電力電氣自動化元件技術(shù)研究

陳 剛

（廣東粵電花都天然氣熱電有限公司，廣東廣州 510800）

1 電力電氣自動化元件的應用意義

1.1 提高生產(chǎn)效率

導致傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行與生產(chǎn)效率低下的主要原因，一方面是電網(wǎng)線路的不穩(wěn)定，風險問題頻發(fā)，安全隱患長期存在；另一方面則是過分依賴人工操作，支出大量人力成本的同時，許多復雜工作僅依靠人力操作，需要浪費更多的時間，導致電力系統(tǒng)的運作浪費大量可利用的資源。尤其是在電力系統(tǒng)日常檢修維護中，若依賴人工，則不能實現(xiàn)全天候?qū)崟r動態(tài)化檢測，一旦發(fā)生故障往往不能夠使技術(shù)人員及時檢查到電力系統(tǒng)中存在的問題，同時也對技術(shù)人員的專業(yè)知識水平和電力系統(tǒng)控制技能有很高的要求。那么使用電氣自動化元件則能夠通過自動化程序與網(wǎng)絡信息平臺的共享功能對整個電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，不僅能夠自動完成日常檢修維護工作，還能在故障發(fā)生的第一時間將故障原因、故障發(fā)生位置、故障影響電路等關(guān)鍵信息及時發(fā)送給技術(shù)人員。對電力系統(tǒng)故障排查的工作流程進行了簡化與優(yōu)化，節(jié)省人力支出的同時，也在一定程度上彌補了技術(shù)人員經(jīng)驗不足和專業(yè)水平不足造成的缺陷，對電力系統(tǒng)生產(chǎn)效率的提升有現(xiàn)實意義。

1.2 穩(wěn)定電網(wǎng)線路

在變電站與發(fā)電廠生產(chǎn)過程中，電網(wǎng)線路的穩(wěn)定與否是影響到輸電狀態(tài)的重要因素，同時也是影響生產(chǎn)效率的重要因素。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運行中受到多重因素的影響，常常出現(xiàn)電路不穩(wěn)定和電壓變化頻率過快等風險問題，因此導致電力系統(tǒng)的運行面臨著許多安全隱患與風險。而應用電氣自動化元件則能夠保證電網(wǎng)調(diào)度的正常運轉(zhuǎn)，在電流輸送的過程中，及時預測電網(wǎng)的運行狀態(tài)，通過網(wǎng)絡處理等方式對電路運行產(chǎn)生的問題快速反應，最大程度上穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行[1]。而一旦出現(xiàn)安全事故，電氣自動化元件則能夠在第一時間調(diào)查風險類型，采取相應的緊急預案，利用自動化系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系方式和信息集成化優(yōu)勢，將電網(wǎng)電路的運行信息整合處理。對于電氣工程而言，使用自動化電氣原件是現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)電力生產(chǎn)的融合，是電力產(chǎn)業(yè)的進步。自動化元件的信息化優(yōu)勢能夠使電網(wǎng)電路在運行過程中與操作人員之間不斷產(chǎn)生信息往來，構(gòu)建穩(wěn)定的信息傳輸鏈，從而使操作人員對電路電網(wǎng)線路實施動態(tài)化監(jiān)控，確保電網(wǎng)運行始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 降低人力需求

傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)與電力運輸中需要通過人工操作的方式控制大量設備，對大量電力電子設備進行參數(shù)設置與調(diào)整，還需要對各類線路進行搭接和開啟關(guān)閉等操作，同時也需要人工的形式對整個電力系統(tǒng)的運行進行監(jiān)督，并及時處理設備事故與線路運行異常等問題。因此不僅消耗大量的人力，還會降低電力系統(tǒng)運行的效率。使用電氣自動化技術(shù)對整個電力系統(tǒng)進行自動控制后，人力資源的配置得到了很大程度上的優(yōu)化，同時也能夠利用自動化技術(shù)自動執(zhí)行電力系統(tǒng)中的許多設備操作。從這一點來看，電力系統(tǒng)的運行效率大大提升，尤其是在風險管控與事故處理方面，自動化電子元件能夠在第一時間檢查風險問題并及時響應，采取相應的安全防護措施，對設備下達指令，解決了傳統(tǒng)人工趕到現(xiàn)場操作的不便。除此之外，自動化電子元件還能夠在系統(tǒng)內(nèi)高效準確處理信息，避免人為操作導致的事故問題。隨著電力電氣自動化元件技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，目前我國許多大型變電站與發(fā)電廠都開始不斷提升自身的自動化水平，使變電站的管理更具有信息化特征。

2 電力電氣自動化元件的實際應用

2.1 電子開關(guān)的應用

電子開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應用經(jīng)歷了一段時間的發(fā)展，早期將電子開關(guān)稱作交流變頻電子開關(guān)，制作結(jié)構(gòu)簡單，但安全性并不高，對于電力系統(tǒng)的運行而言，存在一定程度上的不足。目前經(jīng)過自動化技術(shù)的改造，電子開關(guān)發(fā)展成為全控制式電子開關(guān)。這種開關(guān)相比于早期傳統(tǒng)電子開關(guān)而言具有了更豐富的功能，對整個電力系統(tǒng)的控制也更加順暢。同時還能夠通過自動化技術(shù)的接入，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中部分設備與線路的自動開關(guān)與自動程序化控制，對于電力系統(tǒng)的運行效率有非常顯著的提升。因此電子開關(guān)可以看作是在電力系統(tǒng)中最早一批得到應用的電力電氣自動化元件。

隨著自動化技術(shù)與電力電子技術(shù)的共同進步，目前已經(jīng)將全控制式電子開關(guān)研發(fā)改進成為復合型電子開關(guān)，不僅性能更強，操作更簡便，安全性能也更高，對于電力系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定運行有更強的維護效果[3]。復合型電子開關(guān)在運行中采用的是，并聯(lián)方式電流的接通與斷開都能實現(xiàn)零投切，因此在正常接通的情況下，復合型電子開關(guān)能夠保持零功耗，不僅節(jié)省了大量電力能源，也能保證在各種不同電力系統(tǒng)中得到穩(wěn)定應用，因此成為了當下主流使用的電子開關(guān)。

2.2 高頻變換器電路

電力生產(chǎn)中需要不斷將電氣設備元件進行優(yōu)化，將現(xiàn)代新型電子技術(shù)與信息化技術(shù)結(jié)合到電子設備原件的改進中來，能夠使電力系統(tǒng)的運行效率得到切實提升，也能夠通過對電設備元件變換器的改進使電路運行更加穩(wěn)定。目前自動化技術(shù)在變換器的改進應用中主要是實現(xiàn)低頻變換器電路向高頻方向的轉(zhuǎn)變與發(fā)展，傳統(tǒng)的半控制晶匣管技術(shù)盡管能夠?qū)﹄娏鬟M行自動控制，但主要是通過直流傳動變換器實現(xiàn)的，而利用高頻改進的變換器電路和電力電子元件能夠大大提升元件的運行功率，能夠解決電動機的電容的轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的問題。目前較為常見的高頻變換器電路屬于諧振式直流逆變器電路，不僅能夠滿足電力運行的供應需求，還能使變換器與電路之間的聯(lián)系更加緊密，同時也能夠利用PWM 變換器使電壓和電流在電力系統(tǒng)中自動改變，從而有效維護電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和安全性，但目前這種高頻變換器電路也有缺點，當電氣元件處在高電壓狀態(tài)下時，容易發(fā)生斷電問題，那么未來的變換器改進方向就將是解決高電壓狀態(tài)下電氣元件運行不穩(wěn)定的缺陷。

