變電自動化以及其穩定性問題探索

趙偉艷

摘要：電力系統運行中，隨著電壓、頻率的瞬時變化，存在著瞬時的狀態變量。對于一個電力系統，有多少個狀態變量就有多少種穩定性問題。在電力系統運行中，有三種常見且必須同時滿足的穩定性要求，即同步運行穩定性，頻率穩定性和電壓穩定性。目前，電力改造項目應用的常規型自動化系統，其實主要就是實現微機管理，是一種局部綜合自動化系統的模式，這種自動化系統有一個致命的缺點就是系統不具備自診斷能力，對二次系統本身的故障無法檢測。

關鍵詞：變電；自動化；穩定性

前 言

隨著電力系統動態過程的分析越來越復雜，對系統自動控制的要求也越來越高。分層分布式綜合自動化變電系統通過各種設備間相互交換信息、數據共享，實現對變電運行的自動監視、管理、協調和控制，從而提高了變電保護和控制性能，改善和提高了電網的控制水平。

一、現階段的變電自動化系統分析

1.集中式結構

集中式結構是將系統設備按其功能歸類劃分，形成若干個獨立系統，各系統分別采用集中裝置來完成自身的功能。集中式結構一般由1個或2個CPU實現對整個變電系統的保護、監視、測量、遠動的集中控制。集中式控制系統的優點是構成較簡單、主機控制系統集中、便于分配調度各種實時任務、響應速度快、節省投資；缺點是主機系統負荷繁重、主機單CPU可靠性不高。為了提高可靠性，一般采用雙系統互為備用。該系統可采用前置主機和后臺輔機相結合的配置方式。前置主機完成模擬量和開關量以及脈沖量的采樣輸入、開關量輸出控制（斷路器跳合閘操作）與信號輸出、向輔機傳送數據等功能。輔機主要完成負荷顯示、打印輸出、遠動通信和主機間的數據串行通信等功能。

2.分散式結構

這種結構方式一般是按一次回路進行設計。首先將設備按一次安裝單位劃分成若干單元，將控制單元、微機保護單元、數據采集單元安裝在戶外高壓斷路器附近或戶內開關柜內。然后將各分布單元用網絡電纜互聯，構成一個完整的分散式綜合自動化系統。其優點是各個功能單元上既有通信聯系，又能相對獨立，便于系統擴展，便于維護管理，當某一環節發生故障時，不至于相互影響；此外，它的抗電磁干擾能力強、可靠性高，在二次系統設計上能最大限度地減少二次設備的占地面積并節省大量電纜及接線。缺點是價格高。

3.集中與分散結合式結構

這種結構方式介于集中式與分散式兩種結構之間，形式較多。目前國內應用較多的是分散式結構集中式組屏。這種結構方式具有分散式結構的全部優點，由于采用了集中式組屏，有利于系統的設計、安裝與維護管理。

二、變電自動化系統的網絡模型分析

1.假定電力網絡中節點編號的次序先是各發電機節點，然后是負荷和其它節點。在此情況下消去全部負荷節點的注入電流，根據計算內容和要求的不同，選用適當的模型。由于在電網故障后功角的第一個搖擺周期內，各種調節器因為時滯來不及動作或動作很小，且在穩定性預測和早期控制中對時間要求很短暫，故一般采用電力系統的經典模型（如恒定阻抗負荷模型和暫態電抗后恒定電勢的同步電機模型）；

2.在研究系統多個功角搖擺周期時段的動態穩定時，要考慮各個元件的反應特性。在電力系統運行方式處于穩定域邊界處，由經典模型得出的結果與實際模型相差甚遠，故需采用詳細發電機等單元的數學模型（含勵磁、調速系統模型，負荷考慮電壓和頻率特性）來研究。

三、變電自動化系統內的通信網絡設計分析

構建一個快速、穩定、可靠和富有彈性的通信網絡是變電自動化系統的基本要求，也是整個電力系統運行管理自動化的根本前提?；诰W絡技術的現場總線無論在通信速率和實時性，還是在可靠性和組網的靈活性上均遠高于簡單的串行通信技術，因此在很短時間內便成為變電自動化系統的主流通信技術，同時也使變電自動化系統的整體結構發生了本質的變化。自動化通信系統需要計算機網絡技術，更需要帶寬、通用性和符合國際標準的網絡技術。在帶寬、可擴展性、可靠性、經濟性、通用性等方面的綜合評估中，計算機網絡技術必將成為自動化系統中通信技術發展的趨勢。

四、變電自動化系統安全控制和穩定性分析與研究

處于穩定狀態的電力系統受到某些擾動時，可能轉入不穩定狀態。通過一些必要的控制，如調整發電機電壓或出力、切換線路等，使系統轉為穩定狀態。這種控制稱為預防控制，也稱為正常狀態下的安全控制或靜態安全控制。這種控制一般由電力系統調度部門的能量管理系統（EMS）進行實施。處于正常狀態的電力系統受到較嚴重的擾動時，可能轉為極不穩定狀態。極不穩定狀態可能出現以下兩類危機：（1）穩定性危機（Stability crisis）：電力系統暫態過程積蓄的能量可能破壞其運行穩定性，即不能再回到初始狀態或停留在一個允許的新狀態。這一過程歷時很短，如幾秒鐘。（2）持久性危機（Viability crisis）：局部或整個系統發電、送電和負荷不平衡，導致系統運行參數大幅度偏離正常值，可能破壞對用戶的持續供電。這一過程歷時較長，如幾秒鐘至幾分鐘。電力系統在極不穩定狀態下為了維持穩定運行和持續供電，必須采取必要的控制措施。這種控制稱為緊急控制（Emergency control）或預測控制（Predictive con-trol），也稱為極不穩定狀態下的安全控制或動態安全控制。對穩定性危機的緊急控制稱為穩定性控制（Stabilitycontrol）。通過穩定性控制可能使系統恢復正常狀態，也可能使系統暫時處于另一種穩定狀態，即恢復狀態。針對持久性危機的緊急控制，通常稱為校正控制（Correc-tive control）。如控制電壓和無功功率、切機或限制發電機出力、限制負荷和系統解列等，以便使系統恢復到正常狀態或轉為恢復狀態，保持對用戶的持續供電。

五、結束語

變電自動化是今后發展的一種必然趨勢，其優越性在電能質量，變電的安全、可靠運行水平等方面均有較好的體現。本文首先介紹變電自動化系統的幾種常用結構，其次對自動化系統的網絡模型進行了論述，然后再對變電自動化系統內的通信網絡進行了詳細設計。最后得出結論，分層分布式綜合自動化系統有利于系統擴展的方便性和靈活性，以及計算機網絡技術是應推廣的一種通信系統發展模式，特別適合于通信數據量大的建設項目?，F實工作中，為了預防這種故障需要頻繁地對二次設備進行定期試驗和調試，而一旦出現不可預見的設備故障，便會給整個電網的安全運行帶來嚴重后果。本文以上就談了一些自己的觀點可與同行共同探討。