陳 剛

（廣東粵電花都天然氣熱電有限公司，廣東廣州 510800）

1 電力電氣自動(dòng)化元件的應(yīng)用意義

1.1 提高生產(chǎn)效率

導(dǎo)致傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行與生產(chǎn)效率低下的主要原因，一方面是電網(wǎng)線路的不穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)問題頻發(fā)，安全隱患長(zhǎng)期存在；另一方面則是過分依賴人工操作，支出大量人力成本的同時(shí)，許多復(fù)雜工作僅依靠人力操作，需要浪費(fèi)更多的時(shí)間，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)作浪費(fèi)大量可利用的資源。尤其是在電力系統(tǒng)日常檢修維護(hù)中，若依賴人工，則不能實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)化檢測(cè)，一旦發(fā)生故障往往不能夠使技術(shù)人員及時(shí)檢查到電力系統(tǒng)中存在的問題，同時(shí)也對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)水平和電力系統(tǒng)控制技能有很高的要求。那么使用電氣自動(dòng)化元件則能夠通過自動(dòng)化程序與網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)的共享功能對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅能夠自動(dòng)完成日常檢修維護(hù)工作，還能在故障發(fā)生的第一時(shí)間將故障原因、故障發(fā)生位置、故障影響電路等關(guān)鍵信息及時(shí)發(fā)送給技術(shù)人員。對(duì)電力系統(tǒng)故障排查的工作流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化與優(yōu)化，節(jié)省人力支出的同時(shí)，也在一定程度上彌補(bǔ)了技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)不足和專業(yè)水平不足造成的缺陷，對(duì)電力系統(tǒng)生產(chǎn)效率的提升有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 穩(wěn)定電網(wǎng)線路

在變電站與發(fā)電廠生產(chǎn)過程中，電網(wǎng)線路的穩(wěn)定與否是影響到輸電狀態(tài)的重要因素，同時(shí)也是影響生產(chǎn)效率的重要因素。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)運(yùn)行中受到多重因素的影響，常常出現(xiàn)電路不穩(wěn)定和電壓變化頻率過快等風(fēng)險(xiǎn)問題，因此導(dǎo)致電力系統(tǒng)的運(yùn)行面臨著許多安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)。而應(yīng)用電氣自動(dòng)化元件則能夠保證電網(wǎng)調(diào)度的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在電流輸送的過程中，及時(shí)預(yù)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)處理等方式對(duì)電路運(yùn)行產(chǎn)生的問題快速反應(yīng)，最大程度上穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。而一旦出現(xiàn)安全事故，電氣自動(dòng)化元件則能夠在第一時(shí)間調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)類型，采取相應(yīng)的緊急預(yù)案，利用自動(dòng)化系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系方式和信息集成化優(yōu)勢(shì)，將電網(wǎng)電路的運(yùn)行信息整合處理。對(duì)于電氣工程而言，使用自動(dòng)化電氣原件是現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)電力生產(chǎn)的融合，是電力產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步。自動(dòng)化元件的信息化優(yōu)勢(shì)能夠使電網(wǎng)電路在運(yùn)行過程中與操作人員之間不斷產(chǎn)生信息往來，構(gòu)建穩(wěn)定的信息傳輸鏈，從而使操作人員對(duì)電路電網(wǎng)線路實(shí)施動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，確保電網(wǎng)運(yùn)行始終維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 降低人力需求

傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)與電力運(yùn)輸中需要通過人工操作的方式控制大量設(shè)備，對(duì)大量電力電子設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，還需要對(duì)各類線路進(jìn)行搭接和開啟關(guān)閉等操作，同時(shí)也需要人工的形式對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)督，并及時(shí)處理設(shè)備事故與線路運(yùn)行異常等問題。因此不僅消耗大量的人力，還會(huì)降低電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率。使用電氣自動(dòng)化技術(shù)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制后，人力資源的配置得到了很大程度上的優(yōu)化，同時(shí)也能夠利用自動(dòng)化技術(shù)自動(dòng)執(zhí)行電力系統(tǒng)中的許多設(shè)備操作。從這一點(diǎn)來看，電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率大大提升，尤其是在風(fēng)險(xiǎn)管控與事故處理方面，自動(dòng)化電子元件能夠在第一時(shí)間檢查風(fēng)險(xiǎn)問題并及時(shí)響應(yīng)，采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施，對(duì)設(shè)備下達(dá)指令，解決了傳統(tǒng)人工趕到現(xiàn)場(chǎng)操作的不便。除此之外，自動(dòng)化電子元件還能夠在系統(tǒng)內(nèi)高效準(zhǔn)確處理信息，避免人為操作導(dǎo)致的事故問題。隨著電力電氣自動(dòng)化元件技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，目前我國(guó)許多大型變電站與發(fā)電廠都開始不斷提升自身的自動(dòng)化水平，使變電站的管理更具有信息化特征。

