自动化控制技术在电力系统中的应用探究

赵晓渊

（西山煤电集团有限责任公司发电分公司，山西 太原 030053）

自动化控制技术的应用最早可以追溯到20世纪初期，以发、变、配电系统中电力设备上的自动化技术应用为起始，比如发电厂的自动励磁装置，开关上的自动重合闸装置、继电保护装置等。如今，自动化控制有更广泛和深层的含义，在计算机技术的加持下，我们可以倚靠可靠的通信系统，对电网运行信息进行即时数据采集，上传数据后再由互联网主机对采集来的信息作出分析，并根据电网综合运行工况做出准确、迅速的判断和控制。电力系统的自动化控制技术按照类别可以分为以下几个部分：软件生态系统（SCADA/EMS）、数据通信和通信规约、电力频率控制、电力电压控制、电力系统运行成本控制和电力系统安全控制。将自动化控制技术完全应用于电力系统各个场景，可以将电厂、变电站、配电装置等各种自动装置进行统一、协调控制，以实现更符合当今科技发展和社会需求的电网综合自动化，即智能电网。

一、自动化控制技术的相关硬件系统

要想建成具有智能、高效、精准协调调度的电力系统，我们首先要建成与我们所需各项功能相配套的硬件设施。我们依照不同工作任务，一般把硬件分为：远程工作站、视频主机、远动装置、通信管理机、纵向加密装置、区域防火墙、交换机、直通电话以及智能安防系统等。

远程工作站：即调度工作站，由调度员使用，运行防误模拟操作和其他应用软件，完成操作模拟和调度等功能。

视频主机：可以建设监控工作站，由监控员使用，通常配合存储器等完成监控系统的组建。

远动装置：即配合DCS分散控制系统和通信系统，做到远方和就地的通信和操作互通。

纵向加密装置：一般是指上级电力调度中心与下级电力调度相连，然后通过纵向加密装置来创建vpn隧道传输实时及非实时的业务数据，因为一旦业务数据经过加密（目前常用的算法有两种，rsa和sm2）黑客即便获取了报文也不能破解，因为隧道两端的加解密公钥和私钥是一一对应的，这样就保证了电力网络的相对安全。所以纵向加密所对应的实际的物理物品就是纵向加密装置，一般较多用在电厂侧和光伏电站侧及风电场侧。

区域防火墙：即控制区为安全I区，也是实时区；非控制区为安全II区，是非实时区，在两个区之间建立工控防火墙保障数据传输的安全稳定。

交换机：即实现局域网互联，它可以为任意两个网络节点实现通信互联，目前我们主要应用的是光纤交换机。

智能安防系统：即安装防误服务器，用于警戒、告警、报警和防误分析等。

二、自动化控制技术的相关软件系统

电力系统中自动化控制技术的实现离不开高效准确的调度系统，而SCADA/EMS系统也应运而生，数据采集、监视与控制则是电网调度自动化的基本功能。20世纪60年代，因为美国、加拿大频繁发生大规模停电事故，故引起相关产业重视，伴随着计算机技术的突飞猛进，SCADA系统正式应用于电力系统中。随着该系统发展，也衍生出RTU（远方终端）、AGC以及电力系统安全分析等功能，极大地满足了当下的电力发展需求。随着电网规模的不断扩大，计算机和互联网技术的飞速进步，新一代电网调度化系统融合了更多功能，例如，PAS（高级应用软件），里面不仅涵盖网络建模和在线潮流分析，甚至包含负荷预报和故障分析等更为智能化的功能。

SCADA/EMS系统包含六个子系统，分别为支撑平台子系统、SCADA子系统、PAS子系统、DTS子系统、AGC/EDC子系统和调度管理信息子系统。

支撑平台子系统包含网络管理、数据库管理、图形管理、报表管理、系统运行管理等；SCADA子系统包含数据采集、数据传输及处理、计算分析控制、人机交互和报警系统；更为高级的PAS系统则包括网络建模、网络拓扑、在线潮流、无功优化、静态安全分析和故障分析等。

