智能配電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

智能配電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在智能配電網(wǎng)仿真平臺(tái)上實(shí)施的，該平臺(tái)主要包含三個(gè)功能模塊：一是智能電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃模塊，該模塊集信息技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)為一體，為電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃奠定實(shí)踐基礎(chǔ);二是自愈控制技術(shù)模塊，該模塊提供含分布式電源的自愈配電網(wǎng)保護(hù)與控制技術(shù);三是微電網(wǎng)運(yùn)行與控制模塊，該模塊分析含分布式發(fā)電的微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提供微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的控制方式。

智能配電網(wǎng)仿真平臺(tái)介紹

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于美國電力科學(xué)研究院的OpenDSS仿真工具，在江蘇省智能電網(wǎng)信息工程綜合訓(xùn)練中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過開發(fā)智能配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃、自愈控制技術(shù)和并網(wǎng)/孤網(wǎng)運(yùn)行控制等仿真模塊而實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)χ悄芘潆娋W(wǎng)的實(shí)例場景進(jìn)行仿真。如圖1所示，仿真平臺(tái)包含三個(gè)部分。第一部分是人機(jī)交互界面，提供配電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、結(jié)果輸出打印、信息告警等。第二部分是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理平臺(tái)，儲(chǔ)存大量的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。第三部分是功能模塊平臺(tái)，提供智能配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃、自愈控制技術(shù)和微電網(wǎng)運(yùn)行控制分析。

智能配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃模塊

地理信息系統(tǒng)（GIS）將地學(xué)空間數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過系統(tǒng)建立、操作與模型分析，產(chǎn)生對(duì)區(qū)域規(guī)劃及管理決策等方面的有用信息，因此地理信息系統(tǒng)非常合適作為配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。GIS系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)分析能力，可以方便地處理配電系統(tǒng)與空間有關(guān)的信息，這能極大地方便規(guī)劃數(shù)據(jù)的管理，提高配電網(wǎng)規(guī)劃工作效率。

該模塊是基于GIS的集數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)分析與評(píng)價(jià)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化規(guī)劃為一體的規(guī)劃平臺(tái)，是智能配電網(wǎng)科學(xué)規(guī)劃的基礎(chǔ)，對(duì)配電網(wǎng)科學(xué)化管理和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常重要的意義。模塊是通過借鑒國外一些基于GIS的配電網(wǎng)管理軟件，采用一些成熟的平臺(tái)和組件技術(shù)、規(guī)范信息結(jié)構(gòu)和各組件的接口實(shí)現(xiàn)而來的。

自愈控制技術(shù)模塊

配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)是指配電網(wǎng)的自我預(yù)防和自我恢復(fù)能力。實(shí)施自愈控制技術(shù)的目的是為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和消除潛在隱患，避免配電網(wǎng)運(yùn)行惡化;在故障發(fā)生后，能快速切除故障，維持配電網(wǎng)可靠運(yùn)行;進(jìn)行優(yōu)化分析，提高配電網(wǎng)運(yùn)行安全裕度;以及讓配電網(wǎng)運(yùn)行在更經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

該模塊中自愈控制策略分為四步：緊急控制、恢復(fù)控制、校正控制和預(yù)防控制?？刂屏鞒倘鐖D2所示。仿真模擬時(shí)，基于實(shí)時(shí)調(diào)度結(jié)果，形成自愈控制策略，通過基于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的電氣設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)，控制可編程邏輯的配電網(wǎng)保護(hù)裝置（邏輯編程達(dá)到保護(hù)的元件級(jí)并支持在線動(dòng)態(tài)修改定值），調(diào)整配電網(wǎng)運(yùn)行方式和分布式電源的投/退，完成智能配電網(wǎng)自愈控制。

微電網(wǎng)運(yùn)行控制模塊

微電網(wǎng)構(gòu)成主要包括分布式電源和負(fù)荷。在正常情況下，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的開關(guān)是閉合的，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，這種運(yùn)行模式稱為聯(lián)網(wǎng)模式;當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障或是配電網(wǎng)電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的開關(guān)斷開，微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，這種運(yùn)行模式稱為孤網(wǎng)模式。因此，微電網(wǎng)運(yùn)行控制主要是指在保證配電網(wǎng)和微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定的前提下，控制微電網(wǎng)的運(yùn)行模式切換。微電網(wǎng)模式切換分為計(jì)劃并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)和計(jì)劃孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)兩種情況。

該模塊采取分布式協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制方式，基于3層Multi-Agent結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、穩(wěn)定補(bǔ)救和無功補(bǔ)償裝指定值的自適應(yīng)修改，以及實(shí)現(xiàn)解列后微電網(wǎng)的分布式智能控制。另外，各級(jí)EMS、DMS、廠站自動(dòng)化系統(tǒng)之間的分布協(xié)調(diào)控制，也是由認(rèn)知層、協(xié)作層和反應(yīng)層構(gòu)成的Multi-Agent來實(shí)現(xiàn)的。

智能配電網(wǎng)仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在智能配電網(wǎng)仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本科生所學(xué)的相關(guān)知識(shí)和培養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于電氣工程專業(yè)本科生的2學(xué)時(shí)專業(yè)實(shí)驗(yàn)，以提高本科生對(duì)配電網(wǎng)基本概念和配電網(wǎng)規(guī)劃的相關(guān)知識(shí)的理解。根據(jù)研究研究生所學(xué)的相關(guān)知識(shí)和培養(yǎng)要求，設(shè)計(jì)了兩個(gè)適用于電力系統(tǒng)專業(yè)研究生的6學(xué)時(shí)科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以提高研究對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行與控制相關(guān)知識(shí)的理解，增強(qiáng)研究生在配電網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)和創(chuàng)造性。設(shè)計(jì)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

