综述电力系统自动化的意义及其发展重要性

【摘要】由于现代社会对电能供应的安全性、可靠性、经济性、优质性等指标提出越来越高的要求,同时,电力系统对自动化的要求也随之提高。对此,本文,笔者对电力系统自动化的意义、构成、发展阶段和发展趋势等方面对其进行了简述。

【关键词】电力系统；自动化；趋势

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一、电力系统自动化的重要性

（1）保证安全可靠运行电力系统复杂而庞大，如果在电力系统中任何一点发生的故障，都会在瞬间影响和波及全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩大，造成大面积停电，因此电力系统要求进行快速的自动控制，包括：输变电设备的正常操作、故障的快速切除和恢复，均通过自动装置才能保证安全、可靠。（2）保证良好的电能质量电力系统被控制的参数很多，包括频率、电压、有功和无功功率、功率平衡等，监视和控制成千上万个运行参数必须依靠自动化。（3）保证经济运行由电力系统的特点和运行要求可见对电力系统的控制与管理一个大型电力系统，使之安全、优质和经济的运行是十分困难而艰巨的。仅靠值班人员进行人工监视是无法实现的，必须依靠自动装置和设备才能实现。最少的一次能源产生更多的电力。电力系统的经济优化调度运行，降低网损等，没有自动化系统的参与是很难实现。

二、电力系统自动化的发展阶段

（1）手工阶段电力工业的初期萌芽阶段，电厂小，就近供电。在发电机、开关设备旁就近监视设备和手工调节操作。特点：单独运行，就近供电、手工操作。（2）简单自动装置阶段用电设备增多、发电设备规模扩大，对电能质量和安全可靠性提出了要求，开始出现单一功能的自动装置。包括：继电保护、断路器自动操作、发电机自动调压和调速等。特点：电能质量要求、单一的电力自动装置。（3）传统调度中心阶段出现互连电网，保证供电可靠性和经济性的必然选择。电网设立调度中心，统一调度电厂和处理电网的异常和事故。电话是通信联络的主要方式。特点：电网互连、统一调度、电话通信。（4）现代调度的初级阶段出现远动装置，实现“四遥”，满足实时调度的要求。特点：远动四遥、实时调度。

（5）单一功能的自动化装置很难满足电能质量、可靠和安全的需要，所以出现自动化程度更高的自动化系统。其特点是把多套独立的自动化装置用通信信道或网络互连，实现信息共享，相互协调自动完成指定的功能。特点：装置互连，信息共享。

三、电力系统自动化的主要内容

按电力系统运行管理，可将电力系统自动化分为调度自动化、发电厂自动化、变电站自动化；调度自动化又可分为输电调度、配电网调度自动化；发电厂自动化又分为火电、水电、核电等。

1.电力调度自动化电力调度的主要任务可以概括为：（1）控制整个电力系统的运行方式，使其在正常状态下能满足安全、优质和经济供电的要求；（2）在缺电状态下做好负荷管理；（3）在事故状态下能迅速消除故障，恢复供电。调度自动化是综合利用电子计算机、远动和远程通信技术，实现电力系统调度管理自动化，有效地帮助电力系统调度员完成调度任务。

2．发电厂自动化无论是火电、水电、核电或其他发电方式，都是通过某种动力机械驱动发电机发电，其自动化系统具有很多共同点，既要分别控制动力装置、发电机及其他辅助设备，又要对各个控制系统进行协调和统一关管理。（1）火电厂利用化石燃料释放出来的热能发电，以蒸汽动力发电为主，也有少量采用内燃机发电。蒸汽动力发电厂的主要动力设备有锅炉、汽轮机、汽轮发电机及辅助设备。火电厂自动化是一门综合技术，具有自动检测、自动保护、顺序控制、连续控制、管理和信息处理等功能。各种自动化系统主要包含有数据采集及计算机监视系统、锅炉控制系统、汽轮机控制系统、发电机控制系统、机炉协调主控制系统、辅助设备及各种支持系统等。（2）水电厂需要控制水轮机、调速器以及水轮发电机励磁装置等，水电自动化系统可自动地对水电厂进行监视、控制、调节和管理，以提高水电厂运行的安全性、经济性、劳动生产率和供电质量。水电厂自动化可分为单机自动化（包括水轮发电机组自动控制、水轮机调速和水轮发电机励磁调节的自动控制）、公用设备自动化、全厂综合自动化（包括水电厂自动发电控制、水电厂自动电压控制、水电站计算机监控系统）和梯级水电站综合自动化。水电厂自动发电控制是在水轮发电机组自动控制的基础上实现全厂自动化的一种方式，它根据水库上游来水量或电力系统的要求，考虑全厂及机组的运行限制条件，以经济运行为原则，确定电站机组运行的台数、运行机组的组合和机组间负荷分配。（3）核电已成为继火电、水电之后的第三大能源，对自动化系统的要求更为严格和苛刻，特别是可靠性。随着先进控制理论和计算机数字监控技术在电力系统中的广泛应用，出现了发电机综合自动控制系统，其功能包括发电机组开停顺序控制、励磁控制、调速控制、稳定裕度监视控制等。

