電力電氣自動化元件技術研究

陳 剛

（廣東粵電花都天然氣熱電有限公司，廣東廣州 510800）

1 電力電氣自動化元件的應用意義

1.1 提高生產效率

導致傳統電力系統運行與生產效率低下的主要原因，一方面是電網線路的不穩定，風險問題頻發，安全隱患長期存在；另一方面則是過分依賴人工操作，支出大量人力成本的同時，許多復雜工作僅依靠人力操作，需要浪費更多的時間，導致電力系統的運作浪費大量可利用的資源。尤其是在電力系統日常檢修維護中，若依賴人工，則不能實現全天候實時動態化檢測，一旦發生故障往往不能夠使技術人員及時檢查到電力系統中存在的問題，同時也對技術人員的專業知識水平和電力系統控制技能有很高的要求。那么使用電氣自動化元件則能夠通過自動化程序與網絡信息平臺的共享功能對整個電力系統進行實時監控，不僅能夠自動完成日常檢修維護工作，還能在故障發生的第一時間將故障原因、故障發生位置、故障影響電路等關鍵信息及時發送給技術人員。對電力系統故障排查的工作流程進行了簡化與優化，節省人力支出的同時，也在一定程度上彌補了技術人員經驗不足和專業水平不足造成的缺陷，對電力系統生產效率的提升有現實意義。

1.2 穩定電網線路

在變電站與發電廠生產過程中，電網線路的穩定與否是影響到輸電狀態的重要因素，同時也是影響生產效率的重要因素。傳統的電力系統運行中受到多重因素的影響，常常出現電路不穩定和電壓變化頻率過快等風險問題，因此導致電力系統的運行面臨著許多安全隱患與風險。而應用電氣自動化元件則能夠保證電網調度的正常運轉，在電流輸送的過程中，及時預測電網的運行狀態，通過網絡處理等方式對電路運行產生的問題快速反應，最大程度上穩定電網系統的正常運行[1]。而一旦出現安全事故，電氣自動化元件則能夠在第一時間調查風險類型，采取相應的緊急預案，利用自動化系統的內在聯系方式和信息集成化優勢，將電網電路的運行信息整合處理。對于電氣工程而言，使用自動化電氣原件是現代科技與傳統電力生產的融合，是電力產業的進步。自動化元件的信息化優勢能夠使電網電路在運行過程中與操作人員之間不斷產生信息往來，構建穩定的信息傳輸鏈，從而使操作人員對電路電網線路實施動態化監控，確保電網運行始終維持在穩定狀態。

1.3 降低人力需求

傳統的電力生產與電力運輸中需要通過人工操作的方式控制大量設備，對大量電力電子設備進行參數設置與調整，還需要對各類線路進行搭接和開啟關閉等操作，同時也需要人工的形式對整個電力系統的運行進行監督，并及時處理設備事故與線路運行異常等問題。因此不僅消耗大量的人力，還會降低電力系統運行的效率。使用電氣自動化技術對整個電力系統進行自動控制后，人力資源的配置得到了很大程度上的優化，同時也能夠利用自動化技術自動執行電力系統中的許多設備操作。從這一點來看，電力系統的運行效率大大提升，尤其是在風險管控與事故處理方面，自動化電子元件能夠在第一時間檢查風險問題并及時響應，采取相應的安全防護措施，對設備下達指令，解決了傳統人工趕到現場操作的不便。除此之外，自動化電子元件還能夠在系統內高效準確處理信息，避免人為操作導致的事故問題。隨著電力電氣自動化元件技術的發展越來越成熟，目前我國許多大型變電站與發電廠都開始不斷提升自身的自動化水平，使變電站的管理更具有信息化特征。

2 電力電氣自動化元件的實際應用

2.1 電子開關的應用

電子開關在電力系統中的應用經歷了一段時間的發展，早期將電子開關稱作交流變頻電子開關，制作結構簡單，但安全性并不高，對于電力系統的運行而言，存在一定程度上的不足。目前經過自動化技術的改造，電子開關發展成為全控制式電子開關。這種開關相比于早期傳統電子開關而言具有了更豐富的功能，對整個電力系統的控制也更加順暢。同時還能夠通過自動化技術的接入，實現對電力系統中部分設備與線路的自動開關與自動程序化控制，對于電力系統的運行效率有非常顯著的提升。因此電子開關可以看作是在電力系統中最早一批得到應用的電力電氣自動化元件。

