智能配電網(wǎng)自愈控制方案研究

黃澤華 李 錳 劉裕涵 全少理 王利利

（1. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 鄭州 450001 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410082）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類面臨的能源、環(huán)境和氣候問題日益突出，發(fā)展“低碳、高效”經(jīng)濟(jì)成為國際社會(huì)的廣泛共識(shí)。電力作為最廣泛應(yīng)用的二次能源供應(yīng)方式，在“低碳、高效”經(jīng)濟(jì)建設(shè)中承擔(dān)著極為核心的角色?！爸悄茈娋W(wǎng)（smart grid）”以其可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、兼容、互動(dòng)等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向。

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中直接面向電力用戶的部分，是保證供電質(zhì)量、客戶服務(wù)體驗(yàn)、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率的中心環(huán)節(jié)。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的興起以及用戶對(duì)供電質(zhì)量、供電可靠性要求的不斷提高，配電網(wǎng)特別是具有自愈特征的智能配電網(wǎng)受到了廣泛的關(guān)注和重視[1,2]。

2 智能配電網(wǎng)自愈控制的定義、特征及定位

智能配電網(wǎng)自愈控制的概念最早由美國電力科學(xué)研究院（EPRI）和美國國防部在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計(jì)劃”中提出[3]。智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的基本概念可以概括為：在配電網(wǎng)的不同層次和區(qū)域內(nèi)實(shí)施充分協(xié)調(diào)且技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的控制手段與策略，使其具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在不同狀態(tài)下的安全、可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[4]。實(shí)現(xiàn)自愈控制是實(shí)現(xiàn)智能配電網(wǎng)運(yùn)行控制的顯著特點(diǎn)，配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，智能配電網(wǎng)自愈控制主要體現(xiàn)在對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控優(yōu)化與預(yù)警；故障狀態(tài)時(shí)，該技術(shù)體現(xiàn)在對(duì)故障的定位、隔離以及供電恢復(fù)。從特征上看，自愈控制特別強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)具有的自我預(yù)防和自我恢復(fù)的能力[5]：

（1）以預(yù)防控制為主要控制手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患；

（2）具有故障情況下維持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的能力，不造成或盡可能減小系統(tǒng)的運(yùn)行損失，并且通過最小范圍最短時(shí)間故障隔離和網(wǎng)絡(luò)自治修復(fù)功能實(shí)現(xiàn)用戶的不間斷供電。

智能配電網(wǎng)自愈控制的總體原則是實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電。如圖1所示，依照此原則，在不同的狀態(tài)下，配電網(wǎng)自愈控制的目標(biāo)依次是：首先對(duì)可能的故障進(jìn)行預(yù)警避免其發(fā)生；其次，如果故障不可避免，則希望故障后能不失去負(fù)荷；以故障后保障重要（關(guān)鍵）負(fù)荷為基本的控制底線；如果發(fā)生了電網(wǎng)癱瘓事故，則意味著電網(wǎng)自愈控制失敗。

圖1 配電網(wǎng)自愈控制區(qū)域圖Fig.1 Distribution network self-healing control area

3 傳統(tǒng)配電自動(dòng)化技術(shù)條件下的故障處理

在配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的概念被明確提出并采用之前，以自動(dòng)恢復(fù)配電網(wǎng)運(yùn)行故障、提高配電網(wǎng)可靠性為基本目標(biāo)的配電自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)歷經(jīng)了長期的、多個(gè)階段的發(fā)展和演進(jìn)[6,7]。

最早實(shí)現(xiàn)的是饋線自動(dòng)化（Feeder Automation，F(xiàn)A）技術(shù)，即從變電站出線到用戶用電設(shè)備之間的饋電線路的自動(dòng)化。饋線自動(dòng)化技術(shù)的核心內(nèi)容包括兩大方面：一是配電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的自動(dòng)重構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)化；二是配電網(wǎng)在事故狀態(tài)下的故障檢測、故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)移和恢復(fù)供電控制[8,9]。我國饋線自動(dòng)化技術(shù)自 1999年以來陸續(xù)在上海浦東、邯鄲、鄭州、鹽城等地得到應(yīng)用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)故障自愈的部分功能。

基于配電自動(dòng)化（Distribution Automation，DA）主站的集中控制技術(shù)是在饋線自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合以配電 SCADA為核心的配電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)在正常運(yùn)行及事故情況下的監(jiān)測、保護(hù)、控制和管理的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行監(jiān)視和控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，通常具備配電 SCADA、饋線自動(dòng)化、電網(wǎng)分析應(yīng)用及與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)等功能，主要由配電主站、配電終端、配電子站（可選）和通信通道等部分組成。位于配電自動(dòng)化主站的配電管理系統(tǒng)（DMS系統(tǒng)），除基本配電 SCADA系統(tǒng)外，通常還具備相關(guān)配網(wǎng)管理高級(jí)應(yīng)用功能，包括地理信息系統(tǒng)（GIS系統(tǒng)）等，以及與配電生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）等實(shí)現(xiàn)信息互通[10]。要實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化，需要合理的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具備環(huán)網(wǎng)供電的條件；環(huán)網(wǎng)開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等各種開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)必須具有遠(yuǎn)程操作功能，配置相應(yīng)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備；開關(guān)柜內(nèi)必須具備可靠的開關(guān)操作電源和供遠(yuǎn)程終端設(shè)備、通信設(shè)備用的工作電源；具備可靠的、不受外界環(huán)境影響的通信系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端設(shè)備通常具有“一遙”、“二遙”、或者“三遙”功能：具備“三遙”功能的終端能夠?qū)⒉杉拈_關(guān)位置信息（即遙信 YX）及電流電壓量（即遙測 YC），通過通信系統(tǒng)上傳到配電自動(dòng)化主站；同時(shí)，配電自動(dòng)化主站系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)對(duì)開關(guān)進(jìn)行分合操作（即遙控YK）[11]。

