電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換及功能配置策略研究

謝青洋 張旭東 楊洋

摘要：隨著智能電網(wǎng)和主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量和故障自愈能力的同時(shí)，還要求配電網(wǎng)中各類源-網(wǎng)-荷的電力自動(dòng)化終端之間靈活地支持和實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)和協(xié)調(diào)控制。本文運(yùn)用邊緣計(jì)算的理念，在考慮電力自動(dòng)化系統(tǒng)通信故障的條件下，對(duì)電力自動(dòng)化終端非自治控制模式與自治控制模式的切換技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換策略和自治功能配置策略，可以提高低壓配電網(wǎng)中電力自動(dòng)化系統(tǒng)的自愈能力，保障供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電力自動(dòng)化終端;自治控制;主動(dòng)配電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）11-0044-03

0 引言

電力系統(tǒng)中自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)架一般為服務(wù)器/客戶端通信模式，主要由電力自動(dòng)化終端（客戶端）和自動(dòng)化主站（服務(wù)器）構(gòu)成。其中，電力自動(dòng)化終端的主要功能為采集電氣一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（電壓、電流、頻率、功率、相角、開(kāi)關(guān)位置、告警信號(hào)等）上傳至自動(dòng)化主站，并接收自動(dòng)化主站下發(fā)的各種控制命令（開(kāi)關(guān)的遙控、變壓器檔位的遙調(diào)、保護(hù)裝置的跳閘等）對(duì)電氣一次設(shè)備進(jìn)行操作;自動(dòng)化主站的主要功能則為收集某個(gè)區(qū)域電力自動(dòng)化終端上傳的信息用以監(jiān)視電氣一次設(shè)備的運(yùn)行狀況，提供人機(jī)操作界面對(duì)所轄的電氣一次設(shè)備進(jìn)行集中控制。在配電網(wǎng)中，常見(jiàn)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)有：配電自動(dòng)化系統(tǒng)（配電自動(dòng)化終端為電力自動(dòng)化終端，配電自動(dòng)化主站為服務(wù)器）、分布式發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)（光伏發(fā)電逆變器和風(fēng)力發(fā)電逆變器為電力自動(dòng)化終端，監(jiān)控系統(tǒng)主站為服務(wù)器）、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（分布式發(fā)電逆變器和儲(chǔ)能控制器為電力自動(dòng)化終端，能量管理系統(tǒng)主站為服務(wù)器）、電動(dòng)汽車充電設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)（充電樁狀態(tài)采集和計(jì)費(fèi)裝置為電力自動(dòng)化終端，監(jiān)控系統(tǒng)為服務(wù)器）。

隨著智能電網(wǎng)和主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在提高配電網(wǎng)供電質(zhì)量和故障自愈能力的同時(shí)，還要求配電網(wǎng)中各類源-網(wǎng)-荷的電力自動(dòng)化終端之間，無(wú)論是縱向還是橫向都能夠靈活地支持和實(shí)現(xiàn)雙向互動(dòng)和協(xié)調(diào)控制。但是當(dāng)越來(lái)越多的分布式電源、充電樁、微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)時(shí)，能量的雙向流動(dòng)、隨機(jī)性、電能質(zhì)量等問(wèn)題都成為了主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度控制難點(diǎn)，而利用電力自動(dòng)化系統(tǒng)的自治控制技術(shù)來(lái)解決這些難點(diǎn)成為了業(yè)內(nèi)的共識(shí)。

1 電力自動(dòng)化系統(tǒng)自治控制技術(shù)研究概況

電力自動(dòng)化系統(tǒng)的自治控制模式有別于集中控制模式（服務(wù)器/客戶端）的非自治控制模式，在系統(tǒng)運(yùn)行控制時(shí)不需要上層主站服務(wù)器統(tǒng)一下發(fā)指令，而是通過(guò)系統(tǒng)中底層電力自動(dòng)化終端間進(jìn)行橫向的互動(dòng)，根據(jù)系統(tǒng)某區(qū)域的實(shí)際情況自主做出相應(yīng)的控制，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行控制的最優(yōu)。

