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浅析电气自动化技术在电气专业中的运用

发布时间:2019-11-07 12:20

  摘要:本文主要对电网的自动化发展进行讨论,从自动化技术的电网应用领域到相关的设计要求,在总结的基础上得出其配置的长处。文章的整体分成三个部分,包括了基础讲解、技术配置领域、优劣势解析等三个方面。改革开放以来,我国的社会与经济发生了翻天覆地的变化,经济社会的快速发展离不开科学研究与技术水平的提升,在电气工程领域,自动化技术的采用使得电力系统能够高效、快速、高质量的满足用户需求。随着电力系统一体化的进一步推进,国家对高层次、高技术的电力人才的需求将会进一步增长,目前国内电力相关专业的毕业生也逐年增加,两者相互促进,促使我国电力进入一个大发展的时期。

  关键词:平台开放发展 信息集约化 分布控制型应用 通信规约标准化

  1电气自动化概述

  1.1 电气自动化系统的构成

  电气自动化系统作为对一次系统进行控制优化的系统,其构成应分为一次系统相关数据参数的采集模块、一次采集数据的处理模块、已处理数据的输出模块。从功能上来讲,自动化系统中自动化技术的实现需要调度控制中心与现场自动化设备构成,两部分各司其职,分别在自动化系统中扮演不同角色,实现各自所需完成的任务。

  自动化系统的两个构成部分在具体系统事件下,根据分工不同,通过一定的控制流程,可完成对一次系统的运行参数分析以及具体事件的控制。两部分按照不同的分工可分为:首先由现场自动化设备完成一次系统运行参数及数据的采集,上送至调度控制中心;然后,调度控制中心根据从现场自动化设备收取的运行数据,运行系统应用软件,对一次系统的运行状态进行分析判断,做出控制决策;最终,调度控制中心将根据现场运行数据进行解析甄别后得到的决策,将相应的决策控制命令下发至现场自动化终端设备,对一次系统的状态进行调整控制,最终完成系统的自动化控制。

  1.2电气自动化系统的接入

  计算机通信系统的采用实现了电力系统中自动化技术的有效接入,包括了微行、中微型计算机,通过通信系统的架构,可实现一次系统相关数据参数连续的、准确的在当地进行记录,然后对采集记录的数据进行处理分析,最终反映至控制中心系统,实现电力系统的网络化以及信息化操作。

  计算机系统的引入使得电力系统中对一次设备的参数采集、存储以及处理具有更高的准确性,减小了参数值得误差,为电力自动化系统正确、合理以及精准确定系统行为状态与采取的处理措施提供关键数据支撑。电力系统自动化作为未来电力系统发展的重点,目前对自动化技术的修整、优化和研发都是实现系统发展目标的有效途径。

  1.3 电气自动化设计原则及特点

  1.3.1 电气自动化设计原则

  设计原则是自动化技术实现的基础,电力自动化设备的电气参数等需首先满足要求,这也是设计原则的前提,在进行电气设计时,方案的经济、安全、可靠是设计的基本原则,满足电气设备与机械装置的协调组合应用。

  1.3.2 电气自动化设计特点

  自动化技术在电力系统中的应用有自身的特点,构成电力自动化设备的部件都是由不同厂商提供的,如测量、计量以及保护等部分,在电气设计时需根据具体的应用场景,选取部件,通过部件的组成实现所需功能。电力自动化系统中计算机系统的加入,等同于对其配置了控制子系统,通过计算机控制子系统的参与,使得自动化控制简化、安全。

  1.4 电气自动化控制系统设计

  1.4.1 集中监控方式设计

  集中监控在电力系统自动化中的采用,使得自动化系统能够更稳定、方便的运行,相关控制系统的设计较为简单。集中监控采取的是单处理器的配置方式,整个系统自动化的实现都是经由配置的单处理器来完成,这种配置方式缺少备用处理器,单处理器的负载大,降低处理器的工作效率。

