淺談自動化技術在電力系統的應用和發展趨勢

劉兆瑞，李 航，張興波

(1.中國電力工程顧問集團公司 華北電力設計院工程有限公司,北京100120;2.北京國際系統控制有限公司，北京 100083)

電力系統自動化是自動化技術在電力方面的一種應用形式,指在電力系統中應用各種具有自動檢測和控制功能的裝置，通過這些裝置來保證電力系統安全、可靠、經濟的運行，提供質量合格的電能[1]。

1 電力系統及其自動化的基本內容

電力系統自動化包括發電控制自動化、電力調度自動化、電力系統信息自動傳輸系統、配電自動化和電力管理系統自動化等。目前，發電控制自動化（AGC）與配電自動化（DAS）已經得到了很大的發展。電力調度自動化具有在線檢測、故障模擬等特點[2]。如今，變電站綜合自動化(即建設綜自站)已經實現了無人值班模式。

1.1 發電控制自動化

發電控制自動化系統主要應用在發電廠,系統包括動力機械的自動控制系統以及自動發電量控制系統和自動電壓控制系統。火電廠需要控制鍋爐汽機等熱力設備,大容量的火力發電機組自動控制系統包括了計算機在線檢測和數據系統、機爐協調控制系統以及鍋爐自動控制系統等；水電廠需要控制水輪機、調速器以及水輪發電機勵磁控制系統等。

1.2 配電自動化

配電自動化主要是變電站以及與之相關的輸配電線路，為了聯系發電廠和電力用戶而存在的。變電站依賴自動化技術，實現了二次設備的數字化、網絡化、集成化。在實現的過程中，自動化技術得到了充分的利用，采用光纜或光纖代替電力信號電纜，提高了抗干擾性。同時，變電站實現了計算機屏幕化以及運行管理和記錄統計的自動化。眾多組成部分實現了自動化管理，使得變電站的整體自動化得以實現，滿足了變電站的運行監視及操作任務，同時也是電網調度自動化的一個重要組成部分。可以說，要實現電力生產的現代化，一個重要的、不可缺少的環節就是實現變電站的自動化。

1.3 電力系統信息自動傳輸系統

電力系統信息自動傳輸系統簡稱遠動系統。其功能是實現調度中心和發電廠之間的實時信息傳輸。遠動系統由遠動裝置和遠動通道組成。遠動裝置按功能分為遙測、遙信、遙控三類；而遠動通道具有很多形式，包括微波、載波、高頻、聲頻和光導通道。

1.4 電力調度自動化

電力調度自動化系統是以數據采集和監控系統（SCADA）為基礎，包括自動發電控制（AGC）、經濟調度運行（EDC）、電網靜態安全分析（SA）、調度員培訓仿真（DTS）以及配電網自動化（DA）等幾部分在內的能源管理系統（EMS）。它收集、處理電網運行實時信息，通過人機界面將電網的運行狀況集中而有選擇地顯示出來進行監視和控制，并完成經濟調度和安全分析等功能。電網調度自動化系統是基于電網調度控制中心的計算機網絡系統，其他的主要部分有服務器、工作站、打印設備、大屏幕顯示器、調度范圍的發電廠和變電站終端設備（RTU或綜合自動化系統），以及通過電力系統專用廣域網連接的下級電網調度中心和測量控制等裝置。這些設備形成了一個電網的調度自動化系統，實現實時數據的采集、電網運行安全分析監控、電力系統狀態估計、電力負荷預測、經濟運行參數的輔助計算、報表自動打印等功能。

1.5 電力管理系統自動化

電力管理系統通過自動化技術來實現，主要包括電力計劃管理、財務管理、生產管理、人事勞資管理、設備管理、項目管理和資料檢索等系統。這些系統支撐著了電力企業日常生產的正常運行。

2 自動化技術在電力系統中應用的重要性

自動化技術在電力系統中的應用可以很好地保證電力系統運行的穩定和安全，提供高質量的電能。

2.1 保證高質量電能和電力系統的安全運行

高質量的電能是國家經濟發展和人民日常生產生活所必須的。電力系統通過應用自動化技術檢測并解決電網中的各種質量問題，經過電力調度中心、配電自動化設備等，逐級地減少電網上的污染，為用戶提供高質量的電能。電力質量問題包括很多內容，例如用電設備被損壞、諧波無功對電網的污染、電壓工作不正常、電流發生偏差等問題。如果沒有自動化技術的應用，沒有自動化設備的在線檢測、控制，僅靠人為查找問題的所在再解決問題來保證電能質量，需要耗費大量的人力、物力和財力，而且時間成本非常高。而利用自動化設備和通信技術，當問題出現時可以及時發現問題點，并采取遠程控制的方式予以解決，從而保證電力系統的安全運行和電能的質量。

2.2 確保電力系統運行的經濟性

為了降低電網的損耗，保證電力系統運行的經濟性，在電力系統中增加自動化設備非常必要。隨著我國技術和經濟的不斷發展，電力自動化系統主要運用自動化技術、計算機技術、通信技術等。電力系統中需要實時采集、處理的數據量和信息量都十分的龐大，而且有許多影響因素，檢測的范圍很廣，采用的閉環控制內容極為豐富。自動化技術的應用使電力系統的運行質量和效率得到了很大的提高，并減少了由于電網損壞所帶來的費用支出，提高了電網的經濟性。