目前針對(duì)低壓配電網(wǎng)中電力自動(dòng)化系統(tǒng)的自治控制技術(shù)有：（1）在配電網(wǎng)系統(tǒng)的自治控制技術(shù)研究方面，從網(wǎng)架規(guī)劃、配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)、配電網(wǎng)運(yùn)維等方面引入主動(dòng)配電網(wǎng)理念，采用分層目標(biāo)引導(dǎo)和自治單元來(lái)實(shí)現(xiàn)自治控制，用來(lái)代替人工在電力系統(tǒng)運(yùn)行控制中的工作，提出的是配電網(wǎng)的區(qū)域自治控制，并根據(jù)接入分布式電源后電網(wǎng)的特性，將配電網(wǎng)簡(jiǎn)化為以自治單元為主體的系統(tǒng)，然后進(jìn)行自治分區(qū)劃分并分類，計(jì)算不同類別自治分區(qū)的可靠性指標(biāo)[1-7];（2）在分布式發(fā)電和微電網(wǎng)系統(tǒng)中自治控制的技術(shù)研究主要集中在分層分級(jí)控制方法、微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的區(qū)域自治、無(wú)功電壓分散自治控制策略等[8-11]。

但是目前關(guān)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)自治控制技術(shù)的研究還存在不足：（1）現(xiàn)有的研究中自治控制的策略只考慮到了能量條件，但沒(méi)有考慮到通信條件，可能會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際工程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)自治控制。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，通信技術(shù)對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)而言越發(fā)重要，越來(lái)越多的電力自動(dòng)化系統(tǒng)都是能量流和信息流的融合，二者缺一不可。目前研究中所提到的自治控制策略或者模式都是基于電力自動(dòng)化終端和系統(tǒng)主站間通信正常的條件才可實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有考慮到在實(shí)際工程中電力自動(dòng)化終端與系統(tǒng)主站間通信故障時(shí)如何組網(wǎng)、如何實(shí)現(xiàn)自治控制的情況。（2）現(xiàn)有研究中自治控制策略絕大部分為集中式自治或者是分層式自治，對(duì)于電力自動(dòng)化系統(tǒng)主站服務(wù)器或者各層控制服務(wù)器的通信可靠性和處理能力有很強(qiáng)的要求，若主站服務(wù)器或者各層控制服務(wù)器出現(xiàn)故障，則整個(gè)電力自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。（3）現(xiàn)有研究中沒(méi)有討論非自治控制與自治控制策略的切換方法，要支持系統(tǒng)的自治控制，對(duì)電力自動(dòng)化終端的處理能力要求較高，或者需要在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中加裝新的控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于現(xiàn)存的電力自動(dòng)化終端的兼容性不高，不容易升級(jí)改造。

本文針對(duì)目前電力自動(dòng)化系統(tǒng)自治控制技術(shù)的不足，對(duì)考慮系統(tǒng)通信條件的自治控制切換及電力自動(dòng)化終端配置技術(shù)進(jìn)行了研究，用來(lái)保證電力自動(dòng)化終端出現(xiàn)通信故障時(shí)分組自治控制策略的執(zhí)行，并且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的非自治控制模式與自治控制模式的靈活切換，可以很好地兼容低壓配電網(wǎng)中現(xiàn)有的各類電力自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換策略

本文研究的電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換策略要求在電力自動(dòng)化終端處加裝一個(gè)具備邊緣計(jì)算能力和定位功能的自治控制模塊，由其負(fù)責(zé)該電力自動(dòng)化終端的對(duì)外雙向的通信和數(shù)據(jù)傳輸。

通信正常的情況下，電力自動(dòng)化終端的初始控制狀態(tài)為非自治控制模式——即傳統(tǒng)的服務(wù)器/客戶端（集中控制模式）的時(shí)候，電力自動(dòng)化終端加裝的自治控制模塊隨時(shí)監(jiān)測(cè)該終端與主站服務(wù)器的通信情況。當(dāng)自治控制模塊監(jiān)測(cè)到該終端與主站服務(wù)器的通信終端時(shí)，該自治控制模塊向其周邊的電力自動(dòng)化終端自治控制模塊以廣播的方式發(fā)送自治組隊(duì)請(qǐng)求，同時(shí)它還在通信網(wǎng)絡(luò)上監(jiān)聽(tīng)是否有其他自治控制模塊也在廣播組隊(duì)請(qǐng)求，之后自治控制模塊將根據(jù)以下兩種不同的通信狀況來(lái)自主做出判斷并執(zhí)行：