  由于伴随着监控信息的大量增加以及电气设备监控的全面性要求,随之而来的是系统冗余下降、电缆数量增加,设施处理信息能力严重滞后,影响系统的稳定性和可靠性。

  1.4.2 现场监控总线设计

  随着计算机通信技术的高速发展,其在电力系统中的采用规模也不断变大,各种通信方式并行,例如工业以太网、无源光网络、无线通信、现场监控总线等在电力自动化系统中已得到了大量配置,电力自动化设备可以方便的接入进行通信。针对于具体工程应用,现场总线的设计更有利于现场自动化终端设备的合理布局与简化配置。

  现场各种自动化设备通过接入现场监控总线实现与控制中心的通信,相互之间是独立的单元,其中任一自动化设备不能正常工作,只是相应功能退出系统,不会产生对系统的重大影响。就目前来看,现场监控总线由于具有独立性的优点,其在电力系统自动化配置最为广泛,性能最为优越。

  1.4.3 远程监控设计

  电力系统自动化系统由于具有分布范围广、涉及内容多等特点,采用远程监控的设计,调度人员一般通过可视化的人机交互界面可掌握系统的实时运行状态,并在系统发生故障时,能够及时通过远程监控系统处理各种突发故障。这种远程监控的设计模式节约了系统运行过程中所需要的人力、物力,提高了调度人员的工作效率。

  2电气自动化在电气工程中的应用

  2.1 电网调度自动化系统中的应用

  自动化技术在系统中的配置首先体现在电能调度方面,系统作为生产输送分配电能的整体,其对电能的供需由电能调度来调节,调度得当与否直接影响系统运行的经济性、可靠性、安全性等相关的参数比例。系统通过相关装置完成量测信息的采集,例如采样值、计量电能等,人机接口功能,记录事件顺序,事故定位,事故波形录制,安全评估,信息分析处理,远程操控等实现系统运作的自动化、信息化以及智能化。除去电网自动化的保护下,电力系统发生短路故障或安全事故时,电网难以迅速的做出反应处理,可能会威胁到电力系统的安全稳定运行。

  配置自动化技术的调度功能系统,称作调度自动化系统,其在整个电能生产消费的系统中起着及其重要的作用,如果电网运行过程中调度不得当,则系统可能存在崩溃的风险,因此,其自动化安全运行十分重要。

  2.1.1 电网调度自动化系统的任务

  与人体的中枢系统相似,调度功能协调整个系统各方面的平衡,以维持电网运行的稳定性,通过电能生产输送过程中不间断的调节与调控,实现系统各环节的协调、稳定、持续的运转,提升电力用户的电能服务质量。其任务包括四个部分,确保产品质量,保证系统运行的经济性,保证较高的安全水平,确保实施完善的事故处理方案。

  2.1.2 电力系统的分区、分级调度

  配置自动化技术的调度又有自己的独特性,而整个电网又有巨大的覆盖范围,因此,我们通过分级实现两者的结合。调度系统的分级也需要结合系统整体的构成以及运行的不同,通常来说是按照电压的差异或架空电缆的不同进行区分。对于大型电力系统,我国一般将调度划分为三级。分级调度结构如图3-1所示。

  图3-1 分级调度结构

  2.1.3 电网调度自动化系统的功能

  调度自动化系统中的交互数据根据数据信息的流向可分为模拟、状态信号与控制信号,其中模拟、状态信号由对一次设备监控的自动化终端装置上送至调度中心,控制信号则是由控制人员通过前置计算机的操作通过通信网传递到现场装置。

  对于系统非常重要的完成调度功能的系统,需配置具有双重功能的且能高速处理采集的数据信息的电脑系统,第一是SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition),简称为电力系统监控系统。

  如图3-2所示为调度中心功能示意图,调度中心对电力系统运行状态的实时监视是由SCADA子系统实现的,SCADA子系统负责采集所辖范围发电厂、电网的运行数据;调度自动化系统的协调功能是由协调功能子系统实现的,协调功能子系统根据从SCADA子系统接收到的实时数据,建立独自的数据库,或通过调度人员手工输入资料,完成新型数据的分析与计算。调度自动化系统的控制功能是由SCADA子系统将控制信息发送至所辖范围发电厂、电网完成。

