電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)培訓(xùn)教材前言電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，其安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接關(guān)系到社會生產(chǎn)和人民生活的方方面面。隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工控制方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行的要求。電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)作為保障電網(wǎng)高效、可靠運(yùn)行的核心技術(shù)，其重要性愈發(fā)凸顯。本教材旨在系統(tǒng)闡述電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)的基本原理、核心組成、關(guān)鍵技術(shù)及典型應(yīng)用，為從事電力系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、設(shè)計(jì)及研究的工程技術(shù)人員提供一本實(shí)用的專業(yè)參考資料，以期幫助讀者提升對電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)的理解和應(yīng)用能力。第一章電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)概述1.1電力系統(tǒng)自動化的定義與內(nèi)涵電力系統(tǒng)自動化是指在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，利用自動控制理論、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等各個環(huán)節(jié)的設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、調(diào)節(jié)、控制和保護(hù)，從而保證電力系統(tǒng)在各種工況下能夠安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。其內(nèi)涵不僅包括對單個設(shè)備或局部系統(tǒng)的自動化控制，更強(qiáng)調(diào)對整個電力系統(tǒng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和智能優(yōu)化。1.2電力系統(tǒng)自動化控制的發(fā)展歷程回顧電力系統(tǒng)自動化控制的發(fā)展歷程，大致可分為幾個階段。早期階段，以電磁式繼電器、模擬式儀表和人工操作為主，自動化水平較低，主要依賴運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)判斷。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了基于晶體管和集成電路的半自動控制階段，出現(xiàn)了一些自動調(diào)節(jié)裝置，如自動勵磁調(diào)節(jié)器、自動調(diào)頻裝置等，初步減輕了人工勞動強(qiáng)度。20世紀(jì)70年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)，開啟了電力系統(tǒng)自動化的新紀(jì)元。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的出現(xiàn)，使得調(diào)度人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時掌握電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。能量管理系統(tǒng)（EMS）的逐步完善，實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的在線分析、優(yōu)化和輔助決策。變電站自動化技術(shù)的發(fā)展，則將自動化控制延伸到了電網(wǎng)的基層節(jié)點(diǎn)。近年來，隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化控制正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的方向深度演進(jìn)。智能電網(wǎng)概念的提出與實(shí)踐，進(jìn)一步推動了自動化控制技術(shù)與新能源、儲能、電動汽車等新興元素的融合，對自動化控制技術(shù)的靈活性、適應(yīng)性和魯棒性提出了更高的要求。1.3電力系統(tǒng)自動化控制的意義與目標(biāo)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動化控制，其意義重大。首先，它是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基石。通過實(shí)時監(jiān)測和快速控制，能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理故障，防止事故擴(kuò)大，最大限度地減少停電損失。其次，自動化控制是提高電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的有效手段。通過優(yōu)化調(diào)度、合理分配資源，可以降低發(fā)電成本，提高能源利用效率。再者，自動化控制能夠提升供電質(zhì)量，確保電壓、頻率等指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)波動，滿足用戶對電能質(zhì)量日益增長的需求。同時，自動化控制還能顯著提高勞動生產(chǎn)率，減輕運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，為電網(wǎng)的集約化、精細(xì)化管理提供有力支撐。其核心目標(biāo)在于：在確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、高效生產(chǎn)與輸送，滿足社會日益增長的用電需求，并為未來電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。第二章電力系統(tǒng)自動化控制的核心組成與關(guān)鍵技術(shù)2.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，即SCADA系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)自動化控制的基礎(chǔ)和核心組成部分之一。