4 智能配電網(wǎng)技術(shù)條件下的自愈控制技術(shù)

智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)不僅是對(duì)傳統(tǒng)配電自動(dòng)化技術(shù)（Distribution Automation，DA）的提升和發(fā)展，也是下一代高級(jí)配電自動(dòng)化技術(shù)的核心，是促進(jìn)分布式電源友好接入和提高配電資產(chǎn)利用效率的關(guān)鍵，是極具工程化、實(shí)用化價(jià)值與技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的智能配電網(wǎng)技術(shù)[12]。

智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)實(shí)施方案是自愈控制策略的具體體現(xiàn)，直接決定了自愈控制的實(shí)施效果與代價(jià)。智能配電網(wǎng)自愈控制功能的實(shí)現(xiàn)主要包括以下3種方式：

（1）基于分布式智能終端的就地控制方式。該方案的核心是分布式智能終端。通過 FTU相互通信，該方案能在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)快速的故障隔離、重構(gòu)轉(zhuǎn)供，不需要配電自動(dòng)化主站、子站的參與，即使配電主站系統(tǒng)通信中斷，也不會(huì)影響故障處理和供電恢復(fù)?；诜植际街悄芘潆娊K端的就地控制技術(shù)可以采用不同模式進(jìn)行工作：無需通信系統(tǒng)的自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，各開關(guān)完全根據(jù)自身檢測到的信息動(dòng)作，稱之為“自主重構(gòu)模式”；當(dāng)開關(guān)設(shè)備之間或開關(guān)設(shè)備與主站之間的通信通道存在時(shí)，重構(gòu)方案與網(wǎng)絡(luò)式保護(hù)相結(jié)合，可以升級(jí)為“協(xié)作重構(gòu)模式”以及“綜合重構(gòu)模式”。在“自主重構(gòu)方式”中故障后網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是由重合器與智能開關(guān)的自主配合來完成的，并不需要通信。這種模式的主要缺點(diǎn)一是無法一次動(dòng)作確定各開關(guān)開斷，使得供電恢復(fù)時(shí)間較長，二是由于開關(guān)需要多次開斷，導(dǎo)致線路承受的一次電流沖擊較強(qiáng)。

“協(xié)作重構(gòu)方式”在具有快速通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，利用開關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，獲取開關(guān)的開斷狀態(tài)，從而快速準(zhǔn)確的獲得故障的位置信息，隔離故障并完成轉(zhuǎn)供，使得線路盡可能少的遭受電流沖擊，同時(shí)進(jìn)一步加快供電恢復(fù)。

如果采用主從式通信網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)置一臺(tái)服務(wù)子站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理、轉(zhuǎn)發(fā)和判斷，只需配備簡單的通信和仲裁軟件，即可實(shí)現(xiàn)從“自主重構(gòu)模式”向“協(xié)作重構(gòu)模式”的升級(jí)。如果具備對(duì)等式通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)任意開關(guān)之間的雙向信息交流，則可以不設(shè)置子站，而由終端自主完成故障的隔離和轉(zhuǎn)供。

新型的智能配電控制裝置可以同時(shí)具備“自主重構(gòu)模式”和“協(xié)作重構(gòu)模式”的分布式智能功能。由于“協(xié)作重構(gòu)模式”可以更快更準(zhǔn)確的隔離故障和轉(zhuǎn)移供電，所以在有通信通道的條件下，優(yōu)先以“協(xié)作重構(gòu)模式”作為主，以“自主重構(gòu)模式”為后備方案；當(dāng)通信通道或子站出現(xiàn)問題時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為“自主重構(gòu)模式”運(yùn)行。能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模式之間轉(zhuǎn)換的分布式智能方案即“綜合重構(gòu)模式”。

分布式智能工作模式技術(shù)方式的特點(diǎn)是故障自愈的時(shí)間能顯著縮短，“協(xié)作重構(gòu)”方式下處理時(shí)間在 ms級(jí)至 s級(jí)；對(duì)通信系統(tǒng)依賴程度較低，即使通信中斷，也不會(huì)影響故障處理和轉(zhuǎn)供。缺點(diǎn)是對(duì)于配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的線路不太適用。當(dāng)線路中轉(zhuǎn)供回路有多種選擇時(shí)，不能及時(shí)從全局角度給出最優(yōu)轉(zhuǎn)供回路。該技術(shù)方式適用于對(duì)供電可靠性要求較高但大范圍鋪設(shè)光纖存在困難的配電區(qū)域。

