電力系統中的電氣自動化技術
無論在學習或是工作中，大家肯定對論文都不陌生吧，論文寫作的過程是人們獲得直接經驗的過程。你知道論文怎樣寫才規范嗎？下面是小編精心整理的電力系統中的電氣自動化技術，希望對大家有所幫助。
電力系統中的電氣自動化技術 1
前言
電氣自動化專業在我國最早開設于5O年代,名稱為工業企業電氣自動化。雖經歷了幾次重大的專業調整,但由于其專業面寬,適用性廠,一直到現在仍然煥發著勃勃生機。據教育部最新公布的本科專業設置目錄,它屬于工科電氣信息類。新名稱為電氣二程及其自動化或自動化。
隨著電力電子技術、微電子技術溝迅猛發展,原有的電力傳動(電子拖動)控制的概念已經不能充分概抓現代生產自動化系流中承擔第一線任務的全部控制設備。而且,電力拖動控制已經走出工廠,在交通、農場、辦公室以及家用電器等領域獲得了廣泛運用。它的研究對象已經發展為運動控制系統,下面僅對有關電氣自動化技術的新發展作一些介紹。
1、全控型電力電子開關逐步取代半控型晶閘管
5O年代末出現的晶閘管標志著運動控制的新紀元。它是第一代電子電力器件,在我國至今仍廣泛用于直流和交流傳動控制系統。隨著交流變頻技術的興起,相繼出現了全控式器件—— GTR、GTO、P—MOSEFT等。這是第二代電力電子器件。由于目前所能生產的電流/電壓定額和開關時間的不同,各種器件各有其應用范圍。
GTR的二次擊穿現象以及其安全工作區受各項參數影響而變化和熱容量小、過流能力低等問題,使得人們把主要精力放在根據不同的特性設計出合適的保護電路和驅動電路上,這也使得電路比較復雜,難以掌握。
GT0是一種用門極可關斷的高壓器件, 它的主要缺點是關斷增益低,一般為4~5,這就需要一個十分龐大的關斷驅動電路,且它的通態壓降比普通晶閘管高,約為2~4.5V,開通di/dt和關斷 dv/dt也是限制GTO推廣運用的另一原因,前者約為500A/u s,后者約為500V/u s,這就需要一個龐大的吸收電路。
由于GTR、GT0 等雙極性全控性器件必須要有較大的控制電流,因而使門極控制電路非常龐大,從而促進廠新一代具有高輸入阻抗的M0S結構電力半導體器件的一切。功率 MOSFET是一種電壓驅動器件,基本上不要求穩定的驅動電流,驅動電路只需要在器件開通時提供容性充電電流,而關斷時提供放電電流即可,因此驅動電路很簡單。它的開關時間很快,安全工作區十分穩定,但是P—MOSFET的通態電壓降隨著額定電壓的增加而成倍增大,這就給制造高壓P—MOSFET造成了很大困難。
IGBT是P—MOSFET工藝技術基礎上的產物, 它兼有MOSFET高輸入阻抗、高速特性和GTR大電流密度特性的混合器件。其開關速度比P—MOSFET低,但比GTR快 其通態電壓降與GTR相擬約為1.5~3.5V,比P—MOSFET小得多,其關斷存儲時間和電流I、降時間為別為O.2~O.4 u s和O.2~1.5 s,因而有較高的工作頻率,它具有寬而穩定的安個工作區,較高的效率,驅動電路簡單等優點。
M0S控制晶閘管(MCT)是一種在它的單胞內集成了MOSFET的品閘管,利用M0S門來控制品閘管的開通和關斷,具有晶閘管的低通態電壓降,但其工作電流密度遠高IGBT和GTR,在理論上可制成幾千伏的阻斷電壓和幾十千赫的開關頻率,且其關斷增益極高。
lGBT和MGT這一類復合型電力電子器件可以稱為第三代器件。在器件的復合化的同時,模塊即把變換器的雙臂、半橋乃至全橋組合在一起大規模生產的器件也已進入實用。在模塊化和復合化思路的基礎上,其發展便是功率集成電路PIC(Power, Integrated Circute),在PIC中,不僅主回路的器件,而月驅動電路、過壓過流保護、電流檢測甚至溫度自動控制等作用都集成到一起,形成一個整體,這可以算作第四代電力電子器件。
2、變換器電路從低頻向高頻方向發展
隨著電力電子器件的更新,由它組成的變換器電路也必然要換代。應用普通晶閘管時,直流傳功的變換器主要是相控整流,而交流變頻動則是交一直一交變頻器。當電力電子器件人第二代后,更多早采用PW M 變換器了、采用PW M 方式后,提高了功率因數,減少了高次諧波對電網的影響,解決了電動機在低頻區的轉矩脈動問題。
