电力系统与变电站自动化：现状、挑战与未来趋势

# 电力系统与变电站自动化：现状、挑战与未来趋势 ## 1. 自动化概述 自动化指的是将机器应用于曾经由人类执行的任务，或者应用于原本无法完成的任务。自动化这一术语于20世纪40年代在福特汽车公司首次被提出。不过，自动化的理念早在18世纪末至19世纪初的农业和工业革命时期就已萌芽。英国是工业革命的主要推动者，也是许多杰出发明家的诞生地，例如在纺织领域： - 詹姆斯·哈格里夫斯发明了珍妮纺纱机； - 理查德·阿克莱特爵士发明了机械纺纱机； - 埃德蒙·卡特赖特发明了动力织机，该织机由蒸汽机提供动力。 早期的自动化形式主要表现为机械化。19世纪后期，电力系统的出现以及20世纪初电子管的问世，标志着现代自动化的开端。早期的计算机之一ENIAC（电子数字积分器和自动计算机）于1943 - 1946年间耗时两年建成，它占地1000平方英尺（约93平方米），拥有18000个电子管，功率消耗达230千瓦。 在工业自动化中应用计算机之前，继电器和继电器逻辑（通过继电器连接电路以实现自动化任务）被广泛使用。如今，随着晶体管、集成电路和微处理器的发明，基于计算机的可编程逻辑逐渐取代了继电器逻辑。 ## 2. 汽车行业的自动化 兰塞姆·奥兹和亨利·福特开创的汽车装配线，计算机技术的成熟以及汽车装配过程的结构化，使汽车行业的早期创业者将自动化视为商业成功的关键。自动化具有诸多优势： - 使人类摆脱单调乏味的工作； - 让人类远离繁重危险的任务； - 提高生产力和工作效率； - 提升产品质量； - 降低成本和价格； - 增加能源和材料的节约； - 提高安全性； - 实现更好的数据采集和产品跟踪。 汽车行业竞争激烈，自动化很快成为商业成功的关键因素。通用汽车等美国、欧洲和日本的汽车制造公司纷纷采用自动化技术。用于汽车行业的计算机系统专为恶劣的工业环境设计，可编程逻辑控制器（PLC）通常具有多个输入和输出，输入用于接收传感器信号，输出用于显示信息或驱动执行器。 由于在自动化任务中常需要多个PLC协同工作，标准化显得尤为重要。IEEE作为标准制定机构，在计算机通信标准的制定方面发挥了重要作用。通用汽车在其制造自动化协议（MAP）中采用了改进后的IEEE令牌环802.4标准。 ## 3. 电力系统自动化 早期的发电厂传感器和动作变量数量较少，仅数百个。而现代大型发电站的变量数量则超过数十万甚至数千万个。因此，自动化在发电站的应用早于输电和配电领域。 自动化在铁路行业也有重要应用，例如对电力机车的远程电力控制。若某一区域的机车断电，将严重影响列车时刻表，给乘客带来不便，并造成严重的经济损失。 早期的电力系统中，“小型计算机”通常来自专业计算机公司，如IBM、珀金埃尔默、数字设备公司等，操作系统也由设备供应商提供。微波链路是项目基础设施成本的一部分，操作员可通过微波链路在控制中心远程控制断路器的开关。接口卡提供必要的输入/输出功能，远程终端单元（RTU）可通过执行器向断路器发送开关信号，断路器也能将其状态（开或关）通过RTU和微波链路反馈给操作员面板。如今，传统的硬接线面板正逐渐被电子显示屏取代，控制器可通过触摸屏或网络计算机接收和查看系统状态。 然而，早期的“遗留系统”具有专有性，实现自动化并非易事。其拥有成本（包括基础设施、硬件和软件成本）高昂，维护和升级成本也很高，软件许可证费用往往令人望而却步。不过，当时网络威胁和病毒攻击尚未出现，系统基本安全，但可靠性欠佳。当通信链路（如微波故障）出现问题时，需要人工备份，通常是派遣技术人员进行手动开关操作。 ## 4. 