电力系统及其自动化简介

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1、电力系统和电力系统自动化电力工业是具有公用事业性质的基础性产业，电力行业是具有明显的社会 公益性的行业，是国民经济的大动脉，电力供应的可靠性对现代社会具有极其 重大的影响。我国经济在稳步快速的发展，需要我国电力工业发展的支持，也 给电力系统自动化产业提供了前所未有的机遇和挑战。1我国电力系统发展和现状 1.1 体制变迁97 年 前：电 力 工 业部97 年 8月：国 家 电力 公司02 年 3月：国 务 院正 式批 准 了以“ 厂 网分 开 ，竞价 上 网，打破 垄断，引入 竞争”为宗旨的 电力体制改革方案（即：国务院5号文件）。02 年 10 月 ： 成 立 国 家 电 力 监 管 委 员

2、会 （ 电 监 会 ）02 年 12 月 29 日 ，在 原 国 家 电 力 公 司 的 基 础 上 ，中 国 电 力 新 组 建 （ 改 组 ） 的 11 家 公 司 宣 告 成 立 ，包 括 两 家 电 网 公 司 、五 家 发 电 集 团 公 司 和 四家辅业集团公司分别经营电网、电源及辅业资产。电网公司：国家电网公司南方电网公司发电公司华能集团公司大唐集团公司华电集团公司国电集团公司 电力投资集团辅业集团中国电力工程顾问集团公司中国水电工程顾问集团公司 中国水利水电建设集团公司 中国葛洲坝集团公司电力产 业 总资产 （ 2000 年底 ） ：2.5 万亿 元 ， 其 中 原 国 电总

3、资产 1.8 万亿 元1.2 近期发展状况发电装机容量：1980 ： 6587 万 KW( 65869MW )1987 ： 10289.7 万 KW1993 ： 20000 万 KW1996 ： 23654 万 KW 2003 ： 38900 万 KW21735 亿 千 瓦 时用 电 24220 亿 千 瓦 时50000 万 KW2005 年 底 ： 50841 万 KW，未来十年，预计还要增加2004 ： 44000 万 KW， 用 电变电站数量：1996 年 统 计 数 据 （ 注 ） ：500KV ： 47330KV ： 25220KV ： 1003154KV ： 2110KV ： 54

4、9666KV ：272935KV ：20921目 前每年新增变 电站 约 4000 个 ， 改造老变电 站 约 2000 个2003 年 末 数 据 （ 网 络 数 据 ， 供 参 考 ） ：500kV ： 近 100 个220kV ： 1800 多 个110kV ： 5900 个66kV/35kV 变 电 站 有 5700 多 个另 有数据显示 ， 全国 110KV 以 下、 35KV 以上的终端变 电站 有 18000 余座 ， 35KV 等级 以下 的各类 配 电变 电站数 量更多近几年 ， 每年新增变 电站 约 4000 个 ， 改造老 变 电 站 约 2000 个 。2电力系统概述2

5、.1 电 力 系 统 的 特 点（ 1） 平衡性： 电能不能储 存， 电能的生产 、 输送、 分配和使用同时完成。（ 2） 瞬 时性 ： 暂态 过程 非 常迅 速 ， 电 能 以 电 磁 波 的 形 式传 播 ， 真 空 中传 播 速 度 为 300km/ms 。（ 3） 和 国 民 经济各 部 门 间 的 关 系 密 切 。2.2 电 力 系 统 的 组 成电力系统是由发电厂的发电机、升压及降压 变电设备、电力网及电能用户（用 电设备）组成的系统。发电，输变电，配电，用电精选资料，欢迎下载动力系统煤 石油天然化学能锅炉热能一汽轮机核能 铀反应堆水能水轮机机械能电力网电能发电机升压变压器输电线

6、路一降压变压器-电力系统用电设备（1） 发 电部分（Generation） :发电厂，将化学能（煤炭，燃油），水能，核能，风能等转化为电能。火电厂：煤、油（不可再生），空气，水水电厂：水的势能（可再生能源），受气象影响大。核电站：核燃料（比较贵），水抽水蓄能电站：吸发兼备，峰谷调节，快速备用化学能电源：各种电池，燃料电池等，效率高，比较贵绿色能源：风能、太阳能、潮汐发电，地热电站，比较贵，易受自然条 件影响。输电网络，通过高压输电网（2）输 配 电部分（Power Transmission Grid） 络将电能由发电厂输送到负荷中心变电站一次设备变压器断路器（开关） 隔离开关（刀闸） 限流电抗

7、器（电感）载流导体（母线/输电线）CT/PT （ Current Transformer/ Potential Transformer）绝缘子 接地装置补偿装置（调相机/电容/静补装置） 中性点设备避雷设备二次设备控制系统：直流电压，控制短路器开合信号系统：警报音响，位置信号（断路器开合）测量系统：测量表计同步系统：保证同期操作（同压，同频，同相）用的设备 测量设备 保护设备控制设备监视设备(包括故障录波) 常规变送器和微机变送器输电线路 架空线路：钢芯铝导线，分裂导线；裸导线，绝缘导线电缆：单相，三相交流线路：潮流不可控，远距离输电稳定性问题较大直流线路：潮流可控，超远距离输电无稳定性问题。

8、交直流混合输电网络(整流站，换流站，直流线路)，不同频电网互联 用电部分用电设备消耗电能高压用户额定电压在1kV以上，低压用户额定电压在1kV以下。2.3 对电力系统的基本要求(1)保证供电可靠性(2)保证电能质量(3)提高电力系统运行的经济性(4)其它：如环境保护问题2.4 衡量电能质量的指标(1)电压偏差电压偏差指当供配电系统改变运行方式或负荷缓慢地变化使供配电系统各 点的电压也随之改变，各点的实际电压与系统额定电压之差，通常用与系统额 定电压的百分比值数表示。(2)电压波动电压连续变动或电压包络线的周期性变动，电压的最大值与最小值之差与系 统额定电压的比值以百分数表示，其变化速度等于或大

