1、1.3.1 控制理论的应用v当今控制领域的技术仍在不断拓展，新的控制方法层出不穷。智能控制领当今控制领域的技术仍在不断拓展，新的控制方法层出不穷。智能控制领域发展尤其迅猛，有相当部分已投入实用。智能控制最大的吸引力在于实域发展尤其迅猛，有相当部分已投入实用。智能控制最大的吸引力在于实现多变量控制而不必列出繁琐的数学模型，于是神经网络、模糊逻辑和遗现多变量控制而不必列出繁琐的数学模型，于是神经网络、模糊逻辑和遗传算法成为优选的方法。由于模糊技术、人工神经网络与遗传演化技术等传算法成为优选的方法。由于模糊技术、人工神经网络与遗传演化技术等的发展，自动控制技术已有了进一步优化的新方向，即的发展，自动
2、控制技术已有了进一步优化的新方向，即智能技术的方向智能技术的方向。综合各种智能方法，互补优势，能把自动控制的适应范围进一步扩大深化，综合各种智能方法，互补优势，能把自动控制的适应范围进一步扩大深化，将推动工业建设与生产的发展，同时也促进电力系统自动化的发展。混杂将推动工业建设与生产的发展，同时也促进电力系统自动化的发展。混杂系统系统(hybrid system)(hybrid system)是系统科学领域中新提出的概念和理论。电力系统是是系统科学领域中新提出的概念和理论。电力系统是一个标准的混杂系统，它的上层一个标准的混杂系统，它的上层(调度中心调度中心)给出的调度决策主要是逻辑性给出的调度决
3、策主要是逻辑性的操作指令；而下层控制的操作指令；而下层控制(如发电机的励磁与调速控制如发电机的励磁与调速控制)主要是连续型的。主要是连续型的。如何将不同性质的上层和下层控制恰当地结合起来以达到电力系统的多目如何将不同性质的上层和下层控制恰当地结合起来以达到电力系统的多目标优化控制的目的，这是一个重要理论问题和应用问题。因此，借鉴控制标优化控制的目的，这是一个重要理论问题和应用问题。因此，借鉴控制领域的新理论，发展起在电力系统中的运行与应用，应当具有良好的前景。领域的新理论，发展起在电力系统中的运行与应用，应当具有良好的前景。v自动控制从线性开环发展到闭环，使电力系统的各项控制提高到了一个新自动
4、控制从线性开环发展到闭环，使电力系统的各项控制提高到了一个新的水平。随着计算机应用的迅速发展，各项以前手算难以处理的问题，如的水平。随着计算机应用的迅速发展，各项以前手算难以处理的问题，如矩阵运算、有限元法及微分方程的数字解等，都可利用计算机调用标准程矩阵运算、有限元法及微分方程的数字解等，都可利用计算机调用标准程序来解决。辨识、建模、在线监控等技术使自动化进入到现代化的新水平。序来解决。辨识、建模、在线监控等技术使自动化进入到现代化的新水平。1.3.2 1.3.2 数字化电力系统的概念与构架数字化电力系统的概念与构架v电力系统是由原动机、发电机、电力网络、电力系统是由原动机、发电机、电力网络
5、、负荷和控制中心等组成的。原来的电力网络负荷和控制中心等组成的。原来的电力网络是不可控的。近年来，随着电力电子技术的是不可控的。近年来，随着电力电子技术的发展，柔性交流输电技术发展，柔性交流输电技术(FACTS)(FACTS)设备引入了设备引入了电力网，使电力网络也变成是可控的了。然电力网，使电力网络也变成是可控的了。然而在电力系统增加了灵活性的同时，也增加而在电力系统增加了灵活性的同时，也增加了它的复杂性。图了它的复杂性。图1.41.4表示的是两个大区域网表示的是两个大区域网络互联的电力系统。在它们之上还有高一级络互联的电力系统。在它们之上还有高一级的调度中心，这可以说是多区互联电力系统的调
6、度中心，这可以说是多区互联电力系统的一个一般的结构形式。的一个一般的结构形式。大区域电力系统结构如下大区域电力系统结构如下v数字电力系统数字电力系统(Digital Power System(Digital Power System，DPS)DPS)的涵义，是指对某一实际运行的电的涵义，是指对某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术性力系统的物理结构、物理特性、技术性能、经济管理、环保指标、人员状况、能、经济管理、环保指标、人员状况、科技活动等数字地、形象化地和实时地科技活动等数字地、形象化地和实时地描述与再现。描述与再现。下图给出了数字电力系统的图像化思考。在图的右边是一个运行中的下
