电气工程及电气自动化控制系统应用

摘要随着对电力市场需求的日益增长，对电力工程的建设提出了更高的要求。当前，电力工程和自动化的发展面临着能源消耗大、质量低、系统扩展性低的问题。要解决这一问题，必须加强对电气工程自动化技术的研究，加强对电气工程的质量管理，提高电气自动化的一体化程度，以确保电气工程自动化的施工和管理，以及提高电力输送的稳定性和安全性。结合自己在大学期间的工作和工作经验，本论文选取了变电站电气自动化控制系统的分析与应用。本文着重介绍了变电所电气自动控制系统的研究背景、各种控制系统的控制模式以及变电装置的接地设计；其次，阐述了等电位联接的自动控制方法和管理方法；并将该方法用于实际的自动控制；对电力自动化工程控制系统的发展前景进行了预测。目录TOC\o"1-3"\h\u18981第一章前言 第一章前言人类的创造性是无穷无尽的。科技是人类社会发展的产物。在生产和加工领域，电力设备逐渐取代了手工，以能源为动力，持续地为社会创造了大量的物质。随着计算机技术的不断发展和普及，人们对机器的自动控制进行了深入的研究，以减少人工操作成本，提高生产效率。电力工程自动化的发展，是由于采用了信息化技术，才能实现对电力设备的自动控制和调配。随着科学技术的进步，电力机械的自动化技术也随之发展，并逐渐朝着网络化、智能化和集成化的方向发展[1]。但是，就目前的情况来看，电力工程自动化的发展还不够完善，还有很多问题亟待解决。完善的电力系统是实现变电所自动化的前提，也是确保变电所自动化的重要前提。[2]电力装置是变电所的重要组成部分，其对变电所的电压控制有很大的影响。本文从三个方面论述了变电自动化控制系统：1、控制系统的控制模式2、变电设备的接地设计3、控制方法与管理。第二章电气工程及其自动化2.1电气工程及其自动化中存在的问题2.1.1能源消耗过大由于传统的电力工程方式，在运输、配送等环节存在着不稳定的问题，导致了电力资源的大量浪费。然而，在自动化系统的前期，要进行全国范围内的各种基础设施的重新安装，而且电网覆盖的区域很广，对能源的需求也很大。由于自动化控制系统的前期建设比较复杂，施工难度大，工期较长，因此，各电网公司要加强综合管理，尽可能地节约能源、降低损耗，并尽可能地提高自动化水平。2.1.2质量参差不齐我国电力自动化起步较晚，对电力自动化技术的研究相对薄弱，尽管目前已基本形成了一个完整的电力自动化体系，但其管理制度还不完善，一些管理手段不严格，电子自动化流程的细节不详细，在项目实施中容易出现流程混乱、质量参差不齐等问题，导致各方面的工作效率都会下降。同时，由于国内的电气自动化技术还不成熟，必须提高技术水平，严格控制质量，保证各种设备的高速运转，降低故障率[3]。2.1.3性能不够优化电力自动化是一个涉及多种复杂的工程，具有复杂性和综合性的特点，但是目前国内各个区域的电气自动化水平存在很大的差别，各个项目相互独立，总体来说，其运行效率不高。要使它的效能得到最大程度的发挥，必须考虑到集约的战略，各个项目要协调，各个地区要加强沟通，统一输配信息，统一调配电力。为了适应现代社会的需要，推动地区协调发展，改善我国电网的不均衡状况，国家应该逐步减少人为干预，提高自动化系统的运行效率。2.2电气自动化的优化策略2.2.1促进电气自动化集约化发展随着电力自动化的不断发展，对电力设备、数据、信息的需求会不断增长，电力工程的工作将会变得更加困难，因此，必须尽快实现集约化，建立一个集中管理中心，负责信息收集、数据分析、项目决策、设备管理等方面的工作。为推动电力自动化的集约化发展，各地都应该采用统一的管理平台，以便于电力资源的共享，同时也要保证其具有充分的可扩展性和容忍度，以保证自动化系统在未来的顺利运转。各地在选用电器时，要尽可能保证电器的规格一致，提高产品的兼容性。