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浅析电气自动化技术在生产运行电力系统中的应用

2024-09-27 130 上传者：管理员

摘要：电力系统规模扩大和社会电力需求增长，对电力系统安全高效运行提出了挑战。先概述电气自动化技术在电力系统中的作用和生产运行电力系统存在的问题，再从增强故障预警能力、加强设备保护和避免供电中断3个方面，详细分析基于电气自动化技术的生产运行电力系统优化。通过分析电力系统运行数据，识别异常模式、提前预警潜在故障，提高电力系统的灵活性、韧性和智能化水平，确保电力系统的安全稳定运行。希望能为电气自动化技术在生产运行电力系统中的深入应用和电力系统的可持续发展提供参考。

关键词：
供电环境
生产运行
电力系统
电力系统运行模式
电气自动化技术
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传统的电力系统运行模式已难以适应日益增长的用电需求和复杂多变的供电环境，亟须进行技术革新和升级[1]。在这一背景下，电气自动化技术应运而生，并逐渐成为生产运行电力系统的重要支撑。

1、电气自动化技术在电力系统中的作用

随着电力系统规模日益扩大，电力系统运维更加复杂，将电气自动化技术应用于电力系统中，可实现数据深入分析、设备故障排查、系统运行监测和远程控制[2-3]。

1.1 数据采集与处理

电气自动化技术在电力系统中的应用主要体现在数据收集与处理上。通过安装在电网各节点的传感器和智能设备，实时采集电压、电流、功率、频率、温度和湿度等关键参数。获取的数据经高速通信网络上传至数据中心或监控平台，再用先进的数据处理方法进行清洗、变换并存储，以确保数据的完整性和可用性。在数据处理中，电气自动化技术结合大数据分析和人工智能，对海量信息进行深入挖掘与分析，识别电力系统的隐含规律和趋势，并生成运行特性报告供运维人员参考，便于提前预测潜在问题、优化操作策略，为电力系统稳定运行提供支持。

1.2 监控与故障诊断

电气自动化技术在电力系统监控和故障分析方面起着关键作用。电气自动化技术能够实现对电网24 h不间断监控，包括设备运行状态、电力负载情况以及线路传输效率等，并且能够自动比较预设安全标准和历史数据，检测到异常状况后立即触发警报机制，通知运维人员处理。此外，电气自动化技术还拥有强大的故障诊断功能，能够使用专家系统、模糊逻辑与神经网络等智能算法自行分析异常数据，迅速定位问题，并提供初步诊断结果与修复建议。

1.3 自动化调度与管理

电气自动化技术在电网调度和管理方面展现出突出的优势。电气自动化技术能够高效分配和使用电力资源，根据实际运行情况及预测需求，调整发电机功率、优化负载分布、平衡供需关系，确保电网稳定运行。此外，电气自动化技术还可应用于紧急操作与安全防护。当设备故障或自然灾害等意外情况发生时，迅速隔离故障区域并消除危险源，以避免事故扩散。同时，通过智能控制策略快速恢复供电，从而降低停电影响，提高电网可靠性。

1.4 通信与远程控制

电气自动化技术在电力系统通信与远程操控方面具有重要作用。通过构建高效稳定的通信体系，实现节点间的信息传递和共享，加快数据传送，突破地域限制，使运维人员能够随时监测和管理电网。电气自动化技术使操作人员可以从远处操作设备，显著提升维护效率。同时，结合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等前沿技术，可以实现远距离巡查、故障诊断等复杂任务的智能化，提高电力系统运维水平及管理成效。

2、生产运行电力系统存在的问题

2.1 网络安全风险

由于电力系统与互联网、企业内部网络的连接日益紧密，网络攻击、数据泄露等风险也随之提高[4]。一旦电力系统遭受网络攻击，可能导致设备故障、数据损坏甚至系统崩溃，严重影响电力系统正常运行。

2.2 兼容性差

电力系统中包含多种设备和元件，涵盖较多子系统，往往面临兼容性问题。由于不同厂家、不同型号设备采用的通信协议、数据格式等存在差异，导致设备在交互过程中可能会出现不匹配或无法正常读取的情况。这不仅会影响电力系统运行的稳定性，还可能导致系统维护难度和运维成本提高。

