淺談電力系統自動化與自動裝置

林 杰 ，溫 歡 ，李博浩 ，劉婧雯

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018；3.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020；4.大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室，甘肅天水741020）

1 引言

電力系統自動化是實現對電能生產、傳輸、管理的自動控制、自動調度和自動管理。電力系統自動化的領域包括生產的自動檢測、調節和控制，系統和元件的自動安全保護，網絡信息的自動傳輸，系統生產的自動調度以及企業的自動化經濟管理等。電力系統自動化的主要目標是保證供電的電能質量，保證電力系統運行的安全可靠，提高經濟效益和管理效能。

2 電力系統自動化的原理及分類

電力系統自動化的基本原理是應用計算機、網絡通信和電力電子技術，對發電、輸電、變電、配電、用電和調度等環節運行數據進行采集、處理、分析和記錄，實現自動檢測和決策，完成對各管理區域內電力設備的就地或遠方監視、調節和控制。

電力系統自動化按管理區域分為：發電廠自動化、變電站（換流站）自動化、配電自動化、調度自動化。

2.1 發電廠自動化

發電廠自動化包括分散控制系統、電氣控制系統、升壓站網絡控制系統。

2.1.1 分散控制系統DCS

分散控制系統DCS完成數據采集、模擬量控制、.順序控制、爐膛安全監控等功能，可以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全穩定運行。

DCS包括鍋爐、汽輪發電機組、除氧、給水、減溫、減壓等控制系統，可分為針對電廠鍋爐、汽輪機和發電機幾大主機的控制和針對水務系統、輸煤系統、除灰渣系統、脫硫系統等的輔助控制。圖1為DCS的結構示意圖。

圖1 DCS的結構示意圖

2.1.2 電氣控制系統ECS

電氣控制系統ECS為分層分布式結構，作為獨立的監控系統，是電廠DCS的輔助監控手段，實現對啟動/備用變壓器、廠用變壓器、直流電源、UPS等設備的監控，并把信息傳送給DCS。

ECS包括站控層、通信控制層、間隔設備層。

（1）站控層由各個主站系統構成，是整個ECS系統的控制管理中心，完成對整個ECS的數據收集、處理、顯示、監視功能，并且經過相應授權，能對相應的設備進行控制。

（2）通信控制層主要包括各個通信裝置，具有通信和控制功能。

（3）間隔設備層由保護和自動裝置構成，具有測量、控制、保護、信號、通信等基本功能。

2.1.3 升壓站網絡控制系統NCS

升壓站網絡控制系統NCS采用了分層分布式結構，具備對廠內升壓站系統的斷路器、隔離開關、接地開關，進行遠方監控，對升壓站系統設備的運行參數進行測量、加工和傳輸等功能，同時具備發電廠自動發電控制和自動無功控制功能以及負荷自動分配等高級應用功能，與DCS實現相互跟蹤、互相傳遞信息。

2.2 變電站（換流站）自動化系統

2.2.1 變電站自動化系統

變電站自動化系統采用分層分布式結構，與變電站二次設備進行信息交互，實現對變電站主要設備的狀態監視、信息測量和操作控制。

變電站自動化系統一般分為站控層、網絡層和間隔層。站控層包括監控系統、遠動系統、故障錄波和保護信息管理子站等，主要完成站內數據的記錄、分析、處理與轉發，實現監視、控制、管理功能；網絡層主要完成站控層和間隔層的信息交互；間隔層包括保護裝置、測量裝置和其他自動裝置，實現保護、測量和控制功能。圖2所示為典型變電站自動化系統結構圖。

圖2 典型變電站自動化系統結構圖

2.2.2 換流站自動化系統

換流站自動化系統主要功能：實現停、送直流功率；控制直流功率的傳輸方向和大小；處理和抑制換流器不正常運行及交、直流系統干擾所造成的影響；發生故障時保護換流站的設備；檢測換流站的各種運行參量，監視控制系統本身的運行信息；與遠方調度中心進行通信。

換流站自動化系統包括運行人員控制層、控制層、現場層以及各層之間的通信網絡。

（1）運行人員控制層是由運行人員控制系統、遠動控制接口、保護及故障錄波信息子站等子系統組成的計算機后臺監控系統。

（2）控制層由直流控制系統、直流保護系統、交/直流站控系統構成，是整個換流站自動化系統的控制管理中心，完成對整個系統的數據收集、處理功能，并對系統的運行進行控制和保護。