隨著自動化技術與電力電子技術的共同進步，目前已經將全控制式電子開關研發改進成為復合型電子開關，不僅性能更強，操作更簡便，安全性能也更高，對于電力系統的電網穩定運行有更強的維護效果[3]。復合型電子開關在運行中采用的是，并聯方式電流的接通與斷開都能實現零投切，因此在正常接通的情況下，復合型電子開關能夠保持零功耗，不僅節省了大量電力能源，也能保證在各種不同電力系統中得到穩定應用，因此成為了當下主流使用的電子開關。

2.2 高頻變換器電路

電力生產中需要不斷將電氣設備元件進行優化，將現代新型電子技術與信息化技術結合到電子設備原件的改進中來，能夠使電力系統的運行效率得到切實提升，也能夠通過對電設備元件變換器的改進使電路運行更加穩定。目前自動化技術在變換器的改進應用中主要是實現低頻變換器電路向高頻方向的轉變與發展，傳統的半控制晶匣管技術盡管能夠對電流進行自動控制，但主要是通過直流傳動變換器實現的，而利用高頻改進的變換器電路和電力電子元件能夠大大提升元件的運行功率，能夠解決電動機的電容的轉變中產生的問題。目前較為常見的高頻變換器電路屬于諧振式直流逆變器電路，不僅能夠滿足電力運行的供應需求，還能使變換器與電路之間的聯系更加緊密，同時也能夠利用PWM 變換器使電壓和電流在電力系統中自動改變，從而有效維護電網運行的穩定和安全性，但目前這種高頻變換器電路也有缺點，當電氣元件處在高電壓狀態下時，容易發生斷電問題，那么未來的變換器改進方向就將是解決高電壓狀態下電氣元件運行不穩定的缺陷。

2.3 交流調速控制

目前我國在電力系統運行維護當中使用的交流調速控制理論主要是根據矢量控制基礎理論分析演化整合得來的，這些理論內容在不斷實踐過程中也在不斷豐富與完善。目前交流調速控制理論主張的電力系統運行方式是通過仿照直流電動機的內部控制系統結構進行控制，而交流調速控制理論中對解耦方式的應用，不僅能夠將異步電動機的物理模型轉換為直流形式，還能夠對轉子磁鏈進行自動化檢測。因此通過自動化技術對交流調速控制進行設計時，首先應當實現對定子電流的控制。具體來講，需要通過轉矩分量和磁場分量兩方面對整個電路實施控制，并通過矢量控制將二者進行分離。同時也要合理運用直流電動機，通過改變坐標的方式達到對電子元件的模型進行改善與優化的目的，在這一過程中可以利用磁場定向對離散兩點的方向分別進行調節，再將生成的PWM 信號合理利用到轉取效能方面，同時通過新型自動化電路開關來對整個電路以及電路系統中的電力設備進行有效控制，利用好交流調速控制技術，能夠將電路中經常產生的復雜質量控制問題簡化，從而使控制參數的變化對整個電路運行造成的影響降至最低，在最大程度上保證電力輸送的穩定。

2.4 通用變頻器單片機

傳統使用的8位機以MSC 技術為代表，但操作難度較高，且對整個電網線路的控制效果也并不理想，同時由于其內部構建系統生產難度高，無法適應大批量生產的要求，因此并不符合長期供應市場的需求。而結合自動化技術制造的新一代單片機，不僅構件簡單，且操作難度低，技術人員可以通過發布指令的方式進行大規模生產。同時單片機的適用性也更高，能夠應用到普通電路和智能儀器控制當中，從而充分發揮智能信息化、自動化的優勢。在不斷應用過程中，結合C 語言和程序編寫的功能性也可以跟隨技術人員對電路控制需求而改變，因此單片機是當前集成電路優化設計的重要構成之一[4]。對單片機控制技術的提升主要通過使用IGB 元件其中的RAS 功能，不僅使單片機的信息采集與功能控制形式更加豐富，還能滿足不同電網系統在使用方面的需求。但其功能控制處于電網控制中較低層次的指令使用性能，因此在使用中仍然需要技術人員將其與其他控制系統和電路元件結合在一起共同使用。目前以新型IGB 元件為主的單片機成為了電力系統控制中使用的電氣自動化元件的主流。

