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电力系统及其自动化

任课教师：冯健

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参考教材 《电力系统自动化》，商国才编著，天津大

学出版社， 2002.

《电力系统自动控制新技术》，郭培源编著，科学出版社， 2003.

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第一章 诸论1-1 电力系统概述

背景：

到 2007 年底我国发电装机总容量 71329 万千瓦，同比增长 14.36% 。

其中，水电达到 14526 万千瓦，约占总容量 20.36% ，同比增长 11.49% ；火电达到 55442 万千瓦，约占总容量 77.73

% ，同比增长 14.59% ；

发电总能量已经达到 32559 亿千瓦时，居全世界第二位，仅次于美国。

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电力系统示意图

电力系统示意图 (虚框内为电网，包括输电网和配电网 )

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电力系统简图

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国家电网（ STATE GRID ）概况

国家电网区域分布图

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国家电网公司 成立于 2002 年 12 月 29 日，以建设运营电网为核心

业务，负责所辖各区域电网之间的电力交易和调度，承担着为经济社会发展提供坚强电力保障的基本使命。

公司经营区域覆盖 26 个省、自治区、直辖市，覆盖国土面积的 88% 以上，直接服务客户 1.45 亿户，供电人口超过 10 亿，管理员工 150.4 万人。

五大发电集团——华能、大唐、华电、国电、中电投

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国家电网公司组成

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国网系统区域电网装机容量

电网名称 2006 年底统调装机容量（兆瓦）

总容量 火电 水电 其他

国网系统 435867 355400 75403.5 5063.5

华北 118780 115500 3280 0

东北 41360 35250 5740 370

华东 128970 109900 14870 4200

华中 91080 62840 28240 0

西北 42890 29200 13310 380

南方电网 109540 3298062740 13820

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我国主要各区域电网装机容量对比

118780

128970

91080

41360 42890

109540

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

华北 华东 华中 东北 西北 南方

华北华东华中东北西北南方

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目前我国已经初步形成了以 500kV （ 330kV ）和 220kV 为骨干的电网结构，初步形成北、中、南三大“西电东送”通道，实现了区域内省间及跨区域电网互联。截至 2006 年底，全国 220 千伏及以上输电线路回路长度 28.15 万公里， 220 千伏及以上变电设备容量 98131 万千伏安。

图3 2006 220kV年 及以上电网等级公里数占总公里数比例69%

5% 26%0. 05% 220千伏

330千伏500千伏750千伏

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电力系统特点及组成电力系统特点： 1 、被控制对象复杂且庞大； 2 、被控制参数很多； 3 、干扰严重。电力系统组成： 为了保证电力系统安全、优质、经济运行需要靠发电厂、变电站、配电线路和电能用户来实现。

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火力发电

火电厂 火电厂中的汽轮机组

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水力发电

三峡电站

（效果图）

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发电的其它一次能源主要有： 潮汐发电、地热发电、风能、核能发电、垃圾发电 变电站包括： 升压变电站（靠近电能起始端） 降压变电站（靠近电能用户） 配电站：没有变压器，电站两端电压相同

~~

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变电站的输配电系统

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电力系统的主要电气设备简介

主设备有：电力变压器、高压断路器、隔离开关、

负荷开关、母线、电抗器、

电流互感器、电压互感器、电容器、

避雷器以及继电保护装置等。

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电力变压器 是变电站的核心设备，通过它将一种电压的交流电能转

换成另一种电压的交流电能，以满足输电或用电的需要。

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高压断路器惯称开关 , 是变电站的重要设备，用于 1kV 以上的高压电路中。由于它有熄灭电弧的机构，故作为闭合和开断电路的设备。与相应的继电保护及自动装置相配合能快速切断故障电流，防止事故扩大，保证系统的安全运行。

