智能配電網自愈相關技術及其框架研究

張巍，孫云蓮，胡雯

（1．常德電業(yè)局，湖南常德 415000；2．武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072）

隨著經濟發(fā)展和人們生活水平不斷提高，電力的需求不斷上升，對電能質量和供電可靠性要求也越來越高[1]。配電網自愈的主要核心就是高質量不間斷供電和在電網出現故障時能最大限度地縮小停電范圍及停電時間。

現階段我國的電網發(fā)展側重于輸電網，配電網的發(fā)展明顯不足[2]。但是電網的配電側對于電網的安全可靠運行又是極其重要的。目前停電的95%都是由于配電系統(tǒng)的故障造成的，我國配電網的自動化水平還有待進一步發(fā)展。要構建智能配電網需解決下面2個問題：1）配電網在正常運行時的優(yōu)化問題；2）配電網在故障時的快速恢復問題。而要解決這些問題，關鍵就是要實現配電網的自愈功能。

1 智能配電網自愈

智能配電網自愈就是智能化的自我預防和自我恢復[3]。具體有2個顯著的特征：1）在電網正常運行時，利用WAMS等先進的監(jiān)控手段對電網的運行狀態(tài)進行實時在線分析，優(yōu)化運行狀態(tài)；2）在電網發(fā)生故障時，能夠快速診斷和隔離故障，恢復供電。配電網的自愈以不間斷供電為控制原則。從自愈角度看[4]，安全控制有5種結果：正常優(yōu)化；避免故障發(fā)生；故障后不失負荷；故障后失去部分負荷；電網崩潰自愈失敗。

2 智能配電網自愈相關技術

2.1 故障定位技術

配電網故障定位，即配電網在發(fā)生故障時，能迅速準確確定故障發(fā)生區(qū)段的過程，是自愈控制的重要部分。在傳統(tǒng)故障定位方法中以零序電流法、阻抗法和行波法最為流行[5]。零序電流法是在線路發(fā)生故障時，利用線路零序電流的幅值及相位特征進行故障區(qū)段定位。但在實時信息序列中存在畸變信息時，零序電流法有可能錯判或誤判，從而出現無法準確定位的問題。阻抗法是利用故障時測到的電壓和電流來求取故障回路的阻抗，又因故障回路阻抗與故障距離成正比，從而據此定位故障。其原理簡單，但由于配電網結構的復雜性，往往還要結合其他方法才能確定故障距離。而行波測距法[6]是利用故障行波到兩端母線的時間差與故障行波波速的乘積，或故障時線路中產生的暫態(tài)行波在故障點和母線之間來回一趟所需要的時間來計算故障點的位置。雖說行波法與零序電流法和阻抗法相比，具有快速準確測距的優(yōu)點，但是也存在一定的問題，比如行波波速不確定問題、電流互感器和行波啟動元件的延時問題、反射波難以捕捉等問題。

為了克服傳統(tǒng)故障定位的不足，近年來出現了一種智能定位新方法，利用智能饋線終端單元FTU提供的故障信息，進行智能化的故障點判斷。文獻[7]提出了基于遺傳算法的配電網故障定位方法，跟據故障診斷理論中最小集的概念建立了環(huán)網開環(huán)運行配電網的故障定位模型，并運用廣義分級的處理思想提高了運用該模型進行配電網故障定位時的效率。文獻[8]在文獻[7]基礎上提出了節(jié)點表示配電網的模型描述方法，并深入研究了遺傳算子及參數和適應度函數的改進。文獻[9]提出了一種基于改進模擬退火的算法。文獻[10]提出了一種基于蟻群算法的故障定位方法，利用其具有正反饋、分布式計算和富于貪婪啟發(fā)式搜索的特點來進行快速的故障定位。文獻[11]在文獻[10]基礎上采用了一種根據蟻群算法搜索情況來自適應動態(tài)修改信息素的方法，使得算法更好地跳離局部最優(yōu)解。文獻[12]則提出一種新的智能定位技術，將魚群與蟻群算法混合使用，利用人工魚群算法的克服局部極值取得全局極值的能力，改善了人工蟻群算法的早熟問題。這些智能的定位方法為故障定位技術的發(fā)展提供了新的研究方向。