3 電力電氣自動化元件的研發路徑

3.1 智能交流調速控制

在未來電力電子技術的研發中，首先需要對交流調速控制技術不斷優化，這是由于交流調速控制對于整個電力系統的自動化運行和自動化元件應用都有重要意義。通常來講，變頻控制器應當與全控制電子開關進行配合，但目前有更優質的電子開關元件能夠替代全控制開關，而變頻控制器與新型電子開關的配合仍然需要增強。同時全控制型開關與變頻控制器在性能結合的過程中需要對全控制型開關的位置設計進行穩固性優化。這是由于在電流出現較大波動時開關容易失靈，導致變頻控制器的性能受到影響，導致電力系統的穩定受到影響。未來對交流調速控制技術的研發就落實到了如何使全控制型開關在電流波動和電壓較大的情況下仍然能夠穩定工作。在傳統電力系統的發展中使用的各類電氣元件本身不具備調速功能，而變頻控制器和交流調速控制技術都是自動化技術發展與應用的優秀成果，未來將會有更大的發展與優化，對交流調速控制理論的研發也將不斷進步。通過對智能交流調速控制軟件和電子元件的研發，使其大功率化、自動化、信息化、人工智能化將成為未來電力系統研發的主要方向之一。

3.2 優化控制系統運行

早期電力系統中的自動化控制主要是通過技術人員在主系統中進行集中控制的指令操作來實現相應功能的運行，從而使電氣設備與電子元件完成相應的工作，但這種較為初級的自動化操作存在明顯的不足。在控制系統中將所有功能進行集中化管理統一設計，就導致系統將指令下發到對應元件后，設備需要經過整個系統的響應才能夠做出回應并執行指令，這使得電氣自動化控制的效率受到計算機配合工作時間的影響，也受到電力系統規模的影響，這種集中化控制還會大量占用計算機的CPU，導致電氣自動化的效率降低。同時也容易導致不同電子元件在接收指令時產生相互影響。對于線路距離較近的硬件設備而言，相互之間的電流信號也容易產生沖突。而且這種集中控制方式對日常維修與養護都造成了不小的負擔。

因此未來要想使自動化技術和信息化技術更加切實地與電力系統自動化控制相結合，就需要將集中控制轉換為分布式的系統控制。盡管這種概念相對而言較為抽象，但其本質就是將電氣系統中不同功能模塊進行劃分，使不同的模塊單獨控制技術人員通過分別下達不同的指令操作，對不同電力系統進行設計來實現電氣自動化的功能模塊區分。這樣一來，計算機的CPU 占用得到了緩解，響應時間更短，電氣設備與電子元件的工作效率更高[5]。分布式控制也能夠與大數據技術相結合，通過分布式的數據庫對不同電子元件的運行信息進行記錄與管理，這樣一來傳統電力系統中自動化控制效率低，且信息過于集合，難以快速查詢處理的問題就將得到極大的緩解。除此之外也能夠對硬件設備的電路設計和安裝進行合理優化，不僅能夠為設備的日常維修與養護提供便利，還能夠提升電力系統運行的安全性。

4 結束語

電力電氣自動化元件的發展過程是理論與實踐的結合，從理論層面的進步影響到電氣元件在電力系統中應用的實踐，而隨著自動化技術和信息化技術發展，未來電力系統自動化也將會取得更大的改進空間。因此需要對電力電子元件不斷更新迭代，通過對電力系統的有效控制，在維護電力系統高效運行的同時使電力電氣自動化系統的信息化水平得到提高，使其運行穩定性得到提高，為社會經濟秩序的平穩推進奠定電力工程建設層面的基礎。