电力工程中电力系统及自动化创新设计策略

电力系统作为国家经济的核心支柱，其稳定性与可靠性对各产业的发展起着决定性作用。伴随科学技术的持续进步，电力系统自动化技术迅猛发展，在电力工程中的地位愈发重要。自动化技术不仅增强了电网的稳定性与可靠性，还显著提高了能源利用效率。因此，深入研究电力工程设计中电力系统及其自动化的创新应用与优化策略，对于推动电力行业的进一步发展具有关键意义。

1 电力系统及自动化技术的核心构成要素

电力系统及其自动化技术的核心涵盖多个关键领域，这些领域相互协作，共同保障电力系统的高效、稳定与安全运行。

一是在整个系统中占据关键地位的发电控制技术，它涉及对各类发电设备的自动化管控。以火力发电为例，汽轮机调速系统和锅炉燃烧控制系统通过精准调节燃料供给和蒸汽流量，确保发电机组能够稳定输出符合电网需求的电能，并能迅速响应电网负荷的变化，实现有功功率与无功功率的合理调配与调整，提升发电过程的效率与稳定性，进而提高能源利用效率和电能质量。

二是输电技术，如高压输电线路自动化监测保护系统。借助先进的传感器技术，对线路电流、电压、温度和弧垂等参数进行实时监测。一旦检测到短路、过载故障隐患，或绝缘子污闪等异常情况，保护系统会迅速动作，通过断路器切断故障线路，防止故障蔓延，并及时向调度中心发送精确的故障信息，为后续的故障排查与维修提供有力依据，保障输电线路的可靠运行，降低停电事故发生率，确保电力的稳定输送，满足社会生产生活的持续用电需求[1]。

2 电力系统及自动化在电力工程设计中的创新应用途径

2.1 自动化监控与控制系统

就电力工程设计而言，自动化监控及控制系统的创新性应用，大大提高了电力系统的运行可靠性和效率。传统的电力监控主要依靠人工巡检和分散式的设备管理来实现，具有反应滞后和数据采集不够全面的特点。并且自动化监控与控制系统将传感器技术，通信网络以及智能算法等技术有机结合在一起，建立了一个涵盖电力系统各个环节的实时监控网络，对发电、输电以及配电等全过程进行自动化管控，本系统以数据采集和智能分析深度融合为核心，在发电的一侧，通过部署高精度的传感器来实时监控发电机组的各种运行参数，例如转速、温度和振动频率等，并利用物联网技术将这些数据传送到中央控制系统中，利用机器学习算法预先判断设备的健康状态，提前识别可能存在的故障隐患并避免非计划停运。输电环节采用无人机携带红外热成像仪及激光雷达实现高压输电线路的自动化巡检及导线断股及绝缘子断裂的快速定位问题，相比较人工巡检提高了几十倍的效率，并且可以深入到复杂的地形区域。在配电方面，通过使用智能电表和负荷监测终端，能够实时收集用户的用电数据，并利用大数据分析来预测负荷的变化趋势，从而动态地调整配电方案，实现电力资源的精确分配，另外该自动化监控与控制系统还具有高自适应调节能力。系统发现电网出现电压波动，频率偏移或者局部故障后，能够以毫秒级的速度启动保护机制对故障区域进行自动隔离和向备用电源切换，确保了非故障区域正常供电。同时与可再生能源发电设备协同控制可以有效地平滑风电和光伏等间歇性电源出力波动，增强清洁能源消纳能力。以新能源富集地区电力工程设计为例，自动化监控系统可以根据实时光照强度、风速等参数对储能设备充放电策略进行动态调节，优化新能源和传统能源比例，减少弃风弃光，促进电力系统绿色化。