9、于每秒0.2 %时称为电压 波动。(3)频率偏差频率偏差是指供电的实际频率与电网的额定频率的差值。我国电网的标准频率为50Hz ,又叫工频。频率偏差一般不超过土 0.25Hz ,当 电网容量大于3000MW时，频率偏差不超过 0.2Hz 。调整频率的办法是增大或减小电力系统发电机有功功率。(4)供电可靠性供电可靠性指标是根据用电负荷的等级要求制定的。衡量供电可靠性的指标，用全年平均供电时间占全年时间百分数表示。(5)其它电压闪变负荷急剧的波动造成供配电系统瞬时电压升高，照度随之急剧变化，使人眼 对灯闪感到不适，这种现象称为电压闪变。不对称度不对称度是衡量多相负荷平衡状态的指标，多相系统的电压负

10、序分量与电压 正序分量之比值称为电压的不对称度，电流负序分量与电流正序分量之比值称 为电流的不对称度，均以百分数表示。正弦波形畸变率当网络电压波形中出现谐波（有时为非谐波）时网络电压波形就要发生畸变。 谐波干扰是由于非线性系统引起的。它产生出不同于网络频率的电压波，或者 具有非正弦形的电流波。包括n次谐波电压、电流含有率，电压、电流总谐波 畸变率，谐波电压的总平均畸变系数。2.5 常用概念（1）基本量纲电压：伏特（V）,千伏（KV）,万伏（惯用）电流：安培（A）有功功率：瓦特（W）,千瓦（KW ,兆瓦（MW,万千瓦（惯用）无功功率：乏（Var ）,千乏（KVar ）电量：度（KWH - kil

11、owatt-hour ）（1）电压等级国家规定的等级：3, 6, 10, 35 , （ 66）, 110 , （ 154 ）, 220 , 330, 500KV其中：500 , 330 , 220KV 用于大 电力系统主干线110KV用于中小电力系统主干线，和大电力系统的二次网络35KV 用于大城市或大工业内部网络，以及农村网络10KV 为最常用的更低一级配电网络，只有负荷中高压电动机比重很大 时才用6KV电压3KV 用于工况企业内部（2）调度等级五级调度（国，网，省，地，县）（3）调度部门组成和作用调度部门的一般包括：调度，方式，保护，通信，远动（自动化）3电力信息化电力信息化大致分为两部分

12、：电力系统自动化：保障电能安全可靠地在电网上传输；电力营销和通用信息化：保证电能销售和电网资产科学有效管理。由于电力生产安全性与稳定性的要求，电网企业对生产过程控制的信息技术 应用一向比较重视，而对业务及管理的信息化重视却相对不足，生产自动化与 管理信息化的发展处于不平衡状态。两者的投资比重大致为80 : 20 o4 电力系统自动化的基本概念电力系统自动化 要的部分。(electric power system automation)是电力信息化最重电力系统自动化是应用各种具有自动检测、反馈、决策和控制功能的装置并 通过信号、数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远 方的自动

13、监视、协调、调节和控制，目的是保证电力系统的供电质量和安全经 济运行。电能的供应和使用与社会经济和人 产、传输、分配、消费电能的各个环节 在地域上分布辽阔而在电气上却是联成 量和生产率的下降以及人民生活的不便 况下还回造成人身伤亡和设备损坏事故 行状态的变化都会迅速地影响到系统中 中任何一处发生故障，应及时而正确地 系统其他运行部分，以至造成大面积停 分配、电网结构和潮流分布、负荷控制 行中能量的节约和所发挥的经济效益。民日常生活密切相关。电力系统包括生 ,是一个复杂的连续生产和消费过程， 一体的。电能质量不合格将引起产品质 ,突然停电和长期频率或电压下降的情 。电力系统中任何一个元件的参数和

14、运 其他元件的正常工作，所以在电力系统 处理，否则将使事故扩大，并波及电力 电。一次能源调度、发电机起停和负荷 和管理的合理与否，都涉及电力系统运由于电力系统规模和容量的不断扩大，系统结构、运行方式日益复杂，单纯 依靠人力来监视电力系统的运行状态，正确而及时地进行各项操作，迅速地处 理事故，已经是不可能了。必须应用现代控制理论、电子技术、计算机技术、 通信技术、图象显示技术等科学技术的最新成就来实现电力系统的自动化。电力系统自动化的基本要求如下：(1)迅速而正确地收集、检测和处理电力系统各元件、局部系统或全系统 的运行参数。(2)根据电力系统的实际运行状态和系统各元件的技术、经济和安全要求 为

15、运行人员提供调节和控制的决策，或者直接对各元件进行调节和控 制。(3)实现全系统各层次、各局部系统和各元件间的综合协调，寻求电力系 统电能质量合格和安全经济运行。(4)提高供电可靠性，减少电力系统事故、延长设备寿命，提高运行水平， 节省人力，减轻劳动强度。4.1 电力系统自动化发展过程电力系统自动化是在应用各种自动装置逐步取代人工操作的过程中发展起 来的。最先，运行人员在发电机组、开关设备等电力系统元件的近旁直接监视 设备状态并进行手工操作和调节，例如人工操作开关、调节发电机的出力和电 压等。这种工作方式的效果与运行人员的素质和精神状态有关，也与监视仪表 和调节操作装置的完善性有密切关系，往往

16、不能及时而正确地对系统进行调节 和控制，特别在发生事故时，由于来不及反应事故的发生和发展，而使事故扩 大。随着单个设备或单个过程自动装置（或调节器）的应用，直接以运行参数的 变化作为控制装置的输入信号，来起动设备的操作和控制，如利用各种继电器 来反应系统故障情况下的电流和电压的变化，使断路器开断故障线路；根据发 电机端电压变化的信号来调节励磁电流，以实现电压和无功功率的调节和控制； 根据系统频率的变化信号来调节原动机的出力，以实现频率和有功功率的调节 和控制以及水轮机组的程序起动等。这种单参数、单回路的调节和控制装置的 应用，节省了人力，并能比较正确而及时地控制运行状态。随着电子技术和计 算机

