電氣自動化技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用研究

劉玉璞

（蘭州倚能電力設(shè)計咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

電力工程作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，其可靠性和高效性對社會發(fā)展至關(guān)重要。電氣自動化技術(shù)作為現(xiàn)代電力工程的核心組成部分，通過實現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)和過程的自動化控制，為電力工程的安全、穩(wěn)定運行提供了關(guān)鍵支持。本文將深入研究電氣自動化技術(shù)的現(xiàn)狀，并詳細剖析其在電力工程中的具體應(yīng)用。

1 電氣自動化技術(shù)的現(xiàn)狀

當(dāng)前，電氣自動化技術(shù)在電力工程中處于蓬勃發(fā)展的階段。以先進的傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，實時監(jiān)測電力系統(tǒng)各個節(jié)點的電流、電壓等參數(shù)，為系統(tǒng)提供全面、精準的數(shù)據(jù)支持。控制系統(tǒng)采用高效的算法和邏輯控制單元，實現(xiàn)對電力設(shè)備的智能調(diào)度和自動化控制，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和效率。通信網(wǎng)絡(luò)的不斷升級使得電氣自動化系統(tǒng)具備更快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，支持遠程監(jiān)測和操作。同時，數(shù)據(jù)分析與人工智能的應(yīng)用使得電氣自動化系統(tǒng)能夠從海量數(shù)據(jù)中挖掘潛在規(guī)律，實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能化管理和優(yōu)化運行[1]。然而，挑戰(zhàn)隨之而來，包括系統(tǒng)的安全性、集成難度等，需要不斷進行研究和創(chuàng)新。

2 電氣自動化技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用

2.1 電力系統(tǒng)自動化控制

2.1.1 智能控制技術(shù)

在電力系統(tǒng)的自動化控制領(lǐng)域，智能控制技術(shù)中的模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）作為一種卓越的方法備受關(guān)注。基于電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，MPC 通過對未來狀態(tài)的預(yù)測進行優(yōu)化調(diào)控，具體體現(xiàn)為對系統(tǒng)連續(xù)時間的輸入控制進行最優(yōu)化。其核心優(yōu)勢在于能夠在控制過程中考慮多個輸入和輸出變量，以及對未來系統(tǒng)狀態(tài)的全面預(yù)測。MPC 的基本優(yōu)化問題可以表示為

式中：u為控制輸入；x為系統(tǒng)狀態(tài)；yk為實際輸出；為預(yù)測輸出。MPC 通過動態(tài)優(yōu)化對未來一段時間內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)進行預(yù)測，并在每個時間步驟上調(diào)整控制輸入，從而最小化損失函數(shù)。

MPC 的優(yōu)勢在于能夠處理多變量、非線性系統(tǒng)，并能夠考慮到系統(tǒng)的約束條件，如電流、電壓等。其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠有效應(yīng)對系統(tǒng)的動態(tài)變化，提高系統(tǒng)的健壯性和穩(wěn)定性。然而，MPC 面臨著實時性要求較高、計算復(fù)雜度大等挑戰(zhàn)，需要在系統(tǒng)性能和計算效率之間取得平衡[2]。綜合而言，MPC 作為智能控制技術(shù)的代表，在電力系統(tǒng)自動化控制中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

2.1.2 自動調(diào)度技術(shù)

在電力系統(tǒng)的自動化控制中，自動調(diào)度技術(shù)是一項關(guān)鍵且不可或缺的技術(shù)，核心在于實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行的智能化和高效化調(diào)度。其中，基于最優(yōu)潮流（Optimal Power Flow，OPF）的自動調(diào)度技術(shù)備受矚目。OPF 技術(shù)以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過對電力系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓、電流等參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)了全局最優(yōu)的電力分配。其優(yōu)化問題可以表示為

式中：P和Q為各節(jié)點的有功功率和無功功率；U為節(jié)點電壓；Ci為各節(jié)點的成本函數(shù)，主要包括發(fā)電成本、線路損耗等。該優(yōu)化問題通過調(diào)整各節(jié)點的功率和電壓，以最小化系統(tǒng)總成本，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的最優(yōu)運行狀態(tài)。

OPF 技術(shù)的應(yīng)用使得電力系統(tǒng)能夠在滿足各種約束條件的前提下，實現(xiàn)最經(jīng)濟、最穩(wěn)定的電力分配。其優(yōu)勢在于能夠考慮到系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性關(guān)系，提高系統(tǒng)運行的效率和可靠性。然而，OPF 技術(shù)在實際應(yīng)用中仍面臨著計算復(fù)雜度高、實時性要求等挑戰(zhàn)，需要在算法優(yōu)化和系統(tǒng)性能之間取得平衡[3]。因此，自動調(diào)度技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用不僅提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，也為電力工程的智能化和自動化奠定了堅實基礎(chǔ)。

