探析電力工程中電氣自動化技術(shù)的運用

摘要：我國電氣自動化專業(yè)最早開設(shè)于 50年代，一開始名稱為工業(yè)企業(yè)電氣自動化，后來雖然經(jīng)歷了多次專業(yè)性的調(diào)整，但由于其專業(yè)面寬，適用性廣，所以到如今一直很受歡迎，據(jù)教育部門最新公布的本科專業(yè)設(shè)置目錄中，它屬于工科電氣信息類。本文中主要針對這類電氣自動化技術(shù)的一些發(fā)展趨勢進行探討。

關(guān)鍵詞：電力工程，電氣自動化，自動化技術(shù)

Abstract: China electric automation and opened the first in the s, a start for industrial enterprise name electrical automation, although later took many professional adjustment, but because of its wide range, applicability, wide, so to now has been very popular, according to the education department released the latest undergraduate professional set list, it belongs to electrical engineering information. This paper mainly for this kind of electrical automation technology of some of the development trends are discussed.

Keywords: power engineering, electrical automation, automation technology 引言：隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和技術(shù)的突飛猛進,社會對電力的需求日益增大,同時我國的電網(wǎng)建設(shè)水平不斷發(fā)展,并取得了長足進步。在這個過程中,怎樣提高配電網(wǎng)的自動化水平越來越成為人們關(guān)注的焦點。

1.電力系統(tǒng)自動化技術(shù)

1.1變電站自動化

變電站自動化的目的是取代人工監(jiān)視和電話人工操作，提高工作效率，擴大對變電站的監(jiān)控功能，提高變電站的安全運行水平。變電站自動化的內(nèi)容就是對站內(nèi)運行的電氣設(shè)備進行全方位的監(jiān)視和有效控制，其特點是全微機化的裝置替代各種常規(guī)電磁式設(shè)備；二次設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化，盡量采用計算機電纜或光纖代替電力信號電纜；操作監(jiān)視實現(xiàn)計算機屏幕化；運行管理、記錄統(tǒng)計實現(xiàn)自動化。變電站自動化除了滿足變電站運行操作任務(wù)外還作為電網(wǎng)調(diào)度自動化不可分割的重要組成部分，是電力生產(chǎn)現(xiàn)代化的一個重要環(huán)節(jié)。

1.2電網(wǎng)調(diào)度自動化

電網(wǎng)調(diào)度自動化主要組成部分，由電網(wǎng)調(diào)度控制中心的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、工作站、服務(wù)器、大屏蔽顯示器、打印設(shè)備等，其主要是通過電力系統(tǒng)專用廣域網(wǎng)連結(jié)的，下級電網(wǎng)調(diào)度控制中心、調(diào)度范圍內(nèi)的發(fā)電廠、變電站終端設(shè)備(如測量控制等裝置)等構(gòu)成。電網(wǎng)調(diào)度自動化的主要功能是：電力生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控電網(wǎng)運行安全分析、電力系統(tǒng)狀態(tài)估計、電力負荷預(yù)測、自動發(fā)電控

制(省級電網(wǎng)以上)、自動經(jīng)濟調(diào)度(省級電網(wǎng)以上)并適應(yīng)電力市場運營的需求等。

1.3發(fā)電廠分散測控系統(tǒng)(DCS )

發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)( DCS)一般采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由過程控制單元( PCU)、運行員工作站(0S)、工程師工作站(ES)和冗余的高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng))組成。

過程控制單元（PCU）由可冗余配置的主控模件( MCU)和智能I /0模件組成。MCU模件通過冗余的I /0總線與智能FO模件通訊。PCU直接面向生產(chǎn)過程，接受現(xiàn)場變送器、熱電偶、熱電阻、電氣量、開關(guān)量、脈沖量等信號，經(jīng)運算處理后進行運行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)的實時顯示和打印以及輸出信號直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，完成生產(chǎn)過程的監(jiān)測、控制和聯(lián)鎖保護等功能。

