智能电网与电站自动化

凌默侬

（国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥 230601）

智能电网的概念自提出至今已逾10年，其发展受到世人的广泛关注.分析智能电网智能化元素技术的内涵，探索智能电网建设与同属电力生产流程中稳步发展的电站自动化工作之间的相互可借鉴之处，关注现阶段电站自动化领域的智能技术等都是电力工程技术发展过程中十分重要的问题.

1 智能的本源

汉语“智能”一词古已有之，是指一个人的谋略能力，是人的行为特征.现代科技意义上的智能来自于1956年CARTHY John M c提出的Artificial Intelligence（简称AI），汉译为人工智能，［1］是指一部机器或系统（部分地）具有人类智能或能够模拟人类行为的能力，是机器的仿人行为特征.完成机器拟人行为的人工智能有其特定的计算方法，如模仿专家的知识经验进行推理决策、根据环境变化自治地完成任务等，它与经典控制论、现代控制论分属不同的学科分支.

近年来，“智能”的概念在全球范围内掀起了一股技术和经济浪潮，出现了诸多创新事物，如智能家电、智能交通、智能建筑、智能能源、智慧地球等，为人们描绘了别样的未来图景，以至于“智能”的概念有泛滥之势.其中，智能电网成为各领域的关注热点，并对同属电力行业的电站自动化工作产生了极大的影响.因此，客观梳理智能化特征，借力智能电网探索开展智能化工作的方向和路径已成为电站自动化需要面对的课题.

2 智能电网概述

2.1 智能电网的提出

进入21世纪以来，针对能源与环境出现的问题，人们提出用智能电网应对挑战.2002年美国电力科学院（EPRI）提出Intelligrid研究项目; 2003年美国能源部（DOE）发布了Grid 2030战略计划;2005年欧洲成立智能电网（Smart Grid）技术论坛，大西洋两岸的合力将智能电网引向全球.［2］在我国，清华大学卢强教授于2000年提出“数字电力系统”的概念;［3］国家电网公司于2009年正式提出建设“智能电网”规划，并立即付诸实施;还有学者提出了智能能源网、互动电网的概念，［4］涵盖了更宽泛的能源领域.

国家电网公司定义的智能电网涵盖了电力生产工艺流程的发电、输电、变电、配电、用电、调度6个环节和信息化平台，具有信息化、自动化、互动化特征，［5］本文所述智能电网以此为蓝本.

2.2 智能电网的智能化元素

国家电网实施的智能电网项目中的智能化元素主要体现在运用知识推理、专家决策、遗传算法、数据挖掘、模式识别、神经网络等智能技术，完成电网信息的监测与展现、控制策略的自动优选、运行状态的自动监控和故障状态的自动恢复等工作，主要用于数据的集中分析与展现、图像处理、输电线路监测与故障诊断、继电保护定值实时预警与回路的智能决策执行、大电网安全校核控制、广域测量、机器人、调度负荷预测与可视化平台全景数据再现等.这其中大多数智能化技术方法为电站自动化领域所熟知，也有少数是现时智能电网所特有的，如采用智能数据图像分析技术实现对智能变电站开关柜内刀闸的开/合操作及动作位置的分析判断，以及用于电力负荷预测的气象分析等.可以说，智能电网智能化元素与电站自动化技术是相通的.

3 智能电网与电站自动化相互作用

3.1 智能电网与电站自动化的特征差异

在电力生产流程中，火力发电厂与电网生产有明显的性质差异.电网的流程地域广、环节多、信息分散、信息传输距离远、运动设备和转动部件少，并且直接与广大的电力用户相关联;而火力发电厂的特点则是生产设备集中、信息集中、传输距离短，外部生产信息（除调度外）交换简单，生产流程中介质多且复杂，运动设备、旋转机械特别是高速转动部件较多.这种鲜明的设备特性差异预示着智能电网对信息的采集处理要求较高，而电厂则对实现设备的闭环运行控制要求更严格，电网与电站在智能化上有着不同的侧重面.

