智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系框架研究

賈東梨，孟曉麗，宋曉輝

（中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

進入21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關(guān)注的焦點，更成為電力行業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心驅(qū)動力，智能電網(wǎng)的理念逐漸萌發(fā)形成，成為全球電力工業(yè)應(yīng)對未來挑戰(zhàn)的共同選擇[1-3]。目前，中國和世界各國已經(jīng)達成普遍共識，建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟、友好的智能電網(wǎng)，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向[4-6]。智能電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)可靠、經(jīng)濟環(huán)保，是實施可持續(xù)供電戰(zhàn)略的重要保障，具有融合、優(yōu)化、分布、協(xié)調(diào)、互動、自愈等特征[7-9]。

根據(jù)目前國際、國內(nèi)的研究報告，智能電網(wǎng)主要由4部分組成，分別是高級配電運行、高級量測體系、高級輸電運行、高級資產(chǎn)管理。在各個部分中，高級配電運行是目前裝備較薄弱的環(huán)節(jié)，所以在國際上關(guān)于智能電網(wǎng)的研究報告中，配電網(wǎng)是大家關(guān)注的重點[10]。

智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分[11]。智能配電網(wǎng)有助于提高電網(wǎng)供電可靠性、系統(tǒng)運行效率以及終端電能質(zhì)量；有助于實現(xiàn)分布式發(fā)電、儲能與微網(wǎng)的并網(wǎng)與優(yōu)化運行，實現(xiàn)高效互動的需求側(cè)管理；有助于結(jié)合先進的現(xiàn)代管理理念，構(gòu)建集成與優(yōu)化的配電資產(chǎn)運行、維護與管理系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)較傳統(tǒng)配電網(wǎng)更加堅強并具有更大的“彈性”，可以有效抵御自然災(zāi)害及外力破壞等突發(fā)事件給電力系統(tǒng)造成的影響，并且具有強大的“自愈”功能，自愈是智能配電網(wǎng)最重要的特征。從本質(zhì)上講，自愈是智能配電網(wǎng)的“免疫系統(tǒng)”。

目前，國內(nèi)外學(xué)者都在積極探討具有自愈能力的電網(wǎng)架構(gòu)[12-14]、自愈控制體系及控制策略[15-16]，但是這些研究還未形成統(tǒng)一的系統(tǒng)理論，也沒有針對智能配電網(wǎng)展開自愈控制的研究。

本文對智能配電網(wǎng)的控制技術(shù)體系進行研究。首先分析智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系設(shè)計的層次結(jié)構(gòu)，自下而上分為3層，分別是基礎(chǔ)層、支撐層和應(yīng)用層，然后分別分析各層次的技術(shù)組成。

1 智能配電網(wǎng)自愈控制概述

電網(wǎng)從當(dāng)前的安全控制到自愈電網(wǎng)理念的提出、研發(fā)和實施，是一個歷時以世紀(jì)計的積累發(fā)展過程[17]。智能配電網(wǎng)的“自愈”能力是指智能配電網(wǎng)能夠及時檢測出已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生的故障，并進行相應(yīng)的糾正性操作，使其不影響對用戶的正常供電或?qū)⑵溆绊懡抵磷钚?。自愈控制主要是解決“供電不間斷的問題”，也就是在無需或僅需少量人為干預(yù)情況下，監(jiān)測電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，預(yù)測電網(wǎng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱患。具有自愈能力的智能配電網(wǎng)將具有更高的供電可靠性、更高的電能質(zhì)量、支持大量的分布式電源的接入、支持用戶能源管理（需求側(cè)管理）、提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用率、對配電網(wǎng)及其設(shè)備進行可視化管理、實現(xiàn)配網(wǎng)設(shè)備管理、生產(chǎn)管理的自動化、信息化。

2 智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系

智能配電網(wǎng)的自愈控制技術(shù)體系自下而上分為3個層次，依次是基礎(chǔ)層、支撐層、應(yīng)用層，如圖1所示。

2.1 基礎(chǔ)層——電網(wǎng)及其設(shè)備

實體電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的物理載體，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)[18]，也是實現(xiàn)自愈控制的基礎(chǔ)。但是，與國外先進國家相比，我國配電網(wǎng)整體供電能力和可靠性水平偏低，管理手段相對落后；配電自動化系統(tǒng)覆蓋范圍小，遠遠低于先進國家水平；由于技術(shù)不成熟、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)調(diào)整頻繁、運行維護力量不足等原因，配電自動化實用化水平較低，部分裝置處于閑置狀態(tài)；部分地區(qū)城市配電變壓器經(jīng)濟運行水平不高，配網(wǎng)節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用不足。