2.2 智能開關控制技術

傳統(tǒng)開關是配電網控制和保護的執(zhí)行機構，其本身只是一個操作機構。而智能開關技術則不僅僅是擁有傳統(tǒng)開關的功能，還實現了開關本體的控制邏輯和保護自動化，具有高性能、高可靠性、軟硬件化等特點。線路自動化采用了2種帶測控單元的智能開關，即主線路智能開關和分支智能開關，可實現對線路相間短路故障，特別是配電線單相接地故障區(qū)域定位、故障區(qū)域隔離和非故障區(qū)域恢復供電[13]。文獻[14]就目前智能開關相互配合的饋線自動化方案的不足，提出了新的3種基于智能開關相互配合的饋線自動化的方案，即合閘速斷方式、合閘速斷方式加GPRS/SMS通信方式和利用縣調方式。文獻[15]和[16]分析了智能開關目前主要存在的問題，提出智能開關控制裝置研究的必要性，并說明了開關控制裝置的靈活配置和過程層的一、二次設備協(xié)調發(fā)展的重要性?？偨Y出了智能開關有兩個主要特征：①開關就地保護即簡化了配電網保護的動作流程，縮短了保護時間；②開關狀態(tài)檢測功能即實時地了解開關設備的運行狀態(tài)，可以有效地提高配電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 無功補償技術

配電系統(tǒng)柔性交流輸電（DFACTS）是柔性交流輸電（FACTS）技術在配電網的拓展。該技術的核心器件是IGBT，并且關斷容量已達到了兆伏安級，具有很快的響應速度，是實現優(yōu)化供電和自愈的重要環(huán)節(jié)之一[17]。DFACTS包括固態(tài)負荷轉移開關（SSTS）、固態(tài)斷路器（SSCB）、動態(tài)不停電電源（DUPS）、有源電力濾波器（APF）、靜止同步補償器（DSTATCOM）等。在故障發(fā)生時，應用SSTS、SSCB可以迅速執(zhí)行故障切除與轉移負荷，提高自愈速度。而利用DUPS可以補償配電網故障重合閘引起的短時供電中斷，保證重要敏感負荷的供電[18]。APF可以濾去故障中產生的一些高次諧波[19]。此外應用DSTATCOM可以在毫秒級時間內向系統(tǒng)注入正常電壓和故障電壓之差，達到抑制電壓驟降，提高用戶電能質量，達到優(yōu)化供電的功能[20]。

2.4 網絡重構技術

配電網絡重構是一個非線性組合優(yōu)化問題，包括網絡的優(yōu)化重構和恢復重構兩部分。配電網中開關大體可分為分段開關和聯絡開關兩大類，由于開關的組合數很多，以致其解空間非常龐大，如果僅僅采用簡單的窮舉法進行搜索，很容易出現“組合爆炸”問題。就目前國內外的研究來看，配電網重構的解決方案有：

1）數學優(yōu)化法[21]。數學優(yōu)化法有完整的數學理論基礎，是直接利用現有的數學優(yōu)化原理進行配電網重構的方法。

優(yōu)點：可以得到不依賴配電網初始結構的全局最優(yōu)解。缺點：存在著“維數災”，同時也存在計算量大，計算時間非常長，不能動態(tài)跟蹤等問題。

2）支路交換法[22]。支路交換法由S.Civanlar提出，通過計算配電網的初始潮流和網損，利用潮流計算的結果將負荷表示成恒定電流源，每次只合上一個聯絡開關，在配電網中形成一個環(huán)網；選擇環(huán)網中一個分段開關將其打開使配網恢復為輻射開網，從而實現負荷轉移，達到負荷均衡和降低網損的目的。

優(yōu)點：可以快速確定能夠降低網損的配電網結構；通過啟發(fā)式規(guī)則減少需要考慮的開關組合；可以利用公式估算開關操作帶來的配網網損變化。缺點：每次只能考慮一對開關的操作；不能保證全局最優(yōu)；給出的配電網結構與配電網的初始結構有關。

3）人工智能法。人工智能法包括模擬退火法、專家算法、遺傳算法及其改進型、以及至少2種的組合等。模擬退火法可以有效地繞開局部最優(yōu)解，以較大的幾率找到全局最優(yōu)解，最終解與初始解無關，但是其計算量過大，效率不高。專家算法具有實時性的特點，但構建知識庫的時間長，難以處理多約束條件，且需經常更新知識庫。