17、技术的发展，自动装置的组成元件也由最初的电磁型的发展成由晶体管、 集成电路构成的无触点型的并进一步采用以微型计算机（或微处理器）为基础 的可编程序控制器等先进设备。由于电力系统的发展，发电厂（发电机）及电力系统其他元件数量的增加， 运行工况的复杂，使得协调各元件间的控制成为必要。所以，在一个发电厂、 局部电力系统以至整个电力系统开始应用先进的计算机和通信设备来完成数据 收集和处理，并且利用计算机的高速运算能力、大容量内存和高度的逻辑判断 能力，实现一个发电厂、局部电力系统以至整个电力系统的集中监视、决策和 控制。随着电力系统各元件及发电厂组成的日益复杂，以及对控制的要求日益严 格，进一步用计算

18、机进行集中控制越来越困难，这是因为信息量庞大，通道拥 挤，计算机的容量增大，响应不快，运行复杂。利用计算机性能价格比日益提 高的趋势，对被控对象多、每个对象需要监控的参数较多、各个对象在地理上 比较分散的系统，控制方式从集中控制发展为分层控制，如中心调度所、地区 调度所、发电厂（变电所）控制中心等形式的分层控制。分层控制的最低层可 以在获取数据的地方由就近设置的计算机处理数据，并进行控制。这样可以避 免大量信息可来回传送，减轻上层计算机的负担，提高信息处理的实时性。只 有涉及全系统的综合信息，才由下一层转送给上一层进行处理和控制，在上层 作出决策后向下层发送控制信息。4.2 电力系统自动化的主

19、要内容和现状火电厂自动化现代火电厂的发展趋势是采用高温、高压、中间再热的大型单元式发电机组， 机组的单机容量大而热力系统复杂，其运行工况多变，操作频繁而复杂，控制 的对象和参数多，所以对火电厂的自动化程度提出了很高的要求，传统的监控 仪表和运行方式已满足不了火电厂经济安全运行的要求。近十几年来已经应用 计算机来代替常规调节仪表对单项参数的控制或用一些相对独立的自动控制系 统来完成局部设备的控制（如锅炉自动控制，喷燃器自动控制，汽轮机自动起 动和发电机自动同步等），或者在传统的仪表和控制器的基础上增加电子计算机 的协调和控制。其主要的功能有下列几方面。（ 1） ） 安 全 监 视 。利 用 计

20、算 机 对 发 电 机 组 的 各 种 参 数 和 各 类 设 备 的 运 行 状 态 进 行 巡回和周期性的测量和检查。对于不同的运行工况（如正常、异常、起停 过程、 事故）。 检测的内容和周期是不同的。采取数据后还 要进行必要的 处理，例如判断数据的正确性，对某些参数的修正，进行参数滤波等。同 时 ，可 对 收 集 到 的 信 息 进 一 步 校 验 是 否 越 限 ，并 通 过 声 光 显 示 或 打 印 输 出 向运行人员报告。还可以根据获得的数据进行计算，得出如功率总加、锅 炉效率、厂用电率等性能指标值。（ 2） 正 常 调 节 。 在 正 常 运 行 时 ， 对 锅 炉 、 汽 轮

21、 机 、 发 电 机 等 主 辅 设 备 进 行 直 接 或间接控制。在运行中，因不断受到内外部条件及干扰影响，一些被调参 数（如汽压、汽温、水位、流量、风量等）经常发生变化，这就要利用自 动调节器，根据被调量的偏差值，按规定的调节规律进行调节。最简单的 是单 回 路 调 节 系 统 。利 用 计算 机 可 以 同 时 控 制 若 干 回 路 ，并 考 虑 各 参 数 的 相关因素。（ 3） 机 组 起 停 。 高 参 数 和 大 容 量 机 组的 汽 水 系 统 、 燃 烧 系 统 、 辅 助 系 统 、 除 氧给水 系 统 十 分 复 杂 ，使 机 组 起 停 时 的 控 制 十 分 困

22、难 。在 从 冷 态 起 动 到 带满 负荷（几小时到十几小时）的过程中，包括锅炉点火、升温升压、汽轮机 升速、初负荷保持、升负荷等几个阶段，工况不断变化。为了保证起动设 备的安全 ，减轻运行人 员的劳动强度 ，要对 各种参 数和设备状态进行监视、 判 断 和 计 算 ，然 后 对 各 调 节器 和 程序 控 制 回 路 发 出 指令 ，或 者 直 接 去调 节 和操作发电机组。（ 4） 事 故 处 理 。 对 生 产 过 程 进 行 趋 势 预 报 和 报 警 分 析 。 事 故 发 生 后 ， 首 先 通 过 事故 识 别 程 序 查 明 事故 性 质 及原 因 ，然后 转 入 相 应 的

23、 事 故 处 理 程序 。如果事故继续发展，以致危及机组及系统安全时，则应采取紧急措施（如减负 荷、停机）。在事故处理过程中， 要监视和记录设备的状态及主要参 数， 以供运行人员进行事故后的分析。水电厂自动化水 电 厂 除 了 按 计划 发 电 外 ，还 在 电 力 系 统 中 起 着 调 峰 、调 频 和 事 故 备 用 的 作 用，所以机组启动频繁，工况多变（如调相改发电，抽水蓄能发电厂的抽水改 发 电 等 ） ；水 电 厂 一 般 要 通 过 远 距 离 输 电 线 将 电 能 送 到 负 荷 中 心 ，易 出 现 稳 定 问 题；同时水电厂还应考虑水力资源的综合利用。所以，水电厂的自动

24、化要能适 应这些要求。水 电 厂 自 动 化 也是 从 单 机 自 动 化 开始 。首 先 实 现 机 旁 的 仪 表 监 视 和 报 警 ，就 地操作和单个元件的自动化，例如电气液压型的调速器，复式励磁电压教正器 等。随着水电厂机组数量的增多和单机容 量的增大，以及水电的梯级开发和逐步 实现水电厂、梯级水电厂的集中控制，采用对全厂和梯级水电厂运行状态的巡 回检测，全厂主辅机的集中起停，自动调频和有功几无功功率的成组调节，机 组的优化运行，稳定的监视和控制（如切机、电气制动、低频自动启动机组等） 等。近 几 十 年 来 ，在 水 电 厂 自 动 化 中 广泛 应 用 计算 机 技 术 和 微

