淺論電網能量傳遞及過程控制自動化

吳愛華

廣州能源檢測研究院 廣東 廣州 510000

前言

在發電機發明前,人類只能依靠大自然的原始能量。自1698年英國工程師托馬斯.塞維利發明活塞蒸汽機開始,到1832年法國人畢克西發明了第一臺手搖式直流發電機后,人類的生活生產用能發生了巨大變化,如燃料能、核能、水能、太陽能、風能等各種形式的能量通過發電機轉換成電能。電能的傳播從簡單到復雜、從局部到整體直至發展到當今的電力電網時代,能量的傳遞及過程控制自動化日新月異。

1 電網能量傳遞過程

電力系統是電能生產、輸送及分配的綜合系統,加上電磁過程本身的快速性,對電力系統運行控制的自動化系統提出了非常高的要求。為確保滿足電力系統運行的穩定性、可靠性、電能的質量及電網經濟性等要求,離不開高水平的電力運行自動控制系統的支撐作用。一般地,發電機發出的電通過輸電、變電系統、配電系統送到用戶終端使用。電網在安全、穩定的環境下運行,根據能量守恒定律,發電機的有功功率等于網損功率和用戶使用功率之和,電網保持平衡狀態。當用戶負荷增加或者降低了,保持輸供電平衡是電網系統的關鍵所在。發電、用電平衡問題,其實就是發電系統根據自身輸出變化,調節自身輸入去匹配不斷變化的輸出,于是發電設備在輸入輸出之間有一個能量儲存池,即控制輸入能量的速度,使之盡可能等于輸出能量的速度,保持能量池的穩定。當能量的輸入輸出的不平衡,能量池的水位會反映到電網的電壓頻率上,當輸入相對輸出比較快,頻率就會上升,反之下降,因此,通過調節觀察電網頻率來調節機械能量輸入調整發電功率。這個控制過程需要控制系統來完成,在發電機組、電廠、電網調度多個層面協同完成。總之,發電系統通過監視電網電壓的頻率,透過自動控制系統,實時調整發電設備的能量輸入,使之與其輸出能量相等,保證發用電電能平衡,從而維持電網頻率。

2 現代電力系統的概況

2.1 現代電力系統的組成

20世紀中葉以來出現的巨型電力系統,是有史以來規模最大、層次最復雜、資金和技術最密集的復合工業系統。這種巨型現代電力系統,可以看做是由三個基本系統構成。

一是物流系統,即指動態的電力系統,是實現能量變換、傳輸、分配和使用的一次系統,就是電能的發、輸、變、配、用。對于物流系統,我們一般重點研究能量的轉換和變換、電能傳輸和分配,及電力系統可靠、穩定、安全、經濟運行的規律。

二是信息流系統,即電力信息系統,由監視、測量、保護、控制、電網調度自動化等組成的能量管理系統,其作用是保證電力系統可靠、穩定、安全、經濟運行。對信息系統主要研究如何獲得物流系統各種狀態的特征信息,研究這些信息的傳輸、處理和應用。此系統主要由傳感器、通信網絡、計算機和各種復雜的程序構成,是電力系統的核心。

三是貨幣流系統,也就是電力交易系統。對貨幣流系統主要研究電能這種特殊商品如何通過市場進行交易,電能如何定價,在市場運營下如何保障電力系統可靠、穩定、安全、經濟運行。

2.2 現代電力系統的特點

現代電力系統的特點是由電能的特點決定的。電能的生產、傳輸和使用具有鮮明的系統性。電能以光速傳播,迄今為止人,人類還沒有實現大容量的電能存儲,因此電能的生產與消費幾乎是在同一瞬間完成的。發電、輸電、變電、配電和用電等環環相扣,組成了密不可分的整體,始終處在連續工作和動態平衡之中。電能供應系統和用戶之間又相互影響和相互制約。電能供應系統要適應用戶對電能需求的隨機變化,向用戶連續不斷地提供質量合格、價格便宜的電能。用戶的負荷特性和隨機變化又反過來又影響和沖擊著電能供應系統。在各個環節和不同層次都要有先進的信息和控制系統,對電能的生產、傳輸、使用的全過程進行監測、控制、調節、保護和協調調度,以保證電力系統的正常運行,使用戶獲得安全可靠、優質、廉價的電能。