2.3 交流調(diào)速控制

目前我國在電力系統(tǒng)運行維護當中使用的交流調(diào)速控制理論主要是根據(jù)矢量控制基礎理論分析演化整合得來的，這些理論內(nèi)容在不斷實踐過程中也在不斷豐富與完善。目前交流調(diào)速控制理論主張的電力系統(tǒng)運行方式是通過仿照直流電動機的內(nèi)部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行控制，而交流調(diào)速控制理論中對解耦方式的應用，不僅能夠?qū)惒诫妱訖C的物理模型轉(zhuǎn)換為直流形式，還能夠?qū)D(zhuǎn)子磁鏈進行自動化檢測。因此通過自動化技術(shù)對交流調(diào)速控制進行設計時，首先應當實現(xiàn)對定子電流的控制。具體來講，需要通過轉(zhuǎn)矩分量和磁場分量兩方面對整個電路實施控制，并通過矢量控制將二者進行分離。同時也要合理運用直流電動機，通過改變坐標的方式達到對電子元件的模型進行改善與優(yōu)化的目的，在這一過程中可以利用磁場定向?qū)﹄x散兩點的方向分別進行調(diào)節(jié)，再將生成的PWM 信號合理利用到轉(zhuǎn)取效能方面，同時通過新型自動化電路開關(guān)來對整個電路以及電路系統(tǒng)中的電力設備進行有效控制，利用好交流調(diào)速控制技術(shù)，能夠?qū)㈦娐分薪?jīng)常產(chǎn)生的復雜質(zhì)量控制問題簡化，從而使控制參數(shù)的變化對整個電路運行造成的影響降至最低，在最大程度上保證電力輸送的穩(wěn)定。

2.4 通用變頻器單片機

傳統(tǒng)使用的8位機以MSC 技術(shù)為代表，但操作難度較高，且對整個電網(wǎng)線路的控制效果也并不理想，同時由于其內(nèi)部構(gòu)建系統(tǒng)生產(chǎn)難度高，無法適應大批量生產(chǎn)的要求，因此并不符合長期供應市場的需求。而結(jié)合自動化技術(shù)制造的新一代單片機，不僅構(gòu)件簡單，且操作難度低，技術(shù)人員可以通過發(fā)布指令的方式進行大規(guī)模生產(chǎn)。同時單片機的適用性也更高，能夠應用到普通電路和智能儀器控制當中，從而充分發(fā)揮智能信息化、自動化的優(yōu)勢。在不斷應用過程中，結(jié)合C 語言和程序編寫的功能性也可以跟隨技術(shù)人員對電路控制需求而改變，因此單片機是當前集成電路優(yōu)化設計的重要構(gòu)成之一[4]。對單片機控制技術(shù)的提升主要通過使用IGB 元件其中的RAS 功能，不僅使單片機的信息采集與功能控制形式更加豐富，還能滿足不同電網(wǎng)系統(tǒng)在使用方面的需求。但其功能控制處于電網(wǎng)控制中較低層次的指令使用性能，因此在使用中仍然需要技術(shù)人員將其與其他控制系統(tǒng)和電路元件結(jié)合在一起共同使用。目前以新型IGB 元件為主的單片機成為了電力系統(tǒng)控制中使用的電氣自動化元件的主流。

