电气自动化技术在电力工程中的应用研究

刘玉璞

（兰州倚能电力设计咨询有限公司，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

电力工程作为基础产业之一，其可靠性和高效性对社会发展至关重要。电气自动化技术作为现代电力工程的核心组成部分，通过实现设备、系统和过程的自动化控制，为电力工程的安全、稳定运行提供了关键支持。本文将深入研究电气自动化技术的现状，并详细剖析其在电力工程中的具体应用。

1 电气自动化技术的现状

当前，电气自动化技术在电力工程中处于蓬勃发展的阶段。以先进的传感器技术为基础，实时监测电力系统各个节点的电流、电压等参数，为系统提供全面、精准的数据支持。控制系统采用高效的算法和逻辑控制单元，实现对电力设备的智能调度和自动化控制，提高了系统运行的稳定性和效率。通信网络的不断升级使得电气自动化系统具备更快速、可靠的数据传输能力，支持远程监测和操作。同时，数据分析与人工智能的应用使得电气自动化系统能够从海量数据中挖掘潜在规律，实现对系统的智能化管理和优化运行[1]。然而，挑战随之而来，包括系统的安全性、集成难度等，需要不断进行研究和创新。

2 电气自动化技术在电力工程中的应用

2.1 电力系统自动化控制

2.1.1 智能控制技术

在电力系统的自动化控制领域，智能控制技术中的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）作为一种卓越的方法备受关注。基于电力系统的数学模型，MPC 通过对未来状态的预测进行优化调控，具体体现为对系统连续时间的输入控制进行最优化。其核心优势在于能够在控制过程中考虑多个输入和输出变量，以及对未来系统状态的全面预测。MPC 的基本优化问题可以表示为

式中：u为控制输入；x为系统状态；yk为实际输出；为预测输出。MPC 通过动态优化对未来一段时间内的系统状态进行预测，并在每个时间步骤上调整控制输入，从而最小化损失函数。

MPC 的优势在于能够处理多变量、非线性系统，并能够考虑到系统的约束条件，如电流、电压等。其在电力系统中的应用能够有效应对系统的动态变化，提高系统的健壮性和稳定性。然而，MPC 面临着实时性要求较高、计算复杂度大等挑战，需要在系统性能和计算效率之间取得平衡[2]。综合而言，MPC 作为智能控制技术的代表，在电力系统自动化控制中展现出了巨大的应用潜力。

2.1.2 自动调度技术

在电力系统的自动化控制中，自动调度技术是一项关键且不可或缺的技术，核心在于实现对电力系统运行的智能化和高效化调度。其中，基于最优潮流（Optimal Power Flow，OPF）的自动调度技术备受瞩目。OPF 技术以数学模型为基础，通过对电力系统中各个节点的电压、电流等参数进行优化调整，实现了全局最优的电力分配。其优化问题可以表示为

式中：P和Q为各节点的有功功率和无功功率；U为节点电压；Ci为各节点的成本函数，主要包括发电成本、线路损耗等。该优化问题通过调整各节点的功率和电压，以最小化系统总成本，实现了电力系统的最优运行状态。

OPF 技术的应用使得电力系统能够在满足各种约束条件的前提下，实现最经济、最稳定的电力分配。其优势在于能够考虑到系统中复杂的非线性关系，提高系统运行的效率和可靠性。然而，OPF 技术在实际应用中仍面临着计算复杂度高、实时性要求等挑战，需要在算法优化和系统性能之间取得平衡[3]。因此，自动调度技术在电力系统中的广泛应用不仅提高了系统运行的经济性，也为电力工程的智能化和自动化奠定了坚实基础。

2.1.3 自动化监控技术

在电力系统的自动化控制中，自动化监控技术扮演着重要角色，主要目标是通过实时监测电力系统的运行状态，快速检测和响应潜在的故障或异常情况，以保障电力系统的稳定性和可靠性。其中，以数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）为代表的监控技术成为电力工程中的重要支柱。

SCADA 系统通过在电力系统中广泛部署传感器和远程终端单元，实时采集电流、电压、频率等关键参数，并将数据传输至中央监控中心。监控中心通过直观的图形界面展示电网拓扑和实时数据，使操作人员能够全面、及时地了解电力系统的运行状态。SCADA 系统不仅提供了对整个电网的实时监测，而且支持对设备的遥控与遥调，实现对电力系统的远程操控。此外，通过对实时数据的分析，SCADA 系统能够及时发现潜在的问题，及时预警，并在必要时实施自动化控制策略，以保障系统的安全运行。

自动化监控技术的应用使得电力系统具备了自主感知和主动响应的能力，提高了系统发现异常情况的敏感性和处理速度。然而，随着电力系统规模的不断扩大和智能化的发展，监控技术也面临着大数据处理、网络安全等方面的新挑战，需要不断创新以适应电力工程日益复杂的运行环境。因此，自动化监控技术在电力系统中的应用不仅实现了对电力工程的全面监管，更为系统的安全性和稳定性提供了强有力的支持。