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22

隔离开关隔离开关是与高压断路器配合使用的设备，它没有熄弧机构，其主要功能是起隔离电压的作用。隔离开关必须在断路器开断后才允许拉开，而合闸时，隔离开关应先闭合，然后再将断路器接通。

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负荷开关是介于高压断路器之间的开关设备。在结构上它与隔离开关相似，但具有特殊的灭弧装置，能够断开相应的负荷电流，但不具有切断短路电流的能力，一般 与高压熔断器配合使用。目前，负荷开关均制成为 10kV 及以下的额定电压等级，用于次要网路系统。

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负荷开关

负荷开关实物

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母 线

实际母线理论上的

是汇集和分配电流的主要环节，它由钢芯铝绞线（用于户外 35kV 及以上）或矩形铝（铜）导线（用于户内电压 20kV 及以下）构成。

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母线作用：汇集和分配电流 图形符号：

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电抗器用途：抑制短路电流，电网中性点接地

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电流互感器电压互感器

电能变换器件，前者用以将大电流变换成小电流（通常为 5A ），后者用以将高电压变换成低电压（通常为 100V ），供计量检测仪表和继电保护装置使用。

电压互感器及电流互感器

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1

2TA W

WK — 电流互感器的变比

电流表

AI aI

AI

aI

TA

TA

K2

K1K1

K2

电流继电器I > I >

电流继电器电流表

* *

* *

W1 W2

0II 2211

WW

TAW

W

K

III

11

2

12

电流互感器原理

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耦合电容器

电容器用途：减小无功负荷，改善功率因数

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避雷器

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由互感器及一个或几个继电器组成的装置。

继电保护装置的任务： 借助断路器，自动迅速、有选择的将故障元件从供电系统切除，以防事故扩大。 给出不正常运行信号 与其它自动化装置配合，提高电力系统可靠性

受感元件 启动元件 保护的中间环节 出口原件 执行元件

采样 判断变换、闭锁、延时、放大

发出命令脉冲

跳闸指示信号

继电保护装置

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电能产生、分配过程的特点： 1 、结构复杂庞大； 2 、电能不能大量存储； 3 、过度（暂态）过程非常迅速， 电波传播速度 米 / 秒（与光速一样）； 4 、与国民经济各部门关系密切，特别重要。

83 10

电力系统的显著特点

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1 、保证供电可靠性 电能用户按对供电可靠性的要求分为： 一级负荷（保安负荷） 二级负荷 三级负荷

2 、保证电能质量 3 、保证运行的经济性

电力系统运行的基本要求

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电力工业现状及发展方向 2006 年，全国全社会用电总量达到了 28344 亿千瓦时，比上

年同期增长 14.54% 。 其中， 水电发电量 4167 亿千瓦时，约占全部发电量 14.7% ，增长

5.1% ； 火电发电量 23573 亿千瓦时，约占全部发电量 83.2% ，增长

15.3% ； 核电发电量 543 亿千瓦时，约占全部发电量 1.9% ，增长 2.4

% 。 2006 年 电力行业完成销售收入 20808 亿元，同比增长 20% ，

实现利润 1446 亿元，增长 43% 。

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电力工业现状及发展方向

截止 2006 年底按发电量全国电力供应结构

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电力工业现状及发展方向

年度 装机容

量 ( 万千瓦 )

发电量 ( 亿千瓦时 )

发电量增长率 (%)

用电量 ( 亿千瓦

时 )

用电量增长率 (%)

2000 31932 13685 8.00 13466 8.00

2001 33849 14839 8.43 14683 9.04

2002 35900 16400 10.52 16200 10.33

2003 38450 19080 16.34 18910 16.73

2004 44070 21870 14.62 21735 14.94

2005 50841 24747 13.16 24689 13.59

2006 62200 28344 14.54 28248 14.42

2007 71329 32559 14.44 32339 14.56

近年我国发电装机容量、发电量及用电量情况

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世界主要国家电力工业发展指标（ 2002 ）

2149（ 2006 年）

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电力工业现状及发展方向

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国家发展和改革委员会能源局指出：

提高能源利用效率和效益，保护生态环境，不断开发利用新的能源发电技术装备，将成为未来 20 年电力工业新的发展方向。其中，输变电设备将向紧凑型、高可靠性方向发展，数字化、智能化和信息化将