7、图给出了数字电力系统的图像化思考。在图的右边是一个运行中的电力系统，图的左边是一个电力系统，图的左边是一个DPSDPS。DPSDPS通过实时数据通讯和通信，软跟踪这通过实时数据通讯和通信，软跟踪这个实时的电力系统。如上所述个实时的电力系统。如上所述DPSDPS在正常运行时给出建议，通过调度人员在正常运行时给出建议，通过调度人员进行闭环；在最紧急的情况下，将紧急地不通过调度人员进行闭环，然后进行闭环；在最紧急的情况下，将紧急地不通过调度人员进行闭环，然后再再“通知通知”调度人员，刚才进行了什么操作，产生了什么效果等。如果没调度人员，刚才进行了什么操作，产生了什么效果等。如果没有有DPS(DPS(
8、现在的系统即是如此现在的系统即是如此)，则调度管理人员在运行中是相当盲目的，则调度管理人员在运行中是相当盲目的，发生突然故障后他们不知道电力系统中发生了什么问题，产生了什么后果，发生突然故障后他们不知道电力系统中发生了什么问题，产生了什么后果，稳定域如何变化，状态点在稳定域的什么位置等。如果发生了故障，调度稳定域如何变化，状态点在稳定域的什么位置等。如果发生了故障，调度人员茫然不知所措，甚至进行误操作，人员茫然不知所措，甚至进行误操作，19961996年、年、19971997年美国西部电力系统年美国西部电力系统发生事故后的情况就是如此。如果有发生事故后的情况就是如此。如果有DPSDPS的帮助，
9、电力系统运行的安全和的帮助，电力系统运行的安全和稳定性将会得到极大地提高。稳定性将会得到极大地提高。智能电网v 智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。v美国电力科学研究院将智能电网定义为：美国电力科学研究院将
10、智能电网定义为：v一个由众多自动化的输电和配电系统构成的电力系统，以协调、有效和可靠的方式实现所有的电网运作，具有自愈功能；快速响应电力市场和企业业务需求；具有智能化的通信架构，实现实时、安全和灵活的信息流，为用户提供可靠、经济的电力服务。v中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。智能电网v 第一个就是2006年，美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案。IBM的智能电网主要是解决电网安全运行、提高可靠性，从其在中国发布的建设智能电网创新运营管理中国电力发展的新思路白皮书可以看出，解决方案主要包括以下几个方面：一是通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体
11、系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。该方案提供了一个大的框架，通过对电力生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。是IBM一个市场推广策略。智能电网概念的发展有3个里程碑 v第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，除了已公布的计划，美国还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能、风能、地热能的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的
12、能源使用效率 智能电网概念的发展有3个里程碑 v第三个是中国能源专家武建东提出的“互动电网“。互动电网，英文为Interactive Smart Grid，它将智能电网的含义涵盖其中。v互动电网定义为：在开放和互联的信息模式基础上，通过加载系统数字设备和升级电网网络管理系统，实现发电、输电、供电、用电、客户售电、电网分级调度、综合服务等电力产业全流程的智能化、信息化、分级化互动管理，是集合了产业革命、技术革命和管理革命的综合性的效率变革。它将再造电网的信息回路，构建用户新型的反馈方式，推动电网整体转型为节能基础设施，提高能源效率，降低客户成本，减少温室气体排放，创造电网价值的最大化。智能电网概