2.2 电网自动化技术

2.2.1 电网自动化调度技术

电网自动化调度技术是电力工程中的关键技术之一，核心在于对电力系统进行实时监测、调度和优化。在这方面，基于能源管理系统（Energy Management System，EMS）的技术引领了电网自动化调度的发展。该技术融合了电力系统建模、优化算法和实时数据处理等多个先进技术，为电力系统的全面管理提供了有力支持。具体的调度流程如图1 所示。

图1 电网自动化调度流程

首先，EMS 采用高度精确的电力系统模型，对电网进行动态建模，包括发电、输电以及配电等多个环节。这一模型能够准确反映电力系统中各种设备的状态和性能特征，为后续的优化调度奠定了坚实的基础。其次，通过实时数据采集系统，EMS 能够迅速获取电力系统各个节点的实际运行数据，包括电压、电流以及频率等关键参数。这些数据为系统实时监测提供了强大支持，确保了对电力系统当前状态的精准把握。最后，在调度阶段，EMS 通过集成的优化算法，如基于OPF 的调度策略对电力系统的运行进行实时优化。系统会考虑电能的输送、设备的负荷分配等多个因素，以降低系统运行成本，提高能源利用效率[4]。优化结果将指导自动化调度系统实施调控策略，包括发电机组的出力调整、设备的开关控制等，以维持电力系统的稳定运行。整个自动化调度流程使得电力系统能够在复杂多变的运行环境中快速做出智能决策，提高电网的可靠性和经济性。

2.2.2 配电自动化技术

配电自动化系统中的智能开关技术是电网自动化技术的重要组成部分，旨在提高配电网络的效率、可靠性以及智能化水平。在这方面，智能开关技术作为配电自动化系统的重要组成部分备受关注。

智能开关通过集成先进的传感器和通信技术，实时监测配电网络中的设备状态和电流负荷情况。这些智能传感器感知线路的负荷、温度、电流等关键参数，为系统提供实时的运行数据。此外，智能开关具备远程控制和自主决策的能力，通过通信网络实现对配电网络的远程操控。根据实时监测的数据，智能开关不仅能够自主进行快速的故障隔离和提供恢复决策，提高配电网络的健壮性和可靠性，还支持配电网络的自愈能力。当系统检测到异常情况时，系统能够自动切换和重构电路，使得供电在最短时间内自动恢复，减少对人工干预的依赖。通过智能开关的应用，整个配电自动化系统实现了对配电网络的实时监测、智能控制以及自主决策，从而提高了系统的可操作性和可靠性。

2.2.3 负荷管理技术

新型电力负荷管理技术以负荷应用模块、负荷调控模块以及负荷调控微应用为核心功能组件，通过接收和执行负荷调度指令，协调需求响应模块、有序用电模块以及负荷调控微应用之间的业务关系。该系统提供负荷调节最优化策略信息，以支持决策者在不同系统间实现负荷调节协同任务。同时，针对负荷调控事件，系统进行全过程监控，对事件执行后的效果进行综合评估，并对调节和控制资源进行全方位的监测。

负荷管理技术的负荷应用模块致力于实现负荷数据的采集、分析和建模，以提供可靠的负荷预测。负荷调控模块通过协调和优化发电机组出力、电力分配等策略，实现对负荷的实时调节。负荷调控微应用作为系统的灵活部分，能够根据具体负荷调控需求，动态配置和执行相应的微应用任务。

负荷管理技术采用先进的负荷调节最优化算法，以实现对负荷的智能调度。系统通过业务关系协调，确保各模块之间的高效通信和协同工作，从而提供决策者关键的信息和支持[5]。全过程监控和综合评估功能使得系统能够在负荷调控过程中实时响应与适应各种复杂情况，确保负荷调节的有效性和稳定性。

2.3 其他应用场景

在电力工程中，电气自动化技术的应用不仅局限于电力系统的监测和控制，还涉及多个其他重要应用场景，包括在线监测系统、故障诊断与修复系统以及能源管理系统等方面。在线监测系统通过实时采集关键参数数据，实现对电力设备的状态进行持续监测，以提前发现潜在问题并采取预防措施。故障诊断与修复系统则运用先进的数据分析和算法技术，能够快速、准确地定位电力系统中的故障，并提供相应的修复建议。在能源管理系统方面，电气自动化技术通过优化电力系统运行，调整设备的使用模式，实现能源的高效利用，从而提升整体能源管理水平。这些应用场景的综合应用使得电力工程更加智能化、高效化，为电力系统的可靠性和稳定性提供了全方位的支持。

3 结 论

电气自动化技术在电力工程中的广泛应用不仅提高了系统的智能化和自动化水平，更为电力系统的安全性、可靠性以及经济性注入了新的活力。然而，为了更好地应对电力工程领域的不断变化和复杂性，需要不断推动技术创新，解决面临的挑战，并加强跨领域的合作。在未来的发展中，电气自动化技术将持续发挥关键作用，为电力工程的可持续发展和智能化转型提供支持。