电力系统自动化发展趋势及新技术的应用
中国的电力行业目前是一派大好河山，中国是世界第一电力大国，这是大家公认的，国家在电网这一方面的投资力度也是非常大的。火电在当前仍然处于主导地位，但近来在一些有着高技术含量的气电，火电，风电，核电的建设方面，我们同样取得了巨大的成就，在火电方面，我们有三大电气集团，到去年为止，三大电力集团的生产能力已经突破了2000万千瓦，同时，我们的发电技术在世界上也是一流的，现在我可以告诉大家的是，我们可以大敞国门与其它国家进行竞争，在气电，风电，核电方面，我们承认，我们过去在这一方面在一片空白，但现在我们可以自豪地说，我们在这些方面已经取得了迅猛的发展，在国家“引进，消化，创新”的指导下，国企在这些方面已经有了的生产能力。现代社会对电能供应的“安全、可靠、经济、优质”等各项指标的要求越来越高,相应地,电力系统也不断地向自动化提出更高的要求。电力系统自动化技术不断地由低到高、由局部到整体发展。
一、电力系统自动化总的发展趋势
1.当今电力系统的自动控制技术正趋向于:
(1)在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展。 (2)在设计分析上日益要求面对多机系统模型来处理问题。 (3)在理论工具上越来越多地借助于现代控制理论。
(4)在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用。 (5)在研究人员的构成上益需要多“兵种”的联合作战。 2.整个电力系统自动化的发展则趋向于:
(1)由开环监测向闭环控制发展,例如从系统功率总加到AGC(自动发电控制)。
(2)由高电压等级向低电压扩展,例如从EMS(能量管理系统)到DMS(配电管理系统)。
(3)由单个元件向部分区域及全系统发展,例如SCADA(监测控制与数据采集)的发展和区域稳定控制的发展。
(4)由单一功能向多功能、一体化发展,例如变电站综合自动化的发展。 (5)装置性能向数字化、快速化、灵活化发展,例如继电保护技术的演变。
(6)追求的目标向最优化、协调化、智能化发展,例如励磁控制、潮流控制。
(7)由以提高运行的安全、经济、效率为完成向管理、服务的自动化扩展,例如MIS(管理信息系统)在电力系统中的应用。
近20年来,随着计算机技术、通信技术、控制技术的发展,现代电力系统已成为一个计算机(Computer)、控制(Control)、通信(Communication)和电力装备及电力电子(Power System Equiqments and Power Electronics)的统一体,简称为“CCCP”。其内涵不断深入,外延不断扩展。电力系统自动化处理的信息量越来越大,考虑的因素越来越多,直接可观可测的范围越来越广,能够闭环控制的对象越来越丰富。
在世界电力改革轰轰烈烈进行的同时，究竟哪个版本适合我们仍然是一个未知数，电网规划的方向是应该是安全，可靠，经济，节能，环保。
二、与社会发展同步的设计思想
市场经济给国家注入了活力，各个领域的变化日新月异，我们的设计思想也应及时调整。
其一，电气工程属于公用工程，过去学校里学的是苏联的模式，在计划经济下，由于钱是国家的，且国家又穷，给国家节省每一个铜板几乎成了所有设计人员的价值取向。这样设计出的系统紧紧巴巴，看起来节省了一次性投资，但是，用户稍有变动，系统便显得捉襟见肘，马上就需要扩容， 需要改造。这样，长远地看，反而浪费了财力物力，因之，合理系统应该是
参数取得宽余一些，使系统有较强的抗冲击负荷的能力，这样的系统价格性能比还是很高的。 其二，重视时间的作用。时间就是金钱，这是经济社会的铁律。对于投资商来说，你精打细算地为他设计省下的几个钱还不如早点给他图纸，让他早点开业。这样，他宁愿浪费些投资也要求你的速度。从商务角度上讲，一 个满足甲方时间要求但相对粗糙的设计要比因精打细算耽误了时间的设计更能满足甲方要求。虽然，从技术角度讲，评判标准不同。
其三，时间要求的紧迫决不意味着可以允许你出一个系统不合理的设计， 时间再紧，保证系统合理也是最重要的，否则，人家为何要花钱找你设计? 时间紧，设计可以粗一些，但只能是细节上粗，大样图可以少出，其实，具体安装，现场有经验的管道工要比设计人员更有发言权。设计人员也应给施工者发挥聪明才智的机会，对于设计人员，减轻了繁琐的劳动，施工者也有了施展才能的合理空间，何乐而不为?