（3）現場層主要包含交流開關場，交流濾波器場，直流場的就地測控裝置及直流參量采集裝置等，具備完善的測量、監視與控制功能。圖3為典型換流站自動化系統的配置圖。

圖3 典型換流站自動化系統配置圖

2.2.3 智能變電站系統

智能變電站系統是采用標準、先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的新一代變電站系統。

智能變電站系統分為站控層。間隔層和過程層，結構示意如圖4所示。站控層包括自動化站級監視控制系統、站域控制、通信系統、對時系統等，實現面向全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集和監視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能。

間隔層設備一般指繼電保護裝置、系統測量裝置、檢測功能組合IED等二次設備，實現使用一個間隔的數據并且作用與該間隔一次設備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。

圖4 智能變電站系統結構示意圖

2.3 配電自動化系統

配電自動化系統主要應用于配電網設備的檢測與控制。通過將配電網運行狀況的實時信息、設備信息、運行維護狀況、電網分析參數、地理信息等進行安全有效集成，使配電自動化與配電生產指揮集成一體，構成完整配電自動化及調度運行管理的綜合系統，實現對配電網正常運行及事故狀態下的檢測、控制和運行管理。

配電自動化系統需要與輸電網調度自動化、配電地理信息、生產管理等應用系統實現互聯，以獲得相關的配電基礎數據，形成完整的配電網模型。配電自動化支持基于全網拓撲的配電分析應用功能，以滿足配電網調度和運行管理、計劃檢修和故障搶修等配電生產指揮的需求。圖5為典型的配電自動化主站配置圖。

圖5 典型的配電自動化主站配置圖

2.4 調度自動化系統

調度自動化系統根據調度機構的級別一般分為國家調度自動化系統、大區調度自動化系統、省級調度自動化系統、地區調度自動化系統、縣級調度自動化系統。

典型的調度自動化系統一般劃分為位于安全區Ⅰ的主系統、安全區Ⅱ的調度員培訓模擬系統DTS和安全區Ⅲ的Web子系統。

2.4.1 主系統主要包括冗余局域子系統、數據采集與通信子系統、各種應用服務子系統、歷史數據服務子系統與人機界面子系統。

（1）局域網子系統采用冗余的雙交換式局域網結構，大型用戶可以采用三層交換功能的企業級或部門級交換機。通過雙網冗余配置，提高了系統安全性和可靠性。

（2）數據采集和通信子系統作為調度自動化系統中實時數據輸入、輸出的中心，主要承擔了實時數據通信處理任務。基本功能由信息交換、命令傳遞、規約的組織和解釋、通道的編碼與解碼、衛星對時等、

（3）應用服務子系統主要包括數據采集與監控、自動發電控制、能量管理高級應用。數據采集和監控用于實現完整的、高性能的實時數據采集和監控，為其應用提供全方位、高可靠的數據服務；自動發電控制子系統完成自動發電控制功能，提供發電的監視、調度和控制；能量管理高級應用軟件是調度自動化系統的核心，主要用于電網運行狀態的分析、控制策略的制定和輔助決策等，是電網運行的神經中樞和調度指揮司令部。

（4）歷史數據服務子系統主要完成歷史數據存儲、管理，歷史數據管理的所有功能都基于關系型商用數據庫來實現。

（5）維護人員通過人機界面子系統可以進行模型維護、圖形維護、運行維護，調度員通過圖形瀏覽器、告警窗口進行系統的監控。

2.4.2 DTS數字仿真系統主要用于在電網正常、事故、恢復控制下對調度人員進行培訓，也可以用于各種運行方式的分析，協助遠方人員制定安全的系統運行方式。

2.4.3 安全Web子系統配置在安全Ⅲ區，配置Web服務器。安全Ⅰ區的數據通過電力專用正向隔離裝置傳送至Web服務器，客戶端通過Web瀏覽器進行圖形瀏覽、告警查詢、歷史信息查詢等。圖6為典型的調度自動化系統結構圖。

圖6 典型的調度自動化系統結構圖

3 電力系統自動裝置

電力系統自動裝置是指為電力系統提供自動檢測、決策和控制功能的裝置，它通過高效快速的通信網絡傳輸數據，以實現對單個元件、局部系統或全系統的運行情況進行就地或遠方的自動檢測、調節和控制，以保證電力系統安全和經濟運行。