它通過部署在變電站、發(fā)電廠等現(xiàn)場的遠(yuǎn)程終端單元（RTU）或智能電子設(shè)備（IED），實(shí)時采集電力系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)，如電壓、電流、功率、開關(guān)狀態(tài)等，并將這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度控制中心。SCADA系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、信息處理、遠(yuǎn)程控制、報警處理、數(shù)據(jù)存儲與報表生成等。它為調(diào)度人員提供了直觀、全面的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)畫面，是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)高級應(yīng)用功能的前提。其性能的優(yōu)劣直接影響到整個自動化系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性。在實(shí)際應(yīng)用中，需特別關(guān)注數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、通信傳輸?shù)目煽啃砸约跋到y(tǒng)的抗干擾能力。2.2能量管理系統(tǒng)（EMS）能量管理系統(tǒng)（EMS）建立在SCADA系統(tǒng)之上，是對電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、分析、優(yōu)化和輔助決策的核心軟件系統(tǒng)。其主要目標(biāo)是在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)供電。EMS通常包含以下關(guān)鍵功能模塊：*狀態(tài)估計(jì)：利用SCADA系統(tǒng)采集的冗余數(shù)據(jù)，對電力系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)和修正，消除量測誤差和壞數(shù)據(jù)，提供可靠的系統(tǒng)運(yùn)行工況。*負(fù)荷預(yù)測：根據(jù)歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)、氣象因素、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，對未來一段時間內(nèi)的電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，為發(fā)電計(jì)劃制定和經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供依據(jù)。*發(fā)電計(jì)劃與經(jīng)濟(jì)調(diào)度：在滿足各種約束條件下，合理安排各發(fā)電廠的發(fā)電出力，使總發(fā)電成本最低或能源消耗最少。*安全分析與輔助決策：對當(dāng)前和預(yù)想的故障進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)安全分析，評估系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，提出預(yù)防控制和校正控制策略，輔助調(diào)度人員做出正確決策。2.3自動發(fā)電控制（AGC）與自動電壓控制（AVC）2.3.1自動發(fā)電控制（AGC）自動發(fā)電控制（AGC）的主要任務(wù)是維持電力系統(tǒng)的頻率在額定值附近，并保持區(qū)域間交換功率的穩(wěn)定，或者按計(jì)劃調(diào)整交換功率。它通過實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線功率，根據(jù)偏差信號自動向參與AGC調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)組發(fā)出指令，調(diào)整其出力，以快速響應(yīng)負(fù)荷的變化。AGC的調(diào)節(jié)性能直接關(guān)系到系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定和電能質(zhì)量。其控制策略通常包括一次調(diào)頻（由發(fā)電機(jī)組調(diào)速器完成）和二次調(diào)頻（由AGC系統(tǒng)完成）。高級的AGC還會考慮經(jīng)濟(jì)調(diào)度因素，實(shí)現(xiàn)“頻率控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度的協(xié)調(diào)優(yōu)化”。2.3.2自動電壓控制（AVC）自動電壓控制（AVC）的目標(biāo)是維持電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓在允許范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)無功功率的平衡與合理分布，提高電壓穩(wěn)定性，降低網(wǎng)損。AVC系統(tǒng)通常采用分層分區(qū)、協(xié)調(diào)控制的原則。其控制過程一般是通過采集各變電站母線電壓、無功補(bǔ)償設(shè)備狀態(tài)等信息，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行方式，優(yōu)化計(jì)算出各控制點(diǎn)的目標(biāo)電壓或無功出力，然后自動調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁、變壓器分接頭、無功補(bǔ)償裝置（如電容器、電抗器、SVG等）的狀態(tài)。AVC能夠顯著減輕運(yùn)行人員的操作負(fù)擔(dān)，提高電壓控制的精度和快速性。2.4繼電保護(hù)與安全自動裝置繼電保護(hù)與安全自動裝置是電力系統(tǒng)自動化控制中保障設(shè)備安全和系統(tǒng)穩(wěn)定的重要防線。*繼電保護(hù)裝置：其作用是當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常運(yùn)行狀態(tài)時，能夠迅速、準(zhǔn)確地檢測到故障點(diǎn)并發(fā)出跳閘信號，切除故障設(shè)備，或發(fā)出告警信號，以最大限度地縮小故障影響范圍，保護(hù)電力設(shè)備免受損壞。它必須滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性的基本要求。常見的有線路保護(hù)、主設(shè)備保護(hù)（如變壓器保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)等）。