上海電力大學(xué) 朱 恒 西門子電機(jī)(中國)有限公司 王定軍

隨著科技的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，電能正逐步取代石油、煤炭等化石能源，在工業(yè)體系、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及居民生活中的應(yīng)用越來越廣泛，成為當(dāng)前時(shí)代背景下能源結(jié)構(gòu)中極其重要的組成部分。保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性及與社會(huì)生產(chǎn)力的匹配性，對于維持社會(huì)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、科技不斷進(jìn)步以及社會(huì)生產(chǎn)力不斷提高的背景下，對電力系統(tǒng)要求也越來越高。緊隨時(shí)代發(fā)展特征，將自動(dòng)化技術(shù)與工業(yè)智能引入電力系統(tǒng)中從而提高現(xiàn)代電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，同時(shí)強(qiáng)化對電力系統(tǒng)的控制，有助于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在安全性、經(jīng)濟(jì)性及效率等方面的提升，對保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展也具有重要意義[1]。

1 電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制概述及發(fā)展方向

現(xiàn)代電力的自動(dòng)化系統(tǒng)主要由變電站自動(dòng)化、區(qū)域電網(wǎng)監(jiān)測自動(dòng)化以及負(fù)荷自動(dòng)化控制等內(nèi)容組成[2]。其中，區(qū)域電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測類似于電網(wǎng)調(diào)度中心的調(diào)度系統(tǒng)，也主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來控制；變電站自動(dòng)化則是通過微型可編程控制器的使用實(shí)現(xiàn)變電站無人值班的方式來實(shí)現(xiàn)的；負(fù)荷自動(dòng)化控制，主要指通過生產(chǎn)管理與輔助決策、發(fā)電廠運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，以及電力企業(yè)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)等自動(dòng)化軟件的控制與一些工頻硬件協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)調(diào)控[3-4]。

如圖1所示，電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性預(yù)防體系主要由安全性保障體系與穩(wěn)定性保障體系構(gòu)成。安全性與穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)的兩項(xiàng)極其重要的指標(biāo)，電力系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性體系的建設(shè)水平直接關(guān)系到現(xiàn)代電力系統(tǒng)的社會(huì)效益與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。將自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、自主響應(yīng)以及自主決策技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，即可在信息技術(shù)的支持下實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與智能化管理。

隨著各種新技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。為保證電力系統(tǒng)具有良好的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)為工農(nóng)業(yè)發(fā)展與居民生活提供可靠的電力供應(yīng)，就需通過自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量。

需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)前自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)體系中的應(yīng)用越來越成熟，正逐步開始向智能化的方向演變，也推動(dòng)著電力企業(yè)的重大變革[5]。隨著各類新興技術(shù)特別是大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)及數(shù)字云技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正經(jīng)歷著重大變革，其顯著特征就是在安全性、主動(dòng)適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性及效率等方面實(shí)現(xiàn)了顯著優(yōu)化。

二次設(shè)備的安全性要求不斷提高。電力系統(tǒng)中二次設(shè)備與電能的轉(zhuǎn)換與輸送無直接的關(guān)聯(lián)，主要用于完成針對一次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、電量統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行保護(hù)以及系統(tǒng)調(diào)節(jié)等功能。實(shí)際上，二次設(shè)備在電力系統(tǒng)中主要用作通信模塊、安全保護(hù)模塊以及傳輸模塊之間的銜接。隨著工農(nóng)業(yè)業(yè)生產(chǎn)對自動(dòng)化系統(tǒng)安全性要求的不斷提高，二次設(shè)備的功能得到不斷的補(bǔ)充與完善，在電力系統(tǒng)中的作用也越來越顯著。

自動(dòng)化與控制的性能與功能要求不斷提高。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，各類功能元件的集成度也越來越高，相應(yīng)的對電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)的要求也不斷提高，以往功能結(jié)構(gòu)相對簡單的自動(dòng)化與控制技術(shù)，已經(jīng)逐漸不再適用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展。因此，通過優(yōu)化自動(dòng)化與控制系統(tǒng)中的各類功能模塊與電力系統(tǒng)的匹配性，對于滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)不斷增加的功能要求與日益提高的性能要求來說至關(guān)重要。

2 電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制的主要技術(shù)

隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷擴(kuò)大及電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對系統(tǒng)自動(dòng)化與控制的要求也不斷提高。為了更好適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，需要加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)共享，將模糊控制技術(shù)、專家控制技術(shù)以及神經(jīng)控制技術(shù)等新技術(shù)與電力系統(tǒng)進(jìn)行深度融合。

2.1 專家控制技術(shù)

專家控制在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中具有較為成熟的應(yīng)用，常用于故障診斷、過程控制以及工業(yè)設(shè)計(jì)中，將其應(yīng)用電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制中可以有效解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中面臨的一些疑難問題。專家控制系統(tǒng)的構(gòu)建需以海量專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)積累為基礎(chǔ)，其主要包括知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋以及知識獲取等結(jié)構(gòu)組成。在近年來人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等信息技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，信息的定向流動(dòng)與統(tǒng)計(jì)變得更加高效而精準(zhǔn)，客觀上使得專家控制技術(shù)的推理與決策更加成熟。

2.2 神經(jīng)控制技術(shù)

即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，可通過以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為媒介對一些非線性研究對象進(jìn)行建模分析，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制、優(yōu)化計(jì)算、推理與決策以及故障診斷等功能。將神經(jīng)控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制的優(yōu)化中能夠起到以下四種作用：提高電力系統(tǒng)自動(dòng)化單元研究對象的控制精度；在電力系統(tǒng)反饋控制模塊中完成控制器的功能；實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制單元的計(jì)算優(yōu)化；與電力系統(tǒng)中其他自動(dòng)化技術(shù)與控制算法融合，從而實(shí)現(xiàn)更加智能與高效的性能。

2.3 模糊控制技術(shù)

模糊控制及模糊邏輯控制技術(shù)是基于模糊數(shù)學(xué)理論發(fā)展起來的一種智能化控制方法，其本質(zhì)上屬于非線性控制，在現(xiàn)代化智能控制領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重要的作用。模糊控制技術(shù)誕生自上世紀(jì)70年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)形成了較為完整的理論體系，在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中也具有較為廣泛的應(yīng)用。在常規(guī)的控制領(lǐng)域中，描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的變量越精確、則針對系統(tǒng)的控制精度也就越高。但對于電力系統(tǒng)這種規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)而言，用于描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量較多，很難對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的描述，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用其中能夠起到簡化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的作用，從而能夠有效解決大型、復(fù)雜電力系統(tǒng)的自動(dòng)化與控制問題。

3 電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制的優(yōu)化策略

3.1 提高變電站的自動(dòng)化水平

變電站在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中主要用于電壓與電流的變換與穩(wěn)定，同時(shí)用于完成電能接收、分配以及再輸送功能。不同位置變電站其作用也存在一定的差異，如電廠內(nèi)部的變電站多為升壓變電站，用戶終端附近的變電站則多為降壓變電站。變電站內(nèi)設(shè)備主要分為一次設(shè)備與二次設(shè)備，因而變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)主要是針對一次設(shè)備與二次設(shè)備的自動(dòng)化改造與控制優(yōu)化，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)有集中式與分層分布式兩種架設(shè)方案，其中分層分布式結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。

得益于大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，變電站自動(dòng)化建設(shè)進(jìn)程也得到了穩(wěn)定的推進(jìn)，為了進(jìn)一步提高電網(wǎng)調(diào)度的效率與精確度，就需要在變電站智能監(jiān)控、自主控制以及高精度測量與智能調(diào)度方面進(jìn)行優(yōu)化。具體來說，就是通過對遙信、遙控、遙測以及遙調(diào)等方面的優(yōu)化升級，提高電網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的效率與準(zhǔn)確度，進(jìn)而提高對電網(wǎng)的監(jiān)測與控制水平。

3.2 利用分散控制技術(shù)提高電力系統(tǒng)管理效率

分散控制技術(shù)在電力系統(tǒng)的調(diào)度管理中能夠體現(xiàn)較強(qiáng)的針對性，因而能夠有效提高電力系統(tǒng)的管理效率。以分散控制技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)配合微處理器以分散控制、集中顯示與操作以及分而治之和綜合調(diào)度的原則構(gòu)建分散控制系統(tǒng)（DCS），其能夠通過多級分層、協(xié)調(diào)自治的結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的集中管理與分散控制，從而實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制管理效率的提升。

