分析计算机技术在电力系统自动化中的应用

电力建设Ｉ专栏　分析计算机技术在电力系统自动化中的应用　口林艳华　摘要：电力系统自动化是现代计算机技术应用的一个重要领域，计算机发展过程中的每一项新技术、新成果　都会以最快的速度被电力系统自动化应用，计算机技术的发展推动了电力系统自动化的进程。计算机技术在发　展，电力系统自动化水平在不断提高。　关键词：电力系统自动化，计算机　１电力系统自动化技术概述　电力系统由发电、输电、变电、配电及用电等环节组成。通　常将发电机、变压器、开关、及输电线路等设备称作电力系统的　一次设备，为了保证电力一次设备安全、稳定、可靠运行和电力　生产以比较经济的方式运行，就需要对一次设备进行在线测　控、保护、调度控制等，电力系统中将这些测控装置，保护装置，　有关通信设备，各级电网调度控制中心的计算机系统，（火）电　厂、（水、核能、风能）电站及变电站的计算机监控系统等统称为　电力系统的二次设备，其涵盖了电力系统自动化的主要技术内　容。　１．１电网调度自动化　电网调度自动化是电力系统自动化的主要组成部分，我国　目前电网调度自动化分为五级，即国家电网调度、大区电网调　度、省级电网调度、地区电网调度和县级电网调度。　电网调度自动化主要组成部分由电网调度控制中心的汁　算机网络系统、工作站、服务器、大屏蔽显示器、打印设备、通过　电力系统专用广域网连结的下级电网调度控制中心、调度范围　内的发电厂、变电站终端设备（如测量控制等装置）等构成。电网　调度自动化的主要功能是电力生产过程实时数据采集与监控　电网运行安全分析、电力系统状态估计、电力负荷予测、自动发　电控制（省级电网以上）、自动经济调度（省级电网以上）并适应电　力市场运营的需求等。　国家电网调度和大区电网调度控制中心的计算机设备配　备比省级电网调度控制中心的规模大，服务器及网络设备容量　大，功能性应用软件也有差别。　地区电网调度是指城市供电网的调度，调度功能和调度范　围要比大区电网和省级电网／Ｊ、得多，地区电网调度不对发电厂　进行控制，主要对供电网内的各级变电站和配电网进行实时监　控，保证安全可靠供电。　县级电网调度控制中心设备规模一般要比地区电网调度　／Ｊ＼，并且工作站、服务器一般选用工业或普通商用ＰＣ机。　１．２变电站自动化　电力系统中变电站与输配电线路是联系发电厂与电力用　户的主要环节。变电站自动化的目的是取代人工监视和电话人　工操作，提高工作效率，扩大对变电站的监控功能，提高变电站　的安全运行水平。变电站自动化的内容就是对站内运行的电气　设备进行全方位的监视和有效控制，其特点是全微机化的装置　替代各种常规电磁式设备；二次设备数字化、网络化、集成化，　尽量采用计算机电缆或光纤代替电力信号电缆；操作监视实现　计算机屏幕化；运行管理、记录统计实现自动化。变电站自动化　除了满足变电站运行操作任务外还作为电网调度自动化不可　分割的重要组成部分，是电力生产现代化的一个重要环节。　我国变电站自动化系统从初始研发最终到超高压变电站　普及应用总共化了７～８年时间。我国变电站自动化系统２Ｏ世　纪９Ｏ年代初先在３５ｋＶ变电站投运试点，继而在１　１ＯｋＶ变电　站投运ｉ　１９９８年前后在２２０ｋＶ变电站推广应用ｉ２０００年以后　国５００ｋＶ超高压变电站建设全部采用了变电站自动化系统方　案。变电站自动化系统与上一代常规二次设备相比明显具有占　地面积小、功能强、可靠性高等优点，很快在电网建设中得到普　及。　１．３发电厂分散测控系统（ＤＣＳ）　发电厂分散控制系统（ＤＣＳ）一般采用分层分布式结构，由　过程控制单元（ＰＣＵ）、运行员工作站（ＯＳ）、工程师工作站（ＥＳ）和　冗余的高速数据通讯网络（以太网）组成。　