由于要长期面对发电厂运动设备、流动介质的稳定控制，发电厂控制较之电网生产过程的自动化取得了更多的成果.与电网的变电站、输电线路、配电用户等环节还存在设备参数就地巡视、远方人工手动单步操作等现象相比，分散控制系统（DCS）早就成为现代火力发电厂的必备设备和运行数据的中心，实现了电站基本参数的闭合回路控制、设备与系统间的联动操作.然而智能电网的规模化建设在短时间内快速推动了电网信息化、自动化工作的开展，智能电网已经站在能源与人类社会相和谐的高度开始应用智能科技，这就促使我们思考如何在更高层次提升电站的闭环控制水平，在更大的领域内拓宽信息化工作，并将电站自动化的中心工作转移到（或兼顾）应对火电厂节能减排的需要上来.

3.2 智能化工作规划和组织引领

国家电网在智能电网建设中对智能电网的各阶段目标、技术方案落实、流程环节和效用等方面在规划之始就做出了明确规定，即建设一个可靠、高效、经济、环保、开放、友好的未来电网.相比较而言，尽管电站自动化在过程控制层面的基础工作扎实，但考虑行政管理体制的不同，其智能化发展仍需要一个与智能电网同样有力的规划和引领力量.电站自动化与智能化不但要关注自身的工艺流程，还应该延伸到与安全、发电效率、污染物排放、运营成本相关的领域中.就能源利用而言，我国以煤炭为主要燃料的火电厂装机容量和发电量占比将持续下降，将电站做优做精，成为电力系统可调、可控的高性价比电源，方向的引领变得十分重要.

发电厂是电力生产的初始一环，是电流的源头，因此严格意义上的智能电网应包含电站的智能化，即整个电力系统的智能化.目前，国家电网公司智能电网的6个环节并不包括发电厂变电站（升压站）的智能化和发电厂内部生产流程的智能化，仅将发电厂作为电力系统的一个元件，对其数学模型、调度性能等外特性提出要求，因此做好发电侧和电网侧间的衔接、实现全流程智能化的完整覆盖是电力智能化建设中需要完善之处.

3.3 IEC 61850规约与现场总线

多年来，在电站自动化领域推行现场总线技术，实现电站数字化，虽然已有局部的试点应用，但总体进展并不理想，整体工作仍有待加强.分析其中的原因发现，标准的不完全统一和设备规范的多样性对信息互联构成了障碍，各设备制造商缺少一个有效的沟通协调机制和有约束力的平台，比如现场总线标准IEC 61158实质上是多个不同协议现场总线标准集，以此迁就各设备制造商的利益，但其共用性、通用性、开放性不足.推行现场总线的另一个期望是利用具备控制器功能并植入了控制模块的现场装置，通过现场总线来实现局部设备信息的就地处理和闭环控制，但具备这种功能的现场控制装置较少，从而限制了现场总线的应用推广.

与此相比，国家电网建设智能变电站时明确以IEC 61850国际标准为唯一协议，所有相关设备（高压设备智能组件、互感器及合并单元、测控单元、保护单元等）必须按此协议构造统一的系统结构，建立统一模型，实现了变电站过程层、间隔层协议的规范化和设备的互联互换.可以看出，电站现场总线在推行标准化协议的制度层面、技术标准层面、技术应用层面的约束力不足，技术、用户、厂商、行业组织等各种元素相互交织让问题愈加复杂化，而众多产品投向市场使得问题积重难返.智能变电站统一协议的路径、手段、机制为解决现场总线所存在的问题提供了一个参照系.

3.4 电站一次设备光纤通信的可行性

智能变电站推行一次设备微处理器化和网络通信光纤化，大量采用光纤通信网络取代复杂的电缆连接，解决了常规变电站信号采集复杂、调试维护困难、信号干扰等问题.然而考虑到目前采用光纤通信的一次传感设备技术成熟度、现场应用可靠性还有待检验和完善，尤其是在电站内需要采集的设备信号种类繁多，因此对现场设备层采用光纤通信需认真论证、谨慎行事.

3.5 智能电网实时监测系统

智能电网建设中包含各类实时监测系统，采集到的信息包括电能量、机组发电效率、脱硫脱硝、雷电、变压器/SF6气体、输变电设备、配电自动化、用电信息采集等.这些实时信息系统并没有足够的智能化元素，却是电网智能化必不可少的信息化支撑，也打破了电网专业原来的技术与管理界面，实现了调控一体化、配网一体化、营销一体化，以及电网一、二次设备的信息交叉连接，改变了电网旧的运行检修模式，引起了电网技术与经营管理模式的大变革.

