電氣自動(dòng)化在電力工程技術(shù)中的初探

徐州市茂鑫電力工程有限公司 彭 濤

隨著我國(guó)電網(wǎng)改革的不斷深入，國(guó)家整體電力系統(tǒng)智能化程度不斷提高。這要得益于對(duì)新型電氣自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)和實(shí)踐工作。電氣自動(dòng)化技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能不斷向智能化、集約化方向發(fā)展，目前依托于PLC技術(shù)、DCS系統(tǒng)等電氣自動(dòng)化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制，既能夠降低電力系統(tǒng)的運(yùn)維成本，同時(shí)也能提高電力系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)調(diào)控的及時(shí)性，提高電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

1 電氣自動(dòng)化技術(shù)

電氣自動(dòng)化技術(shù)包括多門領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。首先通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，來(lái)收集電力工程的運(yùn)行現(xiàn)狀，然后經(jīng)由構(gòu)建的通訊網(wǎng)絡(luò)，將收集到的工程各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)服務(wù)器，由主機(jī)服務(wù)器判斷是否存在故障或運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。并同樣由提前預(yù)設(shè)好的程序，通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)向?qū)?yīng)的設(shè)備發(fā)出指令，以達(dá)到對(duì)電力工程設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)化調(diào)控目的。

2 電氣自動(dòng)化在電力工程中的應(yīng)用策略

2.1 電氣自動(dòng)化技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用

電氣自動(dòng)規(guī)劃技術(shù)在發(fā)電廠中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)主要為對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)控。以中小型火電廠為例，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)需要擬定如下應(yīng)用方案。

第一，明確火力發(fā)電廠電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求。首先，電氣自動(dòng)化

監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)變組進(jìn)行監(jiān)控、廠用電系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

第二，要進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)火力發(fā)電廠電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)的采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)測(cè)量控制單元采集的相關(guān)信息。檢測(cè)工程設(shè)備的狀態(tài)、故障等。同時(shí)可以采用定時(shí)采集和重點(diǎn)針對(duì)的方式采集工程設(shè)備運(yùn)作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容進(jìn)行更新，可以引入模擬量、數(shù)字量等信息采集系統(tǒng)參數(shù)。

（2）監(jiān)視和報(bào)警模塊。監(jiān)視系統(tǒng)往往是控制系統(tǒng)的先決條件。通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，將監(jiān)視采集到的結(jié)果顯示在人機(jī)交互的顯示器上。同時(shí)依據(jù)發(fā)電機(jī)組的類型和規(guī)模，選用預(yù)告報(bào)警或事故報(bào)警兩類型的報(bào)警性能。

（3）控制和操作模塊。常見的對(duì)工程設(shè)備的遠(yuǎn)程控制可以分為兩大類。首先是人工操作手動(dòng)控制，一種是由監(jiān)控系統(tǒng)智能發(fā)布的控制指令。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員在控制室對(duì)整個(gè)電氣監(jiān)控系統(tǒng)的操作，可以調(diào)閱查詢各設(shè)備的歷史運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)可以從系統(tǒng)中調(diào)閱操作記錄，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并彌補(bǔ)操作失誤問題。

（4）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊包括彩色液晶顯示器（LCD），功能鍵盤、漢字打印機(jī)。它不僅可以為運(yùn)行人員提供定時(shí)監(jiān)控電廠設(shè)備的各種手段，并且具有對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在線自診斷投、退設(shè)備的功能。

第三，要進(jìn)一步設(shè)計(jì)完善廠用點(diǎn)監(jiān)控電監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)管理系統(tǒng)。

（1）操作員工作站，主要為操作人員通過(guò)ECMS實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣系統(tǒng)的整體運(yùn)行工況，同時(shí)操作員能借助這一模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

（2）工程師工作站，主要為發(fā)電機(jī)組的運(yùn)維人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容共調(diào)用查閱、界面報(bào)表修改維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)途徑實(shí)施監(jiān)控等功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模塊，該模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)接口裝置、光端接口裝置、路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)信息的傳播效率。

2.2 電氣自動(dòng)化技術(shù)在變電站中的應(yīng)用

電氣自動(dòng)化技術(shù)可以應(yīng)用到變電站日常智能化管理系統(tǒng)構(gòu)建上。按照科學(xué)步驟，合理規(guī)劃智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有站控層、間隔層、過(guò)程層構(gòu)成。

（1）站控層：主要由監(jiān)控主機(jī)電腦、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備、綜合服務(wù)器、操作員站、工程師站、計(jì)劃管理終端等組成。

（2）間隔層：主要包括繼電保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波裝置等。主要用于實(shí)現(xiàn)變電站日常運(yùn)行維護(hù)控制操作功能。

