电力电气自动化元件技术研究

陈 刚

（广东粤电花都天然气热电有限公司，广东广州 510800）

1 电力电气自动化元件的应用意义

1.1 提高生产效率

导致传统电力系统运行与生产效率低下的主要原因，一方面是电网线路的不稳定，风险问题频发，安全隐患长期存在；另一方面则是过分依赖人工操作，支出大量人力成本的同时，许多复杂工作仅依靠人力操作，需要浪费更多的时间，导致电力系统的运作浪费大量可利用的资源。尤其是在电力系统日常检修维护中，若依赖人工，则不能实现全天候实时动态化检测，一旦发生故障往往不能够使技术人员及时检查到电力系统中存在的问题，同时也对技术人员的专业知识水平和电力系统控制技能有很高的要求。那么使用电气自动化元件则能够通过自动化程序与网络信息平台的共享功能对整个电力系统进行实时监控，不仅能够自动完成日常检修维护工作，还能在故障发生的第一时间将故障原因、故障发生位置、故障影响电路等关键信息及时发送给技术人员。对电力系统故障排查的工作流程进行了简化与优化，节省人力支出的同时，也在一定程度上弥补了技术人员经验不足和专业水平不足造成的缺陷，对电力系统生产效率的提升有现实意义。

1.2 稳定电网线路

在变电站与发电厂生产过程中，电网线路的稳定与否是影响到输电状态的重要因素，同时也是影响生产效率的重要因素。传统的电力系统运行中受到多重因素的影响，常常出现电路不稳定和电压变化频率过快等风险问题，因此导致电力系统的运行面临着许多安全隐患与风险。而应用电气自动化元件则能够保证电网调度的正常运转，在电流输送的过程中，及时预测电网的运行状态，通过网络处理等方式对电路运行产生的问题快速反应，最大程度上稳定电网系统的正常运行[1]。而一旦出现安全事故，电气自动化元件则能够在第一时间调查风险类型，采取相应的紧急预案，利用自动化系统的内在联系方式和信息集成化优势，将电网电路的运行信息整合处理。对于电气工程而言，使用自动化电气原件是现代科技与传统电力生产的融合，是电力产业的进步。自动化元件的信息化优势能够使电网电路在运行过程中与操作人员之间不断产生信息往来，构建稳定的信息传输链，从而使操作人员对电路电网线路实施动态化监控，确保电网运行始终维持在稳定状态。

1.3 降低人力需求

传统的电力生产与电力运输中需要通过人工操作的方式控制大量设备，对大量电力电子设备进行参数设置与调整，还需要对各类线路进行搭接和开启关闭等操作，同时也需要人工的形式对整个电力系统的运行进行监督，并及时处理设备事故与线路运行异常等问题。因此不仅消耗大量的人力，还会降低电力系统运行的效率。使用电气自动化技术对整个电力系统进行自动控制后，人力资源的配置得到了很大程度上的优化，同时也能够利用自动化技术自动执行电力系统中的许多设备操作。从这一点来看，电力系统的运行效率大大提升，尤其是在风险管控与事故处理方面，自动化电子元件能够在第一时间检查风险问题并及时响应，采取相应的安全防护措施，对设备下达指令，解决了传统人工赶到现场操作的不便。除此之外，自动化电子元件还能够在系统内高效准确处理信息，避免人为操作导致的事故问题。随着电力电气自动化元件技术的发展越来越成熟，目前我国许多大型变电站与发电厂都开始不断提升自身的自动化水平，使变电站的管理更具有信息化特征。

2 电力电气自动化元件的实际应用

2.1 电子开关的应用

电子开关在电力系统中的应用经历了一段时间的发展，早期将电子开关称作交流变频电子开关，制作结构简单，但安全性并不高，对于电力系统的运行而言，存在一定程度上的不足。目前经过自动化技术的改造，电子开关发展成为全控制式电子开关。这种开关相比于早期传统电子开关而言具有了更丰富的功能，对整个电力系统的控制也更加顺畅。同时还能够通过自动化技术的接入，实现对电力系统中部分设备与线路的自动开关与自动程序化控制，对于电力系统的运行效率有非常显著的提升。因此电子开关可以看作是在电力系统中最早一批得到应用的电力电气自动化元件。