新加坡能源公司在新加坡电网自动化过程中推行的运行维护管理和状态检修先进经验成为国际上同行业的标杆.由此可见，电站自动化领域同样需要适应专业技术界面的模糊化和运营管理模式的改变.

3.6 智能变电站顺序控制

电站自动化的顺序控制技术成熟、管理经验丰富，但在智能变电站内实现开关、刀闸及其他辅助设备按照操作票程序一次完成多步骤操作的顺序控制却是一个新课题.虽然顺序控制比人工操作更可靠、更准确、更安全，而且变电站内与之关联的技术和设备也没有克服不了的问题，但变电站顺序控制工作的进展却不尽如人意.

智能电网建设使电站自动化受益，而顺序控制等技术在智能电网领域的应用仍有待深化，因此智能电网同样需要从电站的自动化中获取成熟的经验和知识.电网和电站的自动化在推进智能化工作中不仅实现了生产机器的信息交换，也突破了专业界面的限制，实现了不同专业人员间的沟通融合，以及机器、人员间的信息互联.

4 基础自动化是智能化的基石

智能化和自动化都是基于感知、通信、计算、控制方法的学科，智能化涉及范围更广，涵盖了机器与系统、系统与人、人与社会的各个层面.

从事电站自动化的从业人员，面对先行一步的智能电网，既要顺应形势、积极跟踪前沿科学，更要把握科学发展的客观规律，做好基础自动化工作.

4.1 认清电站智能科学的发展规律

科学家预测，21世纪前40年里，信息科学技术和生物、生命科学技术是人们研究的中心技术科学，21世纪中叶，认知（智能）科学技术将占据中心位置.［6］实际上，当前众多的智能化总体上仍属于信息化和自动化的范畴，少量智能化元素的出现与应用并不意味着智能时代的到来，智能电网在学术界还没有一个统一的概念标准，电网和电站自动化仍然能够反映现阶段电网与电站的技术发展特征，因此不必被智能的概念困扰而影响了自动化技术的研究工作，重要的是扎实打好信息化和自动化的基础，伴随智能科技的发展，电站自动化被智能电站取代就会水到渠成.

4.2 积极推广电站智能科技应用工作

电站自动化在缺少一个像智能电网那样强力组织角色的现行体制下，仍然有足够的空间创新智能科技应用工作.某公司600 MW级超临界机组引进的燃烧优化平台软件初期使用效果良好，随着机组投产、设备特性发生改变导致优化软件效用逐渐下降，并出现了锅炉水冷壁长时间超温现象，相关人员开展了基于专家规则的多变量汽温控制应用研究，实际解决了超温问题.［7］其利用的控制系统既有软硬件实现，且不依赖于机组数学模型的智能控制方法，适用于设备特性变动的工况，这样的智能化工程实践有利于现阶段有效提升电站自动化工作水平，为电站的智能化发展打好基础.

5 结语

智能科技是成熟的信息科学、控制科学、系统科学、生物科学相融合的产物，电力系统的智能化还需要众多智能元素的支撑.只要认真扎实地做好信息化、基础自动化工作，不断积累智能化工作的经验和能量，伴随智能科技的逐步演进，电站的自动化将朝智能化方向发展，电网的智能化就会取得真正突破，电站、电网乃至能源领域的全面智能化时代终会来临.

［1］史忠植.智能科学［M］.北京：清华大学出版社，2006：2-3.

［2］何光宇，孙英云.智能电网基础［M］.北京：中国电力出版社，2010：2-5.

［3］卢强.数字电力系统［J］.电力系统自动化，2000，24（9）： 1-4.

［4］武建东.智能电网与中国互动电网创新发展［J］.电网与清洁能源，2009，25（4）：5-8.

［5］刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010： 8-11.

［6］舒志兵，高延荣，卢宗春，等.自动化专业智能化的发展趋向［J］.自动化博览，2010（8）：16-18.

［7］施壮，凌默侬，蔡兵，等.基于DCS平台的超（超）临界机组主汽温控制技术研究［C］∥电站自动化2013年会论文集.上海：中国动力工程学会自动化控制专业委员会，2013： 256-260.

（编辑白林雪）