運行員工作站(0S)和工程師工作站( ES)提供了人機接口。 運行員工作站接收PCU發(fā)來的信息和向PCU發(fā)出指令，為運，行操作人員提供監(jiān)視和控制機組運行的手段，工程師工作站為維護工程師提供系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置和修改、系統(tǒng)診斷和維護等手段。

2 變換器電路從低頻向高頻方向發(fā)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(yīng)用普通晶閘管時，直流傳功的變換器主要是相控整流，而交流變頻船動則是交一直一交變頻器。當電力電子器件進入第二代后，更多是采用PWM 變換器了。采用PWM方式后，提高了功率因數(shù)，減少 了高次諧波對電岡的影響，解決了電動機在低頻區(qū)的轉(zhuǎn)矩脈動問題。

但是PWM 逆變器中的電壓、電流的諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動作用在定轉(zhuǎn)子上，使電機繞組產(chǎn)生振動而發(fā)出噪聲。為了解決這個問題，一種方法是提高開關(guān)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(dǎo)通或關(guān)斷，開關(guān)損耗很大。開關(guān)損耗的存在限制了逆變器工作頻率的提高。

1986 年美國威斯康星大學 Divan 教授提出諧振式直流環(huán)逆變器。傳統(tǒng)的逆變器是掛在穩(wěn)定的直流母線上，電力電子器件是在高電壓下進行轉(zhuǎn)換的‘硬開關(guān)’，其開關(guān)損耗較大，限制了開關(guān)在頻率上的提高。而諧奪式直流環(huán)逆變器是把逆變器掛在高頻振蕩過零的諧振路上，使電力電子器件在零電壓或零電流下轉(zhuǎn)換，即工作在所謂的‘軟開關(guān)’狀態(tài)下，從而使開關(guān)損耗降低到零。這樣，可以使逆器尺寸減少，降低成本，還可能在較高功率上使逆變器集成化。因此，諧振式直流逆變器電路極有發(fā)展前途。

3.當前電力系統(tǒng)自動化依賴IT技術(shù)向前發(fā)展的重要熱點技術(shù)

3.1電力一次設(shè)備智能化

常規(guī)電力一次設(shè)備和二次設(shè)備安裝地點一般相隔幾十至幾百米距離，互相間用強信號電力電纜和大電流控制電纜連接，而電力一次設(shè)備智能化是指一次設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮將常規(guī)二次設(shè)備的部分或全部功能就地實現(xiàn)，省卻大量電力信號電纜和控制電纜，通常簡述為一次設(shè)備自帶測量和保護功能。如常見的“智能化開關(guān)”、“智能化開關(guān)柜”、“智能化箱式變電站”等。

電力一次設(shè)備智能化主要問題是電子部件經(jīng)常受到現(xiàn)場大電流開斷而引起的高強度電磁場干擾，關(guān)鍵技術(shù)是電磁兼容、電子部件的供電電源以及與外部通信接口協(xié)議標準等技術(shù)問題。

3.2電力一次設(shè)備在線狀態(tài)檢測

對電力系統(tǒng)一次設(shè)備如發(fā)電機、汽輪機、變壓器、斷路器、開關(guān)等設(shè)備的重要運行參數(shù)進行長期連續(xù)的在線監(jiān)測，不僅可以監(jiān)視設(shè)備實時運行狀態(tài)，而且還能分析各種重要參數(shù)的變化趨勢，判斷有無存在故障的先兆，從而延長設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，提高設(shè)備的利用率，為電力設(shè)備由定期檢修向狀態(tài)檢修過度提供保障。近年來電力部門投入了很大力量與大學、科研單位合作或引進技術(shù)，開展在線狀態(tài)檢測技術(shù)研究和實踐并取得了一些進展，但由于技術(shù)難度大，專業(yè)性強， 檢測環(huán)境條件惡劣，要開發(fā)出滿意的產(chǎn)品還需一定時日。