成为配、用电设备的发展重点。

电力工业现状及发展方向

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国家电力发展规划 2006 年和 2007 年两年，我国新增电力装机规模就超过了 2 亿千瓦，总装机规模 2007 年底超过 7 亿千瓦。根据中国电力工业最新发展规划，按“十一五”期间 GDP 年均增长 8.5% 考虑，同时考虑万元 GDP 能耗下降 20% 左右的约束性要求，到2010 年，全国电力装机总容量将达 8.4 亿千瓦，其中水电装机将达 1.9 亿千瓦，核电装机 1000 万千瓦，风电装机 500 万千瓦，生物质发电装机 550 万千瓦，天然气发电装机 3600 万千瓦，煤电装机 5.93 亿千瓦。 根据国家电网公司和南方电网公司分别编制的各自“十一五”电网发展规划，“十一五”期间，我国电网建设总投资将超过 1 万亿元，其中国家电网公司 8500 亿元左右，南方电网公司 2500 亿元左右，两家企业“十一五”期间规划电网投资为“十五”期间的 1.2 倍。根据规划，“十一五”期间，全国将投产 330 千伏及以上交流线路 3.8 万公里，变电容量 1.8 亿千伏安，平均每年新增交流线路 7600 公里，新增变电容量 3600 万千伏安；建成直流线路 3420 公里，换流容量 1500 万千瓦（含背靠背换流站）。到 2010 年，全国 330 千伏及以上交流线路达 11.4 万公里，变电容量达 4.7 亿千伏安，直流线路 8200 公里，直流换流容量 4000 万千瓦。

电力工业现状及发展方向

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电力工业现状及发展方向具体发展方向

（ 1 ）大力发展水电、太阳能、核电、风力、坑口发电等新的能源发电技术。 1 千克铀 -235 裂变释放的能量 =2700 吨标准煤燃烧释放的能量

一座 100 万千瓦的火电站一年燃烧标准煤约 300 万吨 , 而一座 100 万千瓦的核电站一年消耗核燃料仅约 30 吨。

（ 2 ）提高单台机组容量； 国内最大机组——华能玉环电厂 6×100 万 kW

其锅炉效率为９３．８８％、供电煤耗为２８３．２克／千瓦时，机组热效率高达４５．４％，达到国际先进水平。 据测算，如果国内燃煤发电厂热效率都达到４５％的水平，按２００６年全国火电发电量计算，相当于全年可以少烧约２亿吨标准煤，减少二氧化碳排放约５．４亿吨。

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电力工业现状及发展方向具体发展方向

（ 3 ）提高投运机组容量 ，减少备用设备

（ 4 ）提高输电电压，减少损耗，节约有色金属用量；

（ 5 ）扩大整个电网容量，建立联合电网。 现代化电力工业的一个重要标志是电网化、系统化，

将发电、输变电、供电、用电组织成一个区域性大网络，

形成联合电网或统一电力系统。

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自动化：诞生于工业生产，是指用自动进行调解、检查、加工和控制的机器及设备进行生产作业，以替代人人直接的操作。

电力系统自动化：是自动化的一种具体形式 是指应用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置并通过信号系统和数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合格的电能质量。

电力系统自动化

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电力系统自动化的发展历程（一）单一功能自动化阶段 1 ）初级阶段（初期，小规模电厂）

