林 杰 ，溫 歡 ，李博浩 ，劉婧雯

（1.甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018；3.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020；4.大型電氣傳動系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，甘肅天水741020）

1 引言

電力系統(tǒng)自動化是實現(xiàn)對電能生產(chǎn)、傳輸、管理的自動控制、自動調(diào)度和自動管理。電力系統(tǒng)自動化的領(lǐng)域包括生產(chǎn)的自動檢測、調(diào)節(jié)和控制，系統(tǒng)和元件的自動安全保護，網(wǎng)絡(luò)信息的自動傳輸，系統(tǒng)生產(chǎn)的自動調(diào)度以及企業(yè)的自動化經(jīng)濟管理等。電力系統(tǒng)自動化的主要目標(biāo)是保證供電的電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)運行的安全可靠，提高經(jīng)濟效益和管理效能。

2 電力系統(tǒng)自動化的原理及分類

電力系統(tǒng)自動化的基本原理是應(yīng)用計算機、網(wǎng)絡(luò)通信和電力電子技術(shù)，對發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等環(huán)節(jié)運行數(shù)據(jù)進行采集、處理、分析和記錄，實現(xiàn)自動檢測和決策，完成對各管理區(qū)域內(nèi)電力設(shè)備的就地或遠方監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。

電力系統(tǒng)自動化按管理區(qū)域分為：發(fā)電廠自動化、變電站（換流站）自動化、配電自動化、調(diào)度自動化。

2.1 發(fā)電廠自動化

發(fā)電廠自動化包括分散控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.1.1 分散控制系統(tǒng)DCS

分散控制系統(tǒng)DCS完成數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、.順序控制、爐膛安全監(jiān)控等功能，可以滿足各種運行工況的要求，確保機組安全穩(wěn)定運行。

DCS包括鍋爐、汽輪發(fā)電機組、除氧、給水、減溫、減壓等控制系統(tǒng)，可分為針對電廠鍋爐、汽輪機和發(fā)電機幾大主機的控制和針對水務(wù)系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等的輔助控制。圖1為DCS的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 DCS的結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 電氣控制系統(tǒng)ECS

電氣控制系統(tǒng)ECS為分層分布式結(jié)構(gòu)，作為獨立的監(jiān)控系統(tǒng)，是電廠DCS的輔助監(jiān)控手段，實現(xiàn)對啟動/備用變壓器、廠用變壓器、直流電源、UPS等設(shè)備的監(jiān)控，并把信息傳送給DCS。

ECS包括站控層、通信控制層、間隔設(shè)備層。

（1）站控層由各個主站系統(tǒng)構(gòu)成，是整個ECS系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個ECS的數(shù)據(jù)收集、處理、顯示、監(jiān)視功能，并且經(jīng)過相應(yīng)授權(quán)，能對相應(yīng)的設(shè)備進行控制。

（2）通信控制層主要包括各個通信裝置，具有通信和控制功能。

（3）間隔設(shè)備層由保護和自動裝置構(gòu)成，具有測量、控制、保護、信號、通信等基本功能。

2.1.3 升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS

升壓站網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS采用了分層分布式結(jié)構(gòu)，具備對廠內(nèi)升壓站系統(tǒng)的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)，進行遠方監(jiān)控，對升壓站系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)進行測量、加工和傳輸?shù)裙δ埽瑫r具備發(fā)電廠自動發(fā)電控制和自動無功控制功能以及負荷自動分配等高級應(yīng)用功能，與DCS實現(xiàn)相互跟蹤、互相傳遞信息。

2.2 變電站（換流站）自動化系統(tǒng)

2.2.1 變電站自動化系統(tǒng)

變電站自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，與變電站二次設(shè)備進行信息交互，實現(xiàn)對變電站主要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、信息測量和操作控制。