2 電力電氣自動(dòng)化元件的實(shí)際應(yīng)用

2.1 電子開關(guān)的應(yīng)用

電子開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用經(jīng)歷了一段時(shí)間的發(fā)展，早期將電子開關(guān)稱作交流變頻電子開關(guān)，制作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但安全性并不高，對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行而言，存在一定程度上的不足。目前經(jīng)過自動(dòng)化技術(shù)的改造，電子開關(guān)發(fā)展成為全控制式電子開關(guān)。這種開關(guān)相比于早期傳統(tǒng)電子開關(guān)而言具有了更豐富的功能，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的控制也更加順暢。同時(shí)還能夠通過自動(dòng)化技術(shù)的接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中部分設(shè)備與線路的自動(dòng)開關(guān)與自動(dòng)程序化控制，對(duì)于電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率有非常顯著的提升。因此電子開關(guān)可以看作是在電力系統(tǒng)中最早一批得到應(yīng)用的電力電氣自動(dòng)化元件。

隨著自動(dòng)化技術(shù)與電力電子技術(shù)的共同進(jìn)步，目前已經(jīng)將全控制式電子開關(guān)研發(fā)改進(jìn)成為復(fù)合型電子開關(guān)，不僅性能更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)便，安全性能也更高，對(duì)于電力系統(tǒng)的電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有更強(qiáng)的維護(hù)效果[3]。復(fù)合型電子開關(guān)在運(yùn)行中采用的是，并聯(lián)方式電流的接通與斷開都能實(shí)現(xiàn)零投切，因此在正常接通的情況下，復(fù)合型電子開關(guān)能夠保持零功耗，不僅節(jié)省了大量電力能源，也能保證在各種不同電力系統(tǒng)中得到穩(wěn)定應(yīng)用，因此成為了當(dāng)下主流使用的電子開關(guān)。

2.2 高頻變換器電路

電力生產(chǎn)中需要不斷將電氣設(shè)備元件進(jìn)行優(yōu)化，將現(xiàn)代新型電子技術(shù)與信息化技術(shù)結(jié)合到電子設(shè)備原件的改進(jìn)中來，能夠使電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率得到切實(shí)提升，也能夠通過對(duì)電設(shè)備元件變換器的改進(jìn)使電路運(yùn)行更加穩(wěn)定。目前自動(dòng)化技術(shù)在變換器的改進(jìn)應(yīng)用中主要是實(shí)現(xiàn)低頻變換器電路向高頻方向的轉(zhuǎn)變與發(fā)展，傳統(tǒng)的半控制晶匣管技術(shù)盡管能夠?qū)﹄娏鬟M(jìn)行自動(dòng)控制，但主要是通過直流傳動(dòng)變換器實(shí)現(xiàn)的，而利用高頻改進(jìn)的變換器電路和電力電子元件能夠大大提升元件的運(yùn)行功率，能夠解決電動(dòng)機(jī)的電容的轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的問題。目前較為常見的高頻變換器電路屬于諧振式直流逆變器電路，不僅能夠滿足電力運(yùn)行的供應(yīng)需求，還能使變換器與電路之間的聯(lián)系更加緊密，同時(shí)也能夠利用PWM 變換器使電壓和電流在電力系統(tǒng)中自動(dòng)改變，從而有效維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定和安全性，但目前這種高頻變換器電路也有缺點(diǎn)，當(dāng)電氣元件處在高電壓狀態(tài)下時(shí)，容易發(fā)生斷電問題，那么未來的變換器改進(jìn)方向就將是解決高電壓狀態(tài)下電氣元件運(yùn)行不穩(wěn)定的缺陷。