其四，对规范的态度。国家规范是设计工作的准则，必须执行。但是， 由于技术进步和社会发展，规范修订的周期又太长，一些条文落后于实际工程的要求，这就要求设计人员彻底吃透规范条文的制定背景和边界条件，以便在设计工作中既遵守规范又有一定的灵活性。只要设计合理，系统优化， 在设计中可以不拘泥于个别条文的规定。
我们不应该只看到亮点，在电力建设方面我国存在的一些问题，我们也应该看到，比如说，在核电的技术引进方面，由于涉及到核反应堆，我国的动作相对来说还是比较慢的，在自主创新方面，我们同样存在着一些问题，面对这种情况，我们既不能妄自菲薄，也不能狂妄自大，我们要一分为二，坚持两条腿走路的方针，争取在电气工程领域取得更大的进步。综观中国的各项改革，我们不难发现所有成功的改革都有技术突破作为依托。
电力工业是一个十分传统的现代工业，它生产形式是典型的工业时代的生产方式，强调“分工细化”，强调“规模效益”。在单一产品的生产经营方式下，只有依靠不断扩大生产规模来进行行业优化，认为规模越大，安全系数越大，效率越高，效益越大。为了保持其规模的扩张，只得维系行业垄断经营，而垄断经营又带来了严重的社会和政治问题。这种垄断经营是由于生产方式决定的，要想打破垄断，不改变生产方式将必然造成混乱。“大机组、大电网、超高压”是不是电力工业发展的唯一正确选择？即使在电力部门内部也有很多专家存在完全不同的看法，它至少存在两个致命的问题。
第一、安全问题：2003年北美、澳洲、欧洲等地相继发生多次严重的供电系统崩溃事故，造成大面积停电。尽管电网长期以来不断开发新技术来完善电网，但是电网安全的压力非但没有降低，反而问题越发严重，事故的规模和波及的区域也随着电网的扩大而扩大。全世界的电力安全专家普遍认为，由于目前已经建立起电力生产方式，人们只能依靠一种被动的方式来保证电网安全，在自然灾害和人为破坏面前安全电网将是越来越脆弱，除非改变生产方式。欧洲已经有国家提出，建设由分布式能源和分散化电网共同保证电网安全的新方式；
第二、效率问题：从理论上说大“大机组、大电网、超高压”是效率高的，然而这仅仅是在转换和输送环节，如果从整个能源系统分析，结论并非如此。大机组发电虽然效率高，但是由于供热规模和供热半径的局限，很难实现能源的“梯级利用”，也就是说：发电后的余热无法利用，能源利用效率再高也无法与热电联产相比较。因为人类的生活和生产过程中，不仅仅是需要电，同时也会需要热和冷。即便采用当今世界上最高效率的发电技术，燃煤发电效率50%（600MW超超临界机组），天然气发电58%（300MW三压再热联合循环机组）。与之相比，采用最普通的热电技术，燃煤热电效率可以达到70%，天然气热电效率80%，而一些分布式能源可以达到90%甚至更高。超高压输电运行效率高是针对低压输电而言，而分布式能源是一种用户端能源系统，根本没有输电环节，超高压输电效率再高也是浪费能源。况且，超高压到用户端的降压等级多，每一次降压必然导致电损增加。
所以，新技术的突破和应用才是电力系统发展的关键。
三、具有变革性重要影响的三项新技术
1.电力系统的智能控制
电力系统的控制研究与应用在过去的40多年中大体上可分为三个阶段:基于传递函数的单输入、单输出控制阶段;线性最优控制、非线性控制及多机系统协制阶段;智能控制阶段。电力系统控制面临的主要技术困难有:
(1)电力系统是一个具有强非线性的、变参数(包含多种随机和不确定因素的、多种运行方式和故障方式并存)的动态大系统。
(2)具有多目标寻优和在多种运行方式及故障方式下的鲁棒性要求。
(3)不仅需要本地不同控制器间协调,也需要异地不同控制器间协制。