集约化发展有助于员工减轻压力，降低管理难度，进而提升电力自动化的效能。2.2.2重视电气自动化技术研发电力工程实施自动化项目，主要是为了节约能源，采用现代技术手段。要实现这一目标，必须加大科研投入、加大研发力度、缩短自动控制装置研发周期、降低输电线路损耗、最大限度地保存电能。就拿变压器来说，这种装置的电阻值比较低，可以最大限度的减少电能的浪费。在研制其它装置时，应以节约能源为首要目标，最大限度地优化其性能，降低在运输中的功耗。只有减少每台设备的损失，才能在运输中减少电能的损失。[4]2.2.3健全电气自动化管理制度如果能够全面实施电气自动化，就可以避免很多人为错误，这对于我国的电力建设来说是一件好事。当前，由于体制上的不足，电力自动化工程的发展速度较慢。由于国家缺少对各电厂进行统一调度的严格管理，加之企业的执行力不足，很容易造成工作上的差错，从而影响到公司的效益和生产效率。国家要建立起一套科学、严格的电力自动化管理体系，做好电力自动化的监管工作。各电网公司要按照系统的规定，把自动化的各项工作程序标准化，对员工进行定期的技术培训，建立专业的管理机构，保证员工按照规定进行操作，促进电气自动化的发展。2.3总结随着电力机械技术的不断进步，人们越来越需要依靠手工操作来满足高效率的要求。电力自动化技术的发展与电力系统的发展方向是相适应的。[5]随着社会的发展，电子产品的普及程度与日俱增，不仅用于工业生产，而且人们的生活也离不开电器，因此，对电能的需求量也越来越大。随着国家电网规模的不断扩大，对电力设备的控制也越来越困难。通过专业的处理技术，可以将设备和仪器中的数据进行转化，甚至是对电力设备的远程动态监测，都起到了决定性的作用。电力工程自动化是我国电网建设的重点发展项目之一，对保证电力系统的稳定和用电安全起着举足轻重的作用。[6]第三章控制系统的几种控制方式3.1集中控制变电所是我国电网中的一个重要的变电设备，它承担着电网的电压和电流的调节。通过对变电所进行的集中控制，可以使变电所的自动化结构控制系统得到进一步完善，从而保证了各种设备的正常运转。同时，它也构成了我国变电所的电气化控制体系的基础架构。变电设备的管理是变电所工作的一个关键环节，变电所在变电设备的传输过程中起着很大的控制作用[8]。而采用自动控制系统，可以对所有的电力数据进行统一的控制，极大地方便了工作人员的工作，并采用专门的方法，使各种电力设备之间的配合更加紧密。对工作人员来说，通过集中控制，可以减少因电器设备的管理问题引起的设备故障，从而使设备的安全和避免不必要的经济损失。3.2远程监控利用网络作为远程监测的载体。实现变电所自动化控制所需要的诸如电缆之类的材料可以基本降低。在接到远程监测的反馈后，操作人员可以根据电网的变化情况调整电网调度，确保电网的正常运转。电力自动化的一个典型特征是遥控，它能以通讯方式对电力设备进行遥控，并能进行远距离的管理，具有很好的可操作性，已为业界所公认。采用远程控制，减少了时间和空间的限制，便于员工的操作，提高了工作的效率，实现了设备的统一使用，减少了设备和材料的重复使用。在传统的管理方式中，当设备的操作参数发生变化，必须人工进行处理，将耗费大量的时间来进行数据的重组，导致系统的时效性不高。但在自动运行状态下，对电力设备进行实时监测，故障率低，一旦发生故障，立刻发现并及时进行维修，降低了数据调整的难度，同时具备即时特性。3.3线路控制电力自动化系统要求电力设备的整体联接，而要达到这一功能，就必须要有一条线路。各种设备的运行方式不同，其联接方式也不同，设计者应该针对不同的要求来解决这些问题。例如，在断路器的工作闭锁中，为了便于以后的使用，在接线时应尽量避开硬接线。