现代电网与变电站自动化 电力系统自动化在电力系统的不同部分发挥着不同功能。一部分是大容量输电，传统上由电力生产商负责，在电力市场放开的环境下，越来越多地由独立输电系统运营商（TSO）负责。大容量输电通常与户外开关站和高电压（超过132 kV）相关，大容量输电变电站在能源交易和电力交换中起着关键作用，批发电力通过输电系统销售给分销商。 另一部分是配电自动化。大型配电公司通常是市政企业或在电力市场放开国家的配电公司（DISCOS）。配电自动化已经存在多年，但主要应用于大客户或关键负载的情况。因此，城市地区的服务质量较好，而农村消费者则处于劣势。由于农村线路和负载分散，配电公司对农村供电进行自动化改造的成本效益不高。近年来，技术的变革、国家电力质量指令以及消费者意识的提高，促使电力系统控制基础设施和运营方式发生了根本性变化。 ### 4.1 配电系统自动化 经验表明，输电线路的故障频率低于配电线路，且配电网络复杂，故障后果严重。因此，对配电自动化的投资将会增加。根据IEEE的定义，配电自动化系统（DAS）是一种使电力公司能够从远程位置实时监控、协调和操作配电组件的系统。在大型网络中，主配电网络通常会进一步细分，一部分为大型用户（不进行电压转换），另一部分为较低电压的二次配电。 ## 5. 电力系统自动化组件 电力系统自动化组件可根据其功能进行分类： - 传感器 - 接口设备 - 控制器 - 执行器 ### 5.1 电力系统组件概述 #### 5.1.1 传感器 - **电流和电压互感器**：电流和电压互感器（也称为仪表互感器）可单独或组合用于过流、距离和载波保护等保护方案，也用于功率测量。由于对功率计量的精度要求较高，通常会使用定制的电压和电流互感器。 - **其他传感器**：为确保电力系统可靠运行，需要监测组件的状态、应力条件和环境条件。例如，对于变电站中的变压器，需要监测油箱内的压力、绕组温度和油位；对于断路器，需要获取气体压力和操作次数等传感信号。 #### 5.1.2 开关、隔离器和断路器 变电站的一个重要功能是实现电路配置的改变，例如进行计划维护、处理故障馈线或其他电气设备问题。现代开关和断路器通常配备触点或传感器，用于指示其状态或位置。ABB HH断路器机构就是一个例子，为实现可靠运行，相关设备通常较为复杂，包括控制和保护装置。 ## 6. IEC 61850变电站自动化：起源与理念 国际电工委员会（IEC）是电力行业最知名的标准制定机构之一，其标准IEC 61850“变电站通信网络和系统”是全球变电站通信的标准。该标准的范围广泛，影响深远，几乎所有现代变电站都会至少采用该标准的部分内容。此外，该标准很可能会以定制或修改的形式应用于发电、分布式能源资源（DER）和制造业。 IEC 61850标准起源于公用事业通信架构（UCA），这是1988年由电力研究协会（EPRI）和IEEE发起的一项倡议，最初旨在实现控制中心之间以及变电站与控制中心之间的互操作性。后来，与第57技术委员会（TC57）的第10工作组的类似工作进行了整合，最终形成了IEC 61850标准。 ### 6.1 IEC 61850变电站架构 #### 6.1.1 变电站间隔 在符合IEC 61850标准的变电站中，设备按区域或区域划分为间隔。在这些间隔中，有用于连接线路或变压器与母线的开关设备，例如进线间隔、母线耦合间隔和变压器间隔。 #### 6.1.2 合并单元 合并单元是信号调理和处理设备。它接收、合并和同步来自电流和电压互感器（传统和非传统）的采样电流和电压信号（CT/VT的三相量），然后将其传输到智能电子设备（IED）。一些公司正在制造电子电压互感