2.3 交流調(diào)速控制

目前我國(guó)在電力系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)當(dāng)中使用的交流調(diào)速控制理論主要是根據(jù)矢量控制基礎(chǔ)理論分析演化整合得來的，這些理論內(nèi)容在不斷實(shí)踐過程中也在不斷豐富與完善。目前交流調(diào)速控制理論主張的電力系統(tǒng)運(yùn)行方式是通過仿照直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，而交流調(diào)速控制理論中對(duì)解耦方式的應(yīng)用，不僅能夠?qū)惒诫妱?dòng)機(jī)的物理模型轉(zhuǎn)換為直流形式，還能夠?qū)D(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)。因此通過自動(dòng)化技術(shù)對(duì)交流調(diào)速控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流的控制。具體來講，需要通過轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量?jī)煞矫鎸?duì)整個(gè)電路實(shí)施控制，并通過矢量控制將二者進(jìn)行分離。同時(shí)也要合理運(yùn)用直流電動(dòng)機(jī)，通過改變坐標(biāo)的方式達(dá)到對(duì)電子元件的模型進(jìn)行改善與優(yōu)化的目的，在這一過程中可以利用磁場(chǎng)定向?qū)﹄x散兩點(diǎn)的方向分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，再將生成的PWM 信號(hào)合理利用到轉(zhuǎn)取效能方面，同時(shí)通過新型自動(dòng)化電路開關(guān)來對(duì)整個(gè)電路以及電路系統(tǒng)中的電力設(shè)備進(jìn)行有效控制，利用好交流調(diào)速控制技術(shù)，能夠?qū)㈦娐分薪?jīng)常產(chǎn)生的復(fù)雜質(zhì)量控制問題簡(jiǎn)化，從而使控制參數(shù)的變化對(duì)整個(gè)電路運(yùn)行造成的影響降至最低，在最大程度上保證電力輸送的穩(wěn)定。

2.4 通用變頻器單片機(jī)

傳統(tǒng)使用的8位機(jī)以MSC 技術(shù)為代表，但操作難度較高，且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)線路的控制效果也并不理想，同時(shí)由于其內(nèi)部構(gòu)建系統(tǒng)生產(chǎn)難度高，無法適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求，因此并不符合長(zhǎng)期供應(yīng)市場(chǎng)的需求。而結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)制造的新一代單片機(jī)，不僅構(gòu)件簡(jiǎn)單，且操作難度低，技術(shù)人員可以通過發(fā)布指令的方式進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)單片機(jī)的適用性也更高，能夠應(yīng)用到普通電路和智能儀器控制當(dāng)中，從而充分發(fā)揮智能信息化、自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。在不斷應(yīng)用過程中，結(jié)合C 語(yǔ)言和程序編寫的功能性也可以跟隨技術(shù)人員對(duì)電路控制需求而改變，因此單片機(jī)是當(dāng)前集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要構(gòu)成之一[4]。對(duì)單片機(jī)控制技術(shù)的提升主要通過使用IGB 元件其中的RAS 功能，不僅使單片機(jī)的信息采集與功能控制形式更加豐富，還能滿足不同電網(wǎng)系統(tǒng)在使用方面的需求。但其功能控制處于電網(wǎng)控制中較低層次的指令使用性能，因此在使用中仍然需要技術(shù)人員將其與其他控制系統(tǒng)和電路元件結(jié)合在一起共同使用。目前以新型IGB 元件為主的單片機(jī)成為了電力系統(tǒng)控制中使用的電氣自動(dòng)化元件的主流。