具體來說，將分散控制技術(shù)科學(xué)的應(yīng)用于電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制管理中，能夠在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)對各種參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，通過與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的對比還能夠?qū)崿F(xiàn)對異常參數(shù)的干預(yù)，從而顯著提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。同時(shí)，分散控制技術(shù)的應(yīng)用還能統(tǒng)計(jì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)信息，得到足夠的反饋數(shù)據(jù)后，通過對大規(guī)模的數(shù)據(jù)分析能夠得到電力系統(tǒng)的優(yōu)化建議，通過對電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理能夠促進(jìn)其長效發(fā)展。

3.3 強(qiáng)化多種自動(dòng)化與控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)性

根據(jù)電力系統(tǒng)中電能的產(chǎn)生、調(diào)度及流動(dòng)等方面的差異，電力系統(tǒng)自動(dòng)化涵蓋了電能調(diào)度自動(dòng)化、火力電廠自動(dòng)化、水力電站自動(dòng)化、信息自動(dòng)傳輸系統(tǒng)、反事故系統(tǒng)、工業(yè)管理系統(tǒng)及供電系統(tǒng)自動(dòng)化等內(nèi)容，即電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制系統(tǒng)是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

低層次的自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括區(qū)域調(diào)度中心、區(qū)域變電站及區(qū)域發(fā)電廠等組成；中層次的自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括直屬發(fā)電廠、樞紐變電站及省級電力調(diào)度單位等組成；高層次自動(dòng)化系統(tǒng)則主要是指總調(diào)度中心。正是由于電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制涵蓋了多層次的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，針對不同的功能需求在各層結(jié)構(gòu)中所應(yīng)用的自動(dòng)化與控制技術(shù)也存在一定差異。為從整體上保障電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制的發(fā)展，不僅要強(qiáng)化各類自動(dòng)化技術(shù)在各電力系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，還要提高多種自動(dòng)化與控制技術(shù)的協(xié)調(diào)性，以達(dá)到最優(yōu)的綜合效果。

3.4 優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的自動(dòng)化與控制水平

隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化、電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及終端用電模式不確定性的增加，電力系統(tǒng)中的負(fù)荷與運(yùn)行狀態(tài)不斷的變化著，提高電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的自動(dòng)化與控制水平，對于保障電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性至關(guān)重要。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化由硬件部分與軟件部分組成，其中硬件單元又包括電網(wǎng)信息的動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)與顯示裝置，軟件單元包括數(shù)據(jù)計(jì)算與分析程序及系統(tǒng)控制程序等，因此總的來說電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的。

具體來說，電力系統(tǒng)信息的動(dòng)態(tài)采集與顯示涵蓋了信息監(jiān)測與采集、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)安全性監(jiān)測、動(dòng)態(tài)控制以及電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析等，發(fā)電廠與變電站內(nèi)用于收集信息的單元通常叫做遠(yuǎn)動(dòng)端，調(diào)度中心內(nèi)用于收集信息的單元?jiǎng)t通常叫做調(diào)度端；軟件方面則主要用于完成發(fā)電自動(dòng)控制、潮流計(jì)算與分析、電壓與無功功率控制、負(fù)荷預(yù)測以及電網(wǎng)安全監(jiān)測與分析等功能。因此，電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)自動(dòng)化與控制水平的提高應(yīng)從軟件優(yōu)化與硬件升級兩個(gè)維度來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

電力系統(tǒng)是一個(gè)由發(fā)電廠、變電站及輸配電系統(tǒng)與終端用戶等構(gòu)成的大規(guī)模系統(tǒng)，其自動(dòng)化與控制主要包括了發(fā)電控制自動(dòng)化、電力調(diào)度自動(dòng)化及配電自動(dòng)化等內(nèi)容。通過對電力系統(tǒng)自動(dòng)化與控制水平的提高，強(qiáng)化對電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制水平，同時(shí)優(yōu)化對電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中故障的預(yù)測、識別、分析與排除，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與綜合效率，有助于電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與市場競爭優(yōu)勢的提高，還有助于我國電力事業(yè)的健康發(fā)展。