过程控制单元（ＰＣＵ）由可冗余配置的主控模件（ＭＣＵ）￣Ｂ智　能Ｉ／Ｏ模件组成。ＭＣＵ模件通过冗余的ｌ／Ｏ总线与智能Ｉ／Ｏ模　件通讯。ＰＣＵ直接面向生产过程，接受现场变送器、热电偶、热　电阻、电气量、开关量、脉冲量等信号，经运算处理后进行运行　参数、设备状态的实时显示和打印以及输出信号直接驱动执行　机构，完成生产过程的监测、控制和联锁保护等功能。　运行员工作站（ＯＳ）和工程师工作站（ＥＳ）提供了人机接口。　运行员工作站接收ＰＣＵ发来的信息和向ＰＣＵ发出指令，为运　行操作人员提供监视和控制机组运行的手段。工程师工作站为　维护工程师提供系统组态设置和修改、系统诊断和维护等手　段。　２电子技术、计算机技术的发展不断推动电力系统自　动化进步　上世纪六七十年代晶体管技术的发展及随后中小规模集　成电路的问世为研发初始的电力系统自动化装置提供了技术　条件，电力开关信号检测、模拟量检测（电力变送器）、晶体管及　集成电路继电保护、自动装置、远动装置、模拟盘等二次设备相　继出现。这一时期自动化装置的特点是以模拟电路和布线逻辑　为主进行设计，这类装置的应用减轻了变电站值班员的劳动强　度，提高了电力安全运行程度。但这些自动化装置功能比较单　一，互相之间缺少通信联系，装置不具备故障自诊断能力。　随着上世纪八十年代单片机技术的发展和应用，我国电力　系统自动化设备实现了全面的更新换代。由于采用了数字电路　和模块化软件设计技术，电力自动化装置的性能大大提高，特　别是装置具有了通信功能，可通过并行口、串行口与其他设备　进行数据交换，数据和各种信息可通过外部设备如ＣＲＴ显示，　打印机打印制表等，装置首次出现了人机联系功能。值得一提　１８３　广东科技２００８　０８总第１９４期　维普资讯 http://www.cqvip.com

专栏ｌ电力建设　的是从Ｉｎｔｅｌ公司引进的ＳＢＣ系列ＯＥＭ单板机技术加快了我　国微机化电力系统二次设备的开发进度，以单片机为基础的国　产化自动化设备层出不穷，数字式故障录波器替代了机械光学　结构原理的老式录波装置；微机远动装置及巡回检测设备体积　小，容量大，通信规约适应性强；微机继电保护装置性能也大大　提高，可方便修改保护定值，使用和维护非常透明。　同时，国产的工业计算机和引进的ＰＣ机技术为电力系统　调度自动化、电厂监控系统、变电站综合自动化奠定了基础。开　发的应用软件可以实现电力系统实时数据采集、汇总、分类、分　析、存档、显示、打印、报警、完成操作控制等任务。　这一时期自动化存在的主要问题是系统结构、功能、通信　协议等方面缺乏工业标准，不同厂家的设备不能互连；计算机　期，提高设备的利用率，为电力设备由定期检修向状态检修过　度提供保障。近年来电力部门投入了很大力量与大学、科研单　位合作或引进技术，开展在线状态检测技术研究和实践并取得　了一些进展，但由于技术难度大，专业性强，检测环境条件恶　劣，要开发出满意的产品还需一定时日。　３．３光电式电力互感器　电力互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用是　按一定比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可　以用仪表直接测量的标准数值，以便用仪表直接测量。其缺点　是随电压等级的升高绝缘难度越大，设备体积和质量也越大ｉ　信号动态范围小，导致电流互感器会出现饱和现象，或发生信　号畸变；互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备　与各设备的通信一般为星形点对点连结，主要采用低速率的串　／并行口通信方式，系统实时性不太好，设备配置的灵活性也较　差。　