遺傳算法SGA是以自然基因選擇機理為基礎的搜索方法，通過模擬基因串的適者生存及隨機交換信息的方法搜索優(yōu)化方案。其對問題的初始狀態(tài)沒有要求，能夠得到全局最優(yōu)解，但處理效率不高，同時也存在著早熟問題。

國內外學者針對SGA的不足提出了不同的解決方案：文獻[23]對SGA中的遺傳操作參數中的種群規(guī)模N進行自適應，采用基于環(huán)路的編碼策略（可有效減少初始種群不可行解的產生），通過同時從宏觀和微觀2個方面控制種群規(guī)模，使得算法在運算的過程中能夠自適應調整種群規(guī)模，防止“早熟”的發(fā)生。文獻[24]對SGA中的遺傳算子進行了調整，根據個體自適應度的變化來自動調整交叉概率Pc和變異概率Pm，很好解決了SGA局部和全局搜索的矛盾，提高了搜索效率。文獻[25]在文獻[24]的根據個體自適應度的變化來自動調整交叉概率Pc和變異概率Pm的基礎上使用了小生境技術來保護種群基因的多樣性，進而達到克服種群早熟和種群進化后期收斂速度慢的問題。文獻[26]提出了一種以環(huán)路開關號為基因、系統(tǒng)環(huán)路數為染色體長度的編碼方法，在優(yōu)化過程中采用線性減少和指數增加的自適應調整的交叉率Pc和變異率Pm，并結合一定的禁忌規(guī)則，較好地提高了算法在網絡重構方面的效率。文獻[27]在遺傳操作環(huán)節(jié)則不再采用傳統(tǒng)的選擇、交叉和變異，而是僅以1條染色體上的基因換位，變異等單親遺傳算子，大大提高了計算效率。

為了更好運用各智能算法的優(yōu)點，現在又出現了基于以上算法的組合。文獻[28]加入了模擬退火法，使得克隆遺傳算法在產生下一代染色體時，趨于優(yōu)良品種發(fā)展，快速收斂。文獻[29]為了克服單親遺傳算法的不足，加入了禁忌搜索算法TS，將禁忌表和藐視準則融入其中，提高了收斂速度。這些混合算法可以彌補單一算法在配電網重構運用中的不足，使得計算過程迅速收斂，快速找到最優(yōu)解，逐漸成為今后配電網重構的主要研究方向。

3 智能配電網自愈框架體系

在智能配電網自愈相關技術的基礎上，有必要對智能配電網自愈框架體系進行研究。

文獻[30]給出了一種電網自愈的“2-3-6”框架，即“2”是指全局響應環(huán)和局部響應環(huán)的控制邏輯；“3”是指反應層、決策層和協(xié)調層的結構；“6”是指采集測量、監(jiān)視協(xié)調、工況評價、控制方案、協(xié)調和控制動作的控制環(huán)節(jié)，特別強調全局與局部的協(xié)調。文獻[31]提出了時空協(xié)調的大停電防御框架，從各道防線之間的協(xié)調和經濟性的不同來解決穩(wěn)定控制的可行性問題。文獻[32]提出了電網自愈策略和電網恢復搜索方法在自愈系統(tǒng)構架方面研究。文獻[33]提出了基礎層、支撐層和應用層的體系結構。文獻[34]提出組織協(xié)調中心是系統(tǒng)的“中樞”，決策中心是系統(tǒng)的“智囊團”的城市電網自愈控制體系結構。

上述研究為智能配電網自愈系統(tǒng)框架研究提供了重要支撐。在未來的自愈配電網中，為了更好獲得實時信息，建成以執(zhí)行全局性和局部相協(xié)調的、具有自適應的堅強智能配電網是非常必要的。電力基礎設施戰(zhàn)略防御系統(tǒng)SPID即是這樣一個自愈框架體系。

廣域復雜電力系統(tǒng)[35]是由電力系統(tǒng)EPS、信息通信與控制系統(tǒng)ICS、以及監(jiān)測與控制系統(tǒng)MCS組成的3S系統(tǒng)。SPID結構如圖1所示。

