǎng)絡(luò)自愈等新結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)自愈等新結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的網(wǎng)路相比,最大的區(qū)別在于網(wǎng)路經(jīng)常需要重構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中大量的電力電子控制設(shè)備可以快速地進行網(wǎng)絡(luò)控制?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)所面臨的主要機遇是:廣域測量系統(tǒng)等新技術(shù)。此技術(shù)對于大停電的重現(xiàn)和分析中發(fā)揮重要作用。另外,云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)等在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用方興未艾。優(yōu)化控制等新理論。現(xiàn)階段,控制理論、系統(tǒng)理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷加強。

4 結(jié)語

為了保障電力系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟地運行,控制理論,系統(tǒng)理論在電力系統(tǒng)中應(yīng)用日益深化?？刂评碚撛陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用,由20世紀60年代開始的經(jīng)典控制理論到20世紀80年代開始的現(xiàn)代理論,乃至當代控制理論。除此之外,復(fù)雜系統(tǒng)理論、模擬進化方法等在電力系統(tǒng)中也不斷得到應(yīng)用。為此,人們正在深入研究新一代電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)。其基本特征就是實時自適應(yīng),靈活開放,目標、時間、空間三維度協(xié)調(diào)。其中以“分布自治、集中協(xié)調(diào)”的新架構(gòu)最具潛力和代表性,即分分布與集中、自治與協(xié)調(diào)相結(jié)合,這個方案有望在近年實現(xiàn)。所以,在理論上,現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動控制做到精準和細致還要進行大量開創(chuàng)性的研究。在工程上,需要解決廣域信息與通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與時延的不確定性、分析方法的有機融合等問題。