2.2 智能电网技术

智能电网技术是电力系统现代化升级发展的关键所在，实现电力工程设计中电的供应和需求智能化互动，对传统电力系统运行方式进行再造。智能电网在先进通信技术，信息技术以及控制技术的支持下，建立了高度融合，双向交互的用电网络，既能够保证用电的可靠输送，又能够满足多样化用户需求以及能源发展需求，就电力工程设计应用而言，智能电网技术显着增强了电力系统运行的灵活性，其方式包括分布式电源的接入以及微电网的建设等。小型光伏电站，风力发电机组等分布式电源可以直接与配电网相连，智能电网双向计量与控制技术可以对分布式电源输出功率进行实时监控，综合考虑用户侧用电需求对分布式电源和主电网间功率流动情况进行自动调整，达到“即插即用”的接入方式。微电网技术整合了分布式电源、储能设备和可控负荷等元素，构建了一个相对独立的电力供应单元。当电网出现故障时，该单元能够切换到孤岛运行模式，以确保关键用户能够持续获得电力供应。如偏远地区或者重要负荷中心的微电网和主电网的协同工作不仅可以提高供电可靠性而且可以减少远距离输电损耗，智能电网技术也促使需求侧管理不断创新。通过智能电表及用户侧管理系统的布放，电力企业可以实时了解用户用电行为及负荷特性，并利用分时电价，阶梯电价及其他经济手段指导用户错峰用电。同时在对用户用电数据进行深度分析的基础上，提出节能建议及定制化能源服务方案以达到电力资源有效利用的目的。另外，智能电网和 5G,物联网等新兴技术结合，衍生出“虚拟电厂”这样一种创新性的应用方式。虚拟电厂将分布式电源，储能及可控负荷等聚合在一起，构成可调“云端电厂”，参与电力市场交易及系统调峰等，提高了电力系统整体运营效率及经济效益，给电力工程设计带来了发展新动力。

3 电力系统及自动化在电力工程设计中的优化策略

3.1 集成应用智能电网技术

在电力工程设计中整合运用智能电网技术是实现系统优化的重点方法。通过将先进通信技术、传感器技术与大数据分析深度融合，构建全方位智能监测控制系统。在电力发放端，通过整合分布式电源接入技术和运用先进的功率预测与平滑控制方法，风电和光伏等清洁能源的并网稳定性得到了显著的增强。以大型光伏电站为例，当采用智能逆变器时，其最大功率点跟踪（MPPT）的效率可以高达 99.8% ，这意味着光伏阵列的发电效率可以增加 15%-20% ，通过使用无功补偿装置，可以将并网电压的波动控制在 ±5% 的范围内，同时将频率偏差控制在 ±0.2Hz ,从而有效地减少对电网的冲击，输电环节借助智能巡检机器人，无人机与卫星遥感技术显着提高线路状态监测实时性与准确性。这款智能巡检无人机配备了高精度的红外热像仪和激光雷达系统，其飞行速度能够达到 30km/h. ,而其单次巡检覆盖的线路长度也可以扩展到 50 公里，该设备具有检测直径为 0.1mm 的线路缺陷的能力，并且其缺陷识别的准确率高达 95% 以上；这款智能巡检机器人具备在导线上进行 7×24 小时连续巡检的能力，其对绝缘子零值的检测准确率高达 98% 。此外，它还能够实时传送线路的温度、湿度等环境信息，且数据传输的延迟时间少于 1 秒，配电侧利用智能电表及负荷预测模型实现电力资源的动态分配与精准调度。智能电表拥有分钟级的数据采集功能，能够支持多种通信协议，例如窄带物联网（NB-IoT）和电力线载波通信（PLC）等，其数据采集误差不超过 0.5% 。基于人工智能算法构建的负荷预测模型，可实现短期（1-24 小时）负荷预测误差率 <3% ，中长期（月、季、年）负荷预测误差率 <5% ，这样做可以将电力资源的调度响应时间减少到 30 秒以内，同时配电网络的损耗也能降低 12%-15%. 。

3.2 优化和升级自动化系统架构

优化升级后的自动化系统架构，是提高电力系统和自动化性能的关键措施。对于电力工程的设计来说，自动化系统架构要从硬件和软件两方面全面优化。从硬件上看，利用工业级服务器，交换机和智能测控装置这些性能优良，可靠性高的设备搭建了一个运行稳定，可靠性高的自动化系统硬件平台。工业级的服务器配置为双路 CPU,单个CPU 的核心数量可以达到 32 核，而其内存容量高达 256GB,并且支持 RAID 10 磁盘阵列，数据存储的可靠性已经达到了 99.999% ，并且配备了热插拔功能。当硬盘、电源等关键部件出现问题时，系统可以在不中断运行的前提下进行替换，而且故障切换的时间不超过 50ms 。