圖1 SPID的結構Fig.1 The structure of SPID

SPID系統(tǒng)的主要功能：

1）具有通過傳感器到衛(wèi)星等各種不同通信手段來獲取廣泛的實時信息的能力；

2）快速評估系統(tǒng)脆弱性的能力；

3）基于對廣域系統(tǒng)的評估，改進保護裝置和控制系統(tǒng)功能；

4）發(fā)現電網的不足，重新改造電網和優(yōu)化系統(tǒng)；

5）發(fā)生故障后，能使系統(tǒng)快速恢復。

SPID系統(tǒng)的智能多代理系統(tǒng)MAS是一種多層次、多等級系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為三層結構，如圖2所示，分為決策控制層、協(xié)調分析層和基礎監(jiān)測層。

①基礎監(jiān)測層：處于系統(tǒng)結構的最底層，分布于各子系統(tǒng)中，執(zhí)行各項命令，以實現電網自愈動作的快速響應；

②協(xié)調分析層：處于系統(tǒng)結構的中間層，負責協(xié)調處理評估層和響應層的關系，保證決策和執(zhí)行的協(xié)調配合，包括事件/告警過濾、模型更新、事故隔離、頻率穩(wěn)定性等。它擁有啟發(fā)式的知識代理，能夠識別來自響應層的各種突發(fā)事件；

圖2SPID智能多代理系統(tǒng)MASFig.2 Multi-agent system of SPID

③決策控制層：負責評價、論證和決策、事件預測、脆弱性評估、網絡重構、計劃等業(yè)務，以防止自然災害、人為蓄意破壞和系統(tǒng)自身故障等對電網的危害。

在該系統(tǒng)中，各個代理都相對獨立，負責各自的任務。但是，為了資源共享，各個代理又必須相互連接，達成各成員作用的相互協(xié)調，以實現配電網的自愈。這些代理之間的溝通共同采用一種代理通信語言，即基礎人工智能代理語言FIPA。FIPA從不同的方面規(guī)定了代理在架構、通信、移動、知識表達、管理與安全等方面的標準，有力推動了代理技術的發(fā)展。

MAS能夠根據每個子系統(tǒng)的需求，按功能建立不同的代理。在SPID系統(tǒng)中實現配電網自愈的代理分布位于決策控制層中，有以下幾種：

①計劃代理：用于系統(tǒng)發(fā)生異?；蛘吖收虾蟮陌l(fā)電機（電源）的切機和投運工作；

②隱性故障監(jiān)測：監(jiān)測網絡的隱性故障，并及時上傳到脆弱性代理中進行評價；

③脆弱性代理：用于對系統(tǒng)的各脆弱性指標進行評價，來發(fā)現隱性故障的可能性，并將這些信息傳到其他代理進行處理；

④故障定位代理：當系統(tǒng)發(fā)生故障或者擾動后，位于協(xié)調層的事故報警與過濾代理將會檢測到這些擾動信號，并將其發(fā)送給故障識別代理，從而觸發(fā)故障識別代理的功能。一旦故障識別代理分辨出該擾動，它將能夠識別出是網絡中哪一部分出現問題而導致的這些擾動。在識別擾動后，該代理會建立一個虛擬的網絡模型以實現故障定位，并將這些信息傳送給評估層的其他代理進行進一步的分析處理；

⑤重構代理：包括優(yōu)化重構代理和恢復重構代理兩部分。電網自愈策略的優(yōu)化與恢復功能就是由這一組代理所決定。它的模型包括系統(tǒng)處于脆弱狀態(tài)下的各種重構的方法，如遺傳算法及其改進型、專家算法、模擬退火算法和混合算法等。

總之，SPID的MAS系統(tǒng)具有資源共享、可靠性高、實時性好和易于擴展等特點，為智能配電網的自愈框架提供了新的研究思路。

4 結語

本文通過智能配電網自愈相關技術及其框架研究，為智能配電網自愈技術的發(fā)展提供很好的理論指導。但自愈在配電網上的實現仍是一項非常艱巨的工作，要建設一個具有自我優(yōu)化和自我恢復的自愈配電網還有許多工作要做，還任重而道遠。

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