13、念的发展有3个里程碑 互动电网作用互动电网作用v互动电网通过电子终端将用户之间、用户和电网公司之间形成网络互动和即时连接，实现电力数据读取的实时、高速、双向的总体效果，实现电力、电讯、电视、智能家电控制和电池集成充电等的多用途开发，实现用户富裕电能的回售；可以整合系统中的数据，完善中央电力体系的集成作用，实现有效的临界负荷保护，实现各种电源和客户终端与电网的无缝互连，由此可以优化电网的管理，将电网提升为互动运转的全新模式，形成电网全新的服务功能，提高整个电网的可靠性、可用性和综合效率 v互动电网既是下一代全球电网的基本模式，也是中国电网现互动电网既是下一代全球电网的基本模式，也是中国电网现代化
14、的核心代化的核心 v实际上，互动电网的本质就是能源替代、兼容利用和互动经济。从技术上讲，互动电网应是最先进的通讯、IT、能源、新材料、传感器等产业的集成，也是配电网技术、网络技术、通信技术、传感器技术、电力电子技术、储能技术的合成，对于推动新技术革命具有直接的综合效果。由此，智能电网具备可靠、自愈、经济、兼容、集成和安全等特点。我以为：互动电网学说的本质就是以信息革命的造发性标准和技术手段大规模推动工业革命最重要财产电网体系的革新和升级，建立消费者和电网管理者之间的互动。互动电网学说的本质，就是以信息革命的造法性标准和技术手段大规模推动工业革命的最重要资产电网体系的革新和升级，建立消费者和电网
15、管理者之间的互动。互动电网的功效v 一是智能电网能够实现双向互动的智能传输数据，实行动态的浮动电价制度；v 二是可以利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控和数据整合，遇到电力供应的高峰期之时，能够在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口，从而达到对整个电力系统运行的优化管理；v 三是智能电网能够将新型可替代能源接入电网，比如太阳能、风能、地热能等，实现分布式能源管理；v 四是可以提高供电效率，减少能量损耗，改善供电质量，解决电网商业化运转；v 五是智能电表可以作为互联网路由器，推动电力部门以其终端用户为基础，进行通信、宽带业务或传播电视信号。智能电网改革将推动全球
16、能源革命的深度扩散。通过建造互动的电网，将推进IT革命进入创新阶段；将为消费者提供更好的减少能源消耗的路径；将为整个社会节约成本、降低温室气体排放，并促进绿色经济占统治地位。v中国电网升级化路线应该定义为互动电网的变革，互动电网的发展是全球工业和信息业的一次新产业革命、技术革命和管理革命，应该以此为基础制定中国高起点的电网现代化的战略发展路线。中国智能电网的现状v近年来，中国电力工业快速发展，跨区跨省电网建设快速推进，电网网架结构得到加强和完善。2009年1月，中国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的1000千伏晋东南南阳荆门特高压交流试验示范工程正式投运，标志着中国在远距离、大容量、低损
17、耗的特高压核心输电技术和设备国产化上取得重大突破，建设智能电网具备了一定的物质基础。中国智能电网的现状v2009年5月，中国国家电网公司正式发布了举世瞩目的“建设坚强智能电网”的研究报告，首次向社会公布了“智能电网”的发展计划。国家电网公司按照统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进的原则，在建设由1000千伏交流和800千伏、1000千伏直流构成的特高压骨干网架、实现各级电网协调发展的同时，围绕主要环节和信息化等方面，分阶段推进坚强智能电网发展。智能电网结构输电网络智能化变电站智能配用电系统智能终端设备发电智能电网-新能源清洁能源的广泛和大规模的使用、传统火电的节能、减排、环保、优化等。智能电