线路控制是一种简单的电力工作流程，是一种基础的电力系统，在传统的手工模式中已得到了广泛的应用，但是由于线路结构的复杂性，使得工作人员很难对其进行实时的检测，从而导致了在实际生产中出现故障。电力自动化的出现，改变了这种缺点，实现了对线路的统一控制，实时监控线路的数据和性能，降低了线路的失效概率，保证了线路的稳定，使线路的控制功能得到了充分的发挥。自动化运行方式对线路规划和施工的要求更高，需要设计人员和施工人员进行合理的计划以保证线路的安全。3.4现场控制现场监控是自动化系统的一个重要组成部分，通过现场监控，可以对整个电网的运行进行全面的监控，让员工了解到电力生产的各个环节，从而发现问题所在，消除隐患，保证生产的安全，如果有什么紧急情况，员工也能及时进行处理，避免因为一次事故而影响到整个生产。在变电所实现的现场监控是整个自动化过程中必不可少的环节。现场控制具有整体性和全面性，能够对整个生产过程进行实时监控，并对自动化系统进行综合优化。第四章变电设备的接地设计对于变电站而言，首要工作是做好电气自动化设备的接地设计，这是站内设备正常运行的重要基础。4.1工作接地在电网运行过程中，变电站对电网的电压进行调整，其工作接地是电力自动化的基础工作，它起着关键的作用，它的工作接地是电力自动化工程各个设备和操作系统间的整体性。但是，为了使工作接地发挥其应有的作用，应根据设备布置的实际情况来确定工作接地。4.2屏蔽接地变电所的电磁场会影响到变电所的工作，造成数据传输的中断，从而造成设备的程序、参数和精度的损失，从而造成数据的错误。而使用过屏蔽接地，则可以最大限度地降低因电磁引起的各种干扰。实现了变电所的电气自动化分析，防止了数据的错误和错误。4.3防雷接地而在变电所的电气自动控制装置，通常都是在室外进行，受到气候变化的严重影响，特别是受到闪电破坏的影响。随着电力自动化控制体系的不断完善，变电站及其所用设备的发展也越来越复杂，其中，防雷接地是工程中的一个重点工程，也是建筑工程的一个重要组成部分。防雷是电力自动化控制系统改造中的一个重要环节，正确的设置位置和设备的选取是保证系统安全运行的关键。为了达到防雷接地的效果，必须针对不同的地形、不同的环境而选用相应的防雷设施[12]。4.4保护接地在变电所的自动化控制系统中，实现与保护接地的同步，是保障电力员工的重要手段。保护接地的功能有两个：1、对电器设备的安全进行维护2、防止连接线出现过大的电流、电阻过低等问题[13]。采用保护接地对电力设备进行控制，可以有效防止以上事故，达到高效传输数据的目的，使操作人员能够及时发现故障并提出建设性的处理意见，从而使变电站的电气自动化工作效率得到提高。第五章电气工程及其自动化中存在的问题及其优化策略5.1能源消耗大目前，电力资源在传输过程中存在着一定的损耗，其稳定性易受外部因素的影响，而采用电气工程和自动化技术可以很好地解决这个问题。而要实现全国电网的完全自动化，就必须购买大量的新型电力电子设备，对电能的需求也会增加，同时，在发电领域也会出现供不应求的局面。因此，在确保其使用价值的同时，降低电力工程和自动化所消耗的能源，是当前企业急需解决的问题。5.2质量水平问题将电气自动化技术运用于电气工程，不仅能提高设备的工作效率，而且能有效地防止网络事故，并能及时发现网络安全隐患，为电力设备的安全提供了强有力的保证[14]。为了使这种功能得到充分的发挥，必须具备良好的电力工程管理水平。而我国的电气工程和自动化技术是最近几年才刚刚起步的，目前国内的电力电子工程自动化管理还处在起步阶段，各个环节还没有统一的标准，不能有效地进行管理，不能有效地执行各种工作，制约着电气工程及其自动化系统的发挥。5.3自动化系统扩展性差电力工程具有很强的综合性和广泛的覆盖面。与传统的手工控制相比，电力自动化技术可以有效地克服传统的控制方式带来的误差，从而达到对电力系统的统一调度。