*安全自動裝置：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生大擾動，如嚴(yán)重故障導(dǎo)致穩(wěn)定破壞、頻率或電壓嚴(yán)重越限時，安全自動裝置能夠采取預(yù)定的控制措施，如切機(jī)、切負(fù)荷、快關(guān)汽門、串聯(lián)電容強(qiáng)補(bǔ)等，防止系統(tǒng)崩潰，避免大面積停電事故的發(fā)生。例如，低頻減載裝置、低壓減載裝置、穩(wěn)定控制裝置等。2.5變電站自動化技術(shù)變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、匯集和分配電能的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。變電站自動化技術(shù)是將變電站內(nèi)的二次設(shè)備（包括測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護(hù)、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置等）利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和信息處理技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行工況的自動監(jiān)測、控制、保護(hù)和協(xié)調(diào)。變電站自動化系統(tǒng)通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)，包括間隔層（負(fù)責(zé)具體設(shè)備的保護(hù)與控制）、站控層（負(fù)責(zé)站內(nèi)監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理）以及與調(diào)度中心的通信層。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：簡化了二次回路接線，提高了可靠性；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，減少了設(shè)備冗余；提高了運(yùn)行管理的自動化水平和效率；便于實(shí)現(xiàn)無人值班或少人值守。2.6調(diào)度自動化系統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)是電力系統(tǒng)運(yùn)行指揮的核心，它綜合應(yīng)用了SCADA、EMS、AGC、AVC等多項(xiàng)技術(shù)，為調(diào)度人員提供了全面的電網(wǎng)監(jiān)控、分析、決策和指揮平臺。根據(jù)電網(wǎng)層級的不同，可分為國家級調(diào)度、區(qū)域級調(diào)度、省級調(diào)度、地市級調(diào)度和縣市級調(diào)度等。調(diào)度自動化系統(tǒng)的主要功能包括：實(shí)時監(jiān)控全網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測與發(fā)電計(jì)劃編制，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度與安全控制，協(xié)調(diào)上下級調(diào)度之間的運(yùn)行，以及進(jìn)行事故處理和恢復(fù)等。它是確保大電網(wǎng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的神經(jīng)中樞。第三章電力系統(tǒng)自動化控制的典型應(yīng)用場景分析3.1常規(guī)火力發(fā)電廠自動化控制在常規(guī)火力發(fā)電廠中，自動化控制技術(shù)貫穿于從燃料輸送、燃燒控制、汽水循環(huán)到發(fā)電并網(wǎng)的整個生產(chǎn)流程。主要的自動化系統(tǒng)包括：*分散控制系統(tǒng)（DCS）：實(shí)現(xiàn)對鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主輔設(shè)備的集中監(jiān)控和過程控制，如鍋爐的燃燒優(yōu)化控制、汽溫汽壓控制，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制等。*汽輪發(fā)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）：協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行，使機(jī)組能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷指令，同時保持各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。*順序控制系統(tǒng)（SCS）：實(shí)現(xiàn)對輔機(jī)設(shè)備的啟停和相關(guān)工藝流程的順序控制，提高操作的自動化水平和安全性。*發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)（AVR）：維持發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定，并根據(jù)系統(tǒng)要求提供必要的無功支撐。這些系統(tǒng)的協(xié)同工作，確保了火電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和良好的負(fù)荷適應(yīng)性。3.2新能源電站并網(wǎng)控制隨著風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的大規(guī)模接入，其波動性和間歇性對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)，對其并網(wǎng)控制技術(shù)提出了特殊要求。新能源電站的自動化控制系統(tǒng)通常需要具備：*最大功率跟蹤（MPPT）控制：對于光伏逆變器和風(fēng)電變流器，需實(shí)現(xiàn)對太陽能板或風(fēng)輪的最大功率點(diǎn)跟蹤，以提高能源利用效率。*低電壓穿越（LVRT）和高電壓穿越（HVRT）能力：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落或驟升時，新能源電站應(yīng)能在規(guī)定時間內(nèi)保持并網(wǎng)，提供必要的無功支撐，幫助電網(wǎng)恢復(fù)穩(wěn)定。*有功功率和無功功率控制：能夠響應(yīng)調(diào)度中心的AGC和AVC指令，實(shí)現(xiàn)有功功率的平滑調(diào)節(jié)和無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。