電氣自動化在電力工程技術(shù)中的初探

徐州市茂鑫電力工程有限公司 彭 濤

隨著我國電網(wǎng)改革的不斷深入，國家整體電力系統(tǒng)智能化程度不斷提高。這要得益于對新型電氣自動化技術(shù)的研發(fā)和實踐工作。電氣自動化技術(shù)的遠程監(jiān)控功能不斷向智能化、集約化方向發(fā)展，目前依托于PLC技術(shù)、DCS系統(tǒng)等電氣自動化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、控制，既能夠降低電力系統(tǒng)的運維成本，同時也能提高電力系統(tǒng)設備參數(shù)、狀態(tài)調(diào)控的及時性，提高電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

1 電氣自動化技術(shù)

電氣自動化技術(shù)包括多門領(lǐng)域的先進技術(shù)。首先通過遠程監(jiān)測技術(shù)，來收集電力工程的運行現(xiàn)狀，然后經(jīng)由構(gòu)建的通訊網(wǎng)絡，將收集到的工程各類設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給主機服務器，由主機服務器判斷是否存在故障或運行風險。并同樣由提前預設好的程序，通過通訊網(wǎng)絡向?qū)脑O備發(fā)出指令，以達到對電力工程設備的遠程自動化調(diào)控目的。

2 電氣自動化在電力工程中的應用策略

2.1 電氣自動化技術(shù)在發(fā)電廠中的應用

電氣自動規(guī)劃技術(shù)在發(fā)電廠中的應用發(fā)現(xiàn)主要為對發(fā)電機組運行狀態(tài)的自動化監(jiān)控。以中小型火電廠為例，電氣自動化系統(tǒng)需要擬定如下應用方案。

第一，明確火力發(fā)電廠電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求。首先，電氣自動化

監(jiān)控系統(tǒng)需要對發(fā)變組進行監(jiān)控、廠用電系統(tǒng)相關(guān)設備進行運行參數(shù)狀態(tài)的監(jiān)測。

第二，要進一步細化設計火力發(fā)電廠電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

（1）數(shù)據(jù)的采集與處理模塊。數(shù)據(jù)采集主要通過測量控制單元采集的相關(guān)信息。檢測工程設備的狀態(tài)、故障等。同時可以采用定時采集和重點針對的方式采集工程設備運作狀態(tài)數(shù)據(jù)，并及時對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容進行更新，可以引入模擬量、數(shù)字量等信息采集系統(tǒng)參數(shù)。

（2）監(jiān)視和報警模塊。監(jiān)視系統(tǒng)往往是控制系統(tǒng)的先決條件。通過對電氣設備的運行參數(shù)以及設備狀態(tài)進行監(jiān)視，將監(jiān)視采集到的結(jié)果顯示在人機交互的顯示器上。同時依據(jù)發(fā)電機組的類型和規(guī)模，選用預告報警或事故報警兩類型的報警性能。

（3）控制和操作模塊。常見的對工程設備的遠程控制可以分為兩大類。首先是人工操作手動控制，一種是由監(jiān)控系統(tǒng)智能發(fā)布的控制指令。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員在控制室對整個電氣監(jiān)控系統(tǒng)的操作，可以調(diào)閱查詢各設備的歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時可以從系統(tǒng)中調(diào)閱操作記錄，及時發(fā)現(xiàn)并彌補操作失誤問題。

（4）人機交互模塊。人機交互模塊包括彩色液晶顯示器（LCD），功能鍵盤、漢字打印機。它不僅可以為運行人員提供定時監(jiān)控電廠設備的各種手段，并且具有對計算機監(jiān)控系統(tǒng)在線自診斷投、退設備的功能。

第三，要進一步設計完善廠用點監(jiān)控電監(jiān)控系統(tǒng)的后臺管理系統(tǒng)。

（1）操作員工作站，主要為操作人員通過ECMS實時監(jiān)控電氣系統(tǒng)的整體運行工況，同時操作員能借助這一模塊實現(xiàn)人機互動。

（2）工程師工作站，主要為發(fā)電機組的運維人員進行數(shù)據(jù)庫內(nèi)容共調(diào)用查閱、界面報表修改維護，網(wǎng)絡途徑實施監(jiān)控等功能。

（3）網(wǎng)絡設備模塊，該模塊主要包括網(wǎng)絡接口裝置、光端接口裝置、路由器、網(wǎng)絡交換機等。網(wǎng)絡設備主要用于實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)信息的傳播效率。

2.2 電氣自動化技術(shù)在變電站中的應用

電氣自動化技術(shù)可以應用到變電站日常智能化管理系統(tǒng)構(gòu)建上。按照科學步驟，合理規(guī)劃智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有站控層、間隔層、過程層構(gòu)成。

（1）站控層：主要由監(jiān)控主機電腦、數(shù)據(jù)通信設備、數(shù)據(jù)服務設備、綜合服務器、操作員站、工程師站、計劃管理終端等組成。