与国际上比较，国内的电气工程自动化技术还存在着较低的集成化、系统扩展性差、电网与电网与电网系统的互联互通问题没有得到有效的解决，导致了电网与配电系统的信息共享受到阻碍，也就不能对电网供电的实际需求进行系统化调节，与现代化电网建设管理的标准还有很大差距[15]。5.4优化策略5.4.1加大电气工程自动化技术研发力度节能减排是当前社会急需解决的问题，也是电力技术和自动化技术研究的热点。在实施过程中，要时时关注能源的消耗量，加强对输变电项目的管理，减少输电过程中的电流损耗。比如，变压器的电阻和功耗成正比关系，因此可以选用较小的阻抗器来减少能耗。同样，其它的电源装置也应该选用低阻值的装置。单个的功率装置虽然可以节省大量的能源，但是如果把它们结合起来，将会节省大量的能源。可以有效地减少整个电网的能源消耗。5.4.2提升电气工程质量管理水平将电力自动化技术应用到发电厂，建立分布式测控系统，实现各个发电厂的独立运行和分配，是提高发电企业的经济效益的关键。电力自动化技术可以有效地改善变电所的运行效率，克服了传统的人为控制对变电所工作流程的主观因素的影响。管理者应注重电气工程和自动化的现实意义，建立健全的管理制度，规范电气工程自动化控制系统的应用，使监理人员能熟练掌握电气自动化技术，保证各环节能够在相应制度下规范执行，对电气设备原材料严格把控，确保系统建设质量，充分发挥电气工程自动化控制系统的价值。[11]5.4.3提高电气自动化集成化程度随着电网建设的不断扩大，电力工程的信息接收工作也会越来越多。因此，必须建立一个集中采集、分析、处理、统一决策、统一控制各种电力电子设备的信息中枢。电力系统必须把电力系统的一体化水平提高到一定程度，才能对电力系统进行集中控制。在电力工程施工中，要做到各种电气设备之间的接口协调一致，确保设备的兼容。同时，在开发过程中，各开发平台必须保持系统的一致性，以确保系统的可扩充性，从而为以后的电网拓展打下良好的基础。提高电力自动化系统的集成化水平，不仅可以保证电力设备的正常工作，而且可以节省运行维护费用。第六章等电位连接中自动化控制的途径及管理措施6.1控制途径变电站电气结构复杂，为保证站内电气自动化控制系统的稳定运行，采取了等电气连接的方式，即将变电站内同等对地电位的导电体进行电气连接，称之为等电气连接。6.1.1路径控制在等电位联接的设计中，通路尺寸是一个很重要的步骤，但它的困难也很大。变电所内部的线路连接比较复杂，线路连接必须按规定的方向进行，如果连接不正确，则会造成系统的故障。为了使变电所的电气自动化控制系统能够稳定地工作，必须在工作许可的范围内尽量缩短线路的设计距离，同时也要为导电性元件打下坚实的基础。6.1.2网络控制在电力自动化领域，特别是在变电所的实际使用中，网络具有重要的实用价值。该系统的网络结构可以使电力自动化系统的工作速度保持稳定，从而使系统的自动化程度大大提高。随着现代电力技术的迅速发展，网络在电力自动化领域的应用也日益广泛。在电力自动化的实际应用中，等电位控制网的建立，包括人员、设备分配、加强网络建设，对保持等电位联接的效率具有正面作用。[12]6.1.3位置控制在实现等电位与电气自动化的衔接时，确定特定电位的连接位置是一个非常关键的基础工作，由于变电所本身的复杂性，很难准确地确定出相应的连接点。位置控制的设计直接关系到设备的联接功能，要使其最大的价值，必须根据变电站的实际状况来确定。6.1.4设备控制国家的一些技术和经济政策，对电力设备的选用提出了明确的要求：1.技术先进，2.高性价比3.高安全性，这样才能满足电力系统的安全运行指标，从而投入到实际应用中。在等电位联接中，配对硬件是支撑自动操作的基础，根据等电位联接系统的特殊性，可联接的电器设备是惟一的，因此，操作许可证必须严格按照设备的型号来配对，如果出现了问题，会影响到整个结构的正常运转。