圖1 智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系

鑒于以上原因，我國智能配電網(wǎng)應(yīng)該以可靠性建設(shè)為核心，以配電網(wǎng)高效運行為目標(biāo)，同時提高負荷管理水平和用戶參與水平。而且，未來將有大量的分布式清潔能源發(fā)電及其他形式發(fā)電接入電網(wǎng)，要求配電網(wǎng)具備靈活重構(gòu)、潮流優(yōu)化、清潔能源接納能力。同時，隨著用戶側(cè)、配網(wǎng)側(cè)分布式電源增多，特別是隨著屋頂太陽能發(fā)電、電動汽車大量使用，電網(wǎng)中電力流和信息流的雙向互動會逐步增多，對電網(wǎng)運行和管理將產(chǎn)生重大影響。因此，在實體配電網(wǎng)的建設(shè)過程中，必須進行前瞻性的探索、規(guī)劃和構(gòu)建，以長遠的眼光來研究我國配電網(wǎng)的發(fā)展，大力推進先進技術(shù)創(chuàng)新，積極采用成熟先進技術(shù)，使實體電網(wǎng)在架構(gòu)上、技術(shù)上、裝備上滿足未來智能電網(wǎng)的需求。

2.2 支撐層——數(shù)據(jù)和通信

覆蓋整個電網(wǎng)的信息交互是實現(xiàn)電力傳輸和使用高效性、可靠性和安全性的基礎(chǔ)[19]。而且，自愈控制需要采集大量設(shè)備（包括一次、二次設(shè)備）的狀態(tài)數(shù)據(jù)和表計計量數(shù)據(jù)，對于這種數(shù)量大、采集點多而且分散的情況，就需要在開放的通信架構(gòu)、統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、完備的安全防護措施下建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)。

高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)，也是邁向配電網(wǎng)自我預(yù)防、自我恢復(fù)的關(guān)鍵步驟。這樣的通信系統(tǒng)建成后，電網(wǎng)通過連續(xù)不斷地自我監(jiān)測和校正，應(yīng)用先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)其自愈能力，提高對電網(wǎng)的駕馭能力和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的水平，它還可以監(jiān)測各種擾動，進行補償，重新分配潮流，避免事故的擴大。

2.3 應(yīng)用層

自愈電網(wǎng)各項功能的實現(xiàn)，有賴于在完善電網(wǎng)、電力設(shè)備以及數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上，應(yīng)用監(jiān)測、評估、預(yù)警/分析、決策、控制、恢復(fù)等技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)的自我預(yù)防，自我恢復(fù)。本文從以上6方面闡述智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系應(yīng)用層的功能，各功能模塊的關(guān)系如圖2所示。

圖2 智能配電網(wǎng)自愈控制應(yīng)用層各模塊關(guān)系圖

具有自愈能力的智能配電網(wǎng)將電網(wǎng)運行狀態(tài)分為正常狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)、臨界狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)。各狀態(tài)的特征如表1所示，各狀態(tài)之間的變化關(guān)系如圖3所示。

表1 智能配電網(wǎng)自愈控制電網(wǎng)運行狀態(tài)特征

2.3.1 監(jiān)測

智能配電網(wǎng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，按照現(xiàn)代控制理論的觀點，要對一個系統(tǒng)實施有效控制，必須首先能夠觀測這個系統(tǒng)[20]。智能配電網(wǎng)自愈控制重點在于提高電網(wǎng)所有元件的可觀測性和可控制性，增強對電力設(shè)備參數(shù)、電網(wǎng)運行狀態(tài)以及分布式能源的監(jiān)測作用，這就對傳感與量測技術(shù)提出了更高的要求。

圖3 智能配電網(wǎng)自愈控制的狀態(tài)

1）智能傳感器。電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）在1998年通過了智能傳感器的定義，即“除產(chǎn)生一個被測量或被控量的正確表示之外，還同時具有簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的功能的傳感器”。也就是說，智能傳感器是一種帶有微處理器的、具有信息檢測、信息處理、信息記'、邏輯思維與判斷功能的傳感器。智能傳感器為自愈配電網(wǎng)的發(fā)展提供了敏銳的“神經(jīng)末梢”。為了實現(xiàn)對智能電網(wǎng)大部分設(shè)備實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，使用的智能傳感器必須具有高性價比、尺寸小、工程維護性好、良好的電磁兼容性、智能數(shù)據(jù)交換接口等特點，易于安裝、推廣和維護。