随着上世纪九十年代高性能工作站、服务器及软件技术、　信息处理技术、特别是高速网络技术的发展，电网调度自动化　系统、电厂监控、变电站自动化、配电自动化的技术水平上了一　个新台阶，产品逐步发展成为一种开放式、分布式、网络化、智　能化的新模式。与上一代产品相比可以大幅度减少电力电缆、　通信电缆的用量，设备体积小还减少了占地面积等从而降低了　建设成本，同时大幅度提高了系统的技术性能，增加了设备配　置的灵活性、互换性和可维护性，提高了系统运行的可靠性。　最近几年以来，各种嵌入式产品的出现，例如嵌入式高性　能微处理器、嵌入式计算机、嵌入式操作系统、嵌入式以太网等　产品使电力系统中的装置类设备如测量控制设备、继电保护装　置、数据通信控制器等得以再次更新换代，装置的硬件电路和　应用程序结构简化，产品性能大大提高，装置信息处理速度更　快，功耗更低，功能扩展能力更强。　３当前电力系统自动化依赖ＩＴ技术向前发展的重要　热点技术　当前电力系统自动化依赖于电子技术、计算机技术继续向　前发展的主要热点有：①电力一次设备智能化；②电力一次设　备在线状态检测：③光电式电力互感器；④适应光电互感器技　术的新型继电保护及测控装置；⑤特高压电网中的二次设备开　发。　３．１电力一次设备智能化　常规电力一次设备和二次设备安装地点一般相隔几十至　几百米距离，互相间用强信号电力电缆和大电流控制电缆连　接，而电力一次设备智能化是指一次设备结构设计时考虑将常　规二次设备的部分或全部功能就地实现，省却大量电力信号电　缆和控制电缆，通常简述为一次设备自带测量和保护功能。如　常见的“智能化开关”、“智能化开关柜”、“智能化箱式变电站”　等。　电力一次设备智能化主要问题是电子部件经常受到现场　大电流开断而引起的高强度电磁场干扰，关键技术是电磁兼　容、电子部件的供电电源以及与外部通信接口协议标准等技术　问题。　３．２电力一次设备在线状态检测　对电力系统一次设备如发电机、汽轮机、变压器、断路器、　开关等设备的重要运行参数进行长期连续的在线监测，不仅可　以监视设备实时运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化　趋势，判断有无存在故障的先兆，从而延长设备的维修保养周　１８４　广东科技２００８．０８总第１９４期　接口。因此不少发达国家已经成功研究出新型光电式和电子式　互感器，国际电工协会已发布了电子式电压、电流互感器的标　准。国内也有大专院校和科研单位正在加紧研发并取得了可喜　成果。目前主要问题是材料随温度系数的影响而使稳定性不够　理想。另一关键技术是，光电互感器输出的信号比电磁式互感　器输出的信号要小得多，一般是毫安级水平，不能像电磁式互　感器那样可以通过较长的电缆线送给测控和保护装置，需要在　就地转换为数字信号后通过光纤接口送出，模数转换、光电转　换等电子电路部分在结构上需要与互感器进行一体化设计。在　这里，电磁兼容、绝缘、耐环境条件、电子电路的供电电源同样　是技术难点之一。　３．４适应光电互感器技术的新型继电保护及测控装置　电力系统采用光电互感器技术后，与之相关的二次设备，　如测控设备，继电保等装置的结构与内部功能将发生很大的变　化。首先省去了装置内部的隔离互感器、　Ｄ转换电路及部分　信号处理电路，从而提高了装置的响应速度。但需要解决的重　要关键技术是为满足数值计算需要对相关的来自不同互感器　的数据如何实现同步采样，其次是高效快速的数据交换通信协　议的设计。■　（作者单位：广东电网公司阳东供电局）