智能控制是当今控制理论发展的新的阶段,主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题;特别适于那些具有模型不确定性、具有强非线性、要求高度适应性的复杂系统。智能控制在电力系统工程应用方面具有非常广阔的前景,其具体应用有快关汽门的人工神经网络适应控制,基于人工神经网络的励磁、电掣动、快关综合控制系统结构,多机系统中的ASVG(新型静止无功发生器)的自学习功能等。 2.FACTS和DFACTS (1)FACTS概念的提出
在电力系统的发展迫切需要先进的输配电技术来提高电压质量和系统稳定性的时候,一种改变传统输电能力的新技术——柔性交流输电系统(FACTS)技术悄然兴起。
所谓“柔性交流输电系统”技术又称“灵活交流输电系统”技术简称FACTS,就是在输电系统的重要部位,采用具有单独或综合功能的电力电子装置,对输电系统的主要参数(如电压、相位差、电抗等)进行调整控制,使输电更加可靠,具有更大的可控性和更高的效率。这是一种将电力电子技术、微机处理技术、控制技术等高新技术应用于高压输电系统,以提高系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量,并可获取大量节电效益的新型综合技术。 (2)FACTS的核心装置之一——ASVC的研究现状
各种FACTS装置的共同特点是:基于大功率电力电子器件的快速开关作用和所组成逆变器的逆变作用。ASVC是包含了FACTS装置的各种核心技术且结构比较简单的一种新型静止无功发生器。
ASVC由二相逆变器和并联电容器构成,其输出的三相交流电压与所接电网的三相电压同步。它不仅可校正稳态运行电压,而且可以在故障后的恢复期间稳定电压,因此对电网电压的控制能力很强。与旋转同步调相机相比,ASVC的调节范围大,反应速度快,不会发生响应迟缓,没有转动设备的机械惯性、机械损耗和旋转噪声,并且因为ASVC是一种固态装置,所以能响应网络中的暂态也能响应稳态变化,因此其控制能力大大优于同步调相机。
(3)DFACTS的研究态势
随着高科技产业和信息化的发展,电力用户对供电质量和可靠性越来越敏感,电器设备的正常运行甚至使用寿命也与之越来越息息相关。可以说,信息时代对电能质量提出了越来越高的要求。
DFACTS是指应用于配电系统中的灵活交流技术,它是Hingorani于1988年针对配电网中供电质量提出的新概念。其主要内容是:对供电质量的各种问题采用综合的解决办法,在配电网和大量商业用户的供电端使用新型电力电子控制器。
3.基于GPS统一时钟的新一代EMS和动态安全监控系统 (1)基于GPS统一时钟的新一代EMS
目前应用的电力系统监测手段主要有侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波仪和侧重于系统稳态运行情况的监视控制与数据采集(SCADA)系统。前者记录数据冗余,记录时间较短,不同记录仪之间缺乏通信,使得对于系统整体动态特性分析困难;后者数据刷新间隔较长,只能用于分
析系统的稳态特性。两者还具有一个共同的不足,即不同地点之间缺乏准确的共同时间标记,记录数据只是局部有效,难以用于对全系统动态行为的分析。 (2)基于GPS的新一代动态安全监控系统
基于GPS的新一代动态安全监控系统,是新动态安全监测系统与原有SCADA的结合。电力系统新一代动态安全监测系统,主要由同步定时系统,动态相量测量系统、通信系统和信号处理机四部分组成。采用GPS实现的同步相量测量技术和光纤通信技术,为相量控制提供了实现的条件。GPS技术与相量测量技术结合的产物——PMU(相量测量单元)设备,正逐步取代RTU设备实现电压、电流相量测量(相角和幅值)。
电力系统调度监测从稳态/准稳态监测向动态监测发展是必然趋势。GPS技术和相量测量技术的结合标志着电力系统动态安全监测和实时控制时代的来临。
随着计算机技术,控制技术及信息技术的发展,电力系统自动化面临着空前的变革。多媒体技术、智能控制将迅速进入电力系统自动化领域,而信息技术的发展,不仅会推动电力系统监测的发展,也会推动电力系统控制向更高水平发展。