但是PW M 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產生的轉矩脈動作用在定轉子上,使電機繞組產生振動而發出噪聲。為了解決這個問題,一種方法是提高開關頻率,使之超過人耳能感受的范圍,但是電力電子器件在高電壓大電流的情況下導通或關斷,開關損耗很大。開關損耗的存在限制了逆變器工作頻率的提高。
3、交流調速控制理論日漸成熟
矢量控制的基本思想是仿照直流電動機的控制方式,把定子電流的磁場分量和轉矩分量解禍開來,分別加以控制。這種解藕,實際上是把異步電動機的物理模型設法等效地變換成類似于直流電動機的模式,這種等效變換是借助于坐標變換完成的。它需要檢測轉子磁鏈的方向,且其性能易受轉子參數,特別是轉子回路時間常數的影響。加上矢量旋轉變換的復雜性,使得實際的控制效果難于達到分析的結果。
大致來說,直接轉矩控制,用空間矢量的分析方法,直接在定子坐標系下分析計算與控制電流電動機的轉矩。采用定子磁場定向,借助于離散的.兩點式調節(Band—Band控制)產生PwM 信號,直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制,以獲得轉矩的高動態性能。
4、通用變頻器開始大量投入實用
一般把系列化、批員化、占市場量最大的中小功率如400KVA以下的變頻器稱為通用變頻器。從產品來看,第一代是普通功能型U/F控制型,多彩用16位 CPU,第二代為高功能型U/F型,采用32位DSP,或雙16位CPU進行控制,采用了磁通補償器、轉差補償器和電流限制拄制器. 具有挖上機和“無跳閘”能力,也稱為“無跳閘變頻器”。這類變頻器目前占市場份額最大、第三代為高動態性能矢量控制型。
5、單片機、集成電路及工業控制計算機的發展
以MCS一51代表的8位機雖然仍占主導地位 但功能簡單,指令集短小,可靠性高,保密性高,適于大批量生產的PIC系列單片機及GM$97C(二系列單片機等正在推廣,而且單片機的應用范圍已開始擴展至智能儀器儀表或不太復雜的工業控制場合以充分發揮單片機的優勢另外,單片機的開發手段也更加豐富,除用匯編語言外,更多地是采用模塊化的C語言、 PL/M 語言。
6、結束語
隨著電力電子技術、微電子技術迅猛發展,原有的電力傳動(電子拖動)控制的概念已經不能充分概抓現代生產自動化系流中承擔第一線任務的全部控制設備。而且,電力拖動控制已經走出工廠,在交通、農場、辦公室以及家用電器等領域獲得了廣泛運用。它的研究對象已經發展為運動控制系統,僅對有關電氣自動化技術的新發展作一些介紹。
電力系統中的電氣自動化技術 2
電氣自動化技術是電力系統實現 “安全、高效、智能” 運行的核心支撐，通過融合電子技術、計算機控制、通信技術等，替代傳統人工操作，實現電力生產、傳輸、配電、調度全流程的自動化監控、調節與管理。其核心價值在于提升供電可靠性、降低能耗、減少人力成本，是智能電網建設的關鍵基礎。
一、電氣自動化技術在電力系統中的核心應用場景
1. 發電環節：實現機組高效穩定運行
發電環節的自動化聚焦 “精準控制、故障預警、節能降耗”，核心應用包括：
機組自動化控制：通過 DCS（集散控制系統）對火電機組的鍋爐、汽輪機、發電機進行聯動控制，實時調節燃料供給、蒸汽壓力、轉速等參數，確保機組在額定負荷下穩定運行。例如，火電機組啟動時，自動化系統可按預設流程完成 “上水→點火→升溫→沖轉→并網” 全步驟，避免人工操作誤差導致的機組波動。
新能源發電智能化：在光伏、風電等新能源電站中，自動化系統通過 MPPT（最大功率點跟蹤）技術實時追蹤太陽輻照度、風速變化，動態調整光伏陣列角度、風機槳距角，最大化發電效率；同時實現并網時的電壓、頻率同步控制，避免對電網造成沖擊。
