电力系统中的电气自动化技术
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电力系统中的电气自动化技术 1
前言
电气自动化专业在我国最早开设于5O年代,名称为工业企业电气自动化。虽经历了几次重大的专业调整,但由于其专业面宽,适用性厂,一直到现在仍然焕发着勃勃生机。据教育部最新公布的本科专业设置目录,它属于工科电气信息类。新名称为电气二程及其自动化或自动化。
随着电力电子技术、微电子技术沟迅猛发展,原有的电力传动(电子拖动)控制的概念已经不能充分概抓现代生产自动化系流中承担第一线任务的全部控制设备。而且,电力拖动控制已经走出工厂,在交通、农场、办公室以及家用电器等领域获得了广泛运用。它的研究对象已经发展为运动控制系统,下面仅对有关电气自动化技术的新发展作一些介绍。
1、全控型电力电子开关逐步取代半控型晶闸管
5O年代末出现的晶闸管标志着运动控制的新纪元。它是第一代电子电力器件,在我国至今仍广泛用于直流和交流传动控制系统。随着交流变频技术的兴起,相继出现了全控式器件—— GTR、GTO、P—MOSEFT等。这是第二代电力电子器件。由于目前所能生产的电流/电压定额和开关时间的不同,各种器件各有其应用范围。
GTR的二次击穿现象以及其安全工作区受各项参数影响而变化和热容量小、过流能力低等问题,使得人们把主要精力放在根据不同的特性设计出合适的保护电路和驱动电路上,这也使得电路比较复杂,难以掌握。
GT0是一种用门极可关断的高压器件, 它的主要缺点是关断增益低,一般为4~5,这就需要一个十分庞大的关断驱动电路,且它的通态压降比普通晶闸管高,约为2~4.5V,开通di/dt和关断 dv/dt也是限制GTO推广运用的另一原因,前者约为500A/u s,后者约为500V/u s,这就需要一个庞大的吸收电路。
由于GTR、GT0 等双极性全控性器件必须要有较大的控制电流,因而使门极控制电路非常庞大,从而促进厂新一代具有高输入阻抗的M0S结构电力半导体器件的一切。功率 MOSFET是一种电压驱动器件,基本上不要求稳定的驱动电流,驱动电路只需要在器件开通时提供容性充电电流,而关断时提供放电电流即可,因此驱动电路很简单。它的开关时间很快,安全工作区十分稳定,但是P—MOSFET的通态电压降随着额定电压的增加而成倍增大,这就给制造高压P—MOSFET造成了很大困难。
IGBT是P—MOSFET工艺技术基础上的产物, 它兼有MOSFET高输入阻抗、高速特性和GTR大电流密度特性的混合器件。其开关速度比P—MOSFET低,但比GTR快 其通态电压降与GTR相拟约为1.5~3.5V,比P—MOSFET小得多,其关断存储时间和电流I、降时间为别为O.2~O.4 u s和O.2~1.5 s,因而有较高的工作频率,它具有宽而稳定的安个工作区,较高的效率,驱动电路简单等优点。
M0S控制晶闸管(MCT)是一种在它的单胞内集成了MOSFET的品闸管,利用M0S门来控制品闸管的开通和关断,具有晶闸管的低通态电压降,但其工作电流密度远高IGBT和GTR,在理论上可制成几千伏的阻断电压和几十千赫的开关频率,且其关断增益极高。
lGBT和MGT这一类复合型电力电子器件可以称为第三代器件。在器件的复合化的同时,模块即把变换器的双臂、半桥乃至全桥组合在一起大规模生产的器件也已进入实用。在模块化和复合化思路的基础上,其发展便是功率集成电路PIC(Power, Integrated Circute),在PIC中,不仅主回路的器件,而月驱动电路、过压过流保护、电流检测甚至温度自动控制等作用都集成到一起,形成一个整体,这可以算作第四代电力电子器件。
2、变换器电路从低频向高频方向发展
随着电力电子器件的更新,由它组成的变换器电路也必然要换代。应用普通晶闸管时,直流传功的变换器主要是相控整流,而交流变频动则是交一直一交变频器。当电力电子器件人第二代后,更多早采用PW M 变换器了、采用PW M 方式后,提高了功率因数,减少了高次谐波对电网的影响,解决了电动机在低频区的转矩脉动问题。
