淺談變電自動化穩(wěn)定性研究

馮亭

摘 要：隨著電力系統(tǒng)動態(tài)過程的分析越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)自動控制的要求也越來越高。分層分布式綜合自動化變電系統(tǒng)通過各種設(shè)備間相互交換信息、數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)對變電運(yùn)行的自動監(jiān)視、管理、協(xié)調(diào)和控制，從而提高了變電保護(hù)和控制性能，改善和提高了電網(wǎng)的控制水平。

關(guān)鍵詞：變電；自動化；穩(wěn)定性

1 前言

變電自動化是今后發(fā)展的一種必然趨勢，其優(yōu)越性在電能質(zhì)量，變電的安全、可靠運(yùn)行水平等方面均有較好的體現(xiàn)。本文首先介紹變電自動化系統(tǒng)的幾種常用結(jié)構(gòu)，其次對自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了論述，然后再對變電自動化系統(tǒng)內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。最后得出結(jié)論，分層分布式綜合自動化系統(tǒng)有利于系統(tǒng)擴(kuò)展的方便性和靈活性，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是應(yīng)推廣的一種通信系統(tǒng)發(fā)展模式，特別適合于通信數(shù)據(jù)量大的建設(shè)項(xiàng)目。本文是個人的一些見解，可與同行共同探討。

2 現(xiàn)階段的變電自動化系統(tǒng)分析

2.1 集中式結(jié)構(gòu)

集中式結(jié)構(gòu)是將系統(tǒng)設(shè)備按其功能歸類劃分，形成若干個獨(dú)立系統(tǒng)，各系統(tǒng)分別采用集中裝置來完成自身的功能。集中式結(jié)構(gòu)一般由1個或2個CPU實(shí)現(xiàn)對整個變電系統(tǒng)的保護(hù)、監(jiān)視、測量、遠(yuǎn)動的集中控制。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成較簡單、主機(jī)控制系統(tǒng)集中、便于分配調(diào)度各種實(shí)時任務(wù)、響應(yīng)速度快、節(jié)省投資；缺點(diǎn)是主機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷繁重、主機(jī)單CPU可靠性不高。為了提高可靠性，一般采用雙系統(tǒng)互為備用。該系統(tǒng)可采用前置主機(jī)和后臺輔機(jī)相結(jié)合的配置方式。前置主機(jī)完成模擬量和開關(guān)量以及脈沖量的采樣輸入、開關(guān)量輸出控制（斷路器跳合閘操作）與信號輸出、向輔機(jī)傳送數(shù)據(jù)等功能。輔機(jī)主要完成負(fù)荷顯示、打印輸出、遠(yuǎn)動通信和主機(jī)間的數(shù)據(jù)串行通信等功能。前置主機(jī)可采用STD總線工業(yè)控制機(jī)，后臺輔機(jī)以管理為主，可采用PC機(jī)。為了提高系統(tǒng)可靠性，可采用雙系統(tǒng)互為備用方案，2套STD系統(tǒng)通過管理器來協(xié)調(diào)運(yùn)行。管理器采用可編程序控制器（PC機(jī)），系統(tǒng)正常運(yùn)行時，一套系統(tǒng)與PC機(jī)通信，PC機(jī)監(jiān)視其運(yùn)行是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)異常立即由控制回路啟動另一套系統(tǒng)，使之投入運(yùn)行，同時退出故障系統(tǒng)。

2.2 分散式結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)方式一般是按一次回路進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先將設(shè)備按一次安裝單位劃分成若干單元，將控制單元、微機(jī)保護(hù)單元、數(shù)據(jù)采集單元安裝在戶外高壓斷路器附近或戶內(nèi)開關(guān)柜內(nèi)。然后將各分布單元用網(wǎng)絡(luò)電纜互聯(lián)，構(gòu)成一個完整的分散式綜合自動化系

統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是各個功能單元上既有通信聯(lián)系，又能相對獨(dú)立，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，便于維護(hù)管理，當(dāng)某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，不至于相互影響；此外，它的抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性高，在二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)上能最大限度地減少二次設(shè)備的占地面積并節(jié)省大量電纜及接線。缺點(diǎn)是價格高。

2.3 集中與分散結(jié)合式結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)方式介于集中式與分散式兩種結(jié)構(gòu)之間，形式較多。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的是分散式結(jié)構(gòu)集中式組屏。這種結(jié)構(gòu)方式具有分散式結(jié)構(gòu)的全部優(yōu)點(diǎn)，由于采用了集中式組屏，有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝與維護(hù)管理。