3 電力電氣自動(dòng)化元件的研發(fā)路徑

3.1 智能交流調(diào)速控制

在未來電力電子技術(shù)的研發(fā)中，首先需要對(duì)交流調(diào)速控制技術(shù)不斷優(yōu)化，這是由于交流調(diào)速控制對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行和自動(dòng)化元件應(yīng)用都有重要意義。通常來講，變頻控制器應(yīng)當(dāng)與全控制電子開關(guān)進(jìn)行配合，但目前有更優(yōu)質(zhì)的電子開關(guān)元件能夠替代全控制開關(guān)，而變頻控制器與新型電子開關(guān)的配合仍然需要增強(qiáng)。同時(shí)全控制型開關(guān)與變頻控制器在性能結(jié)合的過程中需要對(duì)全控制型開關(guān)的位置設(shè)計(jì)進(jìn)行穩(wěn)固性優(yōu)化。這是由于在電流出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)開關(guān)容易失靈，導(dǎo)致變頻控制器的性能受到影響，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定受到影響。未來對(duì)交流調(diào)速控制技術(shù)的研發(fā)就落實(shí)到了如何使全控制型開關(guān)在電流波動(dòng)和電壓較大的情況下仍然能夠穩(wěn)定工作。在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的發(fā)展中使用的各類電氣元件本身不具備調(diào)速功能，而變頻控制器和交流調(diào)速控制技術(shù)都是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的優(yōu)秀成果，未來將會(huì)有更大的發(fā)展與優(yōu)化，對(duì)交流調(diào)速控制理論的研發(fā)也將不斷進(jìn)步。通過對(duì)智能交流調(diào)速控制軟件和電子元件的研發(fā)，使其大功率化、自動(dòng)化、信息化、人工智能化將成為未來電力系統(tǒng)研發(fā)的主要方向之一。

3.2 優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行

早期電力系統(tǒng)中的自動(dòng)化控制主要是通過技術(shù)人員在主系統(tǒng)中進(jìn)行集中控制的指令操作來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的運(yùn)行，從而使電氣設(shè)備與電子元件完成相應(yīng)的工作，但這種較為初級(jí)的自動(dòng)化操作存在明顯的不足。在控制系統(tǒng)中將所有功能進(jìn)行集中化管理統(tǒng)一設(shè)計(jì)，就導(dǎo)致系統(tǒng)將指令下發(fā)到對(duì)應(yīng)元件后，設(shè)備需要經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)才能夠做出回應(yīng)并執(zhí)行指令，這使得電氣自動(dòng)化控制的效率受到計(jì)算機(jī)配合工作時(shí)間的影響，也受到電力系統(tǒng)規(guī)模的影響，這種集中化控制還會(huì)大量占用計(jì)算機(jī)的CPU，導(dǎo)致電氣自動(dòng)化的效率降低。同時(shí)也容易導(dǎo)致不同電子元件在接收指令時(shí)產(chǎn)生相互影響。對(duì)于線路距離較近的硬件設(shè)備而言，相互之間的電流信號(hào)也容易產(chǎn)生沖突。而且這種集中控制方式對(duì)日常維修與養(yǎng)護(hù)都造成了不小的負(fù)擔(dān)。

因此未來要想使自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)更加切實(shí)地與電力系統(tǒng)自動(dòng)化控制相結(jié)合，就需要將集中控制轉(zhuǎn)換為分布式的系統(tǒng)控制。盡管這種概念相對(duì)而言較為抽象，但其本質(zhì)就是將電氣系統(tǒng)中不同功能模塊進(jìn)行劃分，使不同的模塊單獨(dú)控制技術(shù)人員通過分別下達(dá)不同的指令操作，對(duì)不同電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)電氣自動(dòng)化的功能模塊區(qū)分。這樣一來，計(jì)算機(jī)的CPU 占用得到了緩解，響應(yīng)時(shí)間更短，電氣設(shè)備與電子元件的工作效率更高[5]。分布式控制也能夠與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，通過分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)不同電子元件的運(yùn)行信息進(jìn)行記錄與管理，這樣一來傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中自動(dòng)化控制效率低，且信息過于集合，難以快速查詢處理的問題就將得到極大的緩解。除此之外也能夠?qū)τ布O(shè)備的電路設(shè)計(jì)和安裝進(jìn)行合理優(yōu)化，不僅能夠?yàn)樵O(shè)備的日常維修與養(yǎng)護(hù)提供便利，還能夠提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力電氣自動(dòng)化元件的發(fā)展過程是理論與實(shí)踐的結(jié)合，從理論層面的進(jìn)步影響到電氣元件在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)踐，而隨著自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)發(fā)展，未來電力系統(tǒng)自動(dòng)化也將會(huì)取得更大的改進(jìn)空間。因此需要對(duì)電力電子元件不斷更新迭代，通過對(duì)電力系統(tǒng)的有效控制，在維護(hù)電力系統(tǒng)高效運(yùn)行的同時(shí)使電力電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的信息化水平得到提高，使其運(yùn)行穩(wěn)定性得到提高，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)秩序的平穩(wěn)推進(jìn)奠定電力工程建設(shè)層面的基礎(chǔ)。