2.3 現代電力系統的發展方向

現代電力系統正向兩個不同的發展方向發展:一個方向是電網互聯,這將導致電網規模越來越大;另一個方向是向電網內分布式發電及微型電網發展。

鄰近電網互聯規模越來越大,有一定的優點那就是有利于在更大的范圍內優化資源配置和一次能源利用;有利于降低造價、節約能源、降低系統發電成本;有利于承受大的沖擊負荷,從而改善電能質量,提高供電可靠性;有利于不同地區時差、錯峰用電,減少系統備用機組容量;有利于水、火、核電之間的互補調節,實現系統水、火、核電的經濟調度

缺點就是大電網互聯要依賴遠距離高壓交流輸電,這使得大電力系統的運行更加的復雜,突出表現在調度復雜、穩定復雜,一旦有故障會波及鄰近電網,處置不當會造成大面積停電。

微型電網是一些電氣上孤立的發電機組成的獨立電網,它們有些與主網相連,大多不與主電網相連的。一般是光伏電池、風力發電、太陽能發電、微型水電、燃料電池、小型燃氣輪機組等發電裝置,它們靠近用戶,對環境無污染或者少污染。但是,與電網相連的分布式發電也會對電網頻率、電壓等造成各種沖擊。

3 現代電力系統控制

安全穩定運行是現代電力系統的基本要求,現代電力系統控制為此提供基本保障。

3.1 現代電力系統控制內容

現代電力系統控制運行非常復雜,必須建設有效的控制系統,這是現代電力系統控制的物質基礎。同時還采用先進的控制理論來設計控制規律,這是現代電力系統的理論基礎。

3.2 現代電力系統的控制體系

現代電力系統的調度控制體系是“統一調度、分級管理”,共分五級,即國家電網或南方電網調度控制中心、大區電網調度控制中心、地區或市電網調度控制中心、縣級電網調度控制中心。電網調度控制實行分級管理體系,奠定了電網分層控制的模式,調度的自動化系統的配置也與之相適應,信息分層采集,逐級傳送,命令按層次逐級下達。電網分級調度體系圖見下圖1。

圖1 電網分級調度體系圖

3.3 現代電力系統控制組成

電力系統運行的可靠性及其電能質量,與自動控制系統的水平有著密切的關系。20世紀中葉以來出現的巨型電力系統,是有史以來規模最大、層次最復雜、資金和技術最密集的復合工業系統。這種巨型的現代電力系統,可以看成是由三個基本系統組成:一是物流系統;二是信息流系統;三是貨幣流系統。但隨著計算機技術、通信技術及自動控制技術的飛速發展,電力系統調度控制的內涵發展也不盡統一,完成上述電力系統三大組成的自動控制結構也不完全一樣。本文所述的系統控制組成是對《現代電網自動控制系統》基礎上進行適當的補充,電力調度控制結構圖見下圖2。

圖2 電力調度控制結構圖

3.4 現代電力系統的控制趨勢

隨著經濟社會發展,現代電力系統面臨著新的挑戰與機遇。面臨的挑戰是:第一、可再生能源等新能源。新電源與傳統的火電、水電、核電相比,最大的區別在于可再生能源發電具有間接性及隨機波動性、不完全可控性。第二、電動汽車等新負荷。電動汽車等新負荷與傳統負荷相比,最大的區別在于主動負荷具有雙向性。既可以作為負荷存在又可以作為電源存在,具有很大的不確定性。第三、網絡自愈等新結構。網絡自愈等新結構與傳統的網路相比,最大的區別在于網路經常需要重構,網絡中大量的電力電子控制設備可以快速地進行網絡控制。現代電力系統所面臨的主要機遇是:廣域測量系統等新技術。此技術對于大停電的重現和分析中發揮重要作用。另外,云計算及大數據技術等在電力系統中的應用方興未艾。優化控制等新理論。現階段,控制理論、系統理論在電力系統中的應用不斷加強。

4 結語

為了保障電力系統安全、優質、可靠、穩定、經濟地運行,控制理論,系統理論在電力系統中應用日益深化。控制理論在電力系統中的應用,由20世紀60年代開始的經典控制理論到20世紀80年代開始的現代理論,乃至當代控制理論。除此之外,復雜系統理論、模擬進化方法等在電力系統中也不斷得到應用。為此,人們正在深入研究新一代電網的能量管理系統。其基本特征就是實時自適應,靈活開放,目標、時間、空間三維度協調。其中以“分布自治、集中協調”的新架構最具潛力和代表性,即分分布與集中、自治與協調相結合,這個方案有望在近年實現。所以,在理論上,現代電力系統自動控制做到精準和細致還要進行大量開創性的研究。在工程上,需要解決廣域信息與通信網絡的可靠性與時延的不確定性、分析方法的有機融合等問題。