故障診斷與預警：通過傳感器采集機組振動、溫度、油壓等數據，結合 AI 算法分析設備健康狀態，提前預警軸承磨損、絕緣老化等潛在故障。例如，水電機組的自動化系統可監測轉輪葉片的振動頻率，當數據超出閾值時自動報警并觸發降負荷保護。
2. 輸電環節：保障電網安全穩定傳輸
輸電環節（尤其是高壓、特高壓電網）的自動化核心是 “狀態監測、故障隔離、潮流優化”：
輸電線路狀態監測：利用在線監測裝置（如紅外測溫儀、覆冰傳感器、風偏監測器）實時采集線路溫度、覆冰厚度、導線舞動幅度等數據，通過無線通信傳輸至調度中心。例如，冬季覆冰時，自動化系統可根據覆冰厚度自動觸發融冰裝置（如電流加熱、機械除冰），防止線路斷線。
繼電保護自動化：采用微機型繼電保護裝置，實現輸電線路故障的快速檢測、定位與隔離。當線路發生短路故障時，系統可在 0.01-0.05 秒內識別故障類型（如單相接地、三相短路），自動斷開故障線路開關，并將備用線路投入運行，減少停電時間。
電網潮流優化：通過 EMS（能量管理系統）分析全網功率流向，自動調節變壓器分接頭、無功補償裝置（如 SVG、SVC），平衡各條線路的負荷分布，避免線路過載或電壓越限，提升輸電效率。
3. 配電環節：提升供電可靠性與靈活性
配電環節（10kV 及以下電網）直接面向用戶，自動化技術聚焦 “故障快速修復、用戶需求響應、分布式電源接入”：
配電自動化（DA）系統：通過 FTU（饋線終端單元）、DTU（配電終端單元）實時監測配電線路的電壓、電流、開關狀態，實現 “故障自動定位、隔離、恢復供電”（即 “三遙” 功能：遙測、遙信、遙控）。例如，當某條支線發生故障時，系統可自動斷開故障支線開關，通過環網柜將負荷轉移至相鄰支線，用戶停電時間從傳統的數小時縮短至幾分鐘。
分布式電源（DG）接入管理：針對用戶側光伏、儲能等分布式電源，自動化系統可實時監測其出力變化，協調并網開關與電網負荷的匹配，避免分布式電源出力波動導致的配網電壓波動。例如，居民屋頂光伏正午出力過高時，系統可自動將多余電能存入儲能裝置或反向輸送至電網，實現 “自發自用、余電上網”。
用戶需求響應：通過智能電表采集用戶用電數據，結合電價信號（如峰谷電價），引導用戶在電價低谷時段（如夜間）使用高耗能設備（如熱水器、充電樁），實現削峰填谷，優化配網負荷曲線。
4. 調度環節：實現全網統一協調管理
電力調度是電力系統的 “大腦”，電氣自動化技術使其從傳統 “人工經驗調度” 升級為 “智能優化調度”：
SCADA（監控與數據采集系統）：實時采集全網發電、輸電、配電環節的運行數據（如機組出力、線路潮流、母線電壓），通過可視化界面（如調度大屏）動態展示電網運行狀態，為調度人員提供決策依據。
AGC（自動發電控制）：根據全網負荷變化，自動調整各發電廠的機組出力，維持電網頻率穩定（我國電網額定頻率為 50Hz，允許偏差 ±0.2Hz）。例如，當用電負荷突增時，系統可快速指令火電機組增加出力或啟動抽水蓄能電站（調峰電源），避免頻率下降。
智能調度決策：結合大數據、AI 技術分析歷史負荷數據、氣象數據（如氣溫、降水），預測未來 24-72 小時的用電負荷，優化機組組合（如優先啟用風電、光伏等清潔能源，減少火電啟停次數），實現 “經濟調度” 與 “環保調度” 的結合。
二、電力系統電氣自動化的`關鍵技術模塊
1. 控制技術：自動化的 “執行核心”
PLC（可編程邏輯控制器）：廣泛應用于變電站、配電房的開關控制、邏輯聯鎖（如 “斷路器未斷開時，隔離開關不能操作”），具有可靠性高、抗干擾能力強的特點，適合工業現場環境。
DCS（集散控制系統）：在發電廠中實現 “集中監控、分散控制”，將機組控制分為多個子系統（如鍋爐控制子系統、汽機控制子系統），每個子系統獨立運行，同時接受中央監控系統的統一協調，避免單點故障影響全局。
FCS（現場總線控制系統）：通過現場總線（如 Profibus、Modbus）將現場設備（傳感器、執行器）與控制器直接連接，減少布線成本，提升數據傳輸實時性，目前已逐步替代傳統的 DCS 在配電自動化中的應用。
