自動化控制技術在電力系統中的應用探究

趙曉淵

（西山煤電集團有限責任公司發電分公司，山西 太原 030053）

自動化控制技術的應用最早可以追溯到20世紀初期，以發、變、配電系統中電力設備上的自動化技術應用為起始，比如發電廠的自動勵磁裝置，開關上的自動重合閘裝置、繼電保護裝置等。如今，自動化控制有更廣泛和深層的含義，在計算機技術的加持下，我們可以倚靠可靠的通信系統，對電網運行信息進行即時數據采集，上傳數據后再由互聯網主機對采集來的信息作出分析，并根據電網綜合運行工況做出準確、迅速的判斷和控制。電力系統的自動化控制技術按照類別可以分為以下幾個部分：軟件生態系統（SCADA/EMS）、數據通信和通信規約、電力頻率控制、電力電壓控制、電力系統運行成本控制和電力系統安全控制。將自動化控制技術完全應用于電力系統各個場景，可以將電廠、變電站、配電裝置等各種自動裝置進行統一、協調控制，以實現更符合當今科技發展和社會需求的電網綜合自動化，即智能電網。

一、自動化控制技術的相關硬件系統

要想建成具有智能、高效、精準協調調度的電力系統，我們首先要建成與我們所需各項功能相配套的硬件設施。我們依照不同工作任務，一般把硬件分為：遠程工作站、視頻主機、遠動裝置、通信管理機、縱向加密裝置、區域防火墻、交換機、直通電話以及智能安防系統等。

遠程工作站：即調度工作站，由調度員使用，運行防誤模擬操作和其他應用軟件，完成操作模擬和調度等功能。

視頻主機：可以建設監控工作站，由監控員使用，通常配合存儲器等完成監控系統的組建。

遠動裝置：即配合DCS分散控制系統和通信系統，做到遠方和就地的通信和操作互通。

縱向加密裝置：一般是指上級電力調度中心與下級電力調度相連，然后通過縱向加密裝置來創建vpn隧道傳輸實時及非實時的業務數據，因為一旦業務數據經過加密（目前常用的算法有兩種，rsa和sm2）黑客即便獲取了報文也不能破解，因為隧道兩端的加解密公鑰和私鑰是一一對應的，這樣就保證了電力網絡的相對安全。所以縱向加密所對應的實際的物理物品就是縱向加密裝置，一般較多用在電廠側和光伏電站側及風電場側。

區域防火墻：即控制區為安全I區，也是實時區；非控制區為安全II區，是非實時區，在兩個區之間建立工控防火墻保障數據傳輸的安全穩定。

交換機：即實現局域網互聯，它可以為任意兩個網絡節點實現通信互聯，目前我們主要應用的是光纖交換機。

智能安防系統：即安裝防誤服務器，用于警戒、告警、報警和防誤分析等。

二、自動化控制技術的相關軟件系統

電力系統中自動化控制技術的實現離不開高效準確的調度系統，而SCADA/EMS系統也應運而生，數據采集、監視與控制則是電網調度自動化的基本功能。20世紀60年代，因為美國、加拿大頻繁發生大規模停電事故，故引起相關產業重視，伴隨著計算機技術的突飛猛進，SCADA系統正式應用于電力系統中。隨著該系統發展，也衍生出RTU（遠方終端）、AGC以及電力系統安全分析等功能，極大地滿足了當下的電力發展需求。隨著電網規模的不斷擴大，計算機和互聯網技術的飛速進步，新一代電網調度化系統融合了更多功能，例如，PAS（高級應用軟件），里面不僅涵蓋網絡建模和在線潮流分析，甚至包含負荷預報和故障分析等更為智能化的功能。

SCADA/EMS系統包含六個子系統，分別為支撐平臺子系統、SCADA子系統、PAS子系統、DTS子系統、AGC/EDC子系統和調度管理信息子系統。

支撐平臺子系統包含網絡管理、數據庫管理、圖形管理、報表管理、系統運行管理等；SCADA子系統包含數據采集、數據傳輸及處理、計算分析控制、人機交互和報警系統；更為高級的PAS系統則包括網絡建模、網絡拓撲、在線潮流、無功優化、靜態安全分析和故障分析等。