25、处 理机 。机 组 的 基 础自动化装置实现微机化，例如微机化的调速装置、励磁调节器、同步系统等， 给水电厂的基础自动化带来了极大的方便。多微机的分布式计算机控制系统的 应用，使水电厂进入全厂计算机监控和综合自动化，实现全厂的安全监视、自 动发电控制和经济运行、事故顺序记录和水库经济调度等综合功能。在梯级开 发的水系，还可以进行全梯级水电厂的集中调度和控制。随 着 自 动 化 水 平 的 提 高 ，在 一 些 中 、小 型 水 电厂 可 以 实现 无 人 值 班 和 控 制 中 心的远方监控。水 电 厂 除 了 本 身机 组 和 电 器 设 备 监 视 和 控 制 外 。还 要考 虑 水 力

26、系 统（ 上 、下 游，以至跨流域）对水电厂的约束，实现水库长、中、短期的优化调度，以及 防洪、灌溉、航运、供水、养殖的综合利用。所以，广义的水电厂自动化还包 括对水库的调节和管理，以及大坝的自动监视和管理。目前，已采用先进的无 线电通信手段和以微型计算机为基础的水库流域水情测报几防洪调度自动化系 统，定时收集全流域的气象和水文（包括降雨，上、下游用水情况等）实时数 据，经过处理后可以得到未来时段水库的入水流量变化过程几洪水预报。也应 用自动测量和数据处理系统观察大坝各项变量（如温度、应变、应力、坝缝开 度、渗透压力等）。电力调度自动化? 电力调度的作用：安全、质量、经济、市场为 了 合 理

27、监 视 、控 制 和 协 调 日 益 扩大 的 电 力 系 统 的 运 行 状 态 ，及 时 处 理 影 响 整个系统正常运行的事故和异常现象，在形成电力系统的最早阶段，就注意到 电力系统的远方监视和控制问题，并提出必须设立电力系统调度控制中心。在 开 始 阶 段 由 于 通 信 设 备 等 技 术 装 备 的 限 制 （ 如 只 有 电 话 ） ，调 度 人 员 需 要 花 费 很 多时间才能掌握有限的代表电力系统运行状态的信息，电力系统的很大一部分 监视和控制功能是由电力系统中所属发电厂和变电所的运行人员直接来完成 的。远 动技术和通信 技术的发展，使电力系统的实时信息直接进入 调度控制中

28、心 成为可能，调度人员可根据这些信息迅速掌握电力系统运行状态，及时发现和 处理发生的事故。20 世 纪 60 年 代 开 始 用 数 字 式 远 动 设 备 （ telecontrol equipment） ， 使 信 息的收集和传输在精度、速度和可靠性上都有很大的提高。电子计算机和图象显 示技术在电力系统调度控制中心的应用使自动化程度达到一个新的水平。在开 始阶段， 计算机与相应的远 动状态的监视（包括 信息的收集、处理和显示）、远 距离开关操作，以及制表、记录和统计等功能，一般称为数据采集与监视控制 （ supervisory control and data acquisition -

29、SCADA） 。60 年 代 后 期 国 际 上 出 现 很 多 大 面 积 停 电 事 故 以 后 ， 加 强 了 全 系 统 的 安 全 监 视、分析和控制。这种控制系统不仅能完整地了解全系统的实时状态，而且可 在计算机及其外围设备的帮助下，能够在正常和事故情况下及时而正确地作出 控 制 的 决 策 。 这 种 包 括 SCADA功 能 、自 动 发 电 控 制 及 经 济运 行 、 安全 控 制 功 能以 及 其 他 调 度 管 理 和 计 划 功 能的 系 统称 为 能 量 管 理 系 统（ energymanagementsystem EMS ） 。 利 用 这 种 先 进 的自 动

30、 化系 统 ， 运 行 人 员 已 从过 去 以 监视 记 录 为 主的状况转变为较多地进行分析、判断和决策，而日常的记录事务则由计算机取 代。变电站自动化变 电站 综 合 自 动 化 系 统是 利 用 先 进 的 计 算机 技 术 、现 代 电 子 技 术 、通 信 技术 和信息处理技术等实现对变电站 二次设备（包括继电保护、 控制、 测量、 信 号、 故障录波、 自动装置 及远动装置等）的功能进行重新组 合 、 优化 设计， 对 变电站 全 部 设 备 的 运 行 情 况 执 行 监 视 、测 量 、控 制 和 协 调 的 一 种 综 合 性 的 自 动 化 系 统 。 通过变电站综合自动

31、化系统内各设备间相互交换信息，数据共享，完成变电站 运行监视和控制任务。变电站综合自动化替代了变电站常规二次设备，简化了 变电站二次接线。变电站综合自动化是提高变电站安全稳定运行水平、降低运 行维护成本、提高经济效益、向用户提供高质量电能的一项重要技术措施。变 电站 作 为 整 个 电 网 中 的 一 个 节 点 ，担 负 着 电 能 传 输 、分 配 的 监 测 、控 制 和 管理的任务。变电站继电保护、监控自动化系统是保证上述任务完成的基础。 在 电网统一指挥和协调下， 电网各节点（如变电站 、 发电厂）具体 实施和保障电 网的安全、稳定、可靠运行。因此，变电站自动化是电网自动系统的一个重

32、要 组成部分。作为变电站自动化系统，它应确保实现以下要求：（ 1） 检 测电网故障， 尽 快隔离故障部分。（ 2） 采 集变 电 站 运 行 实 时 信 息 ， 对 变 电 站 运 行进 行监 视 、 计 量 和控 制 。（ 3） 采 集一 次设备状 态 数据 ， 供维护一次设 备 参 考 。（ 4） 实 现 当 地 后 备 控 制 和 紧 急 控 制 。（ 5） 确 保通 信要求 。因 此 ，要 求 变 电 站 综 合 自 动 化 系 统 运 行 高 效 、实 时 、可 靠 ，对 变 电 站 内 设 备 进行统一监测、管理、协调和控制。同时，又必须与电网系统进行实时、有效 的信息交换、共享，