2. 通信技術：自動化的 “神經網絡”
有線通信：包括光纖通信（用于主干電網的數據傳輸，帶寬大、抗干擾強）、工業以太網（用于變電站內部設備互聯），是電網核心數據傳輸的主要方式。
無線通信：適用于輸電線路、配電臺區等不便布線的場景，包括 4G/5G（用于分布式電源監控、用戶需求響應）、LoRa（用于低功耗傳感器數據傳輸，如智能電表抄表）、微波通信（用于偏遠地區變電站與調度中心的連接）。
電力專用通信協議：如 IEC 61850（變電站通信標準），實現不同廠家設備的互聯互通，避免 “信息孤島”，是智能變電站建設的關鍵協議。
3. 監測與傳感技術：自動化的 “感知器官”
電氣量監測：包括電壓傳感器、電流傳感器、功率傳感器，實時采集電網的電氣參數，為控制與保護提供依據。
非電氣量監測：包括溫度傳感器（監測變壓器油溫、線路接頭溫度）、濕度傳感器（監測變電站室內濕度，防止設備絕緣受潮）、振動傳感器（監測機組、變壓器的振動，判斷設備運行狀態）、圖像傳感器（通過無人機巡檢輸電線路，識別導線斷股、桿塔傾斜）。
智能電表：不僅實現用電量計量，還能實時上傳用戶用電數據、電壓質量數據，支持遠程費控（如欠費自動斷電）、峰谷電價執行，是用戶側自動化的核心設備。
三、電力系統電氣自動化技術的發展趨勢
1. 向 “智能化” 深度升級
隨著 AI、大數據技術的融入，自動化系統從 “被動響應” 向 “主動預測” 轉變：例如，基于機器學習算法的電網故障預測系統，可結合設備運行年限、環境因素、歷史故障數據，提前數天預測潛在故障，實現 “預防性維護”；智能調度系統可結合氣象預測（如臺風、高溫），提前調整電網運行方式，避免極端天氣導致的大面積停電。
2. 與 “新能源”“儲能” 深度融合
為適應新能源高比例并網（如 “雙碳” 目標下，2030 年風電、光伏裝機容量將超 12 億千瓦），自動化技術需解決新能源出力波動性問題：例如，通過 “新能源 + 儲能” 協同控制，自動化系統可實時調節儲能充放電功率，平抑光伏、風電的出力波動；在配網側，自動化系統可協調分布式儲能與電網負荷的互動，實現 “削峰填谷” 與 “備用電源” 雙重功能。
3. 向 “泛在電力物聯網” 延伸
泛在電力物聯網通過 “萬物互聯” 實現電網與用戶、設備、環境的全面連接：例如，用戶側的智能家居可通過自動化系統與電網互動，在電價高峰時自動降低空調功率；電動汽車充電樁可接受電網調度，在電網負荷低谷時集中充電，成為 “移動儲能單元”；工業用戶可通過自動化系統實現生產用電的實時優化，降低用電成本。
4. 強化 “安全防護” 能力
隨著自動化系統的網絡化、智能化，網絡安全風險（如黑客攻擊、病毒入侵）日益凸顯：未來自動化技術將加強 “內生安全” 設計，包括加密傳輸（如量子通信在電網中的應用）、訪問控制（如區塊鏈技術實現設備身份認證）、異常行為檢測（如通過 AI 識別惡意控制指令），確保電網自動化系統的安全可靠運行。
四、電氣自動化技術對電力系統的實際價值
提升供電可靠性：通過故障自動隔離、快速恢復供電，我國電網用戶平均停電時間從 2010 年的 10 小時 / 年降至 2024 年的 1.5 小時 / 年，其中自動化技術貢獻占比超 60%。
降低能耗與成本：火電機組自動化控制可使發電煤耗降低 5-10 克 / 千瓦時（我國火電平均煤耗已從 2010 年的 333 克 / 千瓦時降至 2024 年的 275 克 / 千瓦時）；配電自動化可減少人工巡檢成本 30%-50%。
支撐新能源消納：自動化系統實現新能源電站的精準并網與出力調節，2024 年我國風電、光伏利用率分別達到 96.8%、98.2%，較 2015 年提升超 15 個百分點，有效解決 “棄風棄光” 問題。
推動電網向 “智能電網” 轉型：電氣自動化技術是智能電網的 “核心骨架”，為電網的 “源網荷儲” 協同、“碳達峰碳中和” 目標實現提供了關鍵技術支撐。
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