随着自动化技术与电力电子技术的共同进步，目前已经将全控制式电子开关研发改进成为复合型电子开关，不仅性能更强，操作更简便，安全性能也更高，对于电力系统的电网稳定运行有更强的维护效果[3]。复合型电子开关在运行中采用的是，并联方式电流的接通与断开都能实现零投切，因此在正常接通的情况下，复合型电子开关能够保持零功耗，不仅节省了大量电力能源，也能保证在各种不同电力系统中得到稳定应用，因此成为了当下主流使用的电子开关。

2.2 高频变换器电路

电力生产中需要不断将电气设备元件进行优化，将现代新型电子技术与信息化技术结合到电子设备原件的改进中来，能够使电力系统的运行效率得到切实提升，也能够通过对电设备元件变换器的改进使电路运行更加稳定。目前自动化技术在变换器的改进应用中主要是实现低频变换器电路向高频方向的转变与发展，传统的半控制晶匣管技术尽管能够对电流进行自动控制，但主要是通过直流传动变换器实现的，而利用高频改进的变换器电路和电力电子元件能够大大提升元件的运行功率，能够解决电动机的电容的转变中产生的问题。目前较为常见的高频变换器电路属于谐振式直流逆变器电路，不仅能够满足电力运行的供应需求，还能使变换器与电路之间的联系更加紧密，同时也能够利用PWM 变换器使电压和电流在电力系统中自动改变，从而有效维护电网运行的稳定和安全性，但目前这种高频变换器电路也有缺点，当电气元件处在高电压状态下时，容易发生断电问题，那么未来的变换器改进方向就将是解决高电压状态下电气元件运行不稳定的缺陷。

2.3 交流调速控制

目前我国在电力系统运行维护当中使用的交流调速控制理论主要是根据矢量控制基础理论分析演化整合得来的，这些理论内容在不断实践过程中也在不断丰富与完善。目前交流调速控制理论主张的电力系统运行方式是通过仿照直流电动机的内部控制系统结构进行控制，而交流调速控制理论中对解耦方式的应用，不仅能够将异步电动机的物理模型转换为直流形式，还能够对转子磁链进行自动化检测。因此通过自动化技术对交流调速控制进行设计时，首先应当实现对定子电流的控制。具体来讲，需要通过转矩分量和磁场分量两方面对整个电路实施控制，并通过矢量控制将二者进行分离。同时也要合理运用直流电动机，通过改变坐标的方式达到对电子元件的模型进行改善与优化的目的，在这一过程中可以利用磁场定向对离散两点的方向分别进行调节，再将生成的PWM 信号合理利用到转取效能方面，同时通过新型自动化电路开关来对整个电路以及电路系统中的电力设备进行有效控制，利用好交流调速控制技术，能够将电路中经常产生的复杂质量控制问题简化，从而使控制参数的变化对整个电路运行造成的影响降至最低，在最大程度上保证电力输送的稳定。

2.4 通用变频器单片机

传统使用的8位机以MSC 技术为代表，但操作难度较高，且对整个电网线路的控制效果也并不理想，同时由于其内部构建系统生产难度高，无法适应大批量生产的要求，因此并不符合长期供应市场的需求。而结合自动化技术制造的新一代单片机，不仅构件简单，且操作难度低，技术人员可以通过发布指令的方式进行大规模生产。同时单片机的适用性也更高，能够应用到普通电路和智能仪器控制当中，从而充分发挥智能信息化、自动化的优势。在不断应用过程中，结合C 语言和程序编写的功能性也可以跟随技术人员对电路控制需求而改变，因此单片机是当前集成电路优化设计的重要构成之一[4]。对单片机控制技术的提升主要通过使用IGB 元件其中的RAS 功能，不仅使单片机的信息采集与功能控制形式更加丰富，还能满足不同电网系统在使用方面的需求。但其功能控制处于电网控制中较低层次的指令使用性能，因此在使用中仍然需要技术人员将其与其他控制系统和电路元件结合在一起共同使用。目前以新型IGB 元件为主的单片机成为了电力系统控制中使用的电气自动化元件的主流。