三、数据通信与通信规约

电力系统是由众多发电厂、变电站、配电线路和设备以及庞大的用户所组成，各个组成部分都相距遥远但是联系却十分紧密。电网调度要实现采集实时信息，监视电网运行工况并发送各种操作指令，就必须构建稳定可靠的通信系统，可以说通信系统是电力系统不可或缺的一部分。

与传统的模拟信号相比，数字信号抗干扰能力强，传输差错可以控制，便于处理加工，还可以进行高保密的加密处理。通常情况下数字信号使用二进制计数制进行信号转化，以下以RTU（远方终端）的信号处理举例说明：

经过RTU送来的“生数据”，经公式（1）（2）算法变成实际值：

遥信参数以“1”表示开关合闸，“0”表示开关分闸。而RTU作为电网调度自动化在发电厂、变电站的“耳目”和“手脚”，通过上述数据信号的转换，将转换后的二进制的信号通过数据通信网络上传给调度系统的前置机，再通过调度控制中心将调度的控制、调节等命令送给厂站执行，这样就实现了一次数据通信和传输。我们可以借助数字信号实现遥信、遥测、遥控、遥调这些基本功能。

通信规约就是事先由通信双方约定的一种通信规则，可以传输特定的或者加密的数字信息，例如，我国用于电网调度的规约一般有循环式通信规约（CDT）和问答式通信规约（POLLING）等。

四、电力系统电压控制、频率控制和安全控制

保证用户电压接近额定值才能发挥用电设备应有的作用，同时也能避免不必要的浪费和事故的发生。系统电压过低，异步电动机转差率增大，定子电流也增大，发热增加，绝缘老化加速甚至会使电动机烧毁。对于用户来说，一般家用电器也无法正常工作。电压过高会使变压器、电动机铁损增加，温度升高，同样加速绝缘老化，对于纯电阻用电器更为致命，极易造成各类电气事故。因此，电压监测以及无功补偿的投入以保证电压稳定尤为重要。具体措施有电力系统中加入无功电源，同步发电机进行自励磁调节，电压/无功优化自动控制（AVC）等。

电力系统的频率始终须保持在很小的范围内波动，对发电机而言，其频率f与转速n的关系为f=pn/60，（p为发电机极对数，汽轮发电机一般为1），如果用KS表示全电力系统的单位调节功率则有公式（3）

电网安全稳定控制系统是构成现代电网的核心技术部分。电力系统安全控制则主要分为安全监视、安全分析、安全控制，一般也是通过SCADA和RTU配合实现。

以上各种控制技术的应用，目的就是使电力系统能充分合理地利用能源和设备能力，连续不断地向用户提供充足、质量合格和便宜的电能，即电网要可靠、安全、优质、经济地运行。

五、电力系统自动化控制的构建

电力系统中自动化控制的实现，主要由系统软件生态、电力专用通信网和电力系统电压控制、频率控制、安全控制以及运行成本控制等部分一并构成。现代电网组成需要大容量、高精度、高速率的通信系统作为联络和传输基础，在实际构建中，我们多用交换机和光纤作为载体，布局上，由网络拓扑结构和局域网共同构建通信框架，通过不同的串口、交换机，加上特定的网络规约，例如，（CDT）形成通信组网循环。下图是结合调度自动化和通信自动化组成的现代电网拓扑图（图1）。

图1 现代电网拓扑图

结语

随着现代化步伐的稳步推进，我国的整体国力和科技水平已经跻身世界前列，自动控制技术在国内电力系统的大力推广和发展是必然的趋势，以国家电网为首的大型企业相继将自动控制技术运用到了电网系统，逐步构建了以智能化、精确化、快速化和简单化为目标的现代电网。相信未来运用该技术的电力系统在方便简化电力运行工作的同时，也能确保电力系统高效稳定安全的运行，在资源配置方面和节能环保方面为社会和国民带来更大的收益。