自動裝置通常包括備用電源和備用自動投入裝置、廠用快速切換裝置、輸電線路自動重合閘裝置、同步發電機自動并列裝置、同步發電機勵磁自動調節裝置、電力系統頻率和有功功率自動調節裝置、故障錄波裝置等。

通常將實現按頻率自動減負荷、按電壓自動減負荷、自動解列和某些備用電源和備用自動投入等功能的裝置稱為安全自動裝置，也稱為安全穩定控制裝置。安全穩定控制裝置是電網安全穩定運行的第二、第三道防線，在我國電網得到了廣泛應用，為提高供電可靠性和輸送能力，避免發生大面積停電事故發揮了重要作用。本節以安全穩定控制裝置為代表簡介電力系統自動裝置。

3.1 基本原理

安全穩定控制裝置主要針對電力系統的系統性事故采取相應對策，現以它的控制實現過程為例簡單介紹自動裝置的基本原理。

安全穩定控制裝置由五部分組成，分別為檢測單元、判斷單元、決策單元、執行單元、通信單元。其中，檢測單元用于實時測量、存儲變電站或者電廠的電氣量和開關量信息；判斷單元根據裝置預設的算法對這些信息進行分析處理，并識別故障類型，啟動后續功能單元；決策單元根據故障類型，選定合適的控制措施，并將控制量下發給執行單元；執行單元直接給元件下發控制命令及具體控制量（控制命令有兩種獲取方式，一種是查找本裝置自帶的控制策略，另一種是通過遠方控制主站進行通信，獲取綜合的控制策略）；通信單元用于不同安全穩定控制裝置之間的通信和聯系，及時傳送電氣信息和相應的控制策略。下圖7所示為安全穩定控制裝置基本原理示意圖。

圖7 安全穩定控制裝置基本原理示意圖

3.2 安全穩定控制裝置的分類

在電力系統中使用的安全穩定控制裝置，根據其實現的功能和控制的范圍可分為區域型、就地型和其他安全穩定控制裝置。

3.2.1 區域型安全穩定控制裝置

圖8 區域型安全穩定控制系統結構示意圖

為了解決一個區域電網的安全穩定問題而安裝在兩個或兩個以上廠站的分布式安全穩定控制裝置，經信息通道和通信接口設備聯系在一起組成了區域安全穩定控制系統。區域型控制系統，通常由一個主站、若干個子站和若干個終端站組成。圖8為區域型安全穩定控制系統結構示意圖。

3.2.2 就地型安全穩定控制裝置

就地型安穩控制裝置單獨安裝在一個廠站，與其他安穩控制裝置之間不交換信息，且沒有通信聯系，解決的是本廠站母線、主變壓器或出線故障時出現的安全穩定問題。按頻率自動減負荷、按電壓自動減負荷、失步解列是典型的就地型安穩控制裝置具備的功能。目前，在電網運行中使用的有SCS-500分布式安穩控制裝置、SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置等。

3.2.3 其他安全穩定控制裝置

其他安穩控制裝置指故障解列裝置、備用電源自動投入裝置等。

（1）故障解列裝置：其主要作用是在系統發生各類故障或者穩定破壞時，參照系統電壓、頻率等運行參數的變化，將系統有計劃、有步驟地解列為若干個部分，以達到有效防止事故范圍擴大的目的。

故障解列裝置常見的功能有失步解列、低頻解列、低壓解列等。常用的有WJE-821A型微機故障解列裝置。

（2）備用電源自動投入裝置

為了提高電力系統中重要負荷的供電可靠性，往往采用兩個或多個電源供電，同時裝設備用電源自動投入裝置（簡稱備自投裝置）。

備自投裝置是當主供電源發生故障時，在工作母線失去電源后迅速地將備用電源自動投入以保證系統正常運行的安全穩定控制裝置。常用的有WBT-821A型微機備自投裝置。

4 技術展望與結語

隨著具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網建設的快速推進，統一建模技術、空間信息技術以及適應大規模新能源接入的運行控制技術和適應PMU采集裝置普及的海量數據處理技術等，成為發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節自動化系統的技術發展方向。同時，在自動裝置的研制方面，功能集成、通信標準和接口統一的智能安全穩定控制裝置是未來的研究方向。