3 电力电气自动化元件的研发路径

3.1 智能交流调速控制

在未来电力电子技术的研发中，首先需要对交流调速控制技术不断优化，这是由于交流调速控制对于整个电力系统的自动化运行和自动化元件应用都有重要意义。通常来讲，变频控制器应当与全控制电子开关进行配合，但目前有更优质的电子开关元件能够替代全控制开关，而变频控制器与新型电子开关的配合仍然需要增强。同时全控制型开关与变频控制器在性能结合的过程中需要对全控制型开关的位置设计进行稳固性优化。这是由于在电流出现较大波动时开关容易失灵，导致变频控制器的性能受到影响，导致电力系统的稳定受到影响。未来对交流调速控制技术的研发就落实到了如何使全控制型开关在电流波动和电压较大的情况下仍然能够稳定工作。在传统电力系统的发展中使用的各类电气元件本身不具备调速功能，而变频控制器和交流调速控制技术都是自动化技术发展与应用的优秀成果，未来将会有更大的发展与优化，对交流调速控制理论的研发也将不断进步。通过对智能交流调速控制软件和电子元件的研发，使其大功率化、自动化、信息化、人工智能化将成为未来电力系统研发的主要方向之一。

3.2 优化控制系统运行

早期电力系统中的自动化控制主要是通过技术人员在主系统中进行集中控制的指令操作来实现相应功能的运行，从而使电气设备与电子元件完成相应的工作，但这种较为初级的自动化操作存在明显的不足。在控制系统中将所有功能进行集中化管理统一设计，就导致系统将指令下发到对应元件后，设备需要经过整个系统的响应才能够做出回应并执行指令，这使得电气自动化控制的效率受到计算机配合工作时间的影响，也受到电力系统规模的影响，这种集中化控制还会大量占用计算机的CPU，导致电气自动化的效率降低。同时也容易导致不同电子元件在接收指令时产生相互影响。对于线路距离较近的硬件设备而言，相互之间的电流信号也容易产生冲突。而且这种集中控制方式对日常维修与养护都造成了不小的负担。

因此未来要想使自动化技术和信息化技术更加切实地与电力系统自动化控制相结合，就需要将集中控制转换为分布式的系统控制。尽管这种概念相对而言较为抽象，但其本质就是将电气系统中不同功能模块进行划分，使不同的模块单独控制技术人员通过分别下达不同的指令操作，对不同电力系统进行设计来实现电气自动化的功能模块区分。这样一来，计算机的CPU 占用得到了缓解，响应时间更短，电气设备与电子元件的工作效率更高[5]。分布式控制也能够与大数据技术相结合，通过分布式的数据库对不同电子元件的运行信息进行记录与管理，这样一来传统电力系统中自动化控制效率低，且信息过于集合，难以快速查询处理的问题就将得到极大的缓解。除此之外也能够对硬件设备的电路设计和安装进行合理优化，不仅能够为设备的日常维修与养护提供便利，还能够提升电力系统运行的安全性。

4 结束语

电力电气自动化元件的发展过程是理论与实践的结合，从理论层面的进步影响到电气元件在电力系统中应用的实践，而随着自动化技术和信息化技术发展，未来电力系统自动化也将会取得更大的改进空间。因此需要对电力电子元件不断更新迭代，通过对电力系统的有效控制，在维护电力系统高效运行的同时使电力电气自动化系统的信息化水平得到提高，使其运行稳定性得到提高，为社会经济秩序的平稳推进奠定电力工程建设层面的基础。