變電站自動化系統(tǒng)一般分為站控層、網(wǎng)絡(luò)層和間隔層。站控層包括監(jiān)控系統(tǒng)、遠動系統(tǒng)、故障錄波和保護信息管理子站等，主要完成站內(nèi)數(shù)據(jù)的記錄、分析、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)監(jiān)視、控制、管理功能；網(wǎng)絡(luò)層主要完成站控層和間隔層的信息交互；間隔層包括保護裝置、測量裝置和其他自動裝置，實現(xiàn)保護、測量和控制功能。圖2所示為典型變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 典型變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 換流站自動化系統(tǒng)

換流站自動化系統(tǒng)主要功能：實現(xiàn)停、送直流功率；控制直流功率的傳輸方向和大??；處理和抑制換流器不正常運行及交、直流系統(tǒng)干擾所造成的影響；發(fā)生故障時保護換流站的設(shè)備；檢測換流站的各種運行參量，監(jiān)視控制系統(tǒng)本身的運行信息；與遠方調(diào)度中心進行通信。

換流站自動化系統(tǒng)包括運行人員控制層、控制層、現(xiàn)場層以及各層之間的通信網(wǎng)絡(luò)。

（1）運行人員控制層是由運行人員控制系統(tǒng)、遠動控制接口、保護及故障錄波信息子站等子系統(tǒng)組成的計算機后臺監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）控制層由直流控制系統(tǒng)、直流保護系統(tǒng)、交/直流站控系統(tǒng)構(gòu)成，是整個換流站自動化系統(tǒng)的控制管理中心，完成對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、處理功能，并對系統(tǒng)的運行進行控制和保護。

（3）現(xiàn)場層主要包含交流開關(guān)場，交流濾波器場，直流場的就地測控裝置及直流參量采集裝置等，具備完善的測量、監(jiān)視與控制功能。圖3為典型換流站自動化系統(tǒng)的配置圖。

圖3 典型換流站自動化系統(tǒng)配置圖

2.2.3 智能變電站系統(tǒng)

智能變電站系統(tǒng)是采用標(biāo)準(zhǔn)、先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和檢測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的新一代變電站系統(tǒng)。

智能變電站系統(tǒng)分為站控層。間隔層和過程層，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。站控層包括自動化站級監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等，實現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制（SCADA）、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關(guān)功能。

間隔層設(shè)備一般指繼電保護裝置、系統(tǒng)測量裝置、檢測功能組合IED等二次設(shè)備，實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用與該間隔一次設(shè)備的功能，即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。過程層包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨立的智能電子裝置。

圖4 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 配電自動化系統(tǒng)

配電自動化系統(tǒng)主要應(yīng)用于配電網(wǎng)設(shè)備的檢測與控制。通過將配電網(wǎng)運行狀況的實時信息、設(shè)備信息、運行維護狀況、電網(wǎng)分析參數(shù)、地理信息等進行安全有效集成，使配電自動化與配電生產(chǎn)指揮集成一體，構(gòu)成完整配電自動化及調(diào)度運行管理的綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)正常運行及事故狀態(tài)下的檢測、控制和運行管理。

配電自動化系統(tǒng)需要與輸電網(wǎng)調(diào)度自動化、配電地理信息、生產(chǎn)管理等應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)，以獲得相關(guān)的配電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成完整的配電網(wǎng)模型。配電自動化支持基于全網(wǎng)拓撲的配電分析應(yīng)用功能，以滿足配電網(wǎng)調(diào)度和運行管理、計劃檢修和故障搶修等配電生產(chǎn)指揮的需求。圖5為典型的配電自動化主站配置圖。

圖5 典型的配電自動化主站配置圖

2.4 調(diào)度自動化系統(tǒng)

調(diào)度自動化系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度機構(gòu)的級別一般分為國家調(diào)度自動化系統(tǒng)、大區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)、省級調(diào)度自動化系統(tǒng)、地區(qū)調(diào)度自動化系統(tǒng)、縣級調(diào)度自動化系統(tǒng)。

典型的調(diào)度自動化系統(tǒng)一般劃分為位于安全區(qū)Ⅰ的主系統(tǒng)、安全區(qū)Ⅱ的調(diào)度員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)DTS和安全區(qū)Ⅲ的Web子系統(tǒng)。