3 變電自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型分析

假定電力網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)編號的次序先是各發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，然后是負(fù)荷和其它節(jié)點(diǎn)。在此情況下消去全部負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的注入電流，根據(jù)計(jì)算內(nèi)容和要求的不同，選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ汀Ｓ捎谠陔娋W(wǎng)故障后功角的第一個搖擺周期內(nèi)，各種調(diào)節(jié)器因?yàn)闀r滯來不及動作或動作很小，且在穩(wěn)定性預(yù)測和早期控制中對時間要求很短暫，故一般采用電力系統(tǒng)的經(jīng)典模型（如恒定阻抗負(fù)荷模型和暫態(tài)電抗后恒定電勢的同步電機(jī)模型）。

在研究系統(tǒng)多個功角搖擺周期時段的動態(tài)穩(wěn)定時，要考慮各個元件的反應(yīng)特性。在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式處于穩(wěn)定域邊界處，由經(jīng)典模型得出的結(jié)果與實(shí)際模型相差甚遠(yuǎn)，故需采用詳細(xì)發(fā)電機(jī)等單元的數(shù)學(xué)模型（含勵磁、調(diào)速系統(tǒng)模型，負(fù)荷考慮電壓和頻率特性）來研究。

4 變電自動化系統(tǒng)內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分析

構(gòu)建一個快速、穩(wěn)定、可靠和富有彈性的通信網(wǎng)絡(luò)是變電自動化系統(tǒng)的基本要求，也是整個電力系統(tǒng)運(yùn)行管理自動化的根本前提。基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)場總線無論在通信速率和實(shí)時性，還是在可靠性和組網(wǎng)的靈活性上均遠(yuǎn)高于簡單的串行通信技術(shù)，因此在很短時間內(nèi)便成為變電自動化系統(tǒng)的主流通信技術(shù)，同時也使變電自動化系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)的變化。自動化通信系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，更需要帶寬、通用性和符合國際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在帶寬、可擴(kuò)展性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、通用性等方面的綜合評估中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必將成為自動化系統(tǒng)中通信技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5 變電自動化系統(tǒng)安全控制和穩(wěn)定性分析與研究

處于穩(wěn)定狀態(tài)的電力系統(tǒng)受到某些擾動時，可能轉(zhuǎn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。通過一些必要的控制，如調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓或出力、切換線路等，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)。這種控制稱為預(yù)防控制，也稱為正常狀態(tài)下的安全控制或靜態(tài)安全控制。這種控制一般由電力系統(tǒng)調(diào)度部門的能量管理系統(tǒng)（EMS）進(jìn)行實(shí)施。處于正常狀態(tài)的電力系統(tǒng)受到較嚴(yán)重的擾動時，可能轉(zhuǎn)為極不穩(wěn)定狀態(tài)。極不穩(wěn)定狀態(tài)可能出現(xiàn)以下兩類危機(jī)：（1）穩(wěn)定性危機(jī)（Stabilitycrisis）：電力系統(tǒng)暫態(tài)過程積蓄的能量可能破壞其運(yùn)行穩(wěn)定性，即不能再回到初始狀態(tài)或停留在一個允許的新狀態(tài)。這一過程歷時很短，如幾秒鐘。（2）持久性危機(jī)（Viabilitycrisis）：局部或整個系統(tǒng)發(fā)電、送電和負(fù)荷不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)大幅度偏離正常值，可能破壞對用戶的持續(xù)供電。這一過程歷時較長，如幾秒鐘至幾分鐘。電力系統(tǒng)在極不穩(wěn)定狀態(tài)下為了維持穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)供電，必須采取必要的控制措施。這種控制稱為緊急控制（Emergencycontrol）或預(yù)測控制（Predictivecon-trol），也稱為極不穩(wěn)定狀態(tài)下的安全控制或動態(tài)安全控制。對穩(wěn)定性危機(jī)的緊急控制稱為穩(wěn)定性控制（Stabilitycontrol）。

6 結(jié)語

電力系統(tǒng)運(yùn)行中，隨著電壓、頻率的瞬時變化，存在著瞬時的狀態(tài)變量。對于一個電力系統(tǒng)，有多少個狀態(tài)變量就有多少種穩(wěn)定性問題。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，有三種常見且必須同時滿足的穩(wěn)定性要求，即同步運(yùn)行穩(wěn)定性，頻率穩(wěn)定性和電壓穩(wěn)定性。目前，電力改造項(xiàng)目應(yīng)用的常規(guī)型自動化系統(tǒng)，其實(shí)主要就是實(shí)現(xiàn)微機(jī)管理，是一種局部綜合自動化系統(tǒng)的模式，這種自動化系統(tǒng)有一個致命的缺點(diǎn)就是系統(tǒng)不具備自診斷能力，對二次系統(tǒng)本身的故障無法檢測。現(xiàn)實(shí)工作中，為了預(yù)防這種故障需要頻繁地對二次設(shè)備進(jìn)行定期試驗(yàn)和調(diào)試，而一旦出現(xiàn)不可預(yù)見的設(shè)備故障，便會給整個電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重后果。本文以上就談了一些自己的觀點(diǎn)可與同行共同探討。