该交换机采用了万兆以太网技术，其背板的带宽可以达到 7.68Tbps,数据包的转发率为 2856Mpps,并且支持链路的聚合以及快速生成树协议（RSTP），本发明能够实现对多条物理链路进行绑定，提高了网络带宽，而当网络拓扑变化时网络自愈时间低于200ms ,符合电力系统大数据量的要求、高实时性数据传输的要求避免了由于网络故障造成自动化系统的瘫痪从而影响电力系统的正常工作。该智能测控装置由 32 位高性能处理器控制，采样速率可达到 1000Hz ；模拟量测量精度达到 0.2 量级，开关量的输入和输出响应时间均在 5ms 以内，能对电力系统多种运行参数进行精确地采集与传输，从软件的角度看，已经部署了智能监控与数据采集（SCADA）平台，该平台的数据采集周期仅为 1 秒，并且其遥测精度可以达到 0.2 级，能够实时获取电力系统中的电压、电流和功率等关键运行参数；该系统配备了高级的应用功能模块，例如状态估计和潮流计算等，其中潮流计算的误差小于 0.5% ，这使得它能够准确地分析和预测电网的运行状态；该系统还整合了能量管理系统（EMS），能够实现电力生成计划的优化、电力负荷的预测以及经济性的调度等多项功能，从而使得电网的运行效率能够提升15%-20% ，为电力系统实现自动化运行，提供了稳定，可靠的技术保障。

3.3 电力设备选型的适配性的增强

提升电力设备选型适配性，是电力工程设计期间电力系统及自动化优化工作的一个重要发展方向。在电力设备选型中充分考虑到电力系统整体规划，运行要求以及未来发展趋势，保证设备选型高度契合系统需求，在选择发电设备时，针对大型火力发电厂，需要综合权衡煤炭资源的供应、环境保护标准以及电网的接入等多个因素，从而选择高效且低污染的大型发电机组，例如超超临界发电机组。超超临界机组的主蒸汽压力高达 27MPa,温度为 600^∘ C,其发电效率超过了 45% ，与亚临界机组相比，其供电的煤耗减少了 ，单位发电量产生的二氧化碳排放量降低了 15%-20% ，这不仅满足了电网的电力需求，还提高了发电效率和能源利用效率，本实用新型降低了单位发电的成本，确保了电力供应的稳定性和可靠性，促进了电力系统的可持续发展。

在输电设备选择方面，依据输电距离，输电容量以及电网所要求的电压等级等因素来选择适宜的输电线路和变电站设备。在进行长距离、大容量的输电时，首选的是±800kV 的高压直流输电技术，这种技术的输电能力可以达到 800 万千瓦，与交流输电相比，输电损失减少了 30% ，并且输电的距离可以超过 2000 公里。变电站设备选型时，选择高性能，智能化变压器，断路器和隔离开关等。与传统型号相比，智能变压器在空载时的损耗减少了 45% ，其局部放电量低于 10pC ,并且支持在线监测油中的溶解气体，从而能够实时了解变压器的工作状况；高压断路器的短路电流开断能力达到63kA,分闸时间在 30ms 以内，具有故障电流速断保护，过流保护和其他各种保护功能；智能隔离开关拥有远程操控和状态监控的能力，其使用寿命可以超过 10000 次，这极大地方便了变电站的自动化操作和无人监管，从而提高了电网输电的安全性和运行管理的水平。

4 结束语

电力系统及其自动化在电力工程设计中的创新应用与优化策略，对于提升电力系统运行的稳定性与可靠性具有重要意义。借助先进的自动化技术与装备，提升电力系统性能与效率，强化安全管理等措施，将有力推动电力行业的进一步发展。展望未来，随着科技的持续创新与发展，电力系统和自动化技术在电力工程领域必将发挥更为关键的作用，为电力行业的繁荣发展注入新的活力。

参考文献：

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