2.4.1 主系統(tǒng)主要包括冗余局域子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通信子系統(tǒng)、各種應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)與人機界面子系統(tǒng)。

（1）局域網(wǎng)子系統(tǒng)采用冗余的雙交換式局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，大型用戶可以采用三層交換功能的企業(yè)級或部門級交換機。通過雙網(wǎng)冗余配置，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

（2）數(shù)據(jù)采集和通信子系統(tǒng)作為調(diào)度自動化系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)輸入、輸出的中心，主要承擔(dān)了實時數(shù)據(jù)通信處理任務(wù)?；竟δ苡尚畔⒔粨Q、命令傳遞、規(guī)約的組織和解釋、通道的編碼與解碼、衛(wèi)星對時等、

（3）應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、自動發(fā)電控制、能量管理高級應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控用于實現(xiàn)完整的、高性能的實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，為其應(yīng)用提供全方位、高可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)；自動發(fā)電控制子系統(tǒng)完成自動發(fā)電控制功能，提供發(fā)電的監(jiān)視、調(diào)度和控制；能量管理高級應(yīng)用軟件是調(diào)度自動化系統(tǒng)的核心，主要用于電網(wǎng)運行狀態(tài)的分析、控制策略的制定和輔助決策等，是電網(wǎng)運行的神經(jīng)中樞和調(diào)度指揮司令部。

（4）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)子系統(tǒng)主要完成歷史數(shù)據(jù)存儲、管理，歷史數(shù)據(jù)管理的所有功能都基于關(guān)系型商用數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。

（5）維護人員通過人機界面子系統(tǒng)可以進行模型維護、圖形維護、運行維護，調(diào)度員通過圖形瀏覽器、告警窗口進行系統(tǒng)的監(jiān)控。

2.4.2 DTS數(shù)字仿真系統(tǒng)主要用于在電網(wǎng)正常、事故、恢復(fù)控制下對調(diào)度人員進行培訓(xùn)，也可以用于各種運行方式的分析，協(xié)助遠方人員制定安全的系統(tǒng)運行方式。

2.4.3 安全Web子系統(tǒng)配置在安全Ⅲ區(qū)，配置Web服務(wù)器。安全Ⅰ區(qū)的數(shù)據(jù)通過電力專用正向隔離裝置傳送至Web服務(wù)器，客戶端通過Web瀏覽器進行圖形瀏覽、告警查詢、歷史信息查詢等。圖6為典型的調(diào)度自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖6 典型的調(diào)度自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電力系統(tǒng)自動裝置

電力系統(tǒng)自動裝置是指為電力系統(tǒng)提供自動檢測、決策和控制功能的裝置，它通過高效快速的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對單個元件、局部系統(tǒng)或全系統(tǒng)的運行情況進行就地或遠方的自動檢測、調(diào)節(jié)和控制，以保證電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟運行。

自動裝置通常包括備用電源和備用自動投入裝置、廠用快速切換裝置、輸電線路自動重合閘裝置、同步發(fā)電機自動并列裝置、同步發(fā)電機勵磁自動調(diào)節(jié)裝置、電力系統(tǒng)頻率和有功功率自動調(diào)節(jié)裝置、故障錄波裝置等。

通常將實現(xiàn)按頻率自動減負荷、按電壓自動減負荷、自動解列和某些備用電源和備用自動投入等功能的裝置稱為安全自動裝置，也稱為安全穩(wěn)定控制裝置。安全穩(wěn)定控制裝置是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第二、第三道防線，在我國電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用，為提高供電可靠性和輸送能力，避免發(fā)生大面積停電事故發(fā)揮了重要作用。本節(jié)以安全穩(wěn)定控制裝置為代表簡介電力系統(tǒng)自動裝置。

3.1 基本原理

安全穩(wěn)定控制裝置主要針對電力系統(tǒng)的系統(tǒng)性事故采取相應(yīng)對策，現(xiàn)以它的控制實現(xiàn)過程為例簡單介紹自動裝置的基本原理。

