基于電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)的應(yīng)用探索

張青安 姚鴿

[摘? ? 要]電力系統(tǒng)肩負(fù)能源供應(yīng)職能，從電力生產(chǎn)，至運輸、分配，無一不需要專業(yè)設(shè)備、人員的高度配合，當(dāng)前伴隨電能需求的激增，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更是日趨復(fù)雜，亟須借助高效、智能的手段進行優(yōu)化管理。文章聚焦自動化管理思維，簡要分析了電力系統(tǒng)自動化的優(yōu)勢及意義，并從智能電網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)等幾個方面，對電力系統(tǒng)中自動化技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容、優(yōu)化策略進行了展開探討。

[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng);自動化技術(shù);應(yīng)用探索

[中圖分類號]TM76 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–0–02

Application Exploration Based on Power System and Its Automation Technology

Zhang Qing'an， Yao Ge

[Abstract]The power system is responsible for the energy supply function. From power production to transportation and distribution， there is no need for the high degree of cooperation of professional equipment and personnel. With the current surge in power demand， the power system structure is becoming more and more complex， and it is urgent to rely on high efficiency， Intelligent means to optimize management. This article focuses on automation management thinking， briefly analyzes the advantages and significance of power system automation， and discusses the application content and optimization strategies of automation technology in power systems from several aspects such as smart grid technology and PLC technology.

[Keywords]power system; automation technology; application exploration

自動化技術(shù)擁有強大的控制能力，可以在自動檢測、決策等裝置的綜合應(yīng)用下，對復(fù)雜場景中設(shè)備的集成化運行進行遠(yuǎn)程調(diào)控，并借助現(xiàn)代通信技術(shù)實現(xiàn)信號傳送和指令收發(fā)，在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)、建筑運營等項目中都有極其廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)階段伴隨社會電力依賴性的上升，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出復(fù)雜化、規(guī)模化趨勢，傳統(tǒng)管理手段已遠(yuǎn)不能滿足運維需求，亟需借助自動化技術(shù)進行機制改進和效率提升。

1 電力系統(tǒng)自動化的優(yōu)勢

電能是當(dāng)今社會主導(dǎo)的能源利用形式。現(xiàn)階段伴隨城市建設(shè)腳步的加快，智能建筑、集成生產(chǎn)等概念不斷涌現(xiàn)，各領(lǐng)域?qū)﹄娔芏急憩F(xiàn)出了極大的依賴性，長時間、高負(fù)荷的運行場景對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、高效性提出了更為明確的要求，電力系統(tǒng)自動化趨勢正是在這種背景下應(yīng)運而生的。

電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，需要在動力裝置、送變電線路等通力配合下，才能完成從電力生產(chǎn)至客戶端供應(yīng)的全過程，傳統(tǒng)模式下設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、檢修等環(huán)節(jié)對人工依賴極大，操作不規(guī)范極易引發(fā)安全事故，而采用自動化控制系統(tǒng)，所有設(shè)備都按照預(yù)定編程運轉(zhuǎn)，極大削減了人為因素的干擾，有助于保障運行效率的提升，促進控制目標(biāo)的實現(xiàn)。

維護保養(yǎng)工作對電力系統(tǒng)運行壽命、可靠性等都有較大制約效果，傳統(tǒng)模式中常采用故障檢修模式，由實際故障情況決定檢修安排，即使融入狀態(tài)檢修元素，也需要依靠人力進行參數(shù)收集，滯后性較為明顯，工作量也極大，在當(dāng)前大系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)下，很難保障工作質(zhì)量。采用自動化管理模式，傳感器會自動采集各種類型數(shù)據(jù)。并借助通信技術(shù)將之傳送至終端計算機中，方便技術(shù)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC技術(shù)的使用，還能實現(xiàn)故障識別和自動停運，智能化手段也能滿足故障快速定位需求，電力系統(tǒng)維修保養(yǎng)更加及時和科學(xué)，有助于降低故障損耗，保證經(jīng)濟收益。

2 電力系統(tǒng)中自動化技術(shù)的應(yīng)用內(nèi)容

2.1 人工智能技術(shù)

電力系統(tǒng)運作具有典型的非線性特征，其中很多問題都無法依靠單純的數(shù)學(xué)模型解決，如機組優(yōu)化搭配，電網(wǎng)無功補償?shù)取＿@給電力系統(tǒng)自動化進程的推進造成了一定困擾，因此必須借助靈活性更高的人工智能技術(shù)進行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)前較為常見的應(yīng)用方式主要有以下幾種。

（1）專家系統(tǒng)。其采用經(jīng)典IF-THEN規(guī)則，主要用于復(fù)雜問題決策。數(shù)據(jù)庫是其模擬決策的依據(jù)和基礎(chǔ)，通過人機接口與外界建立聯(lián)系。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其存儲結(jié)構(gòu)具有完全分布式特征，即使在大規(guī)模系統(tǒng)中也可以滿足并行處理要求，尤其適用于非線性數(shù)據(jù)的分析。當(dāng)前BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)自動化進程中，在充足樣本支撐下，可以對短期電力負(fù)荷做出準(zhǔn)確預(yù)測[1]。在關(guān)聯(lián)性分析機制下，還可以實現(xiàn)復(fù)雜故障的診斷，提升自動化檢修效率。