  图3-2 EMS流程主线示意图

  如图3-2所示,包含了调度中心同远方发电厂与远方省级调度进行通信的示意。在RTU实现功能的过程中,需标准化处理输入以及输出通道的数据,同时具有容错能力,以最终完成对发电厂、变电所的运行状况的上报。

  2.2 变电站自动化系统中的应用

  为使变电所处于高效运转与合理管理的水平,在配置电力自动化设备与计算机装置的基础上,同时完成长距离的测量、状态告警、控制、调试等功能,实现自动监视、控制、测量以及保护整个变电所内的重要装置与相关线路,这种技术称作变电站自动化技术。

  为实现自动监视、控制、测量以及保护整个变电所内的重要装置与相关线路,与调度进行信息交互,采用计算机通信、电力电子以及信号处理等技术,整合设计站所内对一次设备运行进行监视、保护、控制二次装置的功能,例如互感器、保险、传感装置等,这是在自动化技术完善化配置站所过程中升级得打,目前,叫做综合的自动化技术。

  2.2.1 变电所综合自动化系统的功能

  变电站综合自动化系统本身的功能包括基本要素,实现这些基本要素的功能的系统称为子系统,所有子系统的组合构成变电站综自系统。分为监控子系统,微机保护子系统,集成控制电压与无功功率子系统,备用电源自投入以及减负载控频率子系统,数据传输子系统。

  2.2.2 变电所综合自动化系统的结构形式

  电脑、IP网络、控制手段以及微处理器等技术的更新,与变电站自动化系统的升级换代存在不可割裂的相关性。在这些高新技术的更新过程中,变电站综自系统在构架上发生变革,这也提升了系统的性能、效率以及稳定性。其结构形式按照国内外粽子系统的更新换代的历程,可分为分布结构、集中结构、分布式集中结构以及两者相结合的方式。

  2.3 配电自动化系统中的应用

  配电自动化(DA-Distribution Automation)是电力自动化技术在配电网中应用,采用先进的微机网络技术,完成配电网络智能化监控。

  为了满足电力客户对高质量电能需求的增长,电力系统中的技术不断升级革新,其中配电网作为制约电能质量的瓶颈,成为了电力相关各方面人员的关注对象,自动化在配电中的配置也在不断发展。目前国内外已经大量应用配电自动化技术,用来提高电力行业的服务满意度。

  2.3.1 配电自动化系统的分类

  采用配电自动化技术的配电系统,称作配电自动化系统DA (Distribution Automation),这包括了系统中所有独立的功能以及相互配合的功能,被看做是整体概括。与调度自动化系统中的EMS相似,配电系统同样存在管理系统,称作配电管理系统(Distribution Management System, DMS),可完成配电网系统的集中高效管理与调节。DMS依据实现的功能,可分为两大类别,包括:配电运行自动化系统与配电管理自动化系统,这两大类别又包括许多小的功能系统。分为配网自动化系统,装置管理、地理信息、自动绘图系统,生产管理系统,停电管理系统,配电管理系统

  2.3.2 配电自动化系统的功能

  与配电自动化系统分成两个大类子系统相同,配电自动化系统的功能同样分成两部分,一是运行方面功能,包括:配电线路实时监测,馈线自动化等功能,二是管理方面功能,包括事故、检修、设备、停电等事件的管理。

  电网运行方面功能有:数据采集与监控,自动故障定位、隔离与恢复供电,电压与无功控制,负荷管理

  电网管理方面的功能有:设备管理,停电管理,作业管理,检修管理,规划与设计管理

  2.3.3 配电自动化系统的构成

  图3-3 配电自动化系统构成示意图

  相似与所有的自动化类控制系统,配电系统中配置自动化技术也需按通信层级进行划分,从主站层次到现场自动化终端设备的层级,如图3-3所示。

  配电主站层次与配电子站层次以及自动化终端层次通过通信网络连接进行通信,其中配电网自动化终端装置(Distribution Remote Terminal Unit,DRTU)层次将采集的数据通过分支通信网络送至配电子站层次,一般来说配电子站层次作为数据汇集转发设备,其所体现的是一种承上启下的作用,作为主站层次与终端设备层次通信时的数据信息的中转处理中心。对于小区域的配电自动化系统,一般只包含配电主站层次与自动化终端层次,不需要子站层次进行数据转发。

