電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題和對策

摘要：本文以電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題為切入點(diǎn)，通過分析相關(guān)問題的根源，提出了提升控制準(zhǔn)確率、采用自適應(yīng)調(diào)整模式、加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維和提升系統(tǒng)邏輯控制能力等一系列措施。在論述這些理論措施的同時(shí)，還結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行輔助說明其有效性和可行性。最后簡單就電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題應(yīng)對進(jìn)行展望，提出借助大數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分布式控制的思路，希望可以為后續(xù)電力系統(tǒng)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；自動(dòng)化技術(shù)；安全控制；邏輯控制

一、引言

電力系統(tǒng)（power system）由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電設(shè)施以及為保障其正常運(yùn)行所需的調(diào)節(jié)控制、繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置、計(jì)量裝置、調(diào)度自動(dòng)化、電力通信等二次設(shè)施構(gòu)成，是社會(huì)生產(chǎn)、生活的重要服務(wù)設(shè)施。自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用以來，電力系統(tǒng)工作能力得到了提升，但其安全控制工作仍不完善，時(shí)有問題發(fā)生[1]?？紤]到電力系統(tǒng)以及其自動(dòng)化技術(shù)的重要作用，有必要對安全控制問題進(jìn)行深入分析，以了解其表現(xiàn)和成因，并采取可靠的技術(shù)手段加以應(yīng)對，確保電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

二、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題

（一）控制系統(tǒng)誤操作

電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用普遍，其安全控制工作中的問題也值得關(guān)注，如控制系統(tǒng)誤操作。該問題是指電力系統(tǒng)使用了自動(dòng)化技術(shù)后，在無異常的情況下，系統(tǒng)管理單元投入作業(yè)，破壞系統(tǒng)工作穩(wěn)定性、持續(xù)性的情況，典型表現(xiàn)如繼電保護(hù)裝置誤操作切斷電源，導(dǎo)致系統(tǒng)不能常規(guī)組織電能輸配。從成因上看，誤操作一般與自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)有關(guān)，如不能進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和有效的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，均可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)誤操作的問題。因此，誤操作可視作系統(tǒng)安全控制的常見問題[2]。

（二）控制參數(shù)異常

控制參數(shù)異常，是指電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過程中，無法持續(xù)穩(wěn)定地控制各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致管理上的準(zhǔn)確性和及時(shí)性的問題。以火災(zāi)預(yù)防為例，自動(dòng)化技術(shù)需要敏銳感知與火災(zāi)相關(guān)的信息，如溫度、煙塵濃度、二氧化碳濃度等，以準(zhǔn)確感知并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒人員采取相應(yīng)措施。然而，當(dāng)控制參數(shù)異常時(shí)，系統(tǒng)無法以穩(wěn)定的參數(shù)進(jìn)行溫度、煙塵濃度、二氧化碳濃度變化的收集和判斷，無法精確進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測，可能會(huì)降低安全控制的質(zhì)量，導(dǎo)致火災(zāi)事故的蔓延，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡[3]。

（三）控制設(shè)備損壞

控制設(shè)備損壞，是指電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用過程中，設(shè)備出現(xiàn)軟硬件方面的故障和異常，包括物理損壞和虛擬層面的故障，如系統(tǒng)漏洞等，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常借助自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)，也無法通過自動(dòng)化技術(shù)完成安全管理。在信息化作業(yè)模式下，電力系統(tǒng)和其自動(dòng)化模塊大多需要在聯(lián)網(wǎng)模式下進(jìn)行管理，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)層面存在安全隱患，很難完全杜絕?？赡軙?huì)出現(xiàn)系統(tǒng)被病毒、木馬程序侵入的情況，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)漏洞，無法按照默認(rèn)程序執(zhí)行安全管理，也無法準(zhǔn)確偵測和處理安全事故[4]。硬件損壞的原因更加復(fù)雜，但與系統(tǒng)漏洞和軟件損壞具有相似性，都會(huì)影響系統(tǒng)的安全管理質(zhì)量。