2.1.3 自動化監(jiān)控技術(shù)

在電力系統(tǒng)的自動化控制中，自動化監(jiān)控技術(shù)扮演著重要角色，主要目標是通過實時監(jiān)測電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，快速檢測和響應(yīng)潛在的故障或異常情況，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。其中，以數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）為代表的監(jiān)控技術(shù)成為電力工程中的重要支柱。

SCADA 系統(tǒng)通過在電力系統(tǒng)中廣泛部署傳感器和遠程終端單元，實時采集電流、電壓、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至中央監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過直觀的圖形界面展示電網(wǎng)拓撲和實時數(shù)據(jù)，使操作人員能夠全面、及時地了解電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。SCADA 系統(tǒng)不僅提供了對整個電網(wǎng)的實時監(jiān)測，而且支持對設(shè)備的遙控與遙調(diào)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠程操控。此外，通過對實時數(shù)據(jù)的分析，SCADA 系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，及時預(yù)警，并在必要時實施自動化控制策略，以保障系統(tǒng)的安全運行。

自動化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用使得電力系統(tǒng)具備了自主感知和主動響應(yīng)的能力，提高了系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況的敏感性和處理速度。然而，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大和智能化的發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)也面臨著大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)安全等方面的新挑戰(zhàn)，需要不斷創(chuàng)新以適應(yīng)電力工程日益復(fù)雜的運行環(huán)境。因此，自動化監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅實現(xiàn)了對電力工程的全面監(jiān)管，更為系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提供了強有力的支持。

2.2 電網(wǎng)自動化技術(shù)

2.2.1 電網(wǎng)自動化調(diào)度技術(shù)

電網(wǎng)自動化調(diào)度技術(shù)是電力工程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，核心在于對電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、調(diào)度和優(yōu)化。在這方面，基于能源管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）的技術(shù)引領(lǐng)了電網(wǎng)自動化調(diào)度的發(fā)展。該技術(shù)融合了電力系統(tǒng)建模、優(yōu)化算法和實時數(shù)據(jù)處理等多個先進技術(shù)，為電力系統(tǒng)的全面管理提供了有力支持。具體的調(diào)度流程如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)自動化調(diào)度流程

首先，EMS 采用高度精確的電力系統(tǒng)模型，對電網(wǎng)進行動態(tài)建模，包括發(fā)電、輸電以及配電等多個環(huán)節(jié)。這一模型能夠準確反映電力系統(tǒng)中各種設(shè)備的狀態(tài)和性能特征，為后續(xù)的優(yōu)化調(diào)度奠定了堅實的基礎(chǔ)。其次，通過實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，EMS 能夠迅速獲取電力系統(tǒng)各個節(jié)點的實際運行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流以及頻率等關(guān)鍵參數(shù)。這些數(shù)據(jù)為系統(tǒng)實時監(jiān)測提供了強大支持，確保了對電力系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的精準把握。最后，在調(diào)度階段，EMS 通過集成的優(yōu)化算法，如基于OPF 的調(diào)度策略對電力系統(tǒng)的運行進行實時優(yōu)化。系統(tǒng)會考慮電能的輸送、設(shè)備的負荷分配等多個因素，以降低系統(tǒng)運行成本，提高能源利用效率[4]。優(yōu)化結(jié)果將指導(dǎo)自動化調(diào)度系統(tǒng)實施調(diào)控策略，包括發(fā)電機組的出力調(diào)整、設(shè)備的開關(guān)控制等，以維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。整個自動化調(diào)度流程使得電力系統(tǒng)能夠在復(fù)雜多變的運行環(huán)境中快速做出智能決策，提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性。

2.2.2 配電自動化技術(shù)

配電自動化系統(tǒng)中的智能開關(guān)技術(shù)是電網(wǎng)自動化技術(shù)的重要組成部分，旨在提高配電網(wǎng)絡(luò)的效率、可靠性以及智能化水平。在這方面，智能開關(guān)技術(shù)作為配電自動化系統(tǒng)的重要組成部分備受關(guān)注。