33、优化电网操作，提高电网安全稳定运行水平，提高经济效 益，并为电网自动化的进一步发展留下空间。传统变电站中，其自动化系统存在诸多缺点，难以满足上述要求。例如：（1） 传统二次设备、 继电保护、 自动和远 动装置等大多采取电磁型或小规 模集成电路，缺乏自检和自诊断能力，其结构复杂、可靠性低。（2） 2） 二 次 设备 主 要依 赖 大量 电 缆 ， 通过 触点 、 模 拟 信 号 来 交换信 息 ， 信 息 量小、灵活性差、可靠性低。（3） 由 于 上述 两个原 因 ， 传 统变 电站 占 地面 积 大 、 使用 电 缆 多 ， 电压 互感 器、电流互感器负担重，二次设备冗余配置多。（4） 4）

34、远 动 功 能 不 够 完 善 ， 提 供 给 调 度 控 制 中 心 的 信 息 量 少 、 精 度 差 ， 且 变 电站内自动控制和调节手段不全，缺乏协调和配合力量，难以满足电 网实时监测和控制的要求。（5） 电磁 型或 小规模集 成 电 路 调 试 和 维 护工作 量大 ， 自 动 化 程度 低 ， 不 能 远方修改保护及自动装置的定值和检查其工作状态。有些设备易受环 境的影响，如晶体管型二次设备，其工作点会受到环境温度的影响。传 统 的 二 次系 统 中 ，各 设备 按 设 备 功 能 配 置 ，彼 此 之 间 相 关 性 甚 少 ，相 互之 问协调困难，需要值班人员比较多的干预，难于

35、适应现代化电网的控制要求。 另 外 需 要 对 设 备 进 行 定 期 的 试 验 和 维 修 ， 既 便 如 此 ，仍 然 存 在 设 备 故 障 （ 异 常 运 行 ) 不 能 及 时 发 现 的 现 象 ，甚 至 这 种 定 期 检 修 也 可 能 引 起 新 的 问 题 ，发 生 和 出 现 由试验人员过失引起的故障。发展变电站综 合 自动化 的必要性还 体 现以下几个方面：一是随着电网规模不 断扩大，新增大量的发电厂和变电站，使得电网结构日趋复杂，这样要求各级 电网调度值班人员掌握、管理、控制的信息也大量增长，电网故障处理和恢复 却要求更为迅速和准确；二是现代工业技术的发展，特别是电

36、子工业技术的发 展，计算机技术的普遍应用，对电网可靠供电提出了更高的要求；三是市场经 济的发展，使得整个社会对环保要求更高，这样也对电网的建设、运行和管理 提出许多的要求，如，要求电力企业参与市场竞争，降低成本，提高经济效益； 要求发电厂、变电站减少占地面积。要解决上述问题，显然仅依靠各级电网调 度运行值班人员是难以解决的。现代控制技术的发展，计算机技术、通信技术 和电力电技术的进步与发展，电网自动化系统的应用，为上述问题提供了解决 的方案。这些技术的综合应用造就了变电站综合自动化系统的产生与发展。变电站综合自动化系统的发展过程现 有 的 变 电站 有 三 种 形式 ：第 一 种 是 传 统

37、的 变 电 站 ；第 二 种 是 部 分 实 现 微 机 管理、具有一定自动化水平的变电站；第三种是全面微机化的综合自动化变电 站。变电站自动化的发展可以分为以下三个阶段。1 由分立元件构成的 自动装置阶段20 世 纪 70 年 代 以 前 ， 由 研 究 单 位 和 制 造 厂 家 生 产 出 的 各 种 功 能 的 自 动 装 置 ， 要采用模拟电路，由晶体管等分立元件组成，对提高变电站和发电厂的自动化 水平，保证系统安全运行，发挥了一定的作用。但这些自动装置，相互之间独 立运行，互不相干，而且缺乏智能，没有故障自诊断能力，在运行中若自身出 现故障，不能提供告警信息，有的甚至会影响电网安全

38、。同时，分立元件的装 置可靠性不高，维护工作量大，装置本身体积大，不经济。2 以 微 处 理 器 为 核 心 的 智 能 化 自 动 装 置 阶 段随 着我 国 改革 开 放 的 发展 ，微 处 理器 技 术 开始 引 入 我 国 ，并 逐 步 应 用 于 各 行 各业。在变电站自动化方面，用大规模集成电路或微处理机代替了原来的继电 器晶体管等分立元件组成的自动装置，利用微处理器的智能和计算能力，可以 发展和应用新的算法，提高了测量的准确度和可靠性；能够扩充新的功能，尤 其是装置本身的故障自诊断功能，对提高自动装置自身的可靠性和缩短维修时 间是很有意义的；此外，由于采用了数字式，统一数字信号电

39、平，缩小了体积 等，其优越性是明显的。由于这些微机型的自动装置，只是硬件结构由微处理 器及其接口电路代替，并扩展了一些简单的功能，虽然提高了变电站自动控制 的能力和可靠性，但基本上还是维持着原有的功能和逻辑关系，在工作方式上 多数仍然是各自独立运行，不能互相通信，不能共享资源，变电站和发电厂设 计和运行中存在的问题没有得到根本的解决。3 变 电 站 综 合 自 动 化 系 统 的 发 展 阶 段我 国是 从 20世 纪 60 年代 开始研 制 变 电站 自 动化 技 术 。 到 70年代初 ，便先后 研制 出 电气集中控 制装置和集 保护 、 控 制 、 信 号为 一体 的装置 。 在 80

40、年代 中期 ， 国 内 先 后 研制 了 35kV 和 220kV 变 电 站 综合 自 动 化 系 统 。 此 外， 国 内 许多 高 等校及科研单位也在这方面做了大量的工作，推出一些不同类型、功能各异的 自动化系统。为国内的变电站自动化技术的发展起到了卓有成效的推动作用。进 入 90 年 代 ，变 电 站 综 合 自 动 化 已 成 为 热 门 话 题 ， 出 现 了 更 多 的 研 究 单 位 和 产配电网自动化配电网是电力系统生产 和供应电能的最后一个环节，其自动化 的主要任 务是 保证经济安全供电和负荷供需平衡的控制和管理，使用户得到一定数量优质、 廉价的电力供应，所以配电网自动化的