（四）控制邏輯混亂

控制邏輯混亂，是指在電力系統(tǒng)的自動(dòng)化技術(shù)支持下，雖然可以執(zhí)行一般性操作，但在信息處理、指令下達(dá)等環(huán)節(jié)存在異常，無法妥善完成信息辨識或準(zhǔn)確記錄處理信息的情況。該問題一般與系統(tǒng)工作環(huán)境有關(guān)。電力系統(tǒng)的工作環(huán)境比較特殊，輸配電設(shè)備和其他一次設(shè)備在工作中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。當(dāng)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)與輸配電設(shè)備、其他電力系統(tǒng)一次設(shè)備距離較近，并且自身抗干擾的能力不足時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)控制邏輯混亂的情況，從而破壞安全管理。例如，在完成危險(xiǎn)信息收集后，系統(tǒng)可能無法妥善傳輸信息，遠(yuǎn)程管理人員接收信息的延遲率較高，信息可讀性較差，無法充分為安全控制和管理活動(dòng)提供服務(wù)[5]。

三、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題對策

（一）提升控制準(zhǔn)確率

應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)后，電力系統(tǒng)的工作能力顯著得到改善，但安全控制方面的問題也需加以控制，以保證電力系統(tǒng)能充分發(fā)揮自動(dòng)化技術(shù)的作用。針對控制準(zhǔn)確率不高的問題，建議加強(qiáng)數(shù)據(jù)管理并構(gòu)建開放型數(shù)據(jù)庫，以提供信息方面的管理支持。

數(shù)據(jù)管理的要點(diǎn)在于加強(qiáng)收集和降維訓(xùn)練。以繼電保護(hù)裝置為例，應(yīng)在裝置使用前充分收集數(shù)據(jù)，了解在設(shè)備損壞、短路等一般安全問題發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)電流的變化特點(diǎn)。數(shù)據(jù)收集越完善，所獲得的進(jìn)階數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性也會(huì)更高。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可作為控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行降維訓(xùn)練，從而提高自動(dòng)化技術(shù)下繼電保護(hù)裝置的控制精度。同時(shí)，通過集成或嵌入技術(shù)，實(shí)時(shí)記錄繼電保護(hù)裝置的工作信息到計(jì)算機(jī)中。特別是記錄誤操作信息和常規(guī)操作信息，以便進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，構(gòu)建具有開放性特點(diǎn)的工作數(shù)據(jù)庫。這樣的數(shù)據(jù)庫可以獲得繼電保護(hù)工作的精確參數(shù)，并避免誤操作情況的發(fā)生。

（二）采用自適應(yīng)調(diào)整模式

電力系統(tǒng)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)安全控制參數(shù)異常的問題原因復(fù)雜，包括設(shè)計(jì)不當(dāng)、過負(fù)荷工作等等。為應(yīng)對該問題，建議采用自適應(yīng)調(diào)整模式，并借助自動(dòng)化模塊進(jìn)行參數(shù)微調(diào)。此外，還可通過并聯(lián)的雙系統(tǒng)來對抗過負(fù)荷運(yùn)行問題。

在實(shí)際工作中，電力部門管理人員應(yīng)記錄自動(dòng)化設(shè)備的工作過程，尤其是在出現(xiàn)參數(shù)異常時(shí)。通過分析這些記錄，可以判斷參數(shù)異常的原因。對于由設(shè)計(jì)問題引起的參數(shù)波動(dòng)，可以通過重新設(shè)計(jì)來解決。而對于其他原因，需要進(jìn)行針對性分析和處理。確定參數(shù)微調(diào)的時(shí)間間隔時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)在持續(xù)工作240小時(shí)后可能會(huì)有輕微波動(dòng)。因此，建議每隔240小時(shí)下達(dá)自動(dòng)校準(zhǔn)指令，以重新校對系統(tǒng)的工作參數(shù)。無論參數(shù)是否出現(xiàn)嚴(yán)重異常，都堅(jiān)持以240小時(shí)為間隔進(jìn)行一次自動(dòng)校準(zhǔn)操作。