序號(hào) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 學(xué)時(shí) 實(shí)驗(yàn)類型 適用學(xué)生

1 智能配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃 居民小區(qū)負(fù)荷特性分析和預(yù)測(cè);小區(qū)配電網(wǎng)供電能力和可靠性分析;配電網(wǎng)無功分布優(yōu)化分析 2 專業(yè)基礎(chǔ) 本科生

2 配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)仿真 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)分析;配電網(wǎng)分布式協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制技術(shù)仿真 6 科研創(chuàng)新 研究生

3 微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤網(wǎng)運(yùn)行控制 微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與控制仿真;微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行與控制仿真;微電網(wǎng)故障診斷與分析;微電源對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)策略的影響仿真 6 科研創(chuàng)新 研究生

智能配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以居民小區(qū)為單位，對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分類、特性分析和模式辨識(shí)，預(yù)測(cè)含分布式電源配電網(wǎng)的電力負(fù)荷;分析分布式電源對(duì)配電網(wǎng)各類指標(biāo)的影響，評(píng)價(jià)考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移的配電網(wǎng)最大供電能力;分析含分布式電源的配電網(wǎng)的可靠性，分析分布式電源不同運(yùn)行方式對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響;分析/規(guī)劃含分布式電源的智能配電網(wǎng)的無功分布。

開展智能配電網(wǎng)規(guī)劃，是為了找到最好的方法使得配電網(wǎng)建設(shè)投資方案最優(yōu)。因此，在進(jìn)行以上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，需要滿足配電網(wǎng)規(guī)劃的一些基本要求：保證供電質(zhì)量;滿足負(fù)荷增長的需要;經(jīng)濟(jì)性;同環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

（2）實(shí)驗(yàn)效果和目的

基于GIS的配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃模塊能夠直觀地展示以小區(qū)為單位的負(fù)荷時(shí)空變化曲線，便于學(xué)生理解配電網(wǎng)的電力負(fù)荷特性和運(yùn)行模式。通過配電網(wǎng)電氣接線的顯示和聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作的動(dòng)畫演示，利于學(xué)生理解負(fù)荷轉(zhuǎn)移的具體過程。通過把相關(guān)電氣量顯示在配電網(wǎng)電氣接線圖上，并對(duì)電氣量變化進(jìn)行動(dòng)畫顯示，可以讓學(xué)生直觀地理解分布式電源對(duì)配電網(wǎng)可靠性和無功分布的影響。

配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)仿真

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于實(shí)時(shí)測(cè)量的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，預(yù)測(cè)最有可能失敗的設(shè)備、發(fā)電設(shè)備和線路;實(shí)時(shí)應(yīng)急分析配電網(wǎng)整體的健康水平，預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致電網(wǎng)故障發(fā)展的早期故障事件;配電網(wǎng)出現(xiàn)故障或發(fā)生其他問題時(shí)，基于對(duì)地和遠(yuǎn)程設(shè)備通信得到電壓、電能質(zhì)量、過載等信息，分析應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)故障所采取的分布式協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制手段的效果。

（2）實(shí)驗(yàn)效果和目的

通過對(duì)配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行失敗的預(yù)測(cè)，讓學(xué)生理解配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的具體內(nèi)容和主要方法。平臺(tái)分別在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上對(duì)配電網(wǎng)的電氣量進(jìn)行動(dòng)畫顯示，讓學(xué)生直觀感受分布式協(xié)調(diào)/自適應(yīng)控制帶來的配電網(wǎng)自愈效果。

微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤網(wǎng)運(yùn)行控制

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，對(duì)接入點(diǎn)的潮流方向進(jìn)行控制;微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行情況下，微電網(wǎng)內(nèi)部故障對(duì)配電網(wǎng)的影響分析以及微電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)故障的支持作用分析;微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行情況下，計(jì)算微電網(wǎng)內(nèi)故障電流大小，設(shè)計(jì)合適的故障診斷方式;分析微電源（分布式發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能元件）和負(fù)荷對(duì)保護(hù)的影響，制定合適的微電網(wǎng)保護(hù)策略。

（2）實(shí)驗(yàn)效果和目的

平臺(tái)構(gòu)建的微電源發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)運(yùn)行控制、電動(dòng)汽車等仿真模塊，可使學(xué)生了解微電網(wǎng)的構(gòu)成、運(yùn)行方式和控制技術(shù)。通過開合微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的開關(guān)，讓學(xué)生理解微電網(wǎng)并網(wǎng)/孤網(wǎng)運(yùn)行方式。通過調(diào)整微電網(wǎng)內(nèi)的微電源出力和負(fù)荷大小，掌握接入點(diǎn)的潮流方向控制方法。通過在微電網(wǎng)和配電網(wǎng)內(nèi)設(shè)置故障，讓學(xué)生了解故障對(duì)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的影響，掌握故障電流大小計(jì)算方法。平臺(tái)對(duì)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)對(duì)故障的響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)畫顯示，讓學(xué)生直觀感受配電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作的全過程，利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和內(nèi)容的理解。

智能配電網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可開展智能電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃、自愈控制技術(shù)和微電網(wǎng)控制技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以滿足電氣工程類及相關(guān)專業(yè)本科、研究生的智能配電網(wǎng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。該仿真平臺(tái)是在GIS和OpenDSS等的基礎(chǔ)上通過開發(fā)相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)的，能夠動(dòng)畫顯示智能電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)劃結(jié)果、自愈控制技術(shù)給配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)帶來的改變和微電網(wǎng)控制技術(shù)對(duì)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)故障的支持作用，讓學(xué)生直觀感受仿真結(jié)果，利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法的加深理解。（作者供職于南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系）