比如，在选择屏蔽电磁场时，应该根据电流的大小来确定。6.2管理措施6.2.1硬件管理硬件设施是变电站电气自动化系统得以实施的关键，因此，在日常管理中，对其进行管理显得十分必要。员工有责任和义务对电器进行管理，对出现故障的电器进行及时修理，对老化的设备进行及时的更换。并建立设备的定期检修维护制度，以防止设备故障对电力自动化系统的正常运转造成影响。6.2.2系统管理相关专家还需对设计好的电气自动化系统方案进行试验后才能投入使用，通过试验发现系统的潜在缺陷并加以改善，避免了由于方案缺陷导致的意外，可有效的减少不必要的资源浪费。[14]6.2.3操作人员培训管理为了确保电力自动化系统的正常运转，对操作者的技术水平也有一定的要求，其中，操作技能是最基础的，单位主管要根据有关规定，建立相应的考核体系，只有合格的人才可以进入岗位。此外，在新设备投入使用后，要对相关人员进行技术培训，保证操作人员能够灵活运用设备，从而使变电站的电气自动化工作得以顺利进行。6.2.4故障管理变电所的电气自动化系统要进行故障管理，其主要内容包括：1.内部人员的自我检查；2.管理人员的随机抽查。通过故障管理，可以预测潜在的危险，及早发现和处理故障，可以有效地降低不必要的损失。加强设备的故障管理，加强安全防范，是提高电网运行效率的有效途径，对促进我国电力自动化系统的发展具有重要意义。第七章自动化控制系统在实际中的应用7.1电气管理针对自动控制系统中的电力管理部分，可以采用程序调试的方法，从现场采集有关的数据，并由电脑技术进行处理，并将其传输到电子设备管理员的屏幕上，作为操作人员的参考。本系统不仅能有效地改善电力管理的稳定性，还能有效地促进电力管理技术的发展，同时也能使电力管理工作的差错率明显降低。7.2电网调度在变电所的电网提、调度过程中，它可以成为一个连接节点，覆盖终端和终端的跳读机制，通过自动控制实现了多个环节之间的联系。通过采用专业技术对电网调度方式下的电力设备和整个系统进行仿真，可以有效地防止变电站设备的故障。[13]7.3自身性能分析该自动控制系统不仅可以测试变电站的设备、仪器性能，而且还可以扩展变电站的监测范围，为设备的运行参数提供科学的参考，增加了设备的运行安全系数，在设备的运行中可以很好的避免大多数的故障，从而有效地提高了生产过程的精确性和经济效益。电磁设备在解决以上问题方面的效果比较好，利用自动化技术对其性能进行分析后，可以实现完全的微机控制。第八章应用实例分析该电站共有5台发电机组，其中1、2、3、5号机组为12MW,4号机组为15MW。主要变压器6个，备用高压变压器1个，分别为1OkV母线东西两段、35kV母线南、110kV母线一段。该机组的出线电压为6千伏，由电抗器从发电机一端获取，5台机组的电力由主控室控制，每台机组均设有蒸汽机组和锅炉控制室，并由调度信号和电话进行通讯。[15]全系统最终规模：110kV、35kV、10kV线路；5台发电机用变压器，6kV电厂用电系统，励磁系统，与每个发变组单位相匹配。全系统隔离层设备120多套，本次项目包含1号机组；1B、5B（联络变）、1#机组、隔离层等30个设备，采用光纤自愈环网联网，实现智能化的管理。改造后的系统全部实现了微机控制，基本上消除了原有的控制保护屏、控制台（68个台），采用18台微机保护测控屏和电脑工作站，通过先进的网络技术进行双向通信和资源共享；同时，充分考虑到电力作业人员的工作习惯，减少硬手操，实行软手操，便于对电器设备进行全面、高效的管理，减少误操作、发生意外，提高安全、自动化程度；同时，增大了主控制室的有效空间，使得布置更加合理，从而为火力发电厂的经营提供了更好的环境。参考文献[1]王玉涛.浅谈电气工程及电气自动化的计