（2）間隔層：主要包括繼電保護裝置、測控裝置、故障錄波裝置等。主要用于實現(xiàn)變電站日常運行維護控制操作功能。

（3）過程層：主要由合并功能單元、人機交互智能終端、電勵磁系統(tǒng)控制智能組件等。

其中，變電站系統(tǒng)通信網(wǎng)絡同樣有三個不同結(jié)構(gòu)類型的通信子網(wǎng)集成。

2.3 電氣自動化技術(shù)在配電網(wǎng)絡中的應用

電氣自動化技術(shù)在配電網(wǎng)絡中的應用主要用于配電網(wǎng)絡的日常運維和監(jiān)控。以配電網(wǎng)絡電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS為例，運用PSS4B型號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能夠解決大型配電網(wǎng)絡低頻振蕩帶來的系統(tǒng)風險。

（1）PSS4B穩(wěn)定器硬件設計

PSS4B硬件系統(tǒng)主要從核心控制芯片的選定開始，設計整體的硬件結(jié)構(gòu)。本文從配套硬件的成本、核心控制芯片的運算能力綜合考慮，建議選用TI（Texas Instruments）生產(chǎn)的32位的浮點DSP—TMS320F28335，用來作為本次PSS4B系統(tǒng)的核心控制芯片。

從匹配浮點DSP—TMS320F28335以及硬件自身性能角度考慮，建議選用F28335哈佛總線架構(gòu)，并采用靜態(tài)CMOS技術(shù)，能夠提供三個運算率高達150MHz的核心芯片，然后集成3個32位的與核心控制芯片匹配的CPU定時器、以及16數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸通道模塊（ADC）和2個SCI數(shù)據(jù)接口，然后再加上eCAN模塊2個作為總線模塊，還有12個可調(diào)控增強型ePWM模塊和6個增強型eCAP功能模塊構(gòu)成整個系統(tǒng)的信號數(shù)模轉(zhuǎn)換通信模塊。總體來說，選用該類信號通信模塊系統(tǒng)，基本上能夠適用于相對復雜的電力系統(tǒng)數(shù)字信號處理工作。

（2）PSS4B穩(wěn)定器軟件系統(tǒng)設計

PSS4B系統(tǒng)的軟件功能主要集成在F28335上。DSP的開發(fā)不僅需要硬件的仿真器以及通訊電路支持，同時還需要用軟件編程實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)信息的自動化處理功能。

本文建議選用CCS作為DSP軟件功能開發(fā)工具，用以實現(xiàn)軟件代碼的編、調(diào)試和燒寫。軟件開發(fā)所用編程語言為C語言，所用開發(fā)工具版本為CCS3.3。

軟件功能模塊的設計思路主要采用C語言慣用的開發(fā)思路，將軟件功能需求分為具體的功能模塊，對各個功能模塊進行獨立開發(fā)。這種開發(fā)模式不僅會提高軟件系統(tǒng)的整體開發(fā)進度，能夠?qū)崿F(xiàn)各個功能模塊的并行開發(fā)，同時還方便了功能模塊的調(diào)試、移植和升級工作。

具體來說，PSS4B系統(tǒng)的軟件開發(fā)主要分為主程序開發(fā)與功能子程序開發(fā)兩大類。主程序開發(fā)主要完成系統(tǒng)的初始化、子程序狀態(tài)巡檢、核心算法的持續(xù)運作功能，一般情況下系統(tǒng)主程序時刻保持循環(huán)運行狀態(tài)，用于不間斷處理子程序反饋的運算任務。子程序則是在主程序運行的某個階段，由主程序調(diào)用子程序進入運行狀態(tài)，實現(xiàn)子程序功能以后，將運行結(jié)果反饋給主程序后，就會停止運行進入待機狀態(tài)。

在程序設計時，要將主程序的一個完整的運轉(zhuǎn)周期作為設計基準，然后將一個主程序運轉(zhuǎn)周期內(nèi)的子程序功能作為各個子程序的設計目標。這樣能夠明確主程序的功率計算、轉(zhuǎn)速狀態(tài)獲取、PSS4B計算等主程序功能，同時也能在運行的過程中，滿足一些特定條件順利調(diào)取子程序完成數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)接收以及數(shù)據(jù)上傳等功能。具體主程序流程如圖1所示。

圖1 PSS4B電力系統(tǒng)穩(wěn)定器主程序流程圖

結(jié)論：電氣自動化技術(shù)是目前國內(nèi)電力工程實現(xiàn)自動化、智能化的主要技術(shù)。依據(jù)電力工程具體規(guī)格和類型，設計具體的電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)，既能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機組運作章臺的遠距離實施數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，同時還能應用與繼電保護裝置中，提升變電站的業(yè)務穩(wěn)定性。因此，各地電力工程在籌建階段就應該調(diào)研設計具體的工程電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)，兼顧電氣自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實用性和可擴展性。要想實現(xiàn)這一點，就需要進一步加大對電力工程電氣自動化技術(shù)的研發(fā)力度，同時有計劃的穩(wěn)步推進電力工程的智能化、集約化實踐改革步伐，做到技術(shù)研發(fā)和技術(shù)實踐同步。