（3）模糊理論。近似計算一直是傳統(tǒng)計算機短板，這使自動化控制設(shè)備在面對電力負(fù)荷等不確定性較大的參數(shù)項時略顯乏力，而人工智能技術(shù)的應(yīng)用開辟了模糊理論思維，用模糊值來直觀表示這類數(shù)值，解決現(xiàn)實中的無功補償問題。通過DTU終端，人工智能可以實現(xiàn)故障自動匯報，更好地解決故障。

2.2 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)是建立在虛擬模型基礎(chǔ)之上的，可以將現(xiàn)實中的電力設(shè)備、線路等作為轉(zhuǎn)化對象，結(jié)合數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控技術(shù)等完成參數(shù)采集，最后以虛擬電站的形式進行管理維護。伴隨時代變遷，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)也經(jīng)歷了幾次階段性的變革，在20世紀(jì)60年代之前，主要采用全物理仿真系統(tǒng)，以電力設(shè)備原型為基礎(chǔ)進行同比例縮小，通過微縮模型實驗，對真實系統(tǒng)性能進行間接反饋。這種方式原理簡單易懂，反映真實直觀，但仿真系統(tǒng)布局對真實場地空間要求較高，當(dāng)試驗需求變更時，還必須重新切換電路，實現(xiàn)步驟較為煩瑣。在計算機技術(shù)持續(xù)發(fā)展背景下，電力系統(tǒng)數(shù)模混合式仿真技術(shù)又登上了歷史舞臺，在該技術(shù)方案中，電動機組等設(shè)備以數(shù)字虛擬模型的形式存在;交流輸電線路、變壓器等則以物理模型形式存在，其糅合了兩種仿真思路的優(yōu)勢，可以在縮減物理模擬規(guī)模的同時，保障反饋試驗的真實性。但其局限性也十分明顯，即只能滿足實時狀態(tài)下的仿真模擬需求，同時接口技術(shù)攻克難度也相對較大。進入20世紀(jì)90年代，全數(shù)字仿真技術(shù)開始占據(jù)主導(dǎo)地位，該技術(shù)方案中所有設(shè)備元件都以數(shù)字模型形式呈現(xiàn)，具有成本低、易擴展等優(yōu)勢。在仿真系統(tǒng)中，電廠員工可以進行模擬化的短路器操作、保護投停操作等常規(guī)訓(xùn)練，還可以進行母線、隔離開關(guān)等的故障演練[2]，從而提升專業(yè)水準(zhǔn)，保障電廠運行秩序。

2.3 PLC技術(shù)

PLC實際上是可編程邏輯控制器的簡稱，可以以內(nèi)嵌形式放置于電力設(shè)備內(nèi)部，在通信技術(shù)的支撐下，與其他設(shè)備建立聯(lián)系，從而形成整體化的運行系統(tǒng)，達成自動化控制目標(biāo)。舊有自動化進程中，繼電器控制占據(jù)主導(dǎo)地位，操作難度較低，但面對復(fù)雜系統(tǒng)時，繼電器設(shè)計、安裝難度就會直線上升，系統(tǒng)運行時，設(shè)備振動等狀況還會增加機械觸點的故障率。但PLC技術(shù)采用的是單片機，內(nèi)部集成度相對較高，組態(tài)靈活，還能滿足差異化的編程需求，運行速度極快。其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要可見以下幾個方面。

（1）順序控制。在PLC裝置的加持下，電力設(shè)備可以按照預(yù)定流程完成供電、輸變電操作，與現(xiàn)場總線配合，還可以協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行，能夠有效降低繼電器控制下產(chǎn)生的損耗情況，優(yōu)化電力系統(tǒng)效益成本構(gòu)成。

（2）斷路器控制。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)緊急事故時，PLC可以滿足自動跳閘需求，并伴隨聲光警報提醒工作人員注意，與繼電器控制模式相比，它不會受機械觸點制約，整體可靠性更高。同時，由于PLC集成化特征顯著，因此線路布局時相對靈活，可以簡化電力系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)，降低斷路器故障概率。

（3）閉環(huán)過程控制，主要面向電力系統(tǒng)中溫度、壓力等參數(shù)的變化情況，可以在模擬量I/O模塊的輔助下，完成閉環(huán)PID控制，實現(xiàn)D/A、A/D之間的轉(zhuǎn)化[3]。

（4）數(shù)據(jù)處理。涵蓋電力系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)采集、分析等過程，借助通信技術(shù)，還能夠?qū)?shù)據(jù)排序、轉(zhuǎn)換等可視化成果傳送到其他智能設(shè)備當(dāng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)異常時，該系統(tǒng)也能迅速做出響應(yīng)和反饋。

2.4 柔性交流輸電技術(shù)