3 自動化技術在電力系統的發展趨勢

自動化技術在電力系統的發展趨勢主要有：

(1)供電方式及一次設備

由于地域與經濟發展因素的影響，我國的配電網在管理上劃分為城市電網（大中城市）與農村電網（鄉村、縣城）。城市電網以電纜網方式為主，農村電網以架空線方式為主[1]。配電網的供電方式由電源點、線路開關設備、網架(線路聯結)三部分決定，電源點、網架以不同方式組合，架構了多種多樣的供電方式，如單電源輻射狀供電、雙(多)電源互備供電、雙(多)電源環網供電、網格狀供電等，而線路開關設備(如環網柜、重合器、分段器、斷路器、負荷開關等)提供了功能各異的供電配合方案。城市電纜網多采用環網柜 (配負荷開關、真空斷路器、SF6斷路器等)作為配電線路主設備，農電架空線網多采用重合器、分段器、斷路器、負荷開關等作為配電線路主設備。以線路開關設備區分的供電方案主要有：電纜環網柜方案、架空重合器方案、分段器(自動配電開關)方案、斷路器方案、負荷開關方案等。

(2)遠動系統及二次設備

配電自動化系統的遠動主要實現FTU、TTU對線路開關、配電區（變壓器）的監控[1]。遠動系統及設備的可靠性功能主要包括保護動作、環網控制、遠方控制、就地手動控制等四方面。配電自動化遠動系統的主要問題是線路電源（儀表與操作電源）和傳輸規約，設計適用于戶外環境的、可靠的不間斷電源是實現配電自動化的一個難題。目前變電站采用的CDT、POLLONG規約均不適用于配電自動化系統，而由于配電線路設備的地理分布性和控制的復雜性廣泛采用IEC101、IEC104等規約。同時，數字化變電站建設加快了遠動系統和二次設備的更新，大量數字信號處理技術應用在自動化系統當中。高性能、具有實時性的二次設備不斷地更新換代，與實時操作系統和實時數據庫技術結合起來，提高了電力系統的可靠性。

(3)靈活多變的通信技術以及設備

電力系統自動化的通信方案包括主站對子站、主站對現場單元、子站對現場單元、子站之間以及現場單元之間的通信的廣義范圍。目前實施的完整配電自動化通信方案指主站對子站、主站對現場單元以及子站對現場單元的通信。根據區域不同、條件不同，采用的通信媒介也是多種多樣的，例如光纖、電力載波、有線電纜、微波、擴頻等。同時，隨著計算機網絡的高速發展，以太網以其傳輸數據量大、傳輸速度快的優勢被應用到電力自動化系統中。目前，Ethenet+TCP/IP協議是以太網最典型的應用形式。電力系統自動化未來的發展方向會結合電力工業應用實際，以以太網技術為基礎，研究出新興的以太網為核心的總線技術。IEC61850標準(即新一代變電站網絡通信協議)，適用于分層的IED和變電站自動化系統。該協議采用面向對象建模技術，面向設備建模和自我描述，以適用功能的擴展。該標準的推出使變電站信息建模標準化成為可能，實現了信息的共享。

(4)主站網絡及軟件功能

電力系統自動化主站的功能包括SCADA實時監控、GIS(地理信息系統)在線管理、電網經濟運行分析等。主站框架要突破傳統的單一調度自動化系統C/S模式，以P-P-C/S-B/S一體化架構，充分體現分布式網絡管理一體的綜合集成系統特點。計算機網絡與軟件平臺技術充分體現功能與開放性,并提供與異構系統的跨平臺接口,與調度、負控、MIS、CIS等自動化子系統實現無縫集成。

(5)電力自動化系統的智能化發展

目前,電力系統自動化方面的發展有了新的領域，就是智能電網概念的提出。在綠色節能意識的驅動下，智能電網成為世界各國競相發展的一個重點領域。所謂智能主要體現在：可觀測，主要依靠量測、傳感技術；可控制，可對觀測狀態進行控制；嵌入式自主的處理技術；實時分析，可實現數據到信息的提升；自適應；自愈[3]。智能電網的特征是自愈、安全、經濟、清潔。智能電網能夠自動檢測、分析故障，實現故障隔離和系統的自我恢復，從而抵御自然災害或人為的外力破壞，保證電網的安全運行，提高用戶的用電質量；同時提高能源利用效率，減少電能損耗，降低投資成本和運行維護成本。達到這些要求，就需要自動化設備具有很高的智能化,以提升自動化設備的采集、觀測、時效、甚至預判的能力。擴大自動化裝置的內部功能，使其能在完成針對電網的在線檢測的功能外，提高設備對電網的信息處理、存儲和通信的能力，并且在設備之間形成互動，能夠全局把握電網情況，監控、預判電網的狀態，同時利用自動化設備的實時系統和實時數據庫技術，根據不同情況完成電網的各項操作，達到智能化。智能電網最為突出的功能是系統的自愈功能，這項功能的實現是把自動控制理論(如模糊控制、自適應控制、專家系統、神經網絡控制等)與先進的自動化系統和設備相結合，對電網中各組成元件以及網絡自動地采集、檢測、分析、決策和操作，使電網像一個免疫系統一樣運行，保證電網正常、安全、穩定地運行。

伴隨著新型電力自動化設備中應用最新的網絡通訊技術、計算機技術、自適應理論、綜合自動控制理論、人工智能和模糊控制等理論和技術，自動化技術在電力系統應用得到了極大的發展，新型電力自動化設備擁有了智能控制的特點，很大程度上提高了電力系統自動化的安全性和可靠性。

[1]張雷,李大偉.電力系統配電網自動化的應用現狀與展望[J].職 業 技 術 ，2008(7)：80.

[2]劉飛.電力系統自動化的發展趨勢[J].科技致富向導，2012(4)：332.

[3]唐亮.論電力系統自動化中智能技術的應用[J].硅谷，2008(2)：52.