2）同步相量測量技術(shù)。同步相量測量以全球定位系統(tǒng)（GPS）提供的精確時間為基準(zhǔn)，可對電力系統(tǒng)進行同步相量測量、實時記錄、暫態(tài)錄波、時鐘同步、運行參數(shù)監(jiān)視、實時記錄數(shù)據(jù)及暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)各個節(jié)點的同步測量[21]，并通過高速通信網(wǎng)絡(luò)把測量相量傳送到主站，為大電網(wǎng)的實時監(jiān)測、分析和控制提供基礎(chǔ)信息。由于PMU能夠?qū)崿F(xiàn)廣域電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時同步測量，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)全局穩(wěn)定性控制創(chuàng)造了條件，克服了現(xiàn)有以SCADA為代表的調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)不能監(jiān)測和辨識電力系統(tǒng)動態(tài)行為的缺點，改善了傳統(tǒng)狀態(tài)估計的結(jié)果[22]。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，要求控制系統(tǒng)和保護越來越復(fù)雜，實時相角測量系統(tǒng)將會是這些控制和保護裝置中所不可缺少的。盡管PMU還未在配電網(wǎng)中應(yīng)用，筆者相信PMU在配電網(wǎng)中應(yīng)用是必然趨勢。

3）表計、變壓器、饋線、開關(guān)等。除智能傳感器和同步相量測量技術(shù)外，未來智能配電網(wǎng)中的測量可能遍及電網(wǎng)的表計、變壓器、饋線、開關(guān)以及其他設(shè)備和裝置。

4）電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。應(yīng)用電網(wǎng)運行狀態(tài)檢測設(shè)備，對電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測，將電網(wǎng)當(dāng)前的運行狀態(tài)精確、直觀地展現(xiàn)，并將電網(wǎng)當(dāng)前的動態(tài)運行數(shù)據(jù)及時上傳。

5）分布式能源監(jiān)控設(shè)備。對分布式能源終端進行實時監(jiān)測、控制和管理，實時顯示終端參數(shù)并為評估模塊和預(yù)警/分析模塊提供實時數(shù)據(jù)。同時還能實現(xiàn)管網(wǎng)平衡等控制，實現(xiàn)遠程定時抄表，歷史記錄、歷史曲線查詢，自動完成各種報表，減輕工作人員勞動強度，避免人為失誤，避免糾紛，提高管理水平。

2.3.2 評估

傳統(tǒng)配電網(wǎng)評估方法多是從配電網(wǎng)供電能力和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面進行評估，由于智能配電網(wǎng)的復(fù)雜性，其評估需在傳統(tǒng)配電網(wǎng)評估的基礎(chǔ)上，加上電網(wǎng)安全評估、設(shè)備狀態(tài)評估、電網(wǎng)脆弱性評估、電網(wǎng)風(fēng)險評估以及上網(wǎng)電價適應(yīng)性評估，以盡可能的反映電網(wǎng)的實際情況，為電網(wǎng)預(yù)警/分析以及自愈決策提供參考。

1）電網(wǎng)安全評估。電力系統(tǒng)的安全性指電力系統(tǒng)在運行中承受故障擾動的能力。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源的接入，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復(fù)雜，故障引起的系統(tǒng)失穩(wěn)的影響范圍更廣，對于這種情況，必需進行電網(wǎng)靜態(tài)安全評估和電網(wǎng)動態(tài)安全評估。

2）設(shè)備狀態(tài)評估。自愈配電網(wǎng)供電可靠性在很大程度上取決于電力設(shè)備的可靠程度，電力設(shè)備作為電網(wǎng)運營的主要載體，其健康狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)抗風(fēng)險的能力。設(shè)備狀態(tài)評估可根據(jù)設(shè)備運行參數(shù)的變化而不斷實時更新評估結(jié)果，量化設(shè)備的狀態(tài)，使評估結(jié)果能夠隨設(shè)備、線路的改造而自我更新和完善，為分析設(shè)備的安全狀況和電力系統(tǒng)的可能故障率及變化趨勢起到一個長期動態(tài)而有效的指導(dǎo)作用。

3）脆弱性評估。智能配電網(wǎng)自愈控制強調(diào)脆弱狀態(tài)，重視預(yù)防控制：評價電網(wǎng)的脆弱性，根據(jù)脆弱性的嚴(yán)重程度和不同類別制定有針對性的控制方案[13]。脆弱性評估是對系統(tǒng)受到外力作用或者突發(fā)事件的情況下所可能發(fā)生的變化，也就是對突發(fā)事件的敏感程度以及可能發(fā)生的損失，那么做好脆弱性評估，就能及時、有效的預(yù)測和預(yù)警未來可能發(fā)生的變化趨勢或者損失，抑制不良因素的發(fā)展，使受損系統(tǒng)得以盡快的恢復(fù)與重建，以實現(xiàn)系統(tǒng)的良性發(fā)展和持續(xù)利用。

