在工程技术领域，电力系统是典型的复杂系统。以前看到过一种说法，就是能对电力系统运行的各个环节都了如指掌的人，全国不超过1000个人。我显然不在这1000人中，虽然在努力中。但是我毕竟在中国最大的电力系统二次设备厂家工作过这么多年，写一写电力系统中的二次设备的科普文章应该是可以胜任的，正巧前段时间有别的行业的朋友咨询过这方面，那就写成科普文章吧。

电力系统分为一次设备和二次设备，一次设备是指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、线路等等。二次设备是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为电力生产人员提供信息化工具等。二次设备的市场容量，应该是数千亿/年，这是一个不小的产业。首先，不能认为一次设备比二次设备重要。一次设备是不能独立运行的，比如说某个一次设备主保护都失灵，则这个一次设备必须陪停。其次，在工业化往信息化的产业升级过程中，二次设备会带来更多的数据增值，因此某种程度来说，在投资和技术发展角度，二次设备可以说是电力行业发展的重点。

由于二次设备与一次设备密切相关，先介绍一次设备。我们知道，电力系统主要采用交流电（篇幅所限，本文就不谈直流输电和柔性交流了），为了减少传输损耗，交流电从发电机出来后，总是先提高电压，再一级级降压，再变为终端用户所需的电压。因此，一次设备可以分为以下几类：

1）发电，包括传统的火电厂、水电厂、核电站，也包括新能源电站、分布式发电等。我们也可以把抽水蓄能电站放进来。这个是电能的源头，当然是很重要的。

2）输电，指的是特高压、超高压等，多采取架空线，往往会翻山越岭，有的输电线甚至是跨越省级的，可进行大范围资源配置。

3）变电，把电压由高电压降为低电压（发电厂发电机的升压一般在本电厂就完成了，所以我们说的变电站都是降压）。比如说500kV变电站，都在城市郊区，转换为220kV输电线路往城市中供电。220kV输电线路会汇聚一些本地的小型电厂，再转为110kV电压。110kV变电站就相对很多了，很多街道都会有的。变电站除了降压功能，还可以通过断路器（断路器就是开关）倒闸操作，实现变化电网结构的作用，对于没有变压器的变电站，我们叫他开关站。变电站是一个集中性的场所，跟输电是不一样的。

4）配电，前面说的220kV及其以上电网都属于输电网，输电网的特点是网状。110kV及其以下就是辐射状供电，虽然很多采取闭环设计、开环运行的方法，这样在停电时可以转供。配电与输电相似，都是在变电站之外，但是对于城市来说，现在的很多配电线路都改造成地下电缆了，业务当然是不一样的。有一点需要指出，从电网结构和规划角度，110kV及其以下电网就算是配电了；从调度业务的分级划分角度，110kV、35kV这样的高压配电网仍然属于地调管辖，只有10kV出来的馈线，才属于配电的业务领域。这个很多人容易混淆。

5）用电，直接面对用户，供电企业也把这个领域叫做营销侧，但是有的用电设备产权并不是属于电网公司的，比如有的园区电网、大工厂的内部电网等，所以我觉得还是叫用电比较贴切。

每一种一次设备都有对应的二次设备，但还有一些需要单独来说，包括：

调度及其信息化系统，是从整体角度对电力系统的生产运行进行调度控制，包括调度计划的制定（现在的调度计划逐渐由电力市场来形成）；电网的稳态控制；故障处理；还有生产管理，等等。还有安全稳定控制，这也是从全系统的角度进行安全防御。

总体来说电力二次设备的特点，可归结于“测控”二字，测指的是的测量、观测、监测；控指的是控制、调度等。这里测控的含义比测控装置广义得多，也并不局限于电力系统，处理测控信息的人可能是人也可能是程序，用集合论的话来说，可控的范围是可测的范围的真子集。比如说，在计算机领域的docker技术中，namespace技术可以让进程测量的范围限定在隔离的范围；cgroup可以让进程控制的范围，例如CPU、内存设定在隔离的资源内。

在不同的历史时期，测和控的具体形式不一样。比如说20世纪80年代，调度自动化系统只能对主力电厂和变电站实现很有限的测控，测量点号的数量还不及现在的一个县调，监控界面也是简单的光字牌等。而现在测控的范围越来越大，界面也实现了多种可视化、立体化的渲染，效果完全不一样了。但不管怎么说，研究电力二次设备，搞清楚这个设备测什么、控什么，测的东西从哪里来；控的东西又到哪里去，那就纲举目张，一目了然。