但是PW M 逆变器中的电压、电流的谐波分量产生的转矩脉动作用在定转子上,使电机绕组产生振动而发出噪声。为了解决这个问题,一种方法是提高开关频率,使之超过人耳能感受的范围,但是电力电子器件在高电压大电流的情况下导通或关断,开关损耗很大。开关损耗的存在限制了逆变器工作频率的提高。
3、交流调速控制理论日渐成熟
矢量控制的基本思想是仿照直流电动机的控制方式,把定子电流的磁场分量和转矩分量解祸开来,分别加以控制。这种解藕,实际上是把异步电动机的物理模型设法等效地变换成类似于直流电动机的模式,这种等效变换是借助于坐标变换完成的。它需要检测转子磁链的方向,且其性能易受转子参数,特别是转子回路时间常数的影响。加上矢量旋转变换的复杂性,使得实际的控制效果难于达到分析的结果。
大致来说,直接转矩控制,用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下分析计算与控制电流电动机的转矩。采用定子磁场定向,借助于离散的.两点式调节(Band—Band控制)产生PwM 信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。
4、通用变频器开始大量投入实用
一般把系列化、批员化、占市场量最大的中小功率如400KVA以下的变频器称为通用变频器。从产品来看,第一代是普通功能型U/F控制型,多彩用16位 CPU,第二代为高功能型U/F型,采用32位DSP,或双16位CPU进行控制,采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制拄制器. 具有挖上机和“无跳闸”能力,也称为“无跳闸变频器”。这类变频器目前占市场份额最大、第三代为高动态性能矢量控制型。
5、单片机、集成电路及工业控制计算机的发展
以MCS一51代表的8位机虽然仍占主导地位 但功能简单,指令集短小,可靠性高,保密性高,适于大批量生产的PIC系列单片机及GM$97C(二系列单片机等正在推广,而且单片机的应用范围已开始扩展至智能仪器仪表或不太复杂的工业控制场合以充分发挥单片机的优势另外,单片机的开发手段也更加丰富,除用汇编语言外,更多地是采用模块化的C语言、 PL/M 语言。
6、结束语
随着电力电子技术、微电子技术迅猛发展,原有的电力传动(电子拖动)控制的概念已经不能充分概抓现代生产自动化系流中承担第一线任务的全部控制设备。而且,电力拖动控制已经走出工厂,在交通、农场、办公室以及家用电器等领域获得了广泛运用。它的研究对象已经发展为运动控制系统,仅对有关电气自动化技术的新发展作一些介绍。
电力系统中的电气自动化技术 2
电气自动化技术是电力系统实现 “安全、高效、智能” 运行的核心支撑，通过融合电子技术、计算机控制、通信技术等，替代传统人工操作，实现电力生产、传输、配电、调度全流程的自动化监控、调节与管理。其核心价值在于提升供电可靠性、降低能耗、减少人力成本，是智能电网建设的关键基础。
一、电气自动化技术在电力系统中的核心应用场景
1. 发电环节：实现机组高效稳定运行
发电环节的自动化聚焦 “精准控制、故障预警、节能降耗”，核心应用包括：
机组自动化控制：通过 DCS（集散控制系统）对火电机组的锅炉、汽轮机、发电机进行联动控制，实时调节燃料供给、蒸汽压力、转速等参数，确保机组在额定负荷下稳定运行。例如，火电机组启动时，自动化系统可按预设流程完成 “上水→点火→升温→冲转→并网” 全步骤，避免人工操作误差导致的机组波动。
新能源发电智能化：在光伏、风电等新能源电站中，自动化系统通过 MPPT（最大功率点跟踪）技术实时追踪太阳辐照度、风速变化，动态调整光伏阵列角度、风机桨距角，最大化发电效率；同时实现并网时的电压、频率同步控制，避免对电网造成冲击。