雙系統(tǒng)模式則強(qiáng)調(diào)以備用系統(tǒng)提供輔助，避免主系統(tǒng)過負(fù)荷運(yùn)行出現(xiàn)敏銳性下降的情況。其基本結(jié)構(gòu)見圖1。

雙系統(tǒng)模式下，主系統(tǒng)常規(guī)作業(yè)，副系統(tǒng)處于待作業(yè)狀態(tài)，二者均以獨(dú)立的開關(guān)進(jìn)行管理。當(dāng)主系統(tǒng)可以常規(guī)組織安全管理時(shí)，副系統(tǒng)不啟動(dòng)，當(dāng)主系統(tǒng)出現(xiàn)異常、不能穩(wěn)定進(jìn)行安全控制參數(shù)管理時(shí)，對其進(jìn)行暫停、修理、維護(hù)，副系統(tǒng)啟動(dòng)，投入電子系統(tǒng)管理，包括安全控制在內(nèi)。此模式下，即便系統(tǒng)出現(xiàn)性能和參數(shù)方面的異常，也可以持續(xù)保證安全控制的質(zhì)量。

（三）加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維

設(shè)備軟件、硬件出現(xiàn)損傷等情況時(shí)，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制能力顯著下降。該問題的控制思路在于加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維，主張采用智能技術(shù)提升對故障的辨識能力、定位能力，再以常規(guī)線下管理技術(shù)提供輔助，提升設(shè)備運(yùn)維管理的技術(shù)水平。

在實(shí)際工作中，可以根據(jù)電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制的不同環(huán)節(jié)進(jìn)行功能拓展。例如，變壓器可拓展其感知能力，以接觸式傳感器進(jìn)行溫度參數(shù)收集，從而評估其是否存在電流、電阻異常。其他設(shè)備也可以采用此思路進(jìn)行功能的初步優(yōu)化。當(dāng)設(shè)備因各類因素出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法常規(guī)參與安全控制時(shí)，可以利用擴(kuò)展后的功能模塊和系統(tǒng)組件進(jìn)行信息的采集，并將采集到的信息提供給遠(yuǎn)程端。遠(yuǎn)程端根據(jù)信息的采集情況，快速進(jìn)行故障定位和類別分析，并組織線下修理或線上調(diào)整。通過快速排查處理一般性故障，使得電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)能夠快速發(fā)揮作用，從而提升安全控制的綜合水平。

（四）提升系統(tǒng)邏輯控制能力

電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用可能因電磁干擾出現(xiàn)邏輯混亂的情況，未來主張從抗干擾角度出發(fā)，加強(qiáng)一次設(shè)備和通信設(shè)備的常規(guī)管理，避免通信延遲。同時(shí)，可借助濾波降噪技術(shù)提升信息的可讀性。

首先，將所有可能產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的設(shè)備遠(yuǎn)離自動(dòng)化工作模塊，從根源上減少干擾的發(fā)生。同時(shí)，要求使用具有絕緣能力和抗干擾能力的合成材料對自動(dòng)化工作模塊與其他模塊間的各類線路進(jìn)行包裹，并確保連接牢固，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其次，考慮到部分電力系統(tǒng)設(shè)施工作場所可能存在空間有限的問題，通信設(shè)施和一次設(shè)備之間的空間距離有限，為了改善通信質(zhì)量，可以通過在遠(yuǎn)程信息接收端設(shè)置濾波降噪設(shè)施，采用小波降噪技術(shù)等方法，對來自遠(yuǎn)程端的數(shù)字信號進(jìn)行處理，濾除傳輸過程中可能的噪聲干擾。這樣可以有效控制電磁干擾的破壞，確保安全控制指令和原始信息能夠有效傳遞，同時(shí)也便于遠(yuǎn)程管理處了解電力系統(tǒng)各部分的工作情況。