41、主要功能为：（ 1） 对配电网和无人值 班变电所的监视和自动操 作， 如通过远 方投切电网中 联络断路器或分段断路器，以便切除故障或调整潮流；（ 2） 在 系 统 频 率 下 降 时 切 除 负 荷 ， 在 电 压 变 动 时 自 动 投 切 静 电 电 容 器 或 者 调 整变压器分接头；（ 3） 通 过 对 负 荷 的 直 接 控 制 来 调 节 负 荷 曲 线 和 保 持 电 能 供 需 平 衡 。最 初 用 时 间 开 关来 控 制 用 户 的 负 荷 ，定 时 切 换 用 户 的 不 同 记 价 电 表 ，用 经济 的手段来管理负荷。对于工业用户可采取控制最大需电量、分时记价、按合同

42、 规 定 用 电 时 间 等 方 法 进 行 控 制 。为 了 使 负 荷 控 制 直 接 到 每 一 用 户 ，可 采 取 工 频 、 音频、载波、无线电等控制手段，有配电网调度所根据上级调度所的指令和系 统的实际运行状态，直接发出控制信号，对事先分门别类的负荷进行控制，操 作被控用户的短路器。随 着 自 动 化 装 置和 被 控 设 备 可 靠 性 的 提 高 ，中 、小 型 变 电 所 的 控 制 可 由 就地 操作过度到远方操作和自动操作。近年来也开始在变电所内建立微型计算机为 核心的综合自动化系统，可以实现继电保护、安全监视、电压和无功综合控制 等功能。一些变电所已实现无人值班或远方

43、控制的自动化运行体制。5电力调度自动化电 力 调 度 自 动 化 是 电 力 自 动 化 的 重 要 内 容 之 一 ，是 指 综 合 利 用 计 算 机 、远 动 和远程通信等技术手段实现电力系统调度管理工作的自动化。电 力 系 统 由 发 电 、输 变 电 、配 电 和 用 电 等 环节 组 成 ，并 由 调 度 控制 中 心对 全 系统的运行进行统一管理。为了保证电力系统运行的安全性、经济性以及供电 的质量，系统的调度控制中心必须及时而准确地掌握全面的运行情况，随时进 行分析，作出正确的判断和决策，必要时采取相应的措施，及时处理事故和异 常情况。早期的电力调度 以人 工方式操作，用打电话

44、 的方式收集数 据，下达调度 命 令， 速度慢，实时性差。由于电网是一个迅变系统，电能以极快的速度传送，电网 中一个地方出故障，瞬间就会波及到全网，因此手工方式很难满足电网调度的 要求。特别对于大机组、大电网、高电压的现代电网，调度中心需要采集和处 理的实时运行参数和状态信号数量众多，实时性要求很高，调度工作只能采用 现 代 化 手 段 进 行 。因 此 ，调 度 自 动 化 系 统 是 现 代 电 力 系 统 不 可 缺 少 的 组 成 部 分 。调度自动化系统是一个复杂的准实时信息系统，由装在调度中心的主站系 统、装载发电厂或变电所的远动终端以及远动通道等构成。调度自动化系统的 主 要 功

45、 能 是 实 时 采 集 电 力 系 统 运 行 的 参 数 和 信 息 ，对 数 据 进 行 各 种 分 析 和 处 理 ， 为调度员提供进行监视与控制的操作界面，有效地帮助电力系统调度员执行电 力系统的安全经济发供电任务。5.1 调 度 自 动 化 的 发 展 过 程电力生产是发输电与用电同时进行的连续生产过程。电力系统分布地域广 阔，是一个庞大的生产体系，必须严格地进行调度管理才能保证安全发供电。 早期电力系统规模较小，调度员利用电话即可了解各发电厂、变电所的运行状 况。调度命令也是通过电话下达的。当 电 力 系 统 日 益发 展 ，厂 站 数 越 来越 多 时 ，仅 靠 电 话 已 经

46、 无 法 及 时 进 行 调 度 控制。特别是在系统发生故障时，可能会延长事故处理时间，甚至扩大事故。 因此必须有自动化的手段支持才能完成调度工作。现代电子技术、通信技术和 计算机技术的发展为调度自动化系统提供了技术支持手段。随着支持技术的进 步，出现了各种调度自动化设备，调度工作逐步脱离了原始手工方式，开始采 用各种自动化系统进行操作。早 期 的 调 度 自 动 化 系 统称 为“ 远 动( telecontrol ) ”系 统 ，主 要 功 能 是 把远 方厂站的测量量和断路器信号及时传送到调度所，通过模拟屏显示出电力系统 的运行情况，使调度员能及时了解所发生的事件。工业发达国家在第二次世

47、界 大 战 后 就 进 入 远 动 调 度 阶 段 ， 中 国 20 世 纪 60 年 代 开 始 在 电 力 调 度 中 使 用 远 动 技术。调度自动化系统构成技术的发展从 调度自动化系统构成技术的发展看，电力调度 自动化 系统先后采用过分立 元 件 设 计 、 IC/CPU 板 级 设 计 、 集 中 式 计 算 机 系 统 机 设 计 ， 发 展 到 今 天 的 计 算 机 网络分布式设计。在 国 内 ，早 期 的 远 动 系 统大 都 是建 立 在 分 立 元 件 的 基 础 上 的 ，这 些 系 统和 设 备 在 我 国 直 到 80 年 代 中 期 还 有 单 位 在 使 用 。

48、但 由 于 系 统 完 全 由 硬 件 构 成 ，结 构 复杂，功能单一，一般只有数据采集功能，支持少量数据的模拟屏数码管显示。 系统可靠性低，经常出故障。当电力系统发展到数 百万或上千万千瓦的容 量时，远动系统收集远方厂站数 据 可 达 数 千 或 上 万 个 ，即 使 增 大 模 拟 屏 也 无 法 容 纳 如 此 众 多 的 数 码 管 和 信 号 灯 ， 调度员也难以清楚地分辨这些信号，无法判断电力系统的运行状况和所发生的 事 故 。因 此 国 际 上 从 60 年 代 起 就 出 现 了 基 于 电 子 计 算 机 技 术 的 电 力 调 度 自 动 化 系统。随 着微 处 理器 应