故障诊断与预警：通过传感器采集机组振动、温度、油压等数据，结合 AI 算法分析设备健康状态，提前预警轴承磨损、绝缘老化等潜在故障。例如，水电机组的自动化系统可监测转轮叶片的振动频率，当数据超出阈值时自动报警并触发降负荷保护。
2. 输电环节：保障电网安全稳定传输
输电环节（尤其是高压、特高压电网）的自动化核心是 “状态监测、故障隔离、潮流优化”：
输电线路状态监测：利用在线监测装置（如红外测温仪、覆冰传感器、风偏监测器）实时采集线路温度、覆冰厚度、导线舞动幅度等数据，通过无线通信传输至调度中心。例如，冬季覆冰时，自动化系统可根据覆冰厚度自动触发融冰装置（如电流加热、机械除冰），防止线路断线。
继电保护自动化：采用微机型继电保护装置，实现输电线路故障的快速检测、定位与隔离。当线路发生短路故障时，系统可在 0.01-0.05 秒内识别故障类型（如单相接地、三相短路），自动断开故障线路开关，并将备用线路投入运行，减少停电时间。
电网潮流优化：通过 EMS（能量管理系统）分析全网功率流向，自动调节变压器分接头、无功补偿装置（如 SVG、SVC），平衡各条线路的负荷分布，避免线路过载或电压越限，提升输电效率。
3. 配电环节：提升供电可靠性与灵活性
配电环节（10kV 及以下电网）直接面向用户，自动化技术聚焦 “故障快速修复、用户需求响应、分布式电源接入”：
配电自动化（DA）系统：通过 FTU（馈线终端单元）、DTU（配电终端单元）实时监测配电线路的电压、电流、开关状态，实现 “故障自动定位、隔离、恢复供电”（即 “三遥” 功能：遥测、遥信、遥控）。例如，当某条支线发生故障时，系统可自动断开故障支线开关，通过环网柜将负荷转移至相邻支线，用户停电时间从传统的数小时缩短至几分钟。
分布式电源（DG）接入管理：针对用户侧光伏、储能等分布式电源，自动化系统可实时监测其出力变化，协调并网开关与电网负荷的匹配，避免分布式电源出力波动导致的配网电压波动。例如，居民屋顶光伏正午出力过高时，系统可自动将多余电能存入储能装置或反向输送至电网，实现 “自发自用、余电上网”。
用户需求响应：通过智能电表采集用户用电数据，结合电价信号（如峰谷电价），引导用户在电价低谷时段（如夜间）使用高耗能设备（如热水器、充电桩），实现削峰填谷，优化配网负荷曲线。
4. 调度环节：实现全网统一协调管理
电力调度是电力系统的 “大脑”，电气自动化技术使其从传统 “人工经验调度” 升级为 “智能优化调度”：
SCADA（监控与数据采集系统）：实时采集全网发电、输电、配电环节的运行数据（如机组出力、线路潮流、母线电压），通过可视化界面（如调度大屏）动态展示电网运行状态，为调度人员提供决策依据。
AGC（自动发电控制）：根据全网负荷变化，自动调整各发电厂的机组出力，维持电网频率稳定（我国电网额定频率为 50Hz，允许偏差 ±0.2Hz）。例如，当用电负荷突增时，系统可快速指令火电机组增加出力或启动抽水蓄能电站（调峰电源），避免频率下降。
智能调度决策：结合大数据、AI 技术分析历史负荷数据、气象数据（如气温、降水），预测未来 24-72 小时的用电负荷，优化机组组合（如优先启用风电、光伏等清洁能源，减少火电启停次数），实现 “经济调度” 与 “环保调度” 的结合。
二、电力系统电气自动化的`关键技术模块
1. 控制技术：自动化的 “执行核心”
PLC（可编程逻辑控制器）：广泛应用于变电站、配电房的开关控制、逻辑联锁（如 “断路器未断开时，隔离开关不能操作”），具有可靠性高、抗干扰能力强的特点，适合工业现场环境。
DCS（集散控制系统）：在发电厂中实现 “集中监控、分散控制”，将机组控制分为多个子系统（如锅炉控制子系统、汽机控制子系统），每个子系统独立运行，同时接受中央监控系统的统一协调，避免单点故障影响全局。
FCS（现场总线控制系统）：通过现场总线（如 Profibus、Modbus）将现场设备（传感器、执行器）与控制器直接连接，减少布线成本，提升数据传输实时性，目前已逐步替代传统的 DCS 在配电自动化中的应用。
2. 通信技术：自动化的 “神经网络”
