变电自动化以及其稳定性问题探索

赵伟艳

摘要：电力系统运行中，随着电压、频率的瞬时变化，存在着瞬时的状态变量。对于一个电力系统，有多少个状态变量就有多少种稳定性问题。在电力系统运行中，有三种常见且必须同时满足的稳定性要求，即同步运行稳定性，频率稳定性和电压稳定性。目前，电力改造项目应用的常规型自动化系统，其实主要就是实现微机管理，是一种局部综合自动化系统的模式，这种自动化系统有一个致命的缺点就是系统不具备自诊断能力，对二次系统本身的故障无法检测。

关键词：变电；自动化；稳定性

前 言

随着电力系统动态过程的分析越来越复杂，对系统自动控制的要求也越来越高。分层分布式综合自动化变电系统通过各种设备间相互交换信息、数据共享，实现对变电运行的自动监视、管理、协调和控制，从而提高了变电保护和控制性能，改善和提高了电网的控制水平。

一、现阶段的变电自动化系统分析

1.集中式结构

集中式结构是将系统设备按其功能归类划分，形成若干个独立系统，各系统分别采用集中装置来完成自身的功能。集中式结构一般由1个或2个CPU实现对整个变电系统的保护、监视、测量、远动的集中控制。集中式控制系统的优点是构成较简单、主机控制系统集中、便于分配调度各种实时任务、响应速度快、节省投资；缺点是主机系统负荷繁重、主机单CPU可靠性不高。为了提高可靠性，一般采用双系统互为备用。该系统可采用前置主机和后台辅机相结合的配置方式。前置主机完成模拟量和开关量以及脉冲量的采样输入、开关量输出控制（断路器跳合闸操作）与信号输出、向辅机传送数据等功能。辅机主要完成负荷显示、打印输出、远动通信和主机间的数据串行通信等功能。

2.分散式结构

这种结构方式一般是按一次回路进行设计。首先将设备按一次安装单位划分成若干单元，将控制单元、微机保护单元、数据采集单元安装在户外高压断路器附近或户内开关柜内。然后将各分布单元用网络电缆互联，构成一个完整的分散式综合自动化系统。其优点是各个功能单元上既有通信联系，又能相对独立，便于系统扩展，便于维护管理，当某一环节发生故障时，不至于相互影响；此外，它的抗电磁干扰能力强、可靠性高，在二次系统设计上能最大限度地减少二次设备的占地面积并节省大量电缆及接线。缺点是价格高。

3.集中与分散结合式结构

这种结构方式介于集中式与分散式两种结构之间，形式较多。目前国内应用较多的是分散式结构集中式组屏。这种结构方式具有分散式结构的全部优点，由于采用了集中式组屏，有利于系统的设计、安装与维护管理。

二、变电自动化系统的网络模型分析

1.假定电力网络中节点编号的次序先是各发电机节点，然后是负荷和其它节点。在此情况下消去全部负荷节点的注入电流，根据计算内容和要求的不同，选用适当的模型。由于在电网故障后功角的第一个摇摆周期内，各种调节器因为时滞来不及动作或动作很小，且在稳定性预测和早期控制中对时间要求很短暂，故一般采用电力系统的经典模型（如恒定阻抗负荷模型和暂态电抗后恒定电势的同步电机模型）；

2.在研究系统多个功角摇摆周期时段的动态稳定时，要考虑各个元件的反应特性。在电力系统运行方式处于稳定域边界处，由经典模型得出的结果与实际模型相差甚远，故需采用详细发电机等单元的数学模型（含励磁、调速系统模型，负荷考虑电压和频率特性）来研究。

三、变电自动化系统内的通信网络设计分析

构建一个快速、稳定、可靠和富有弹性的通信网络是变电自动化系统的基本要求，也是整个电力系统运行管理自动化的根本前提。基于网络技术的现场总线无论在通信速率和实时性，还是在可靠性和组网的灵活性上均远高于简单的串行通信技术，因此在很短时间内便成为变电自动化系统的主流通信技术，同时也使变电自动化系统的整体结构发生了本质的变化。自动化通信系统需要计算机网络技术，更需要带宽、通用性和符合国际标准的网络技术。在带宽、可扩展性、可靠性、经济性、通用性等方面的综合评估中，计算机网络技术必将成为自动化系统中通信技术发展的趋势。

四、变电自动化系统安全控制和稳定性分析与研究

处于稳定状态的电力系统受到某些扰动时，可能转入不稳定状态。通过一些必要的控制，如调整发电机电压或出力、切换线路等，使系统转为稳定状态。这种控制称为预防控制，也称为正常状态下的安全控制或静态安全控制。这种控制一般由电力系统调度部门的能量管理系统（EMS）进行实施。处于正常状态的电力系统受到较严重的扰动时，可能转为极不稳定状态。极不稳定状态可能出现以下两类危机：（1）稳定性危机（Stability crisis）：电力系统暂态过程积蓄的能量可能破坏其运行稳定性，即不能再回到初始状态或停留在一个允许的新状态。这一过程历时很短，如几秒钟。（2）持久性危机（Viability crisis）：局部或整个系统发电、送电和负荷不平衡，导致系统运行参数大幅度偏离正常值，可能破坏对用户的持续供电。这一过程历时较长，如几秒钟至几分钟。电力系统在极不稳定状态下为了维持稳定运行和持续供电，必须采取必要的控制措施。这种控制称为紧急控制（Emergency control）或预测控制（Predictive con-trol），也称为极不稳定状态下的安全控制或动态安全控制。对稳定性危机的紧急控制称为稳定性控制（Stabilitycontrol）。通过稳定性控制可能使系统恢复正常状态，也可能使系统暂时处于另一种稳定状态，即恢复状态。针对持久性危机的紧急控制，通常称为校正控制（Correc-tive control）。如控制电压和无功功率、切机或限制发电机出力、限制负荷和系统解列等，以便使系统恢复到正常状态或转为恢复状态，保持对用户的持续供电。

五、结束语

变电自动化是今后发展的一种必然趋势，其优越性在电能质量，变电的安全、可靠运行水平等方面均有较好的体现。本文首先介绍变电自动化系统的几种常用结构，其次对自动化系统的网络模型进行了论述，然后再对变电自动化系统内的通信网络进行了详细设计。最后得出结论，分层分布式综合自动化系统有利于系统扩展的方便性和灵活性，以及计算机网络技术是应推广的一种通信系统发展模式，特别适合于通信数据量大的建设项目。现实工作中，為了预防这种故障需要频繁地对二次设备进行定期试验和调试，而一旦出现不可预见的设备故障，便会给整个电网的安全运行带来严重后果。本文以上就谈了一些自己的观点可与同行共同探讨。