2 ）单一功能的自动化装置（发电设备和出力增加，供电范围扩大）

故障自动切除装置 自动操作和调解装置 远距离信息自动传输装置 3 ）电力系统调度中心（跨地区电力系统）

电话调度 “四遥” （为了解决调度的实时性）

遥信（ YX ）、遥测（ YC ）、 遥调（ YT ）、遥控（ YK ）。

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电力系统自动化的发展历程 电力系统自动化的三门主要技术： 故障自动切除装置 电力系统继电保护技术电力系统继电保护技术 自动操作和调解装置 电力系统自动监控技术电力系统自动监控技术远距离信息自动传输装置 远动技术远动技术

电力系统继电保护、远动从电力系统自动化独立出来之后，电力系统自动化只包括电力设备的自动监视、控制及与其相关的问题。 从高层次来分类，三门技术仍然同属于“电力系统及其自动化”中的“自动化”范畴。

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单一功能自动化阶段的特点

1. 三门技术各自自成体系，分别完成各自的功能；

2.对单个电力设备和单一过程用分立的自动化装置来

完成；

3.电力系统中各发电厂和变电站的自动装置之间无联

系；

4.电力系统的统一运行靠调度员经验完成。

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（二）综合自动化阶段

电力系统信息

电力系统自动装置

电力系统远动和遥信装置

信息处理

做出模糊决策

确定数学模型

用一套自动化系统或装置来完成以往两套或多套分立的自动化系统或装置所完成的工作

遥信（ YX）遥测（ YC ） 遥调（ YT ）遥控（ YK ）

遥视（ YS）+ = 电力系统五“遥”

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1-2 电力系统自动化的内容 通常所说的电力系统是指电能生产、输送、分配和消费所需的发电机、变压器、电力线路、断路器、母线和用电设备等互相联结而成的系统。 能量系统——电工一次系统 其中的电力设备称为一次设备 信息系统——电工二次系统 其中的电力设备称为二次设备 电力系统自动化属于二次系统，它包含若干个子系统。

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电力系统自动化内容的划分按电力系统运行管理区划分 1 、电力系统调度自动化；

包括发电和输电调度自动化、配电网调度自动化。 2 、发电厂自动化； 3 、变电站自动化。

从电力系统自动控制角度划分 1 、电力系统频率和有功功率自动控制；

2 、电力系统电压和无功功率自动控制；

3 、电力系统安全自动控制；

4 、电力系统中断路器自动控制。

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一、电力系统调度自动化 功能：信息收集与执行和信息处理与分析 1 ）调度自动化系统的基本构成

人机联系设备

主计算机

通信控制器

主 站 （ MS ）

RTU

RTU

RTU

RTU

RTU—— 远动终端， Remote Terminal Unit

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2 ）调度自动化的结构层次 a) 集中控制，厂站数量较少（不多于 10 个） b) 分级（层）控制中心调度所：对整个电力系统做出综合判断及控 制，负责与地区调度所和发电厂及 变电所保持信息交换和控制。地区调度所：接受中心调度所的控制指令，对本 地区的系统做出综合判断和控制， 对发电厂及变电所控制中心进行信 息交换和控制。

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发电厂（变电所）控制中心：接受中心调度所或地区调度所的指令，直接对所属机组和设备进行监视及控制。

A

B1

Bn

C1

D1

Dn

C1

D1

Dn

D2

Dn

D1

D2

D1

Dn

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分级控制优势：分级控制优势： 满足实时性需要； 有利于通讯的实现； 减少通讯流量。

3) 调度自动化的发展过程

SCADA——Supervisory Control and Data Acquisition

监视控制及数据采集（ SCADA ） + 安全分析 + 安全控制 + 其他调度管理和计划管理 = 能量管理系统（ EMS ）

以经济运行为主 以安全控制为主

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二、火电厂自动化火电厂分为：蒸气动力发电厂 燃气轮机发电厂 内燃机发电厂 机组最大容量 1300MW 火电厂最大装机容量 4800MW1 ）发展过程 目的： a) 保障机组安全经济运行； b) 增加机组对电网经济调度和负荷变化的 适应能力，保证发电质量； c) 改革劳动条件，提高运行速率； d) 提高生产效率； e) 监视和控制发电过程对环境的污染。