安全穩(wěn)定控制裝置由五部分組成，分別為檢測單元、判斷單元、決策單元、執(zhí)行單元、通信單元。其中，檢測單元用于實時測量、存儲變電站或者電廠的電氣量和開關(guān)量信息；判斷單元根據(jù)裝置預(yù)設(shè)的算法對這些信息進行分析處理，并識別故障類型，啟動后續(xù)功能單元；決策單元根據(jù)故障類型，選定合適的控制措施，并將控制量下發(fā)給執(zhí)行單元；執(zhí)行單元直接給元件下發(fā)控制命令及具體控制量（控制命令有兩種獲取方式，一種是查找本裝置自帶的控制策略，另一種是通過遠方控制主站進行通信，獲取綜合的控制策略）；通信單元用于不同安全穩(wěn)定控制裝置之間的通信和聯(lián)系，及時傳送電氣信息和相應(yīng)的控制策略。下圖7所示為安全穩(wěn)定控制裝置基本原理示意圖。

圖7 安全穩(wěn)定控制裝置基本原理示意圖

3.2 安全穩(wěn)定控制裝置的分類

在電力系統(tǒng)中使用的安全穩(wěn)定控制裝置，根據(jù)其實現(xiàn)的功能和控制的范圍可分為區(qū)域型、就地型和其他安全穩(wěn)定控制裝置。

3.2.1 區(qū)域型安全穩(wěn)定控制裝置

圖8 區(qū)域型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

為了解決一個區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定問題而安裝在兩個或兩個以上廠站的分布式安全穩(wěn)定控制裝置，經(jīng)信息通道和通信接口設(shè)備聯(lián)系在一起組成了區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)。區(qū)域型控制系統(tǒng)，通常由一個主站、若干個子站和若干個終端站組成。圖8為區(qū)域型安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2.2 就地型安全穩(wěn)定控制裝置

就地型安穩(wěn)控制裝置單獨安裝在一個廠站，與其他安穩(wěn)控制裝置之間不交換信息，且沒有通信聯(lián)系，解決的是本廠站母線、主變壓器或出線故障時出現(xiàn)的安全穩(wěn)定問題。按頻率自動減負荷、按電壓自動減負荷、失步解列是典型的就地型安穩(wěn)控制裝置具備的功能。目前，在電網(wǎng)運行中使用的有SCS-500分布式安穩(wěn)控制裝置、SCS-200A頻率電壓緊急控制裝置等。

3.2.3 其他安全穩(wěn)定控制裝置

其他安穩(wěn)控制裝置指故障解列裝置、備用電源自動投入裝置等。

（1）故障解列裝置：其主要作用是在系統(tǒng)發(fā)生各類故障或者穩(wěn)定破壞時，參照系統(tǒng)電壓、頻率等運行參數(shù)的變化，將系統(tǒng)有計劃、有步驟地解列為若干個部分，以達到有效防止事故范圍擴大的目的。

故障解列裝置常見的功能有失步解列、低頻解列、低壓解列等。常用的有WJE-821A型微機故障解列裝置。

（2）備用電源自動投入裝置

為了提高電力系統(tǒng)中重要負荷的供電可靠性，往往采用兩個或多個電源供電，同時裝設(shè)備用電源自動投入裝置（簡稱備自投裝置）。

備自投裝置是當(dāng)主供電源發(fā)生故障時，在工作母線失去電源后迅速地將備用電源自動投入以保證系統(tǒng)正常運行的安全穩(wěn)定控制裝置。常用的有WBT-821A型微機備自投裝置。

4 技術(shù)展望與結(jié)語

隨著具有信息化、自動化、互動化特征的堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的快速推進，統(tǒng)一建模技術(shù)、空間信息技術(shù)以及適應(yīng)大規(guī)模新能源接入的運行控制技術(shù)和適應(yīng)PMU采集裝置普及的海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，成為發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)自動化系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。同時，在自動裝置的研制方面，功能集成、通信標(biāo)準(zhǔn)和接口統(tǒng)一的智能安全穩(wěn)定控制裝置是未來的研究方向。