浅论电网能量传递及过程控制自动化

吴爱华

广州能源检测研究院 广东 广州 510000

前言

在发电机发明前,人类只能依靠大自然的原始能量。自1698年英国工程师托马斯.塞维利发明活塞蒸汽机开始,到1832年法国人毕克西发明了第一台手摇式直流发电机后,人类的生活生产用能发生了巨大变化,如燃料能、核能、水能、太阳能、风能等各种形式的能量通过发电机转换成电能。电能的传播从简单到复杂、从局部到整体直至发展到当今的电力电网时代,能量的传递及过程控制自动化日新月异。

1 电网能量传递过程

电力系统是电能生产、输送及分配的综合系统,加上电磁过程本身的快速性,对电力系统运行控制的自动化系统提出了非常高的要求。为确保满足电力系统运行的稳定性、可靠性、电能的质量及电网经济性等要求,离不开高水平的电力运行自动控制系统的支撑作用。一般地,发电机发出的电通过输电、变电系统、配电系统送到用户终端使用。电网在安全、稳定的环境下运行,根据能量守恒定律,发电机的有功功率等于网损功率和用户使用功率之和,电网保持平衡状态。当用户负荷增加或者降低了,保持输供电平衡是电网系统的关键所在。发电、用电平衡问题,其实就是发电系统根据自身输出变化,调节自身输入去匹配不断变化的输出,于是发电设备在输入输出之间有一个能量储存池,即控制输入能量的速度,使之尽可能等于输出能量的速度,保持能量池的稳定。当能量的输入输出的不平衡,能量池的水位会反映到电网的电压频率上,当输入相对输出比较快,频率就会上升,反之下降,因此,通过调节观察电网频率来调节机械能量输入调整发电功率。这个控制过程需要控制系统来完成,在发电机组、电厂、电网调度多个层面协同完成。总之,发电系统通过监视电网电压的频率,透过自动控制系统,实时调整发电设备的能量输入,使之与其输出能量相等,保证发用电电能平衡,从而维持电网频率。

2 现代电力系统的概况

2.1 现代电力系统的组成

20世纪中叶以来出现的巨型电力系统,是有史以来规模最大、层次最复杂、资金和技术最密集的复合工业系统。这种巨型现代电力系统,可以看做是由三个基本系统构成。

一是物流系统,即指动态的电力系统,是实现能量变换、传输、分配和使用的一次系统,就是电能的发、输、变、配、用。对于物流系统,我们一般重点研究能量的转换和变换、电能传输和分配,及电力系统可靠、稳定、安全、经济运行的规律。

二是信息流系统,即电力信息系统,由监视、测量、保护、控制、电网调度自动化等组成的能量管理系统,其作用是保证电力系统可靠、稳定、安全、经济运行。对信息系统主要研究如何获得物流系统各种状态的特征信息,研究这些信息的传输、处理和应用。此系统主要由传感器、通信网络、计算机和各种复杂的程序构成,是电力系统的核心。

三是货币流系统,也就是电力交易系统。对货币流系统主要研究电能这种特殊商品如何通过市场进行交易,电能如何定价,在市场运营下如何保障电力系统可靠、稳定、安全、经济运行。

2.2 现代电力系统的特点

现代电力系统的特点是由电能的特点决定的。电能的生产、传输和使用具有鲜明的系统性。电能以光速传播,迄今为止人,人类还没有实现大容量的电能存储,因此电能的生产与消费几乎是在同一瞬间完成的。发电、输电、变电、配电和用电等环环相扣,组成了密不可分的整体,始终处在连续工作和动态平衡之中。电能供应系统和用户之间又相互影响和相互制约。电能供应系统要适应用户对电能需求的随机变化,向用户连续不断地提供质量合格、价格便宜的电能。用户的负荷特性和随机变化又反过来又影响和冲击着电能供应系统。在各个环节和不同层次都要有先进的信息和控制系统,对电能的生产、传输、使用的全过程进行监测、控制、调节、保护和协调调度,以保证电力系统的正常运行,使用户获得安全可靠、优质、廉价的电能。

