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1、电气自动化技术在工程中的应用第1章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义改革开放以来，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，在电气工程领域中自动化技术得到了越来越成熟应用，使得电气工程中相应系统的自动化控制与调节水平升高，确保了电力系统中对一次设备进行监控的终端电气设备的安全性、可靠性以及灵活性，自动化技术在电力工业中的应用助推我国工业化水平的不断提升，在我国进入发展新常态的大背景下注入新的动力1。电力作为清洁能源已经成为国家所提倡的能源方向，随着我国电气化水平的不断提高，工业、农业、商业以及居民等对电力的需求大幅增长，促使电能供应的相关技
2、术不断优化，电力系统中自动化技术的使用使得电能资源优化配置，供电质量得到提高，能够满足安全、可靠、不间断以及高质量的供电需求，同时也对我国电力工业的从业人员以及相关的专家学者提出了新的要求。因为，在电气工程领域采用更高级、更先进的电力自动化技术已经成为我们满足新要求的必要措施，电力自动化技术包含了计算机技术、信息通信技术以及控制远动技术，其在电力系统的成熟应用可满足电力发展需求2。随着当今世界电气化水平的提高，电气工程领域也成为各国专家学者关注的热点领域，在大学教育中也作为一级学科出现。目前各行各业的日常生活都离不开电能，电能的存在使当今社会的运转更加方便、快捷、清洁，小到日常生活中骑行的电动
3、自行车、驾驶的电动汽车，大到工业生产中用到的重型电气设备，电能已经深入到这个快节奏发展的社会的骨髓之中。随着全球能源的短缺，煤炭、石油、天然气等化石资源枯竭，电能已经成为代替这些化石能源的有效能源，不仅能够满足当今经济社会发展的需求，还提供了一种可靠、清洁、低碳、环保的能源，同时也提高了人们对电力系统提供高质量电能的需求，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3-4。1.2 课题研究现状在目前提供电力的电力巨系统中配置自动化技术，不仅推进电气工程学科的发展，而且会使电力的整个系统结合更紧密。但是，电气自动化技术相关的研究还处于初级阶段，其与电气工程的深入融合还需要进一
4、步探索。自动化技术的采用不仅仅是实现系统的自动控制，更重要的是使系统在自动化技术的助推下更安全、可靠、省时省力的运行。电力自动化技术在电气工程中的应用，需要世界各国电力工业从业人员以及相关专家学者在不断地应用中进行探索，促使电力自动化技术在电气工程中的成熟应用5。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。电力自动化技术作为一种高新的集成技术，包括计算机领域、通信领域、微处理器领域等，其起步阶段也出现了迅猛的势头，其需要的不仅仅是电力专业的人才，同时也需求计算机专业、
5、通信专业、软件编程等领域的人员，因此，自动化技术的配置需要的全社会多领域的专家人员共同合作。在中国处于电力改革的大背景下，自动化技术在电力系统的配置，为其提供了技术保障6-9 。目前关于自动化技术配置在电网系统的探索非常多，覆盖系统的方方面面，小到小型的配电台区，大到跨地区的能量输送系统，其中各个细节的相关研究也正在进行，就当前系统技术的研究来说，其特点包含有：（1）平台开放发展（2）信息集约化。（3）分布控制型应用。（4）通信规约标准化。1.3 论文的主要内容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
6、，包括了基础讲解、技术配置领域、优劣势解析等三个方面。首先通过第二章的系统基础含义、结构、连接等方面的普及，为后续章节中技术的应用领域详解提供知识支撑，然后对自动化技术在电能具体系统中的配置进行了详细的介绍分析，包括：电网调度自动化、变电所综合自动化、配电自动化以及发厂发散控制自动化。通过对各自动化系统的深入的介绍分析，为下一步自动化技术的优势提供理论支撑。最后通过前述章节对自动化技术系统的介绍，以及电网相关子系统中自动化技术配置的解析，总结得出其电力工业领域的发展优势。第2章 电气自动化概述在电力工业生产过程中，采用计算机通信技术、控制技术以及电力终端，对全套生产程序进行采集、监视、控制、改
7、善，实现可靠性、安全性的提升以及生产程序简化集成、效率增高、节能增效等目标，这种融合先进技术的电力工业控制方法叫电气自动化技术。系统的软件以及硬件是自动化技术不可或缺的组成部分，如今在电力工业领域采用了各种各样的硬件组成，例如终端装置、PLC设备、空气开关、隔离开关、真空断路器、继电装置、电子式互感器、工业级交换装置、发电装置、告警装置、系统计算机设备等，在硬件构成的基础上，电力系统自动化也形成了多种应用软件10。2.1 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
8、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
9、统的状态进行调整控制，最终完成系统的自动化控制。自动化技术中，信息数据的传递不是两者之间一对一的传递，而是通过中介机制进行转发，例如控制中心同现场装置间。通信数据传递实现的功能包括长距离的测量、状态告警、控制、调试等功能，通过将现场采集的电力系统的电压、电流、功率等信息上送至主站的计算机，然后调度工作员根据应用界面显示内容，执行相应操作，完成对现场一次设备的控制与调节，目前在系统中已研发出更加高端复杂的高级控制应用功能，促进技术的完善11-16。2.2 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
10、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。信号处理在电力自动化系统中也是重要组成部分，数据的采集与输送都需要采取屏蔽措施，防止信号混乱的出现。在实际工程应用中，选取知名厂家生产的、工程上使用较多的、高规格的自动化终端
11、装置，可有效避免装置故障，减少管理与维护工作量，对于系统安全、可靠、经济、优质的运行有更好的保障。系统中良好的人机交互界面与可扩展的通信接口是完善其自动化水平的关键措施。良好的人机交互界面可减少工程中技术人员的工作量，提高工作效率；可扩展的通信接口可提供多种接口的接入，例如网口、串口、串行总线接口等，可实现不同系统的方便互联。2.3 电气自动化设计原则及特点2.3.1 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。随着经济社会的发展
12、，电力自动化设备在当前各个领域都有配置，因此，在电气设计时需全方位考虑设计合理性，例如原料要求、制造工艺、管理维护便捷性等，设计需综合考虑各方面的要求。设计中设备选取要遵循合理、安全、可靠的原则，在具体的应用场景下，需根据具体要求选取相应的电力自动化设备，满足自动化设计的实用要求。2.3.2 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
13、控制简化、安全17-19。在电力系统实施自动化技术之初，电力设备的生产于不同厂家，且与自动化技术的实施是彼此独立的，两者通过不同途径实现，实际工程中，需采用电力设备的生产厂家的技术人员根据工程实际，进行现场协调工作，例如进行通信规约转换等工作，最终实现各厂家设备协同工作，实现电力系统自动化。2.4 电气自动化控制系统设计2.4.1 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
14、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20。2.4.2 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
15、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。2.4.3 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。第3章 电气自动化在电气工程中的应用3.1 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
16、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21-23。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。3.1.1 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