柔性交流輸電技術(shù)簡稱FACTS，應(yīng)用場景主要為電力輸電系統(tǒng)，其可以在綜合電子裝置的輔助下，有效控制電壓、電抗等參數(shù)，改善交流系統(tǒng)運行狀況，使之更加適應(yīng)當(dāng)前遠(yuǎn)距離傳輸場景。可控串補設(shè)備（TCSC）是該技術(shù)中關(guān)鍵的組成部分，核心元器件為串聯(lián)電容器組，在氧化鋅非線性電阻、旁路斷路器等器件的配合下，可以有效提升輸電能力，改善阻尼低頻振蕩，優(yōu)化電壓條件等。靜止無功補償設(shè)備（TCR-SVC）同樣是其中關(guān)鍵構(gòu)成部分，在電容器組的基礎(chǔ)上，增加空心電抗器，采用并聯(lián)技術(shù)聯(lián)接，對感性無功進行改造[4]。柔性交流輸電技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯：①能夠提升交流系統(tǒng)穩(wěn)定性，它的出現(xiàn)改變了舊有的機械控制模式，是對緩慢、間斷性控制的一種徹底變革，精準(zhǔn)性有效提升，潮流功率輸送明顯優(yōu)化，可以有效規(guī)避區(qū)域故障問題下，系統(tǒng)連續(xù)反應(yīng)的問題，從而降低大規(guī)模停電概率。②該技術(shù)經(jīng)濟性能也極好，可以與原輸電方式相適應(yīng)，在極小的功率輸出環(huán)境下，也能實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。同時該技術(shù)支撐下，線路輸送能力也實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，線路與發(fā)電機都能夠得到充分利用，故障概率也被有效控制。

2.5 動態(tài)監(jiān)控技術(shù)

電力系統(tǒng)設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在當(dāng)前長時間、高負(fù)荷運行需求下，極易發(fā)生故障事件，影響送變電流程的推進，因此動態(tài)監(jiān)控技術(shù)也被納入了自動化進程范疇。現(xiàn)階段電力系統(tǒng)監(jiān)控體系構(gòu)建過程中，主要可以從3個方面進行考量。

（1）主站監(jiān)控中心，以電子地圖系統(tǒng)為支撐，可以全面呈現(xiàn)監(jiān)控信息，為內(nèi)部調(diào)度決策提供依據(jù)。

（2）站端，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)備、線路等信息的收集，與遙感技術(shù)、通信技術(shù)配合，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送和接收。

（3）網(wǎng)絡(luò)客戶端，主要以Web形式存在，以密碼賬號形式管理，電力系統(tǒng)客戶通過網(wǎng)頁界面登錄后，可以實時查看電力系統(tǒng)對外公開的監(jiān)控信息。在動態(tài)監(jiān)控技術(shù)的支持下，電力系統(tǒng)內(nèi)部自動化調(diào)度成為可能，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)振動、噪聲等異常時，監(jiān)控系統(tǒng)也可以實時完成數(shù)據(jù)采集和傳送，并將異常信息記錄在冊，便于后期分析保養(yǎng)，有利于預(yù)防故障隱患的發(fā)生，提升電網(wǎng)檢修效率。

3 電力系統(tǒng)自動化應(yīng)用的優(yōu)化策略

伴隨信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)達，電力系統(tǒng)自動化控制已經(jīng)具備了充分成熟的理論基礎(chǔ)，自動化技術(shù)也日益多樣，為避免應(yīng)用中各執(zhí)一詞，互不協(xié)調(diào)的情況，應(yīng)建立起與國際接軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，在應(yīng)用現(xiàn)狀客觀分析的基礎(chǔ)上，對PLC、柔性交流輸電等技術(shù)中涉及的設(shè)備生產(chǎn)、設(shè)計安裝等環(huán)節(jié)進行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部也要以該標(biāo)準(zhǔn)為統(tǒng)一要求，使設(shè)備檢修、調(diào)度管理等有依據(jù)可循，從而提升各電力子系統(tǒng)運行協(xié)調(diào)性，促進電網(wǎng)的高效運營。同時自動化技術(shù)具備明顯的新興產(chǎn)業(yè)特征，其發(fā)展日新月異，電網(wǎng)系統(tǒng)的自動化應(yīng)用也不能處于停滯狀態(tài)，而是要積極豐富自動化技術(shù)內(nèi)涵，加強以太網(wǎng)、對象數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的探索和引進，實現(xiàn)設(shè)備信息在子系統(tǒng)之間的交流共享，對分散信息進行整合利用，發(fā)揮其實際功能效用。

4 結(jié)束語

自動化技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及應(yīng)用是大勢所趨，可以顯著降低系統(tǒng)運營難度，提升調(diào)度和運轉(zhuǎn)效率，保障穩(wěn)定性。當(dāng)前仿真技術(shù)、現(xiàn)場總線及PLC技術(shù)、動態(tài)監(jiān)控技術(shù)等都是較為常見的應(yīng)用類型，應(yīng)用時要厘清思路，從電能生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)入手，進行針對性分析，選取適宜的技術(shù)類型，構(gòu)建系統(tǒng)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一技術(shù)管理，豐富自動化內(nèi)涵，促進電力系統(tǒng)的高效運行。

參考文獻

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