49、 用 的 普及 ， 70 年 代至 80 年 代 初 ， 国 内 有 了 基 于 IC/CPU 的以 电路 板为单元 的 系 统设计 。 集 成 电路， 特别是具有 “智 能 ” 的 CPU 的使 用大大简化了系统的设计，增加了系统功能，提高了系统可靠性。但由于没有操作 系 统 的 支 持 ， 这 种 基 于 IC/CPU 系 统 需 要 从 硬 件 、底 层 软 件 一 直 到 应 用 软 件 的 全 套设计，工作量大，系统功能不够灵活，因而一般用于功能较为固定的设备， 如 RTU 等 。80 年 代 初 ， 国 内 开 始 普 及 基 于 计 算 机 系 统 机 的 调 度 自 动 化 系

50、 统 设 计 。 计 算 机系统有丰富的软硬件资源，能将所收集的数据进行加工处理，通过屏幕显示 器以多幅画面的形式提供更加直观的信息显示，并可由打印机打印出统计报表 和记录，节省了调度员许多繁琐的工作，使调度效果得到明显提高。由于有完 善的操作系统和计算机标准总线的支持，也极大地方便了系统设计，所实现的 系 统 功 能 也 日 益 灵 活 复 杂 。除 了 功 能 简 单 ，生 产 批 量 较 大 的 设 备 如 RTU 等 以 外 ， 电力调度自动化系统的设备大量采用了基于系统机的设计，主站系统几乎无例 外的都是以计算机系统为基础构造的。81 年 代 广 泛 使 用 的 这 些 调 度 自

51、动 化 系 统 有 时 也 称 为 集 中 式 系 统 。 主 要 特 点 是 以 一 台 计 算 机 ( 小 型 机 或 微 型 计 算 机 ) 为 核 心 ， 担 负 各 种 系 统 功 能 。 虽 然 80 年代已经有了局域网和广域网的技术，但主要用于不同系统间的互连，并未采 用 基 于 网 络 技 术 的 分 布 式 系 统 设 计 。 80 年 代 我 国 从 国 外 引 进 的 许 多 调 度 自 动 化 系统也属于这一类设计。随着对调度自动化 系统功能的要求日益增加，集 中式系统越来越 暴露出不 足 之处。由于将数据库、数据处理、人机会话等几乎所有功能都集中于一台机器 上，很容易

52、造成计算机负荷过载，因而需要更大、更快的机器，而机器的性能 与价格并非简单的线性关系，这导致系统造价昂贵。同时，由于许多功能模块 装在一台机器上，模块间耦合紧密，相互影响，如果修改一个功能模块，其它 模块往往也需要修改，因此系统功能很难扩充。在调度现场，一般需要多个人 机会话 席位，这种集 中式设计很 难 满足 超过4个以上操作台的要求。 随着接入 厂 站 数 目 的 增 多 ，信息 量 的 增 加 ， 集 中 式 系 统 也 无 法 满 足 不 断 扩 充 的 容 量 要 求 。随着网 络技术 的普 及 ， 国 内 从 90 年代开 始 出 现基于 局域 网 的 电力 调度 自 动 化系统。

53、由于结构灵活，功能强大，扩充性好，性能价格比高，很快成为调度 自动化主站系统的主流技术。这类系统也称为网络分布式系统。同样是网络分 布 式 系 统 ，由 于 软 件 体 系 结 构 的 不 断 进 步 ，又 从 对 等 式 系 统 发 展 到 客 户 / 服 务 器 方 式 的 系 统 ， 然 后 又 逐 步 转 向 向 Intranet 模 式 。网络技术和计算机软硬件技术的进步为调度自动化系统的发展提供了基础， 使调度自动化系统的构成越来越复杂，功能也越来越强大。近年来调度自动化 系统的发展出现了一种综合趋势。传统方式是一种功能一套系统，多个系统再 通过网络互连。这种分散模式导致系统共享资

54、源困难，管理复杂。目前的趋势 是在网络基础上首先构筑一个支持平台，或称为环境，用于支持所有调度自动 化应用软件。各种应用子系统作为系统部件安装在环境中，在统一支持环境的 协调下相互通信，配合工作。这种系统已经超出一般调度自动化的范围，不但 包括SCADA、EMS功能，还可以包括调度管理子系统，电力市场支持子系统，以 及可能出现的与调度工作有关的其他信息子系统。调度自动化系统功能的发展采用计算机为基础的调度自动化系统的功能主要是数据采集和监视控制，实 现远程测量、 远程信号、 远程控制和远程调节， 即所谓的 “四遥 ” 功能。 具备 这 种 功 能 的 系 统 也 称 为 “ SCADA 系 统

55、 ” 。 SCADA 功 能 是 电 力 调 度 自 动 化 系 统 的 基 础。有时也将 自动发 电控制(AGC - Automatic Generation Control)功能归入 SCADA 的 范 畴 ， 但 地 区 及 以 下 级 别 的 调 度 一 般 不 直 接 对 电 厂 ， 特 别 是 大 电 厂 进行操作，因此一般没有AGC功能。60 年 代 以 来 国 际 上 出 现 了 多 次 大 面 积 停 电 事 故 ， 特 别 是 1965 年 11 月 9 日 和 1977 年 7 月 13 日 两 次 纽 约 大 停 电 事 故 ，以 及 1978 年 12 月 19 日

56、法 国 大 停 电 事故后，人们总结了教训。除了要解决电网结构、保护和安全自动装置等问题 外，还需要加强对电网的分析、计算和模拟，应使调度员的工作从经验型调度 转变为分析型调度。随着计算机软、硬件能力的增强，进一步开发了功能更强 的应用软件包，如状态估计、在线潮流计算、安全分析、事故模拟等，使调度 自动化系统在原有的安全监视功能基础上增加了安全分析辅助决策的功能。系 统正常运行时，使调度员能预测系统可能的变化后果。系统处于紧急状态时， 能帮助调度员迅速处理事故，使系统迅速恢复到正常状态。这些应用功能都属 于 能 量 管 理 系 统 （ EMS） 的 范 畴 。目 前， 自动化 系统有一种综合