按照具体的技术内涵，电力二次设备可以分为两类：

1）装置类，直接贴近一次设备，由于直接和硬件打交道，多半采取实时操作系统或直接跑在CPU上，采用嵌入式的软件开发模式，应用开发尽量基于统一的软硬件平台，可以同时适应驱动各种CPU、DSP、FPGA板卡，适应网卡、串口、PCI总线等各种接口，有标准通信规约提高系统互通性。

2）平台类，与人的关系更近些，与应用和业务密切相关，虽然这里也有自动控制存在，但这种自动控制显然需要很多的自动化运维工作，还是要人的参与。这一类开发与互联网公司的平台开发具有相似性，都需要有数据库、缓存(实时数据库)、中间件、人机界面，面向服务或面向微服务的应用开发架构，等等。

有的二次设备处于装置类与平台类的中间，比如边缘层的设备执行一些边缘计算功能，一方面与硬件打交道，是一个装置；同时也有一些本地应用，以及与远方系统有通信，甚至这些本地应用可以运行第三方厂家定制APP。

下面详细介绍各种电力二次设备。

1）发电侧

发电机正常运行必然存在附属的控制设备，例如励磁、调速器，需要响应电网调度的AVC、AGC指令，这些当然都属于二次设备。除此以外，对于水电厂，可以拓展出流域监控、水情水调系统；对于火电厂，可以拓展出机组锅炉协调控制(CCS)。对于新能源电站，可以拓展出光伏逆变器MPPT控制、风电桨距角控制、新能源电站监控，包括新能源出力预测等。

实际上，电力系统复杂的物理现象多半与发电侧密切相关、不可分割的，例如低频振荡、次同步振荡、混沌振荡等。但我国2002年就实现了厂网分开，这是从提高电力市场竞争角度考虑的。与此同时，电网企业的科研机构与发电企业的科研机构也分开了。许多电网的科研人员不熟悉、不了解发电厂的实际情况。我个人觉得这不太好，当然从市场经济角度，很多同志希望电力系统分割成不同的组成部分，每种组成部分在市场环境下独立运营。但是从技术角度，电力系统的整体性特征还是非常明显的。当然这只是个人观点，仅供参考。

2）输电侧

输电线路的状态监测是近期热门的领域，需要安装大量的传感器，包括覆冰监测、舞动监测、金具发热监测、导线弧垂监测、导线温度监测、杆塔倾斜监测、微气象监测、雷电监测、山火监测，防外力破坏的视频监测，以及无人机巡航、机器人巡线等。

基于上述这么多传感器可以开发应用，例如导线“三跨”监测、线路巡线和检修的管理、动态增容（临时提高输电限额）、灾害预警等等。但是目前最大的挑战是，输电线路往往跨越万水千山可是环境不可控，不像变电站那样容易集中运维管理。无论是通信（可能没信号或者没有好的信号，需要周边汇聚到某个杆塔下再通过某个3G信号上送）、二次设备取电（虽然输电线路就在头顶，但是高压是不能直接给二次设备供电的，二次设备电源只能另想办法，例如电池、光伏，这带来很多附加的问题）。所以输电侧传感器的可用率肯定是偏低的，怎样提高传感器的鲁棒性、长期运行的能力，降低运维成本，这些很难解决而且都不是学术研究所能料到的。

还有一点，输电侧的数据来源繁多，数据整合处理的工作也很大。不像调度、变电领域，很多数据处理都已经标准化、流程化了。

3）变电侧

变电侧是电力二次设备的传统领地，说到这就不得不提一个非常重要的标准：IEC 61850。这个标准就是利用先进的通信和计算机技术，把变电站二次设备变成数字化的，以及在此基础上实现智能化。记得我以前在500kV变电站工作，从互感器到保护、测控装置是需要拉电缆的，这是重体力活。采用光纤以太网和交换机后，那一切都轻松了，笨重的二次回路硬连接变成数字信号的对点，这个不要轻松太多。另外对于站控层设备，该标准提供了统一的模型描述，开发应用便捷许多。当然IEC 61850还是有些瑕疵，但是我作为过来人，真的是觉得是革命性的进步。