3 電力電氣自動化元件的研發(fā)路徑

3.1 智能交流調(diào)速控制

在未來電力電子技術(shù)的研發(fā)中，首先需要對交流調(diào)速控制技術(shù)不斷優(yōu)化，這是由于交流調(diào)速控制對于整個電力系統(tǒng)的自動化運行和自動化元件應用都有重要意義。通常來講，變頻控制器應當與全控制電子開關(guān)進行配合，但目前有更優(yōu)質(zhì)的電子開關(guān)元件能夠替代全控制開關(guān)，而變頻控制器與新型電子開關(guān)的配合仍然需要增強。同時全控制型開關(guān)與變頻控制器在性能結(jié)合的過程中需要對全控制型開關(guān)的位置設計進行穩(wěn)固性優(yōu)化。這是由于在電流出現(xiàn)較大波動時開關(guān)容易失靈，導致變頻控制器的性能受到影響，導致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定受到影響。未來對交流調(diào)速控制技術(shù)的研發(fā)就落實到了如何使全控制型開關(guān)在電流波動和電壓較大的情況下仍然能夠穩(wěn)定工作。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)展中使用的各類電氣元件本身不具備調(diào)速功能，而變頻控制器和交流調(diào)速控制技術(shù)都是自動化技術(shù)發(fā)展與應用的優(yōu)秀成果，未來將會有更大的發(fā)展與優(yōu)化，對交流調(diào)速控制理論的研發(fā)也將不斷進步。通過對智能交流調(diào)速控制軟件和電子元件的研發(fā)，使其大功率化、自動化、信息化、人工智能化將成為未來電力系統(tǒng)研發(fā)的主要方向之一。

3.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)運行

早期電力系統(tǒng)中的自動化控制主要是通過技術(shù)人員在主系統(tǒng)中進行集中控制的指令操作來實現(xiàn)相應功能的運行，從而使電氣設備與電子元件完成相應的工作，但這種較為初級的自動化操作存在明顯的不足。在控制系統(tǒng)中將所有功能進行集中化管理統(tǒng)一設計，就導致系統(tǒng)將指令下發(fā)到對應元件后，設備需要經(jīng)過整個系統(tǒng)的響應才能夠做出回應并執(zhí)行指令，這使得電氣自動化控制的效率受到計算機配合工作時間的影響，也受到電力系統(tǒng)規(guī)模的影響，這種集中化控制還會大量占用計算機的CPU，導致電氣自動化的效率降低。同時也容易導致不同電子元件在接收指令時產(chǎn)生相互影響。對于線路距離較近的硬件設備而言，相互之間的電流信號也容易產(chǎn)生沖突。而且這種集中控制方式對日常維修與養(yǎng)護都造成了不小的負擔。

因此未來要想使自動化技術(shù)和信息化技術(shù)更加切實地與電力系統(tǒng)自動化控制相結(jié)合，就需要將集中控制轉(zhuǎn)換為分布式的系統(tǒng)控制。盡管這種概念相對而言較為抽象，但其本質(zhì)就是將電氣系統(tǒng)中不同功能模塊進行劃分，使不同的模塊單獨控制技術(shù)人員通過分別下達不同的指令操作，對不同電力系統(tǒng)進行設計來實現(xiàn)電氣自動化的功能模塊區(qū)分。這樣一來，計算機的CPU 占用得到了緩解，響應時間更短，電氣設備與電子元件的工作效率更高[5]。分布式控制也能夠與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，通過分布式的數(shù)據(jù)庫對不同電子元件的運行信息進行記錄與管理，這樣一來傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中自動化控制效率低，且信息過于集合，難以快速查詢處理的問題就將得到極大的緩解。除此之外也能夠?qū)τ布O備的電路設計和安裝進行合理優(yōu)化，不僅能夠為設備的日常維修與養(yǎng)護提供便利，還能夠提升電力系統(tǒng)運行的安全性。

4 結(jié)束語

電力電氣自動化元件的發(fā)展過程是理論與實踐的結(jié)合，從理論層面的進步影響到電氣元件在電力系統(tǒng)中應用的實踐，而隨著自動化技術(shù)和信息化技術(shù)發(fā)展，未來電力系統(tǒng)自動化也將會取得更大的改進空間。因此需要對電力電子元件不斷更新迭代，通過對電力系統(tǒng)的有效控制，在維護電力系統(tǒng)高效運行的同時使電力電氣自動化系統(tǒng)的信息化水平得到提高，使其運行穩(wěn)定性得到提高，為社會經(jīng)濟秩序的平穩(wěn)推進奠定電力工程建設層面的基礎。