18、网-新客户无线数据通信网络电动汽车等新型节能、环保产品的大规模利用分布式能源系统的应用基于互联网的新型电力客户营销服务的需求智能电网-新电网其本质就是提高能源效率，其本质就是提高能源效率，实现能源替代和兼容利用实现能源替代和兼容利用信息化信息化自动化自动化互动化互动化智能电网的特征坚强智能电网的建设v 中国将分三个阶段推进坚强智能电网的建设v在三个阶段里总投资预计将超过4万亿。v2009年至2010年为规划试点阶段，重点开展“坚强智能电网”发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，及各环节试点工作；v2011年至2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步
19、形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；v2016年至2020年为引领提升阶段，全面建成统一的“坚强智能电网”，技术和装备全面达到国际先进水平。1.3.3 电力自动化系统新技术与趋势 2020世纪世纪4040年代将数据展现在模拟盘上，增强了调度员对实际系统运行年代将数据展现在模拟盘上，增强了调度员对实际系统运行变化的感知能力；变化的感知能力；5050年代自动发电控制年代自动发电控制(AGC)(AGC)将调度员从频繁的操作中解脱将调度员从频繁的操作中解脱出来；电网调度自动化系统概念的提出是在出来；电网调度自动化系统概念的提出是在5050年代中期，这标志着现代电年
20、代中期，这标志着现代电网自动化的开始。以前只有远动装置及机电式的调频装置，不成为系统。网自动化的开始。以前只有远动装置及机电式的调频装置，不成为系统。6060年代初，有些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调度，开始了年代初，有些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调度，开始了计算机在调度中的应用。如今电力系统已经成为一个计算机在调度中的应用。如今电力系统已经成为一个CCCPECCCPE的统一体，即计的统一体，即计算机算机(computer)(computer)、控制、控制(control)(control)、通信、通信(communication)(communication)和电力电子
21、和电力电子(power electronics)(power electronics)的产生、输送、分配装置以及电力电子装置。当然，的产生、输送、分配装置以及电力电子装置。当然，在在2121世纪，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作。自动化设备所世纪，不掌握电力市场知识便很难承担电力调度工作。自动化设备所占的投资比例虽然不大，但其重要性与主设备同样。而且先进的自动装置占的投资比例虽然不大，但其重要性与主设备同样。而且先进的自动装置不仅可以改善一次主设备的运行状况，提高其运行效率，甚至可以推迟或不仅可以改善一次主设备的运行状况，提高其运行效率，甚至可以推迟或避免新建一些主设备，节省数额可观的
22、一次设备投资。电力系统产生的电避免新建一些主设备，节省数额可观的一次设备投资。电力系统产生的电能必须与消费的电能实时平衡，这只能靠自动调节和控制装置来维持。这能必须与消费的电能实时平衡，这只能靠自动调节和控制装置来维持。这种平衡不仅要在正常的稳态运行时而且要在各种扰动状态下从毫秒级到分种平衡不仅要在正常的稳态运行时而且要在各种扰动状态下从毫秒级到分钟级都能实现这一要求。为了满足这种调节与控制要求，电力系统自动装钟级都能实现这一要求。为了满足这种调节与控制要求，电力系统自动装置可以分为正常运行自动装置、异常状态下的安全稳定控制装置及保护装置可以分为正常运行自动装置、异常状态下的安全稳定控制装置及