按照层级从上到下，变电站二次设备分为以下几种：

站控层设备：包括变电站监控（相当于小型的电网监控主站），实现程序化控制、告警直传等高级应用功能；远动终端或网关机（实现与调度系统的通信）；保护信息子站等。

间隔层设备：包括各类一次设备间隔的测控保护装置；PMU设备；安全稳定装置；备用电源自动投入装置（我本人算得上是备自投专家）；故障录波装置等。

过程层设备：包括合并单元（模拟量转换为数字量）；电子互感器；智能终端（实现断路器控制）。

除此以外，还包括各类辅助设备，例如消防、门禁、安防系统；一次设备在线监测等。变电站还包括对时系统，其中事件顺序记录(SOE)、PMU量测、测控保护等二次设备都有严格的时钟一致性要求，智能变电站授时精度可达到1μs。

现在一个趋势是，变电站增加很多新的传感器，例如温度、天气的，以及二次屏柜的图像识别，还有实现设备的机器人巡视等等，另一个趋势是就地化保护，还有集装箱式的二次室。其实我觉得，变电站二次设备，这已经是一个非常成熟的领域了，继续提升的空间不大了。当然，这也是一家之言。

4）配电侧

以前有种说法：“重发轻供不管用”。当然，现在的情况不一样了。配用电侧已经是大家关注的重点。

配电侧的二次设备，在装置层面，有以下：

配电自动化终端，包括FTU，应用于柱上开关；DTU，应用于环网柜和开闭所的集中式测控；TTU，应用于配电变压器。

这里需特别强调TTU，因为配电变压器不仅仅是单一的一次设备，它底下还连接到380V/220V的低压配电网（即配电台区），因此TTU可以作为边缘侧的设备，不仅执行配电终端的功能，也可以对台区实现自治或开发新应用。

就地的馈线自动化装置，实现故障后恢复供电，以及配电站房监测等。

配电侧的二次设备，在平台层面，有以下：

配电自动化主站，当然这个可与调度一体化设计，形成“调配一体系统”。主要是从主站层面实现馈线故障恢复供电、进行风险预警、运行方式及其合环操作等的计算校核等。

供电服务指挥系统，主要是更好支持客户服务，这个系统同时与用电侧有关系。

配电物联网云主站，这个重点是提高低压配电网的可观测能力，为更多的业务部门服务（而不仅仅是配电运维）。

配电相当于电力系统的毛细血管，与用户的距离更近，很多提高供电可靠性、降低网损的措施，都直接和配电网密切相关。随着大量分布式电源及其储能接入配电网，配电网的形态和运行方式也在发生改变，形成主动配电网等新概念。此外，配电网也是高校做理论研究的师生比较容易切入的领域。

5）用电侧

在装置层面，用电侧二次设备包括智能电表、信息通信装置（集中器、宽带载波）、采集终端等，计量检定等。在平台层面，用电侧二次设备包括用电信息采集主站、95598运营调控、营销业务应用、电费缴纳等系统。

用电侧是配电侧的直接下游，其实是密切相关的，都与电力的最终用户关系很近，所以营配贯通一向被认为是电力公司的重要任务。只有营配贯通，才能实现诸如用户-配变关系、低压配电拓扑等的正确识别，才能实现停电范围到户分析、同期网损的精确分析等看起来很容易实现的业务。

随着电动汽车、微电网的新发展，用电侧不可避免需要研发下面的二次装置：

支持电气汽车充电桩，实现有序充电、大功率充电等；

微电网管控，实现分布式发电预测、储能优化运行、及其二次控制；

需求侧管理，实现虚拟聚合的电厂，与电网调度之间实现友好互动。

综合能源管理平台，实现多能互补的优化运行。

现代社会对电力的持续供电能力要求提高，用电侧和配电侧一样，是快速发展的领域。用电侧的数据有增值变现的可能，包括非侵入测量、园区企业的用能监测等，数据都可以加工提升，作为反映经济活动的指标，当然也要注意隐私保护。

6）调度及其信息通信

调度自动化系统是发展很早，但至今仍在发展的领域。调度系统的运行方式直接对应调度业务的统一管理、分级运行的模式。这一领域不能不提IEC 61970标准，该标准的推广对调度技术的标准化做了贡献。现在国网的CIM/E模型和CIM/G图形描述格式已经反馈回该国际标准，这说明了我国在调度领域进步很大。我本人长期参与调度自动化系统的应用研发。