3.3光電式電力互感器

電力互感器是輸電線路中不可缺少的重要設(shè)備，其作用是按一定比例關(guān)系將輸電線路上的高電壓和大電流數(shù)值降到可以用儀表直接測量的標準數(shù)值，以便用儀表直接測量。其缺點是隨電壓等級的升高絕緣難度越大，設(shè)備體積和質(zhì)量也越大；信號動態(tài)范圍小，導(dǎo)致電流互感器會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，或發(fā)生信號畸變；互感器的輸出信號不能直接與微機化計量及保護設(shè)備接口。因此不少發(fā)達國家已經(jīng)成功研究出新型光電式和電子式互感器，國際電工協(xié)會已發(fā)布了電子式電壓、電流互感器的標準。國內(nèi)也有大專院校和科研單位正在加緊研發(fā)并取得了可喜成果。目前主要問題是材料隨溫度系數(shù)的影響而使穩(wěn)定性不夠理想。另一關(guān)鍵技術(shù)是，光電互感器輸出的信號比電磁式互感器輸出的信號要小得多，一般是毫安級水平，不能像電磁式互感器那樣可以通過較長的電纜線送給測控和保護裝置，需要在就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過光纖接口送出，模數(shù)轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等電子電路部分在結(jié)構(gòu)上需要與互感器進行一體化設(shè)計。在這里，電磁兼容、絕緣、耐環(huán)境條件、電子電路的供電電源同樣是技術(shù)難點之一。

4.單片機、集成曳路及工業(yè)控荊計算機的發(fā)展

4.1以 MCS-51為代表白 8 位機雖然仍占主導(dǎo)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(chǎn)的 PIC系列單片機及CMS97C系列單片機等正在推廣，而且單片機的應(yīng)用范圍已開始擴展至智能儀器儀表或不太復(fù)雜的工業(yè)控制場合以充分發(fā)揮單片機的優(yōu)勢另外，單片機的開發(fā)手段也更加豐富，除用匯編語言外，更多地是采用模塊化的（ - 語言、PL / M 語言。

4.2在集成電路方面，需要重點說明的是集成模擬乘法器和集成鎖相環(huán)路及集成時基電路在自動控制系統(tǒng)中運用很廣。在電機控制方面，還有專用于產(chǎn)生 PWM 控制信號的 HEF4752、 TL494 、 SL E4520 和 MA818 等應(yīng)用也相當廣泛。

4.3在邏輯電路方面，值得注意的是用專用芯片（ ASIC）進行邏輯設(shè)計。 ASIC ( Appilca- , tion Specific L ntegrated Circuit ）中有編程邏輯陣列 PL D ( Programrnable Logic Device ）。 PLD力現(xiàn)有四種類型的器件： PROM 、 FPLA 、 PAL、 GAL 。 GAL是 PAL的第二代產(chǎn)品，它可以在線電擦洗，與TTL兼容，有較高的響應(yīng)速度，有可編程的保密位等優(yōu)點。這些特點使得 GAL在降低系統(tǒng)造價，減少產(chǎn)品體積和功耗，提高可靠性和穩(wěn)定性及簡化系統(tǒng)設(shè)計，增強應(yīng)用的保密性方面有廠‘闊的發(fā)展產(chǎn)景，特別適合新產(chǎn)品研制及 DMA控制和高速圖表處理，其上述交流的控制最終用工業(yè)控制計算機完成。

5.結(jié)束語

眾所周知,電氣自動化技術(shù)是當今世界最活躍、最充滿生機、最富有開發(fā)前景的綜合性學科與眾多高新技術(shù)的合成。其應(yīng)用范圍十分廣泛,幾乎滲透到國民經(jīng)濟各個部門，隨著我國科技技術(shù)的發(fā)展，電氣自動化技術(shù)也隨之提高。

參考文獻：

(1).張偉林《電氣控制與PLC綜合應(yīng)用技術(shù)》人民郵電出版社2009

（2） 劉增良，劉國亭．電氣工程CAD [M]．北京: 中國水利水電出版社，2002．

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。