发电厂电气一次系统优化设计与实践经验

摘要：为提升发电厂的运营水平和安全性，针对现有电气一次系统存在的问题，提出了优化设计方案。通过引入自适应动态规划和卷积神经网络等先进技术，实现了对发电机组的精准控制和故障的快速诊断。基于此，本文对发电厂电气一次系统优化设计措施进行了分析和研究。

关键词：发电厂；电气一次系统；设计

中图分类号：TM12文献标识码：A

引言

目前，我国发电水平日益提高，相关的技术措施也不断丰富，但发发电仍占据了中国能源生产的重要地位，其运行效率和安全性对电力系统稳定供应有直接影响。本文旨在结合变电站电气一次系统的特点，从设计内容的角度出发，探讨不同环节的设计要点，以期实现变电站安全、经济、稳定运行的目标。

1、电气一次系统以及质量控制重要性

一次设备作为变电站电能产生、转换和传输的主要设备，是变电站的基本设备，也是变电站中工作压力最大的设备。当前社会环境下，相当一部分变电站长期处于高负荷运行状态，一次设备运行压力过大因此导致设备故障发生概率不断提高、稳定运行可能受到较大的影响。在变电站当中，一旦一次设备无法正常运行则变电站将无法正常进行供电，这就要求变电站施工阶段必须加强一次设备安装的质量控制，提高一次设备的安装质量。此外，对变电站内一次设备安装质量存在影响的因素较为复杂，除设备安装管理外，变电站所处区域的温度、湿度以及控制当中的粉尘含量等因素同样能够对一次设备的使用造成影响，一次设备安装时必须综合所有可能产生影响的因素，加强安装过程的管控。

2、发电厂电气一次系统优化设计分析

2.1、总体布局设计在设计

在对变电站进行总体布置时，考虑到变电站的高电压等级和高可靠性、高安全性的要求，应对各部分的位置和功能进行精确规划。选择站址时，相关人员应重点关注降低环境影响和优化电力输送路径的需求，确保变电站在尽可能短的距离内与主要的负荷中心和电源相连接，同时要便于接入现有输电网。例如，若选址距离最近的主要负荷中心30km，而与最近的发电站相距100km，则需要通过电力线路布设评估，选择线路损耗最小化的路径。变电站的内部设计，则应根据设备的操作和维护需求进行优化。为减少相互干扰，断路器和隔离开关应布置在变压器两侧，每侧距离保持至少10m，以便在紧急情况下快速隔离故障设备，减少故障扩散的风险。两台主变压器间隔、母线设备间隔以及重要用户双回线不相邻布置，避免一回检修时因陪停造成停电范围扩大。变电站的总体布局中，相关人员应预留足够的空间以便设备安装、巡视检修和未来扩展。电气设备及其辅助设施则按照操作方便和安全规范的原则进行排列。为优化操作路径和确保安全距离，控制室可设计在变电站的中心位置，与主变压器的直线距离控制在100m以内，以便监控变电站的所有关键操作[1]。

2.2、发电控制与优化模块

发电控制与优化模块是电气自动控制系统的核心，其目标是根据电网调度指令和机组运行工况，实时调整发电机组的有功功率和无功功率，使系统始终在最优工况下运行。该模块主要包括AGC控制器、PSS控制器以及励磁控制器等，通过高速以太网与电气设备监控模块互联。为实现机组出力的精准控制，该模块采用了基于自适应动态规划（AdaptiveDynamicProgramming，ADP）的智能AGC算法。传统AGC基于PID控制，难以适应复杂多变的电网需求。ADP算法则引入了自适应评价函数和策略迭代优化机制。通过递归求解上述优化问题，可得到最优的AGC控制策略。该算法可使频率控制误差减至±0.02Hz以内，且响应时间缩短至200ms。优化指令通过OPCUA协议下发至DCS系统，执行机组协调控制，同时监控数据也实时反馈至ADP算法，形成闭环优化[2]。