现有调度系统的总体框架包括平台，以及实时监控与预警、调度计划与安全校核、调度管理，以及南网的运行驾驶舱构成。值得注意的是，随着电力市场改革的推进，电力市场交易平台将起到部分替代调度计划的作用。至于电力交易部门会不会独立出现有的调度中心，这个我也不清楚。

除了调度系统，还有一些其它信息化系统。包括：电网生产管理系统（PMS），对于运检业务在理论上很重要；企业资源计划系统(ERP)；企业运营监测系统；发展部门牵头的电网规划平台；国调牵头的用于方式仿真计算的数据平台；还有各种各样的云平台等等。这就不展开详细说了，因为本文篇幅已经很长了。如果都详细介绍，10倍的篇幅也不够。

对于二次设备来说，需要通信系统作为其正常运行的支撑，这是因为二次设备不是孤立的一个个设备，而是组成一个庞大的信息通信网络。同移动、电信等公共通信运营商相比，电力系统的通信有如下特点：严格执行信息分区，特别是生产控制区域，实行了非常严格的内网隔离措施。此外，电力系统的通信偏向于使用成熟的通信技术，在通信技术上与公共通信运营商有差距。电力光缆多采用光纤复合架空地线(OPGW)。电力的骨干传输网分为两个平面，其中A平面采用SDH技术，B平面采用OTN技术。配电侧的通信接入网分为有限和无线组网方式，其中有限采用光纤（工业以太网、EPON）、载波等方式；无线采用无线公网或专网。

7）电网安全稳定控制

电网安全稳定控制是比较特殊的，因为电力系统的稳定性问题在技术上比较复杂，学术色彩更明显一些。电网安全稳定控制的二次设备同样分为平台类和装置类。其中平台类包括：

安全稳定综合防御主站（在线安全稳定分析与决策）：是建立在电网调度系统之上的应用，采取周期性启动或事件触发稳定计算，其中在线安全稳定计算有以下功能：静态稳定分析；暂态稳定分析；动态稳定分析；静态电压稳定分析；频率稳定分析。稳定裕度评估求取满足各类稳定要求的稳定断面最大可用输送功率。辅助决策针对失稳隐患的特征，分析系统对应的危险量和调整量信息，确定能改善系统稳定性的调节对象集，从中选取满足系统稳定性要求、调节量和调整代价综合最优的调节方案。主站还可实现安全稳定装置的监控和校核，但对于安全稳定是不具备实时控制功能的。但是主站可以非实时更新稳控执行站或装置的控制策略表。

这种主站不直接控制，但是通过离线或准稳态的方式预决策，然后远程修改装置的定值或策略。思路具有通用性，绝不局限于稳定控制，甚至非电力行业也可以采用。

安全稳定控制的装置类二次设备包括：

特高压电网系统保护，包括毫秒级精准切负荷、频率紧急协调控制，以便应对特高压直流闭锁事故。除此以外，还包括：失步解列装置；频率电压紧急控制装置；低频低压减负荷装置；就地化安全稳控装置等。有的装置属于第二道防线，有的装置属于第三道防线。

安全稳定控制是一套复杂的技术体系，这里著名的“三道防线”，是很多大牛所深入探讨的课题，我在这里就不班门弄斧了。下面的图片来自于南瑞稳控公司的PPT，解释了三道防线，可以参考，这是传统的画法。当然，薛院士的观点，可能是把保护和稳定控制，都作为第二道防线，这个就见仁见智了。

最后谈一谈电力二次设备的未来发展。首先，二次设备在电力总投资的占比会提高，因为大量的新能源接入电网，实际上降低了电力系统一次设备的健壮程度，系统惯性、稳定性指标都下降了，但用户对电力可靠性的要求其实是提升的。一次设备不够只能二次设备来补，通过应用先进的计算机和通信技术，提升需求侧的控制能力，加大储能设备的安装和调控力度，增加电网调度运行水平，等等。这就意味着二次设备投资占比是必然提高的。另外，电力系统中的数据增值服务、数据变现都需要二次设备的支持。其次，电力二次设备投资的增长率一定会高于GDP的预期增长率，因为未来工业用电虽然未必增长非常快，但是电能替代、很多用能转换为电力这种清洁二次能源是可以预期的。由于信息技术的更新换代，电力二次设备也在不断更新，以满足新的需求，我相信这方面的投资不会低。