电力系统调度与监控自动化automation of dispatching and monitoring for electric power system

采用自动化的手段对电力系统实行监视、控制与调节有功、无功电源，以保证运行的经济性和可靠性。在实际运行中，通过对能源的合理调度，机组的合理启停和负荷分配，减少网络损耗，可以节约大量能源，其经济效益是显著的。大型电力系统在运行中的可靠性或安全性非常重要，因在电力系统中任一点发生故障，均将在不同程度上影响整个系统的正常运行。特别是主要干线或发电厂附近发生故障时，如不能及时而正确地处理，将使事故扩大，波及电力系统其他正常运行部分，以致造成大面积停电，在政治、经济和人民生活上所造成的影响是十分巨大的。
发展概况 电力系统包括电能的生产、传输、分配、消费各个环节，是当代社会中最复杂的工业过程，对其运行的安全、经济和供电质量提出了越来越多、且越高的要求。在电力系统发展初期，所使用的简单的人工就地调节发电设备出力和电压，以及人工就地进行操作和单个设备的就地自动控制(如自动调节励磁、自动切除故障线路等)已不能满足现代电力系统运行的要求。在形成电力系统的最早阶段，就注意到远程监视和控制问题，并提出必须设立调度控制中心，但由于技术设备的限制，调度人员掌握代表电力系统运行状态的有限信息要用较多的时间，在事故情况下，除了继电保护装置、电源和负荷的紧急控制装置外，几乎完全依靠调度人员和发电厂、变电所的运行人员，根据有限的信息和运行经验，作出判断，再进行电力系统的调度和操作。因此，监视和控制的快速性与正确性都受到一定的限制。随着远动技术和通讯技术的发展，使大量实时信息直接进入调度控制中心，信息量很大，调度人员及时掌握和分析这样多的信息，并作出正确的判断往往是比较困难的。于是，提出使电力系统的监视和控制进一步自动化的要求。到20世纪80年代以来，世界上已有200多个电力系统应用以计算机为核心的自动控制系统，几乎全部或部分承担了调度人员可能涉及的所有各方面工作，不仅减轻了运行人员的劳动强度， 并提高了运行水平， 成为实现电力系统自动监视和控制的现代化手段。中国自60年代末就在华北、东北、华东电网的调度控制中心开始应用电子计算机，并于1978年8月在京、津、唐电网第一次实现了使用国产电子计算机对电网进行实时安全监视。在引进先进技术和自行设计与开发的基础上，各跨省电力系统及一部分省级和地区电力系统，也进行了电力系统调度和控制自动化的研究和实践，不同程度地实现信息的自动采集、传输、处理、监视、显示、打印等功能。
系统运行状态及调度控制的基本内容 电力系统一般分五种运行状态： ❶正常运行状态。在正常状态下，系统安全运行的所有参数如母线电压、线路潮流、发电机的有功、无功出力等，均应处于系统或设备安全运行的允许范围之内，这样表明系统能以质量合格的电能满足负荷的用电需求。
❷警戒状态。电力系统受到灾难性干扰的机会并不多见，大量的情况是在正常状态下，一系列小干扰的积累效应，使系统总的安全水平逐渐降低，以至进入警戒状态。如： 发电机出力备用的减少； 减少输送能力； 自然灾害的干扰机率增大等。在此状态下，各约束条件还是满足的，但系统的安全储备系数大为减少。
❸紧急状态。如在进行各种预防性控制以前，就发生一个足够严重的干扰(短路故障，切除大容量机组等)，系统将进入紧急状态。
❹系统崩溃。在紧急状态下，如不及时采取适当的控制措施，或措施不够有效，或初始的干扰及其所产生的连锁反应十分严重，则系统可能失去稳定，并解列成几个系统。此时，由于出力和负荷的不平衡，不得不大量切除负荷及发电机，从而导致全系统的崩溃。
❺恢复状态。在紧急状态后，借助继电保护和自动装置将故障区隔离，使事故停止扩大。待系统大体稳定后，如仍有部分设备运行于额定能力范围之内，或若干设备已重新启动，则系统可进入恢复状态。
在上述每种运行状态下，将提出不同的调度控制目标： ❶满足用户供电需要，包括供电的数量和质量（电压和频率）;
❷系统安全性，保证连续的系统功能；
❸最小成本（发电和传输）;
❹环境保护（使对环境和生态的影响最小）;
❺节约燃料和其他资源。
调度控制自动化系统的结构 以计算机为中心的电力系统调度控制自动化系统的基本结构(图1)，分为信息收集和执行子系统，信息传输子系统，信息处理子系统和人机联系子系统。❶信息收集和执行子系统。主要作用是在电力系统中各发电厂、变电所或线路上收集各种表征电力系统运行状态的实时信息，并根据运行需要向控制中心提供各种监视、分析和控制所需的信息。电力系统的运行状态(如频率、电压、功率潮流、断路器状态等)将通过远动装置传送到调度控制中心。此子系统同时接受上级控制中心根据运行需要而发出的操作、调节或控制命令，如开关操作，启停机组，调节功率等。接到命令后，或直接作用于操作机构，或将命令转发给有关装置的操作或调节机构。
❷信息传输子系统。将由远动装置收集到的信息，及时通过传输系统传送给调度控制中心。在电力系统中主干通道的传输手段，一般为载波和微波两种。信息传输系统的投资较大，且易受环境、气候条件及其他意外事故的影响。因此，对这个子系统要充分考虑它的经济性和可靠性，同时要保证传输信息的速度及准确性。
❸信息处理子系统。是自动化系统的核心，以计算机为其主要组成部分。对采集到的信息需加工处理，通过状态估计等技术，消除误差，改进原始信息，使之得到精确而完整的运行参数，并存储在反映系统实时状态的数据库中。该库将向所有系统监视控制和运行计算，提供统一的正确数据。在信息处理过程中，还可根据预先设定的参数上、下限值，校核实时信息。越限时，将通过故障显示或报警，以引起运行人员的注意，使之及时采取措施。利用数据库的信息，尚可预报系统近期和远期的运行状态。
❹人机联系子系统。将采集到的信息，经过加工处理，通过各种显示设备、打印设备和其他信息输出设备，为运行人员提供完整的电力系统实时状态信息。运行人员根据这些信息和预定目标，经分析、综合、判断后作出决策，操作控制设备或发出命令，通知控制系统执行，以实现对电力系统的控制。