2.3 现代电力系统的发展方向

现代电力系统正向两个不同的发展方向发展:一个方向是电网互联,这将导致电网规模越来越大;另一个方向是向电网内分布式发电及微型电网发展。

邻近电网互联规模越来越大,有一定的优点那就是有利于在更大的范围内优化资源配置和一次能源利用;有利于降低造价、节约能源、降低系统发电成本;有利于承受大的冲击负荷,从而改善电能质量,提高供电可靠性;有利于不同地区时差、错峰用电,减少系统备用机组容量;有利于水、火、核电之间的互补调节,实现系统水、火、核电的经济调度

缺点就是大电网互联要依赖远距离高压交流输电,这使得大电力系统的运行更加的复杂,突出表现在调度复杂、稳定复杂,一旦有故障会波及邻近电网,处置不当会造成大面积停电。

微型电网是一些电气上孤立的发电机组成的独立电网,它们有些与主网相连,大多不与主电网相连的。一般是光伏电池、风力发电、太阳能发电、微型水电、燃料电池、小型燃气轮机组等发电装置,它们靠近用户,对环境无污染或者少污染。但是,与电网相连的分布式发电也会对电网频率、电压等造成各种冲击。

3 现代电力系统控制

安全稳定运行是现代电力系统的基本要求,现代电力系统控制为此提供基本保障。

3.1 现代电力系统控制内容

现代电力系统控制运行非常复杂,必须建设有效的控制系统,这是现代电力系统控制的物质基础。同时还采用先进的控制理论来设计控制规律,这是现代电力系统的理论基础。

3.2 现代电力系统的控制体系

现代电力系统的调度控制体系是“统一调度、分级管理”,共分五级,即国家电网或南方电网调度控制中心、大区电网调度控制中心、地区或市电网调度控制中心、县级电网调度控制中心。电网调度控制实行分级管理体系,奠定了电网分层控制的模式,调度的自动化系统的配置也与之相适应,信息分层采集,逐级传送,命令按层次逐级下达。电网分级调度体系图见下图1。

图1 电网分级调度体系图

3.3 现代电力系统控制组成

电力系统运行的可靠性及其电能质量,与自动控制系统的水平有着密切的关系。20世纪中叶以来出现的巨型电力系统,是有史以来规模最大、层次最复杂、资金和技术最密集的复合工业系统。这种巨型的现代电力系统,可以看成是由三个基本系统组成:一是物流系统;二是信息流系统;三是货币流系统。但随着计算机技术、通信技术及自动控制技术的飞速发展,电力系统调度控制的内涵发展也不尽统一,完成上述电力系统三大组成的自动控制结构也不完全一样。本文所述的系统控制组成是对《现代电网自动控制系统》基础上进行适当的补充,电力调度控制结构图见下图2。

图2 电力调度控制结构图

3.4 现代电力系统的控制趋势

随着经济社会发展,现代电力系统面临着新的挑战与机遇。面临的挑战是:第一、可再生能源等新能源。新电源与传统的火电、水电、核电相比,最大的区别在于可再生能源发电具有间接性及随机波动性、不完全可控性。第二、电动汽车等新负荷。电动汽车等新负荷与传统负荷相比,最大的区别在于主动负荷具有双向性。既可以作为负荷存在又可以作为电源存在,具有很大的不确定性。第三、网络自愈等新结构。网络自愈等新结构与传统的网路相比,最大的区别在于网路经常需要重构,网络中大量的电力电子控制设备可以快速地进行网络控制。现代电力系统所面临的主要机遇是:广域测量系统等新技术。此技术对于大停电的重现和分析中发挥重要作用。另外,云计算及大数据技术等在电力系统中的应用方兴未艾。优化控制等新理论。现阶段,控制理论、系统理论在电力系统中的应用不断加强。

4 结语

为了保障电力系统安全、优质、可靠、稳定、经济地运行,控制理论,系统理论在电力系统中应用日益深化。控制理论在电力系统中的应用,由20世纪60年代开始的经典控制理论到20世纪80年代开始的现代理论,乃至当代控制理论。除此之外,复杂系统理论、模拟进化方法等在电力系统中也不断得到应用。为此,人们正在深入研究新一代电网的能量管理系统。其基本特征就是实时自适应,灵活开放,目标、时间、空间三维度协调。其中以“分布自治、集中协调”的新架构最具潜力和代表性,即分分布与集中、自治与协调相结合,这个方案有望在近年实现。所以,在理论上,现代电力系统自动控制做到精准和细致还要进行大量开创性的研究。在工程上,需要解决广域信息与通信网络的可靠性与时延的不确定性、分析方法的有机融合等问题。