有线通信：包括光纤通信（用于主干电网的数据传输，带宽大、抗干扰强）、工业以太网（用于变电站内部设备互联），是电网核心数据传输的主要方式。
无线通信：适用于输电线路、配电台区等不便布线的场景，包括 4G/5G（用于分布式电源监控、用户需求响应）、LoRa（用于低功耗传感器数据传输，如智能电表抄表）、微波通信（用于偏远地区变电站与调度中心的连接）。
电力专用通信协议：如 IEC 61850（变电站通信标准），实现不同厂家设备的互联互通，避免 “信息孤岛”，是智能变电站建设的关键协议。
3. 监测与传感技术：自动化的 “感知器官”
电气量监测：包括电压传感器、电流传感器、功率传感器，实时采集电网的电气参数，为控制与保护提供依据。
非电气量监测：包括温度传感器（监测变压器油温、线路接头温度）、湿度传感器（监测变电站室内湿度，防止设备绝缘受潮）、振动传感器（监测机组、变压器的振动，判断设备运行状态）、图像传感器（通过无人机巡检输电线路，识别导线断股、杆塔倾斜）。
智能电表：不仅实现用电量计量，还能实时上传用户用电数据、电压质量数据，支持远程费控（如欠费自动断电）、峰谷电价执行，是用户侧自动化的核心设备。
三、电力系统电气自动化技术的发展趋势
1. 向 “智能化” 深度升级
随着 AI、大数据技术的融入，自动化系统从 “被动响应” 向 “主动预测” 转变：例如，基于机器学习算法的电网故障预测系统，可结合设备运行年限、环境因素、历史故障数据，提前数天预测潜在故障，实现 “预防性维护”；智能调度系统可结合气象预测（如台风、高温），提前调整电网运行方式，避免极端天气导致的大面积停电。
2. 与 “新能源”“储能” 深度融合
为适应新能源高比例并网（如 “双碳” 目标下，2030 年风电、光伏装机容量将超 12 亿千瓦），自动化技术需解决新能源出力波动性问题：例如，通过 “新能源 + 储能” 协同控制，自动化系统可实时调节储能充放电功率，平抑光伏、风电的出力波动；在配网侧，自动化系统可协调分布式储能与电网负荷的互动，实现 “削峰填谷” 与 “备用电源” 双重功能。
3. 向 “泛在电力物联网” 延伸
泛在电力物联网通过 “万物互联” 实现电网与用户、设备、环境的全面连接：例如，用户侧的智能家居可通过自动化系统与电网互动，在电价高峰时自动降低空调功率；电动汽车充电桩可接受电网调度，在电网负荷低谷时集中充电，成为 “移动储能单元”；工业用户可通过自动化系统实现生产用电的实时优化，降低用电成本。
4. 强化 “安全防护” 能力
随着自动化系统的网络化、智能化，网络安全风险（如黑客攻击、病毒入侵）日益凸显：未来自动化技术将加强 “内生安全” 设计，包括加密传输（如量子通信在电网中的应用）、访问控制（如区块链技术实现设备身份认证）、异常行为检测（如通过 AI 识别恶意控制指令），确保电网自动化系统的安全可靠运行。
四、电气自动化技术对电力系统的实际价值
提升供电可靠性：通过故障自动隔离、快速恢复供电，我国电网用户平均停电时间从 2010 年的 10 小时 / 年降至 2024 年的 1.5 小时 / 年，其中自动化技术贡献占比超 60%。
降低能耗与成本：火电机组自动化控制可使发电煤耗降低 5-10 克 / 千瓦时（我国火电平均煤耗已从 2010 年的 333 克 / 千瓦时降至 2024 年的 275 克 / 千瓦时）；配电自动化可减少人工巡检成本 30%-50%。
支撑新能源消纳：自动化系统实现新能源电站的精准并网与出力调节，2024 年我国风电、光伏利用率分别达到 96.8%、98.2%，较 2015 年提升超 15 个百分点，有效解决 “弃风弃光” 问题。
推动电网向 “智能电网” 转型：电气自动化技术是智能电网的 “核心骨架”，为电网的 “源网荷储” 协同、“碳达峰碳中和” 目标实现提供了关键技术支撑。
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