4）風(fēng)險評估。風(fēng)險評估作為智能配電網(wǎng)不可或缺的分析方法和評估手段，應(yīng)該在智能配電網(wǎng)建設(shè)初期予以重視。智能配電網(wǎng)引入了大量的新型元件和設(shè)備、帶來了新的結(jié)構(gòu)調(diào)整。傳統(tǒng)設(shè)備故障帶來的系統(tǒng)風(fēng)險依然存在，大量新設(shè)備運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏，傳統(tǒng)設(shè)備和新設(shè)備運行的協(xié)調(diào)，智能配電網(wǎng)帶來的結(jié)構(gòu)變化都使風(fēng)險分析更加復(fù)雜。鑒于以上原因，需要對風(fēng)險進行定量評估和管理，以便從可控因素入手降低風(fēng)險。

5）上網(wǎng)電價適應(yīng)性評估。智能配電網(wǎng)具有與客戶互動功能，電網(wǎng)可為客戶提供實時電價和用電信息，引導(dǎo)客戶合理用電、高效用電，提高能源利用效率，實現(xiàn)用電優(yōu)化、能效診斷等增值服務(wù)。但是，在電價的影響下用電負荷會隨之發(fā)生較大變化，對電網(wǎng)的承受能力產(chǎn)生影響，因此需對上網(wǎng)電價適應(yīng)性進行評估。

2.3.3 預(yù)警/分析

智能配電網(wǎng)規(guī)模龐大，運行機理復(fù)雜，但是電網(wǎng)運行實踐表明，除少數(shù)突發(fā)故障以外，大多數(shù)故障發(fā)生是有一個漸進過程的，如果早期發(fā)現(xiàn)，及時采取恰當(dāng)?shù)拇胧┦峭耆梢苑乐沟?。為了及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)安全隱患，提高電網(wǎng)自愈能力，根據(jù)電網(wǎng)運行信息、環(huán)境變化信息，在電網(wǎng)狀態(tài)評估的基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的故障、問題提出警告及處理措施，就是預(yù)警/分析。預(yù)警/分析是自愈電網(wǎng)不可缺少的部分，實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)的在線自動跟蹤，并能及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的隱患，自動給出預(yù)警信號。

當(dāng)電網(wǎng)到達預(yù)警狀態(tài)，自愈控制系統(tǒng)通過圖1所示預(yù)警/分析技術(shù)體系，對電網(wǎng)的安全性實施全面而綜合的實時預(yù)警，自動跟蹤電網(wǎng)運行的安全級別，自動提取表征系統(tǒng)狀態(tài)的特征信息，自動發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重事故，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中存在的各種安全隱患，提出預(yù)警，從而采取主動措施，把安全隱患和災(zāi)變問題解決在初期階段。

2.3.4 決策、控制、恢復(fù)

評估和預(yù)警/分析信息上傳到?jīng)Q策層，通過容錯故障診斷技術(shù)、故障定位與隔離技術(shù)、電網(wǎng)靈活分區(qū)技術(shù)、自愈決策可視化技術(shù)以及對應(yīng)的模型、算法、規(guī)則庫、知識庫等，實時主動調(diào)控或適時采取技術(shù)對策消除某一初始原因剛剛產(chǎn)生的后果，并啟動一個反作用因果鏈，抵消故障因果鏈的作用，從而可以將故障抑制在萌芽中，控制、恢復(fù)和保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

對應(yīng)于電網(wǎng)的5種運行狀態(tài)，存在4種基本控制技術(shù)，分別是：預(yù)防控制技術(shù)、校正控制技術(shù)、緊急控制技術(shù)和恢復(fù)控制技術(shù)。由于智能配電網(wǎng)對分布式能源具有接納能力，除了以上4種基本控制技術(shù)外，還需研究分布式能源集成控制技術(shù)、智能配電網(wǎng)的自愈控制模式、自愈控制可視化技術(shù)、分布協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制技術(shù)等。

當(dāng)電網(wǎng)運行到恢復(fù)狀態(tài)，已有部分地區(qū)供電中斷，為了滿足安全運行的需要不得不甩去一部分負荷，需研究模型更新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)快速重構(gòu)技術(shù)、頻率穩(wěn)定技術(shù)、自適應(yīng)卸負荷技術(shù)、自愈解列技術(shù)、自愈恢復(fù)仿真技術(shù)等。

3 結(jié)語

自愈作為智能配電網(wǎng)最重要的特征是智能配電網(wǎng)的“免疫系統(tǒng)”。通過研究應(yīng)用智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)將使電網(wǎng)的供電可靠性明顯提高，停電時間顯著減少。尤其是在極端天氣情況下，配電網(wǎng)將充分發(fā)揮它的自我預(yù)防、自我恢復(fù)能力，優(yōu)先保障人們的生活，最大限度地為人們提供電力。

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