四、模擬實(shí)驗(yàn)

（一）模擬對象

與某地電力公司（下文簡稱甲公司）進(jìn)行交流，甲公司提供了電力系統(tǒng)的各類信息。他們在2019年初步完成了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化改造，并表示其自動(dòng)化技術(shù)可以覆蓋安全管理的大部分環(huán)節(jié)。然而，在2019年至2022年期間，系統(tǒng)出現(xiàn)了誤操作情況以及參數(shù)波動(dòng)和信息可讀性下降等問題。

為了收集甲公司的一般信息、電力管理系統(tǒng)自動(dòng)化信息和一次設(shè)備信息，筆者借助計(jì)算機(jī)建立了模擬實(shí)驗(yàn)。期間采用雙系統(tǒng)作業(yè)模式、定位分析技術(shù)和降噪技術(shù)來進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)以高速模擬的方式進(jìn)行，默認(rèn)時(shí)間參數(shù)為1：1000，即每1分鐘的實(shí)驗(yàn)?zāi)M相當(dāng)于系統(tǒng)常規(guī)工作1000分鐘。代入10000個(gè)異常參數(shù)，以判斷系統(tǒng)是否能敏銳地收集和處理這些異常參數(shù)。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了系統(tǒng)誤操作的比重、故障上報(bào)時(shí)間以及信息的可讀性，并將其與甲公司提供的工作記錄進(jìn)行對比。

（二）模擬結(jié)果分析

對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)甲公司引入自動(dòng)化技術(shù)服務(wù)電力系統(tǒng)管理活動(dòng)后，其系統(tǒng)安全控制誤操作的概率為0.13%，故障上報(bào)平均用時(shí)2.62s，信息可讀性為94.3%。代入雙系統(tǒng)作業(yè)模式、定位分析技術(shù)和降噪技術(shù)建立模擬實(shí)驗(yàn)，安全控制誤操作的概率為0.02%，故障上報(bào)平均用時(shí)1.06s，信息可讀性為98.7%，得搭配了一定改善。這表明上述技術(shù)的運(yùn)用可以改善電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的安全控制能力。

（三）電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題應(yīng)對展望

運(yùn)用電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)可以提升系統(tǒng)的工作能力，因此其運(yùn)用空間非常廣闊。從技術(shù)角度來看，安全控制問題也可以得到有效控制，并且未來可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和分布式控制技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。以分布式控制技術(shù)為例，該技術(shù)建立、運(yùn)用的基礎(chǔ)為物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)。管理部門可以利用這一技術(shù)來評估電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并將自動(dòng)化作業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。每個(gè)作業(yè)部分都建立獨(dú)立的區(qū)塊鏈管理系統(tǒng)，將各類信息輸入計(jì)算機(jī)中，形成高度符合本區(qū)域特點(diǎn)的自動(dòng)化管理系統(tǒng)。各系統(tǒng)只感知和處理本區(qū)域內(nèi)的安全控制故障和問題，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)各部分之間的相互關(guān)聯(lián)，并與遠(yuǎn)程管理處實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接，從而提升電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制水平。

五、結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題多樣，成因復(fù)雜，嘗試予以改善十分必要，也有改善的空間。目前電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的安全控制問題包括控制系統(tǒng)誤操作、參數(shù)異常、設(shè)備損壞、邏輯混亂等四個(gè)方面，為予以應(yīng)對，未來應(yīng)提升控制準(zhǔn)確率，并采用自適應(yīng)調(diào)整模式，同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維和系統(tǒng)邏輯控制能力。模擬實(shí)驗(yàn)表明上述措施具有積極價(jià)值，可以改善電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的工作水平，未來還可以嘗試借助大數(shù)據(jù)和分布式控制模式，進(jìn)一步優(yōu)化電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用效果，服務(wù)電力系統(tǒng)管理。

作者單位：唐培峰 國網(wǎng)山東省電力公司煙臺市牟平區(qū)供電公司

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