*電站監(jiān)控系統(tǒng)：對整個電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、故障診斷和遠(yuǎn)程控制，并與電網(wǎng)調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和信息交互，滿足“兩個細(xì)則”等并網(wǎng)管理要求。3.3配電網(wǎng)自動化與需求側(cè)響應(yīng)配電網(wǎng)直接面向用戶，其自動化水平直接關(guān)系到用戶的供電可靠性和電能質(zhì)量。配電網(wǎng)自動化技術(shù)主要包括：*饋線自動化（FA）：通過柱上開關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜、配電終端等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對配電線路故障的自動定位、隔離和非故障區(qū)域的恢復(fù)供電，縮短故障停電時間。*配電管理系統(tǒng)（DMS）：類似于輸電網(wǎng)的EMS，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)分析、負(fù)荷管理、停電管理等功能。*用戶信息系統(tǒng)（CIS）與計(jì)量自動化系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對用戶用電信息的自動采集、計(jì)量和分析。需求側(cè)響應(yīng)（DR）是電力系統(tǒng)自動化向用戶側(cè)延伸的重要體現(xiàn)。它通過價格信號或激勵機(jī)制，引導(dǎo)用戶根據(jù)電網(wǎng)的供需狀況，自愿調(diào)整其用電方式和用電時間，以達(dá)到削峰填谷、優(yōu)化資源配置、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和可靠性的目的。自動化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)的基礎(chǔ)，如智能電表、智能家居控制系統(tǒng)、負(fù)荷控制終端等。第四章電力系統(tǒng)自動化控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)4.1智能化與數(shù)字化轉(zhuǎn)型人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、數(shù)字孿生等新興技術(shù)正深刻影響著電力系統(tǒng)自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展。*人工智能的應(yīng)用：機(jī)器學(xué)習(xí)算法在負(fù)荷預(yù)測、狀態(tài)估計(jì)、故障診斷、穩(wěn)定控制、調(diào)度決策等方面展現(xiàn)出巨大潛力，能夠提高預(yù)測精度、優(yōu)化控制策略、增強(qiáng)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和智能決策水平。*數(shù)字孿生技術(shù)：通過構(gòu)建與物理電力系統(tǒng)高度一致的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時映射、仿真分析和預(yù)測性維護(hù)，為規(guī)劃、運(yùn)行和檢修提供強(qiáng)大支持。*數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策優(yōu)化：利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，挖掘海量運(yùn)行數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的規(guī)律和知識，為精細(xì)化管理、風(fēng)險預(yù)警和優(yōu)化決策提供數(shù)據(jù)支撐。4.2分布式能源與微電網(wǎng)控制高比例分布式能源（DER）的接入和微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，改變了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的單一電源結(jié)構(gòu)和潮流方向。這對自動化控制技術(shù)提出了新的要求：*分布式能源的協(xié)同控制：需要對大量分散的DER進(jìn)行有效聚合和協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)與主網(wǎng)的友好互動。*微電網(wǎng)的自治與并網(wǎng)切換控制：微電網(wǎng)應(yīng)具備在孤島運(yùn)行時的自治控制能力，以及在并網(wǎng)/離網(wǎng)模式下的平滑切換能力，保證內(nèi)部負(fù)荷的可靠供電。*多能互補(bǔ)與綜合能源服務(wù)：自動化控制需要擴(kuò)展到電、熱、冷、氣等多種能源形式，實(shí)現(xiàn)多能流的協(xié)同優(yōu)化和綜合能源服務(wù)。4.3網(wǎng)絡(luò)安全與信息安全隨著電力系統(tǒng)自動化控制對信息通信技術(shù)的高度依賴，網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全已成為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。面臨的挑戰(zhàn)包括：惡意攻擊、病毒入侵、數(shù)據(jù)泄露、拒絕服務(wù)等。因此，必須構(gòu)建多層次、全方位的安全防護(hù)體系，包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全和安全管理等。采用加密技術(shù)、訪問控制、入侵檢測與防御、安全審計(jì)、態(tài)勢感知等技術(shù)手段，確保自動化控制系統(tǒng)的保密性、完整性和可用性。4.4標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性電力系統(tǒng)自動化控制涉及眾多設(shè)備廠商和系統(tǒng)集成商，設(shè)備和系統(tǒng)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性至關(guān)重要。這有助于降低系統(tǒng)集成難度和成本，提高系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，便于維護(hù)和升級。國際電工委員會（IEC）等組織制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC____（變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)）、IEC____（能量管理系統(tǒng)應(yīng)用程序接口）、IEC_