3．变电站自动化变电站的作用是变换电压、接受和分配电能、控制电力流向等，主要通过变压器将各级电压的电网联系起来。随着微机监控监测技术开始引入变电站，变电站正在向综合自动化方向发展，我国已实现了变电站的远程监控、远动和继电保护微机化，同时大力推广无人值班变电站。无人值班变电站将会使变电站综合自动化程度推向一个更高的阶段，其功能包括变电站的远动、继电保护、远方开关操作、自动测量、故障和事故的自动记录以及运行参数自动打印等功能。

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四、电力系统自动化发展趋势

1．智能控制理论的应用。电力系统装机容量不断增加，供电区域不断扩大，其结构和运行方式也变得越来越复杂多变；故对供电质量、供电可靠性和运行经济性的要求越来越高，这些都需要新的控制方法来适应这些要求。目前电力系统发展中的自动控制技术趋向于控制策略的日益优化，呈现出适应性强、协调控制完善、智能优势明显、区域分布日益平衡的发展趋势。在设计层面电力自动化系

统更注重对多机模型的问题处理，且广泛借助现代控制理论及工具实现综合高效的控制。新的控制方法有人工神经网络、模糊技术和遗传算法等，最大的优点在于实现多变量控制而不必列出繁琐的数学模型，因此将这些新的控制方法应用到电力系统中，则是电力系统自动化发展的趋势。

2．数字化电力系统（DPS）的形成。数字电力系统在实践控制手段的运用中合理引入了大量的计算机、电子器件及远程通信应用技术，可以形象地展现电力系统的真实结构、各组成部件的物理性能；各个元件、各个网络、各节点的实时状态变量；各自动装置的动作特性；经济结构、市场信息、人员信息；运营策略等。

3．电力系统自动化新技术与趋势。电力系统自动化的发展正由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展。电力系统的自动控制技术的趋势是：在控制策略上日益向最优化、自适应化、智能化、协调化发展；在理论工具上越来越多地借助于各种先进控制理论；在设计分析上日益要求面对多机系统模型处理问题；在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用。电力系统自动化的总体发展趋势是：由开环监测向闭环控制发展；由高电压等级向低电压扩展；由单个元件向部分区域及全系统发展，追求目标向最优化、协调化、智能化发展，如励磁控制、潮流控制；由提高运行的安全性、经济性和效率向管理、服务的自动化扩展，如管理信息系统的应用。其中的典型技术有：

（1）高压直流输电直流输电是利用电力电子技术，将交流电变换成直流电输送至受电端，再用逆变器将直流电变换成交流电送到受端交流电网，主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系统稳定问题、调节快速、运行可靠等优点。直流输电与交流输电相比的主要优点：直流线路造价低、功率和能量损耗小；对通信干扰小、没有电容电流和电抗压降；直流输电线两端的交流系统不需要同步运行；不存在交流输电固有的稳定问题，输送距离和功率也不受电力系统同步运行稳定性的限制；容易实现对功率和电流的调节控制、并且迅速；如果交、直流并列运行，有助于提高交流系统的稳定性和改善整个系统的运行特性。

（2）柔性交流输电系统柔性交流输电系统（FACTS）是针对高压输电系统，综合运用电力电子技术、微机处理技术、控制技术等，在原有的输电系统的几个重要的部位加上了有效的电力电子装置，对输电系统的几个重要指标（如电压、相位差、电抗）加以控制，这种高压输电系统采用了危机处理、力电子、自动控制等新技术，以提高系统的可靠性、稳定性、可控性、运行性能和电能质量，可获取大量节电效益，并由此技术获得了大量的具有节点效益的新兴的综合技术。柔性交流输电技术（FACTS）的发展进一步提高了输电、配电自动化水平；在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展。

（3）基于广域测量系统的动态安全监控系统GPS技术在电力系统中的推广应用为电力系统提供了较方便的全网统一时钟信号，其定时精度小于1微秒。基于GPS的广域测量系统是以电力系统动态过程监测、分析和控制为目标的实时监控系统，具有异地高精度同步相量测量、高速通信和快速反应等技术特点，非

常适合大跨度电网，可以测量广域范围内电压幅值和相角、潮流等的精确值，主要用于电力系统模型校核、功角稳定和电压稳定评估、低频振荡的研究等。基于GPS统一时钟的新一代动态安全监控系统EMS，它是新动态安全监测系统与原有SCADA的结合。主要由同步定时系统，动态相量测量系统、通信系统和中央信号处理机四部分组成。采用GPS实现的同步相量测量技术和光纤通信技术，为相量控制提供了实现的条件。GPS技术与相量测量技术结合的产物-PMU（相量测量单元）设备，正逐步取代RTU设备实现电压、电流相量测量（相角和幅值）。电力系统调度监测从稳态/准稳态监测向动态监测发展是必然趋势。GPS技术和相量测量技术的结合标志着电力系统动态安全监测和实时控制时代的来临。