57、趋势 ， 1.3 节所述 的 电力系统 自 动化所 包含 的 各 项 内 容 已 经 不 再 是 相 互 独 立 系 统 。 调 度 自 动 化 系 统 不 仅 可 以 包 括 SCADA 和 EMS 系统，还可以包括配电自动化系统中的许多功能，以至调度管理和电力市场支 持系统等内容。不同的电力自动化系统相互融合，并与其他系统互联，构成面 向电力系统综合应用的大规模信息系统。5.2 电 力 系 统 调 度 自 动 化 系 统 的 一 般 构 成调度自动化系统的一般构成包括安装在调度中心的主站 系统，安装在各发电 厂和变电所的远动终端，两者经过通信系统互联信息，完成数据采集、监视控 制和其它功能

58、。主站 以数据通信方式接收从下层主站转发来的信 息，又向上层主站转发本站 的信息。由各级调度所的计算机根据功能要求分别进行相应的处理。按功能划分， 电力调度自动化 系统由下列4个子系统所 组 成。（ 1） 信息收集和执行子系统。 在各 发电厂、 变电所收集各种信息， 向调度 控制中心发送。如果在一些厂（所）设有微型计算机为核心的远方终 端 （ remote terminal unit， RTU） ， 则 所 传 送 的 信 息 将 是 已 经 处 理 和加工过的。这个子系统同时接受上级控制中心发来的操作、调节或控 制命令，例如开关操作，起停机组，调节功率等。在接到命令后，或 者 直接作用于控制

59、机构，或者按一定的规律将命 令转发给各 被控设备。（ 2） 信 息 传 输 子 系 统 。 将 收 集 到 的 信 息 通过传 输 媒 介 送 到 调度 控 制 中 心 ， 传输媒介有电力载波、微波、光纤、同轴电缆、公共话路等。（ 3） 信息 处理 子 系 统 。 以 电 子计 算机为 核心 的 主要 组 成部 分 ， 对 收集 到 的 信息进行处理、加工，为监视和分析计算电力系统运行状态提供正确 的数据。分析计算的结果为运行人员提供控制决策的依据、或者直接 实现自动控制。这种分析计算主要有：为调节系统频率和电压的电能质量计算；经济调度计算；安全监视和安全分析计算。计算机还可用于完成日发电计划

60、编制、 检修计划编制、统计计算等工作。（ 4） 人 机 联 系 子 系 统 。 用 以 向 运 行 人 员 显示 和 输 出 信 息 ， 同 时 也 输 入 运 行 人员的控制和操作命令。通过这一子系统使运行人员与电力系统及其 控制系统构成一个整体。人机联系设备包括图形显示器及其控制台和 键盘、模拟盘、制表或图形打印机、记录器（仪）等。电力系统随着发展变得 日益庞大而 复杂，若把各 厂站的调度信息集中到一个 调度中心，则不但调度中心的计算机系统负担过重，通信信道拥挤，调度人员 也 很 难 处 理 如 此 大 量 的 信 息 。因 此 ，将 这 种 集 中 控 制 方 式 改 变 为 分 层 控

61、 制 方 式 ， 会更加适应调度组织分级管理的实际情况，可使各种问题得到合理解决。发电厂和变电所装有远动终端或计算机控制系统直接采集实时信息并控制 当地设备。只有涉及全网性信息才向调度中心传送。上层作出决策后再向下发 送控制命令。调度中心集中信息后作适当处理、编辑后向更高层次调度中心转 发。这种分层采集信息和分层控制使系统结构简化，通道需要量减少，信息量 减少，实时性明显提高。主 站 和 远 动终 端 之 间 交互 的 信息 分 为 上 行 信 息 和下 行 信 息 ：各 发 电 厂 、变 电 所通过其远动终端收集运行参数向主站发送，参数有：电压、电流、有功功率、 无功功率、有功电量、无功电量

62、、频率、水位、断路器位置信号、继电保护信 号等，一般称上行信息。主站计算机系统根据调度员输入命令或程序计算结果 向 各 厂 站 或 下 层 主 站 下 达 遥 控 断 路 器 命 令 或 遥 调 及 自 动 发 电 控 制 （ AGC） 命 令 ， 称下行信息。此外，在分层控制的大系统，还有存在于各级调度自动化主站之 间的上行或下行信息。远动终端简介远 动终 端 实 际 是 变 电 站 自 动 化 系 统 （ SAS） 的 一 部 分 ， 包 括 SAS 中 需要 与 上 级调度部门交互的组成部分。远动终端定时采集包括模拟量、脉冲量以及开关 量等实时数据，并进行数据处理，按远动传输规约发给主站

63、。从主站下达的命 令通过远动终端接收识别后输出至执行机构或调节器。有的厂、站远动终端还 可向本站值班人员提供一般控制屏上所没有的监测信息，如功率总加、越限告 警等，称当地功能。大型火电厂、水电站或超高压变电站装有当地监控计算机 系统，此时，远东中断仅需有接口与它连接，但不再重复提供当地功能。远 动终 端 还装 有 同 步 时钟 。同 步 时钟 精 度 越 高 ，断 路 器动 作 事 件 顺 序 记 录 的 站间分辨率就越高。远 动终 端 的 基 本 功 能 概括 为 ：遥 测 、遥 信 、事 件顺 序 记录 、 遥 控 、遥 调 以 及 当地监控。细节见 “变电站 自动化 ” 一节。主站系统简

64、介主站系统是一个简称，一般是设置在调度 部门的与电网实时运行直接相关的 系统。根据功能要求，主站系统可以很简单，也可以非常复杂。主站 系统中的通信控制器与各 远动终 端通信取得 信息，主计算机进行信息加 工、计算处理，检测一些参数是否越限。断路器是否有变位等，将结果通过人 机联系（屏幕或模拟屏）向调度员报告。调度员向计算机输入控制命令，向各 远动终端发送断路器操作命令或调整发电机出力等控制命令。主站还要将经过处理的信息向上层调度中心转发，通常通过数据通信网进 行。主 站 的 上 述 功 能 称 为 数据 采 集 与 监 控 （ SCADA） 。主 站 系 统 计算 机 一 般 是 由 多 台 计 算 机（ 工 作 站 ，服 务 器 ）通 过 局域 网 连 接 的 分 布 式 系 统 。 根 据 系 统 设计 和 功 能 要 求 不 同 ，主 站 系 统 中 计 算 机 的 数量 也 不 同 。 主站系统的前置接口子