2.3 智能化程度有限

目前电力系统智能化程度仍然有限。在故障诊断与预测方面，现有的智能算法可能无法准确识别所有类型的故障。在优化调度与决策支持方面，由于智能调度算法存在缺陷，可能无法完全适应复杂多变的运行环境。

3、基于电气自动化技术的生产运行电力系统优化

3.1 增强故障预警能力

随着太阳能、风能等分布式能源的大规模接入以及信息技术和电子技术的迅猛发展，电力系统的运行特征发生了深刻变化，呈现出发电模式多样化、负荷波动大、故障冲击强等特点。在这一背景下，传统的控制和保护策略难以满足要求，电力系统抵御故障及实时响应能力降低，发电控制协调、故障识别处理、负荷预测评估、潮流分布优化等方面面临严峻挑战。因此，将电气自动化技术应用于电力系统运行控制中，是应对新时期电力系统发展机遇和挑战的关键手段。

应用电气自动化技术对电力系统运行数据进行实时分析，识别异常模式，提前预警潜在的故障[5]。监控和数据采集（SCADA）系统基于电气自动化技术，能够实时监测电网各个节点的电压、电流、频率等参数，通过传感器、电能表等设备采集电力系统运行数据，并将这些数据传输到云平台或边缘计算设备进行处理，实现对电力系统状态的全面感知。结合机器学习算法，基于历史数据和实时数据建立故障预测模型。

以预测电压异常为例，基于历史电压数据构建机器学习模型。模型的输入内容为向量x=[x1,x2，…，xi]，其中xi代表历史电压数据的电压值样本，模型的输出是一个单一数值y，表示预测的电压异常风险，计算公式如下：

式中：f(x）———逻辑函数，用于将输入向量x转换为一个0～1的输出值，这个值代表了异常风险程度；wi、b———模型参数，通过训练数据集学习得到。

模型训练完成，可以用于识别电压异常模式，通过分析实时数据，能够在检测到异常风险时发出预警，实现对电力系统运行状态的实时监测，确保故障能够被及时发现并处理。基于历史数据和实时数据构建的电压异常自动识别模型具有识别精度高、识别速度快等特点，可有效解决因传统识别方法不准确导致的误识别或不识别问题，实现电力系统运行情况实时监测和故障准确及时预警。

3.2 加强设备保护

应用电气自动化技术构建完善的设备保护机制，包含可编程逻辑控制、冗余配置、继电保护以及数据融合。

可编程逻辑控制可实现设备的精准监测与控制。例如，在风力发电机组运行控制中，可编程逻辑控制器（PLC）可以根据外部运行条件变化来控制机组启动和停机，实时监控变流器的电流和电压，协调整流器与逆变器的工作，控制变桨距以调整风力机转速，最终实现平稳的功率输出。再如，利用PLC实时监测柴油发电机组的输出功率、频率、电流、电压、油压、油位、油温和转速等，一旦这些参数超出正常范围，PLC将立即启动预设的保护程序，如自动停机，有效防止设备损坏。

关键设备采用冗余配置，可在主设备发生故障时自动切换到备用设备，提高电力系统运行的可靠性和连续性。例如，在输电线路的监控系统中，通过配置双套监控设备，当一套设备出现故障时，另一套设备能够自动接管监控任务，主备切换时间小于3 s，并且数据保持同步，从而保障监控任务的持续进行和数据的一致性。这种冗余配置可以在主设备发生故障时自动切换到备用设备，减少人工干预，降低维护和管理成本。再如，采用双套完全相同的微机系统主从配置，实时监测发电机组的运行状态、负荷变化，不仅可以在检测到故障时立即触发保护程序，还可以在负荷波动时调整发电机组的输出功率和电力分配策略，确保电力系统运行的可靠性。

继电保护可快速检测并隔离系统故障。继电保护装置能够实时监测发电机组、变压器、断路器等设备的运行状态，一旦设备参数超出预设阈值，如电流超过额定值的110%、电压波动超出±5%的允许范围、频率偏差超过±0.2 Hz、温度超过设定的高温阈值（150℃），继电保护装置会立即响应并动作，迅速隔离故障区域，防止故障扩大，并快速恢复非故障区域的供电。