（2）基于分布式智能終端與主站協(xié)調(diào)配合的綜合控制方式。在配電網(wǎng)故障處理過程中，基于分布式智能終端的就地控制方式和基于配電自動(dòng)化主站的集中控制方式的各有優(yōu)、缺點(diǎn)，并且具有很強(qiáng)互補(bǔ)性，如表所示。

表 分布式智能就地控制和集中式控制技術(shù)方案比較Tab. Distributed intelligent control and centralized control technology scheme comparison

基于分布式智能終端與主站協(xié)調(diào)配合的綜合控制方式采用以單條饋線或饋線組為控制對(duì)象的分層分布控制模式，將饋線的故障識(shí)別、定位與隔離完全下放到配電終端實(shí)現(xiàn)；配電子站、配電主站在功能上保留集中式饋線自動(dòng)化控制方式（即通過遙控來隔離故障），但是將該項(xiàng)功能作為配電終端的后備，只有在配電終端處理故障失敗的情況下才由配電子站處理故障，在配電終端及配電子站控制均失效的情況下才由配電主站來進(jìn)行故障處理。

該綜合控制方案以分布式智能的就地處理方式為主，可以保證在通信失效的情況下也能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障處理和供電恢復(fù)，使故障造成的損失降到最低；而基于通信的集中式網(wǎng)絡(luò)控制方式提供了優(yōu)化的備選方案，在通信正常的情況下，可以避免分布式智能終端無法從全局出發(fā)給出合理方案的不足，也給調(diào)度人員介入故障處理提供了接口，便于調(diào)度員監(jiān)視和控制故障的自動(dòng)處理過程。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是故障處理速度快，可靠性高，且可通過配電自動(dòng)化主站進(jìn)行全局優(yōu)化。該技術(shù)方式適用于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供路徑復(fù)雜、負(fù)荷密度高、可靠性要求高的配電區(qū)域。

（3）基于分布式智能終端的多代理技術(shù)的綜合控制方式?；诜植际街悄芏啻砑夹g(shù)的綜合控制方式在區(qū)域電網(wǎng)層面，采用基于全局信息的集中控制，并通過建立在統(tǒng)一支撐平臺(tái)基礎(chǔ)上的自愈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；在變電站和饋線層面，則通過分布式計(jì)算與控制技術(shù)完成上層系統(tǒng)指派的各種分析計(jì)算功能，它基于分布式智能多代理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在局部層面上，采用基于局部信息的就地控制，配置具備人工智能功能的智能配電終端、聯(lián)絡(luò)和分段開關(guān)等設(shè)備[13]。

在規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多種分布式電源接入的智能配電系統(tǒng)中，基于智能多代理技術(shù)的分布式智能系統(tǒng)發(fā)揮各級(jí)智能代理所擁有的局部智能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用基于局部信息的保護(hù)裝置首先實(shí)現(xiàn)故障的快速切除，然后通過智能代理利用局部信息和局部智能判斷當(dāng)前局部系統(tǒng)狀態(tài)，選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)供路徑，控制相應(yīng)分布式電源的出力，并重新整定相應(yīng)保護(hù)設(shè)備的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)將要發(fā)生故障時(shí)，基于智能多代理技術(shù)的分布式智能系統(tǒng)的局部智能代理將感知局部信息，進(jìn)行相應(yīng)的分析和計(jì)算，然后采取對(duì)應(yīng)的處理措施，例如改變分布式電源的出力、調(diào)整變壓器抽頭、投切無功補(bǔ)償裝置以及改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等手段使得局部區(qū)域進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)，然后基于全局信息的集中控制則會(huì)綜合判斷整個(gè)系統(tǒng)是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

基于分布式智能多代理技術(shù)的綜合控制方式能夠適應(yīng)任意類型的配電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了最快的故障定位、故障隔離和故障恢復(fù)過程，是智能配電網(wǎng)自愈控制的最終目標(biāo)。對(duì)于分布式電源接入的配電網(wǎng)，采用基于分布式智能多代理技術(shù)的綜合控制方式，主站系統(tǒng)可以根據(jù)分布式電源的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時(shí)、靈活調(diào)整智能終端保護(hù)整定值及策略，從而實(shí)現(xiàn)分布式智能終端與分布式電源之間的協(xié)調(diào)匹配。這一模式既延續(xù)了分布式智能就地控制快速、可靠的優(yōu)點(diǎn)，也能保證分布式電源接入條件下故障隔離及負(fù)荷轉(zhuǎn)供操作的合理性和最優(yōu)性，同樣是含分布式電源接入配電網(wǎng)自愈控制的最佳模式。

5 結(jié)論

本文闡述了智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的概念與特征，由配電自動(dòng)化故障處理入手，以不同技術(shù)水平系統(tǒng)故障處理為例分析了幾種典型的自愈控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的應(yīng)用有利于提高配電網(wǎng)供電可靠性和安全性，解決大量分布式電源接入帶來的影響，具有廣闊的市場前景。

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