图1 电力系统调度控制自动化系统的基本结构

电力系统的分层控制 分层控制是将整个自动控制系统按控制的性质和复杂程度，以及控制系统的组织结构，将全系统的监视和控制功能分属于不同的级别去完成，只有属于全局的、及综合的控制功能才由最高一级来完成。在各级之间，下一级除了完成分配给它所负担的功能外，还可将处理过的有关全局的信息传送给上一级，并接受上一级的指导和制约。电力系统本身结构就有分层的特征，如中国的大型电力系统均为地跨几个省，设有全系统的调度中心，下设各省电力系统调度中心，它负责调度基本上以行政区划分的省属电网，在省属电网下，又有各地区的调度所。
在实施分层控制时，合理地确定分层和分配各层的功能，对保证系统可靠而灵活地运行至关重要。一般可根据电力系统规模的大小分二层或三层(图2)。最上级的（大区）调度中心担负整个电力系统的安全经济运行任务，这需要根据全系统的信息进行综合判断才能实现，它的主要任务是： ❶在全系统负荷预测的基础上制订全系统结构和发电计划；
❷正常情况下全系统频率一有功功率的控制；
❸全系统枢纽点的电压控制；
❹合理利用能源资源，实现整体的最大经济性；
❺全系统安全监视和控制；
❻系统性事故的处理；
❼系统性的检修计划、操作和统计业务等。
从控制功能看，各级调度中心有明确分工，一般由第一或第二级承担发电出力控制，而输电控制则按电压等级分工负责。但是，对于电网的监视则有所重叠，因此有些厂（所）需将信息分别传送到二级或三级调度控制中心。形成统一电力系统后，国家级调度负责大区电力网间联络线控制方式和互供负荷的管理，并协调各大区电网的运行方式；大区级调度负责大区所属电网安全经济运行和电压、频率质量的调整，按规定控制联络线的负荷，重点管理主网架和骨干电厂；省（市）级调度负责管辖范围内发电厂和电网的运行，并按规定完成发、供电计划或控制联络线负荷；地区级调度负责地区电网的运行，并按计划控制用电负荷。

图2 分层控制图

分层控制与集中控制有较大区别，其比较见表。

分层控制和集中控制的比较

	分 层 控 制	集 中 控 制
计算机	与集中控制方式相 比，可用多台规模较 小的计算机，分散设 置	为了使运算和处理 集中化，要求用大型 计算机(大容量、高速 度)
信息传输	由于控制功能的合 理分担，使信息的传 输合理分散，使必要 的少量信息有可能快 速传送	因为集中在一个控 制中心，所以传输的 信息量庞大，要求有 高速、大容量和可靠 的信息传输设备
可靠性	由于计算机间的联 系被限制在最小程度 上，所以即使发生局 部故障，其影响也小， 同时还可利用分层间 的设备相互备用	运算、信息处理和 传输功能集中化后， 在控制中心出现故障 时，影响很大，所以需 要整个控制系统的备 用（双机或多机系统）
灵活性	扩大系统、增添设 备和变更运行功能比 较容易	灵活性较差