23、保护装置。置。现代社会对电能供应的现代社会对电能供应的“安全、可靠、经济、优质安全、可靠、经济、优质”等各项指标的等各项指标的要求越来越高，相应地，电力系统也不断地向自动化提出更高的要求。电要求越来越高，相应地，电力系统也不断地向自动化提出更高的要求。电力系统自动化技术不断地由低到高由局部到整体的发展。当今电力系统的力系统自动化技术不断地由低到高由局部到整体的发展。当今电力系统的自动化技术正趋向于：自动化技术正趋向于：v 由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展；由发、输电自动化向发、输、配电自动化全面发展；v 柔性交流输电技术柔性交流输电技术(FACTS)(FACTS)的发展进一步提高输
24、电、配电自动化水平；的发展进一步提高输电、配电自动化水平；v 在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展；在控制策略上日益向最优化、适应化、智能化、协调化、区域化发展；v 在设计分析上日益要求面对多级系统模型来处理问题；在设计分析上日益要求面对多级系统模型来处理问题；v 在理论工具上越来越多地借助现代控制理论；在理论工具上越来越多地借助现代控制理论；v 在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用；在控制手段上日益增多了微机、电力电子器件和远程通信的应用；v 在研究人员的构成上日益需要多在研究人员的构成上日益需要多“兵种兵种”的联合作战。的联合作战。v整个电力系统
25、自动化的发展则趋向于：整个电力系统自动化的发展则趋向于：v 由开环监测向闭环控制发展，例如从系统功率总加到由开环监测向闭环控制发展，例如从系统功率总加到AGC(AGC(自动发电控自动发电控制制)；v 由高电压等级向低电压扩展，例如从由高电压等级向低电压扩展，例如从EMC(EMC(能量管理系统能量管理系统)到到DMC(DMC(配电配电管理系统管理系统)；v 由单个元件向部分区域及全系统发展，例如由单个元件向部分区域及全系统发展，例如SCADA(SCADA(监测控制与数据采监测控制与数据采集集)的发展和区域稳定控制的发展；的发展和区域稳定控制的发展；v 由单一功能向多功能、一体化发展，例如变电站综
26、合自动化的发展；由单一功能向多功能、一体化发展，例如变电站综合自动化的发展；v 装置性能向数字化、快速化、灵活化发展，例如继电保护技术的演变；装置性能向数字化、快速化、灵活化发展，例如继电保护技术的演变；v 追求的目标向最优化、协调化、智能化发展，例如励磁控制、潮流控追求的目标向最优化、协调化、智能化发展，例如励磁控制、潮流控制；制；v 以提高运行的安全、经济、效率为目标、同时向管理、服务的自动化以提高运行的安全、经济、效率为目标、同时向管理、服务的自动化扩展，例如扩展，例如MIS(MIS(管理信息系统管理信息系统)在电力系统的应用；在电力系统的应用；v 现场总线技术在变电站综合自动化系统中应
27、用。现场总线技术在变电站综合自动化系统中应用。vAGC(AGC(自动发电控制自动发电控制)；vEMC(EMC(能量管理系统能量管理系统););vDMC(DMC(配电管理系统配电管理系统)；vSCADA(SCADA(监测控制与数据采集监测控制与数据采集)；vMIS(MIS(管理信息系统管理信息系统)第一讲 小 结v第一讲主要介绍了电力系统自动化的基本概念及其自动化发展第一讲主要介绍了电力系统自动化的基本概念及其自动化发展历程、现状和趋势，以及智能电网的相关概念和发展，旨在了历程、现状和趋势，以及智能电网的相关概念和发展，旨在了解、学习电力系统自动化控制目标和基本内容，特别是电力系解、学习电力系统自动化控制目标和基本内容，特别是电力系统调度自动化的功能与组成，同时对该课程有一个较全面的认统调度自动化的功能与组成，同时对该课程有一个较全面的认识。识。v思考题与习题思考题与习题v1-1 1-1 试述电力系统自动化的控制目标。试述电力系统自动化的控制目标。v1-2 1-2 电力系统自动化有哪些内容？电力系统自动化有哪些内容？v1-3 1-3 电力系统自动化安全控制有哪些状态？电力系统自动化安全控制有哪些状态？v1-4 1-4 何谓电力系统调度自动化？何谓电力系统调度自动化？v1-5 1-5 何谓数字电力系统？何谓数字电力系统？