2.3、独立控制模式

为保证发电厂生产活动的稳定高效运行，通常采用双独立控制体系结构。该体系结构由两个互不干扰的控制系统组成，可以在它们之间进行监控和切换。一旦其中一个系统出现故障，另一系统会即刻自动接管，无缝衔接，确保火电厂运营不受干扰。作为电力供应链的关键一环，火电厂的任何生产停滞都可能带来严重后果。双重控制系统的引入，确保了即便面临单一系统故障，电力供应也能持续不断，有效规避了中断风险。这种即时、流畅的切换机制，极大地缩短了潜在停机时间，特别是在电力需求高峰或紧急状况下，保障了供电的连续性。鉴于火电厂设备常年在极端高温、高压及高负荷环境下运行，设备故障可能引发严重后果乃至事故。双重独立控制系统的应用，则能在单一系统设备故障时，由另一系统接管，迅速识别并隔离故障点，防止故障蔓延，显著降低事故发生的可能性。双重控制系统的巧妙运用，不仅能在系统故障时维持火电厂的正常生产，还能迅速恢复全面运营，既稳固了电力供应的基石，也提升了电厂的整体运营效率[3]。

2.4、机器学习与深度学习技术

在电厂电气自动化设计图纸的应用中，机器学习与深度学习技术依托海量的历史设计图纸数据与相关资源，机器学习算法深入挖掘设计过程中的内在规律与模式，如设备间的连接逻辑、电气参数的配置原则等，为设计提供智慧源泉。而深度学习技术，特别是卷积神经网络等前沿模型，凭借其卓越的图像处理能力，提升了设计图纸的识别与分析精度。此技术不仅助力设计人员迅速验证设计方案的可行性，还能前瞻性地预测潜在的设计问题，如电气过载、短路故障等风险点。随着不断的学习与优化，机器学习与深度学习技术正为电厂电气自动化设计注入更多智能元素，提供愈发精准的设计支持，推动设计效率与质量实现双重飞跃。系统接入变电站数据采集系统，实时获取设备运行数据，并利用智能故障诊断功能对数据进行分析。运维人员根据系统建议进行了针对性检查与维护，有效避免了设备故障的发生[4]。

2.5、保护和控制系统设计

在一次电力系统中，保护和控制系统的作用是快速准确地识别和隔离故障，防止电力系统故障对供电和用户造成影响。设计数字式保护和控制系统时，可采用多重保护原则，即每个重要组件至少由两种保护方式覆盖。例如，对于220kV主变压器，可以同时配置差动保护和过电流保护。差动保护通过比较进出变压器的电流差异来检测内部故障，并能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流，在变压器过励磁时不应误动作。而过电流保护则用于处理差动保护未能覆盖的大范围故障，与瓦斯保护配合能反映变压器油箱内部、高压侧套管和引出线的相间以及接地短路故障，其动作时间和电流设置值应与系统的动态稳定性需求相匹配。该系统的控制策略方面则应满足变电站远程控制和自动化操作。例如，采用监控和数据采集（SCADA）系统实现远程监测和控制，通过实时数据的分析优化保护设置，提高故障诊断的准确性和速度，从而实现快速隔离[5]。

结束语

在发电厂中引入电气自动化控制技术，降低了对人力资源的依赖性，确保了火力发电生产活动的安全性与持续性，有效提升了生产效率，降低了成本，实现了良好的经济效益，推动了电厂的持续稳定发展。未来工作可以围绕进一步优化算法、降低成本以及探索更多实际应用场景展开，以期为电力行业的持续发展贡献力量。

参考文献：

[1]杨红霞.变电站一次系统的电气主接线设计[J].集成电路应用，2022，39（05）：102-103.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2022.05.038.

[2]陈丽娜.潭岭水电站电气一次系统设计分析研究[J].黑龙江水利科技，2021，49（11）：49-51+137.DOI：10.14122/j.cnki.hskj.2021.11.015.

[3]刘钊，史磊，叶太阳，等.基于逻辑控制的换流站阀冷控制保护设备系统设计[J].机械设计与制造工程，2021，50（11）：49-54.

[4]苏春成.110kV变电站的电气一次系统设计[J].集成电路应用，2021，38（11）：194-195.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2021.11.091.

[5]谢光辉，宋佑平，张利涛.储能调频系统接入火力发电厂电气一次系统研究[J].电气技术与经济，2021，（04）：13-18.