（3）過(guò)程層：主要由合并功能單元、人機(jī)交互智能終端、電勵(lì)磁系統(tǒng)控制智能組件等。

其中，變電站系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)同樣有三個(gè)不同結(jié)構(gòu)類型的通信子網(wǎng)集成。

2.3 電氣自動(dòng)化技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

電氣自動(dòng)化技術(shù)在配電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用主要用于配電網(wǎng)絡(luò)的日常運(yùn)維和監(jiān)控。以配電網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS為例，運(yùn)用PSS4B型號(hào)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能夠解決大型配電網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩帶來(lái)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

（1）PSS4B穩(wěn)定器硬件設(shè)計(jì)

PSS4B硬件系統(tǒng)主要從核心控制芯片的選定開始，設(shè)計(jì)整體的硬件結(jié)構(gòu)。本文從配套硬件的成本、核心控制芯片的運(yùn)算能力綜合考慮，建議選用TI（Texas Instruments）生產(chǎn)的32位的浮點(diǎn)DSP—TMS320F28335，用來(lái)作為本次PSS4B系統(tǒng)的核心控制芯片。

從匹配浮點(diǎn)DSP—TMS320F28335以及硬件自身性能角度考慮，建議選用F28335哈佛總線架構(gòu)，并采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，能夠提供三個(gè)運(yùn)算率高達(dá)150MHz的核心芯片，然后集成3個(gè)32位的與核心控制芯片匹配的CPU定時(shí)器、以及16數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸通道模塊（ADC）和2個(gè)SCI數(shù)據(jù)接口，然后再加上eCAN模塊2個(gè)作為總線模塊，還有12個(gè)可調(diào)控增強(qiáng)型ePWM模塊和6個(gè)增強(qiáng)型eCAP功能模塊構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換通信模塊?？傮w來(lái)說(shuō)，選用該類信號(hào)通信模塊系統(tǒng)，基本上能夠適用于相對(duì)復(fù)雜的電力系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理工作。

（2）PSS4B穩(wěn)定器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PSS4B系統(tǒng)的軟件功能主要集成在F28335上。DSP的開發(fā)不僅需要硬件的仿真器以及通訊電路支持，同時(shí)還需要用軟件編程實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化處理功能。

本文建議選用CCS作為DSP軟件功能開發(fā)工具，用以實(shí)現(xiàn)軟件代碼的編、調(diào)試和燒寫。軟件開發(fā)所用編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，所用開發(fā)工具版本為CCS3.3。

軟件功能模塊的設(shè)計(jì)思路主要采用C語(yǔ)言慣用的開發(fā)思路，將軟件功能需求分為具體的功能模塊，對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)。這種開發(fā)模式不僅會(huì)提高軟件系統(tǒng)的整體開發(fā)進(jìn)度，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)功能模塊的并行開發(fā)，同時(shí)還方便了功能模塊的調(diào)試、移植和升級(jí)工作。

具體來(lái)說(shuō)，PSS4B系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要分為主程序開發(fā)與功能子程序開發(fā)兩大類。主程序開發(fā)主要完成系統(tǒng)的初始化、子程序狀態(tài)巡檢、核心算法的持續(xù)運(yùn)作功能，一般情況下系統(tǒng)主程序時(shí)刻保持循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，用于不間斷處理子程序反饋的運(yùn)算任務(wù)。子程序則是在主程序運(yùn)行的某個(gè)階段，由主程序調(diào)用子程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)子程序功能以后，將運(yùn)行結(jié)果反饋給主程序后，就會(huì)停止運(yùn)行進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，要將主程序的一個(gè)完整的運(yùn)轉(zhuǎn)周期作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，然后將一個(gè)主程序運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)的子程序功能作為各個(gè)子程序的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這樣能夠明確主程序的功率計(jì)算、轉(zhuǎn)速狀態(tài)獲取、PSS4B計(jì)算等主程序功能，同時(shí)也能在運(yùn)行的過(guò)程中，滿足一些特定條件順利調(diào)取子程序完成數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)上傳等功能。具體主程序流程如圖1所示。

圖1 PSS4B電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主程序流程圖

結(jié)論：電氣自動(dòng)化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)電力工程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的主要技術(shù)。依據(jù)電力工程具體規(guī)格和類型，設(shè)計(jì)具體的電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)作章臺(tái)的遠(yuǎn)距離實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制，同時(shí)還能應(yīng)用與繼電保護(hù)裝置中，提升變電站的業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。因此，各地電力工程在籌建階段就應(yīng)該調(diào)研設(shè)計(jì)具體的工程電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，兼顧電氣自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性。要想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要進(jìn)一步加大對(duì)電力工程電氣自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)力度，同時(shí)有計(jì)劃的穩(wěn)步推進(jìn)電力工程的智能化、集約化實(shí)踐改革步伐，做到技術(shù)研發(fā)和技術(shù)實(shí)踐同步。