  配网中的自动化终端层级所包含的设备数量是最多的,由于终端设备所要匹配的现场一次设备的不同,其也划分为不同的种类[1]。一般我们将匹配至配电系统中线路上的各种开关设备的终端,称作馈线终端,匹配至相应变电站所中的终端,称作站所终端,匹配至线路电力变压器中的终端,称作变压器终端,各种终端设备的相关英文缩略名称如图3-3所示,其顺序与上述所介绍顺序一致。

  2.3.4 配电自动化系统的作用

  将自动化技术匹配至配网有助于电力系统自动化控制的一体化工作,提升配网效率,具体的作用包括:提高供电可靠性,提高电压质量,降低线损,提高用户服务质量,提高设备利用率,提高管理效率

  2.4 发电厂分散控制自动化系统中的应用

  分层分布式的结构目前在电力系统中的应用十分广泛,其中作为电力系统中的动力部分的发电厂也存在其应用,发电场中的自动化分散控制就是此结构的相关应用体现,具体内容与其他系统类似。

  其中过程层设备即类似于变电站中的远程监控终端RTU,它能采集现场一次设备的运行数据与信息,将这些数据信息作为模拟量、开关量等信号进行输入,并经过内部微机(如单片机等)处理分析后,将处理后生成的设备运行状态结果输出至显示终端或上送至更高的层级(运行员工作站等),该设备亦能接受更高层级的控制命令或本身处理器决策的控制信息,进行执行操作。

  3电气自动化在电气工程中应用的优势

  3.1 电力设备在线监测优势

  随着电力系统规模的不断发展壮大,相关电力设备也得到了大量的应用。对于增长的电力设备规模,已经不适合采用单独监视,目前一般通过电力设备与在线监测设备的匹配,实现整体监视功能,包括采集一次电力设备的运行参数与状态,并且能够对这些参数数据进行分析处理,判断状态产生的原因,合理配置检测周期,这不仅提高了系统效率,而且延长了电力设备的寿命。

  3.2 电力设备运行管理智能化优势

  在未采用自动化技术之间,电网中的各种电力设备的检测排查都是通过相关技术人员的定期工作完成,这需要大量的人力、物力、财力,无形中也造成了电网资产的浪费。随着电力自动化相关技术的发展,对一次电力设备进行在线自动监视控制已经成为一种趋势。电力设备在匹配相关监控设备后,能够实现电力系统一体化发展,在集中与分布监控的基础上,实现系统的智能化运行与管理。这不仅提高了电力设备的管理效率,同时也推动电网的智能化发展。

  4结 论

  随着电力系统中电力相关设备配备数量的提升,对于这些电力设备的监视控制已经成为一个现实的问题。自动化技术在电力领域的应用,不仅解决了大量电力设备的监视控制问题,而且能够通过系统的集成完成除去监视控制功能以外的其他高级应用的功能,例如系统故障恢复、状态估计、负荷优化等。

  目前,与自动化技术相关的各行业也在飞速发展中,电力系统中自动化技术的研究、发展与应用已成为各界关注的热点。但是,电力系统在发展的过程中关于自动化技术的采用也遇到了许多技术瓶颈,涵盖系统的各方面,从系统层面来讲包括调度系统、变电站系统、配电系统、发电厂系统在内的电力子系统在采用自动化阶段也会遇到各种各样的问题, 例如系统负载过重处理、系统内电磁干扰等问题,因此,我们需要同时在各个子系统中进行不断的探索研究,解决目前遇到的问题,不断完善电力自动化技术在电气工程领域的应用于推广。

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