数据融合可整合和分析来自不同数据源的信息，以提高保护的准确性和可靠性。通过融合多源数据对数据进行校验和判别，如检测设备物理状态与电气量数据的一致性、依据设备参数裕度判断电气量数据的合理性等，确保数据的可靠性和准确性，避免因数据存在异常导致保护装置误动或拒动，提高保护装置动作的准确性。

通过电气自动化技术构建完善的设备保护机制，对发电机组、变压器、断路器等关键设备的历史运行数据进行全面采集和分析，可以识别设备性能的退化趋势以及不同工况下的设备故障风险，从而提前发现潜在的故障。在检测到故障时，可以发送警报通知运维人员，并触发保护程序自动调整设备运行状态，以避免损坏设备，在必要情况下启动备用设备或执行紧急停机，以保护设备和人员安全，保障电力系统的连续运行。

3.3 避免供电中断

应用电气自动化技术优化电网布局和配置，提高电网的灵活性和韧性，减少因局部故障导致的大范围停电。结合需求侧管理平衡供需，避免过载，减少因负荷过高引起的供电中断。同时建立应急响应机制，当发生故障或事故时，立即触发应急响应以及时处理相关问题，避免供电中断。

大面积停电事件分为特别重大、重大、较大和一般4个级别，应急响应等级为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。当区域性电网减供负荷达30%以上时，初判为特别重大大面积停电事件，启动Ⅰ级应急响应。当区域性电网减供负荷为10%～30%时，初判为重大大面积停电事件，启动Ⅱ级应急响应。当区域性电网减供负荷为7%～10%时，初判为较大大面积停电事件，启动Ⅲ级响应。当区域性电网减供负荷为4%～7%时，初判为一般大面积停电事件，启动Ⅳ级应急响应。当电网基本恢复正常、运行参数稳定在限额以内、发电机组运行正常，减供负荷基本恢复、事故隐患基本消除、次生事故基本处置完成，则可终止应急响应。

电网状态监测与应急响应记录如表1所示。

表1 电网状态监测与应急响应记录

由表1可知，在初始阶段，电网状态正常，电流、电压和频率均在正常范围内。当检测到异常数据时，会在异常数据出现后的1 min内发出预警信号，此时实施需求侧管理，通过负荷调整以应对过载情况。如果负荷调整无法解决过载且电网出现严重故障时，则会触发应急响应，启动应急响应预案，相关保护装置动作，以防止故障扩大。在故障处理完毕后，采取启动备用发电设备或执行快速切换电源等应急措施，立即恢复供电，并进行持续监控。在恢复供电后的前30 min内，每5 min进行一次状态检查，确保电网稳定运行。

综合应用电气自动化技术和实施需求侧管理，可自动调整电网负荷、隔离受影响区域，以防止故障扩散，在必要情况下还可远程断开或切换设备。此外，可以结合仿真技术模拟，优化电路设备和网络，完善电力设备管理措施，进一步提升电力系统运行的安全性与稳定性。

4、结语

在生产运行电力系统中应用电气自动化技术，可以实现对电力系统运行状态的全面监控，并结合机器学习算法分析电力系统运行数据，增强故障预警能力，通过设备保护机制提升设备运行的可靠性，通过优化电网布局和需求侧管理避免供电中断，有效提升电力系统的稳定性。另外，通过持续的技术创新与改进优化生产运行电力系统，可以提升电力系统的运行效率、安全性与稳定性。

参考文献:

[1]林宇琪.探讨电气自动化在生产运行电力系统中的应用[J].中文科技期刊数据库(全文版)自然科学,2022(12):98-101.

[2]刘慧.电气自动化技术在生产运行电力系统运行中的应用[J].中国科技期刊数据库工业A,2022(1):175-178.

[3]马建峰.电气自动化技术在生产运行电力系统中的运用[J].数字通信世界,2020(5):191.

[4]郑泽生,朱忠峰.基于电气工程自动化的智能化技术应用探讨[J].IT经理世界,2022(1):40-42.

[5]黄闻而达,邹励.电气自动化技术在生产运行电力系统中的应用[J].现代工业经济和信息化,2022,12(12):126-127.

文章来源:殷振伟.浅析电气自动化技术在生产运行电力系统中的应用[J].通讯世界,2024,31(09):97-99.