智能開關(guān)通過集成先進的傳感器和通信技術(shù)，實時監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備狀態(tài)和電流負荷情況。這些智能傳感器感知線路的負荷、溫度、電流等關(guān)鍵參數(shù)，為系統(tǒng)提供實時的運行數(shù)據(jù)。此外，智能開關(guān)具備遠程控制和自主決策的能力，通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對配電網(wǎng)絡(luò)的遠程操控。根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)，智能開關(guān)不僅能夠自主進行快速的故障隔離和提供恢復(fù)決策，提高配電網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性，還支持配電網(wǎng)絡(luò)的自愈能力。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常情況時，系統(tǒng)能夠自動切換和重構(gòu)電路，使得供電在最短時間內(nèi)自動恢復(fù)，減少對人工干預(yù)的依賴。通過智能開關(guān)的應(yīng)用，整個配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)了對配電網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測、智能控制以及自主決策，從而提高了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。

2.2.3 負荷管理技術(shù)

新型電力負荷管理技術(shù)以負荷應(yīng)用模塊、負荷調(diào)控模塊以及負荷調(diào)控微應(yīng)用為核心功能組件，通過接收和執(zhí)行負荷調(diào)度指令，協(xié)調(diào)需求響應(yīng)模塊、有序用電模塊以及負荷調(diào)控微應(yīng)用之間的業(yè)務(wù)關(guān)系。該系統(tǒng)提供負荷調(diào)節(jié)最優(yōu)化策略信息，以支持決策者在不同系統(tǒng)間實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)協(xié)同任務(wù)。同時，針對負荷調(diào)控事件，系統(tǒng)進行全過程監(jiān)控，對事件執(zhí)行后的效果進行綜合評估，并對調(diào)節(jié)和控制資源進行全方位的監(jiān)測。

負荷管理技術(shù)的負荷應(yīng)用模塊致力于實現(xiàn)負荷數(shù)據(jù)的采集、分析和建模，以提供可靠的負荷預(yù)測。負荷調(diào)控模塊通過協(xié)調(diào)和優(yōu)化發(fā)電機組出力、電力分配等策略，實現(xiàn)對負荷的實時調(diào)節(jié)。負荷調(diào)控微應(yīng)用作為系統(tǒng)的靈活部分，能夠根據(jù)具體負荷調(diào)控需求，動態(tài)配置和執(zhí)行相應(yīng)的微應(yīng)用任務(wù)。

負荷管理技術(shù)采用先進的負荷調(diào)節(jié)最優(yōu)化算法，以實現(xiàn)對負荷的智能調(diào)度。系統(tǒng)通過業(yè)務(wù)關(guān)系協(xié)調(diào)，確保各模塊之間的高效通信和協(xié)同工作，從而提供決策者關(guān)鍵的信息和支持[5]。全過程監(jiān)控和綜合評估功能使得系統(tǒng)能夠在負荷調(diào)控過程中實時響應(yīng)與適應(yīng)各種復(fù)雜情況，確保負荷調(diào)節(jié)的有效性和穩(wěn)定性。

2.3 其他應(yīng)用場景

在電力工程中，電氣自動化技術(shù)的應(yīng)用不僅局限于電力系統(tǒng)的監(jiān)測和控制，還涉及多個其他重要應(yīng)用場景，包括在線監(jiān)測系統(tǒng)、故障診斷與修復(fù)系統(tǒng)以及能源管理系統(tǒng)等方面。在線監(jiān)測系統(tǒng)通過實時采集關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電力設(shè)備的狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，以提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取預(yù)防措施。故障診斷與修復(fù)系統(tǒng)則運用先進的數(shù)據(jù)分析和算法技術(shù)，能夠快速、準確地定位電力系統(tǒng)中的故障，并提供相應(yīng)的修復(fù)建議。在能源管理系統(tǒng)方面，電氣自動化技術(shù)通過優(yōu)化電力系統(tǒng)運行，調(diào)整設(shè)備的使用模式，實現(xiàn)能源的高效利用，從而提升整體能源管理水平。這些應(yīng)用場景的綜合應(yīng)用使得電力工程更加智能化、高效化，為電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供了全方位的支持。

3 結(jié) 論

電氣自動化技術(shù)在電力工程中的廣泛應(yīng)用不僅提高了系統(tǒng)的智能化和自動化水平，更為電力系統(tǒng)的安全性、可靠性以及經(jīng)濟性注入了新的活力。然而，為了更好地應(yīng)對電力工程領(lǐng)域的不斷變化和復(fù)雜性，需要不斷推動技術(shù)創(chuàng)新，解決面臨的挑戰(zhàn)，并加強跨領(lǐng)域的合作。在未來的發(fā)展中，電氣自動化技術(shù)將持續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，為電力工程的可持續(xù)發(fā)展和智能化轉(zhuǎn)型提供支持。