三、數據通信與通信規約

電力系統是由眾多發電廠、變電站、配電線路和設備以及龐大的用戶所組成，各個組成部分都相距遙遠但是聯系卻十分緊密。電網調度要實現采集實時信息，監視電網運行工況并發送各種操作指令，就必須構建穩定可靠的通信系統，可以說通信系統是電力系統不可或缺的一部分。

與傳統的模擬信號相比，數字信號抗干擾能力強，傳輸差錯可以控制，便于處理加工，還可以進行高保密的加密處理。通常情況下數字信號使用二進制計數制進行信號轉化，以下以RTU（遠方終端）的信號處理舉例說明：

經過RTU送來的“生數據”，經公式（1）（2）算法變成實際值：

遙信參數以“1”表示開關合閘，“0”表示開關分閘。而RTU作為電網調度自動化在發電廠、變電站的“耳目”和“手腳”，通過上述數據信號的轉換，將轉換后的二進制的信號通過數據通信網絡上傳給調度系統的前置機，再通過調度控制中心將調度的控制、調節等命令送給廠站執行，這樣就實現了一次數據通信和傳輸。我們可以借助數字信號實現遙信、遙測、遙控、遙調這些基本功能。

通信規約就是事先由通信雙方約定的一種通信規則，可以傳輸特定的或者加密的數字信息，例如，我國用于電網調度的規約一般有循環式通信規約（CDT）和問答式通信規約（POLLING）等。

四、電力系統電壓控制、頻率控制和安全控制

保證用戶電壓接近額定值才能發揮用電設備應有的作用，同時也能避免不必要的浪費和事故的發生。系統電壓過低，異步電動機轉差率增大，定子電流也增大，發熱增加，絕緣老化加速甚至會使電動機燒毀。對于用戶來說，一般家用電器也無法正常工作。電壓過高會使變壓器、電動機鐵損增加，溫度升高，同樣加速絕緣老化，對于純電阻用電器更為致命，極易造成各類電氣事故。因此，電壓監測以及無功補償的投入以保證電壓穩定尤為重要。具體措施有電力系統中加入無功電源，同步發電機進行自勵磁調節，電壓/無功優化自動控制（AVC）等。

電力系統的頻率始終須保持在很小的范圍內波動，對發電機而言，其頻率f與轉速n的關系為f=pn/60，（p為發電機極對數，汽輪發電機一般為1），如果用KS表示全電力系統的單位調節功率則有公式（3）

電網安全穩定控制系統是構成現代電網的核心技術部分。電力系統安全控制則主要分為安全監視、安全分析、安全控制，一般也是通過SCADA和RTU配合實現。

以上各種控制技術的應用，目的就是使電力系統能充分合理地利用能源和設備能力，連續不斷地向用戶提供充足、質量合格和便宜的電能，即電網要可靠、安全、優質、經濟地運行。

五、電力系統自動化控制的構建

電力系統中自動化控制的實現，主要由系統軟件生態、電力專用通信網和電力系統電壓控制、頻率控制、安全控制以及運行成本控制等部分一并構成。現代電網組成需要大容量、高精度、高速率的通信系統作為聯絡和傳輸基礎，在實際構建中，我們多用交換機和光纖作為載體，布局上，由網絡拓撲結構和局域網共同構建通信框架，通過不同的串口、交換機，加上特定的網絡規約，例如，（CDT）形成通信組網循環。下圖是結合調度自動化和通信自動化組成的現代電網拓撲圖（圖1）。

圖1 現代電網拓撲圖

結語

隨著現代化步伐的穩步推進，我國的整體國力和科技水平已經躋身世界前列，自動控制技術在國內電力系統的大力推廣和發展是必然的趨勢，以國家電網為首的大型企業相繼將自動控制技術運用到了電網系統，逐步構建了以智能化、精確化、快速化和簡單化為目標的現代電網。相信未來運用該技術的電力系統在方便簡化電力運行工作的同時，也能確保電力系統高效穩定安全的運行，在資源配置方面和節能環保方面為社會和國民帶來更大的收益。