炉、机、电：就地——〉集中——〉计算机

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2 ）主要功能 a) 自动检测； b) 自动保护； c) 顺序控制； d) 连续控制； e) 管理和信息处理。3 ）包括的内容 a) 计算机监视系统； b) 机炉协调主控制系统； c) 锅炉自动控制系统； d) 汽轮机自动控制系统； e) 发电机和电气控制系统； f) 旁路控制系统； g ）辅助设备及各支持系

统的自动控制系统； h ）就地控制系统。

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断路器控制

G励磁系统

调速系统

自动同期并列装置

发电机和电气控制系统举例

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三、水电厂自动化1 ）水轮发电机组和电压自动控制

2 ）水电厂自动发电控制 a) 按上游来水量发电； b) 按给定的发电机负荷曲线； c) 按电力系统维持在一定频率下运行； d) 按综合因素。

静止

发电 调相

从电力系统吸收有功功率；向电力系统输送无功功率；目的是补偿独立系统无功功率不足，维持电力系统电压水平。

分配和调节各机组的无功功率；目的是维持电厂高压母线电压水平。

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3 ）水电厂计算机控制系统

两种应用模式： a) 以计算机为辅的监控系统； b) 以计算机为主的监控系统。计算机参加决策与否是区分这两种模式的关键。

通信设备

计算机系统

I/O 进程通道

生产过程

数据存储设备 人机联系设备

两种结构模式： 集中式 分布式

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四、变电站自动化1 ）发展过程 阶段一：变电站常规的二次回路（主要由有触点的继电器构成）； 阶段二：监控、远动、继电保护分别实现微机 化，但依然分别工作，自成体系； 阶段三：构成一个统一的计算机系统（变电站综合自动化）。

2 ）变电站常规二次回路包括的内容： a) 控制系统； b) 信号系统； c) 测量系统； d) 同步系统； e) 二次回路电源。

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3 ）变电站自动化内容： a) 微机监控 b) 微机远动具体包括：1)巡回监测和召唤测量；

2)脉冲量计数、开关量状态判别、被测量越界判别、功率总加和电能量累计；

3)显示变电站运行情况，如越限和事故报警、打印以及顺序记录等；

4)报表打印；

5)汉字人机对话及提示功能；

6)变电站远动终端。

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五、配电网自动化（ 110KV~220/380KV之间） 配电自动化分为： 配电网调度自动化 配电变电站自动化 配电线路自动化 用户自动化功能： a) 数据采集与控制； b) 负荷管理（包括负荷监视和负荷控制（直接控制 、间接控制））； c) 电压 / 无功综合控制； d) 可靠性管理； e) 信息管理； f) 配电网图示系统； g) 安全和节能。

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六、电力系统频率和有功功率自动控制

国标： 50Hz 0.2Hz

0.05~0.15Hz （现代化装置应用后）两种称谓：电力系统自动发电控制； 负荷与频率控制。主要任务：一次调频（原动机转速控制）； 二次调频（发电机频率控制）； 合理分配发电出力。

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七、电力系统电压和无功功率控制国标： 1 、 35KV 及以上（正负偏差的绝对值之和 不大于 10% 额定电压）； 2 、 10KV 以下（不大于 7% 额定电压）； 3 、 220V 单相供电 （不大于 +7%, 不 小于 -10% 额定电压）。电压偏差计算公式：

维持电力系统电压在规定范围内是以全系统内无功功率平衡为前提的。

% 100%

实测电压 额定电压

电压偏差（ ）额定电压

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八、电力系统安全控制安全分析：事故预想安全控制：预防性的安全调度控制； 紧急状态下的安全控制。

九、电力系统中断路器控制 正常运行时断路器控制； 电力系统恢复时的断路器控制； 电力系统紧急状态的断路器控制。