狀況一，若在該自治控制模塊發(fā)送自治組隊(duì)請(qǐng)求的同一時(shí)間段內(nèi)也收到了周邊其他電力自動(dòng)化終端自治控制模塊發(fā)出的自治組隊(duì)請(qǐng)求，說(shuō)明其他終端的自治控制模塊也監(jiān)測(cè)到了各自電力自動(dòng)化終端與主站服務(wù)器通信中斷了。由此，自治控制模塊可以判斷通信中斷是由于主站服務(wù)器發(fā)生故障造成的，且此時(shí)可以推斷主站服務(wù)器已經(jīng)無(wú)法負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能了;為了保障整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，自治控制模塊將電力自動(dòng)化終端切換為自治控制模式運(yùn)行;自治控制模塊對(duì)電力自動(dòng)化終端的自治控制功能進(jìn)行配置;在切換到自治控制模式后，自治控制模塊隨時(shí)監(jiān)測(cè)電力自動(dòng)化終端與主站服務(wù)器的通信是否恢復(fù)，如果恢復(fù)則退出電力自動(dòng)化終端的自治控制模式，切換回非自治控制模式;若沒(méi)有恢復(fù)，則繼續(xù)保持電力自動(dòng)化終端的自治控制模式。

狀況二，如果在該自治控制模塊發(fā)送自治組隊(duì)請(qǐng)求的同一時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有收到其他電力自動(dòng)化終端自治控制模塊發(fā)出的自治組隊(duì)請(qǐng)求，說(shuō)明僅僅是該電力自動(dòng)化終端與主站服務(wù)器的通信鏈路出現(xiàn)了故障，而其他電力自動(dòng)化終端與主站服務(wù)器的通信沒(méi)有問(wèn)題;該電力自動(dòng)化終端的自治控制模塊將會(huì)向周邊終端的自治控制模塊廣播通信救援請(qǐng)求，并且與第一個(gè)響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求的相鄰終端的自治控制模塊建立專用救援通信鏈路;通過(guò)該鏈路，與主站服務(wù)器通信中斷的電力自動(dòng)化終端就可以通過(guò)這條救援通信鏈路，經(jīng)由相鄰電力自動(dòng)化終端的自治控制模塊與主站服務(wù)器間接實(shí)現(xiàn)通信，仍然可以在非自治控制模式下實(shí)現(xiàn)主站對(duì)該電力自動(dòng)化終端的監(jiān)視與控制，故該電力自動(dòng)化終端無(wú)需切換至自治控制模式。

電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換策略的流程圖，如圖1所示。

3 電力自動(dòng)化終端自治功能配置策略

當(dāng)電力自動(dòng)化終端切換為自治控制模式后，需要自治控制模塊對(duì)其自治功能進(jìn)行配置后，自治控制模式才能正常運(yùn)行。當(dāng)電力自動(dòng)化終端切換為自治控制模式后，其自治控制模塊與同一時(shí)間段內(nèi)發(fā)出組隊(duì)請(qǐng)求的其他電力自動(dòng)化終端自治控制模塊建立專用的VLAN通信網(wǎng)絡(luò)組成自治控制組，同一自治控制組中的自治控制模塊相互共享各自電力自動(dòng)化終端的位置信息和通信數(shù)據(jù)。

組內(nèi)各個(gè)自治控制模塊單獨(dú)生成該自治控制組中各個(gè)電力自動(dòng)化終端的地理拓?fù)鋱D和通信數(shù)據(jù)列表，并根據(jù)拓?fù)鋱D中的電力自動(dòng)化終端所在節(jié)點(diǎn)和傳輸數(shù)據(jù)的重要性提名候選組長(zhǎng)終端，所有電力自動(dòng)化終端的自治控制模塊對(duì)稱為候選組長(zhǎng)的電力自動(dòng)化終端進(jìn)行投票，得票最高的電力自動(dòng)化終端稱為該自治控制組的組長(zhǎng)。組長(zhǎng)終端的自治控制模塊以保障組內(nèi)區(qū)域供電可靠性為目標(biāo)，制定自治控制策略，并下發(fā)至各個(gè)組員終端的自治控制模塊，各個(gè)自治控制模塊將根據(jù)其電力自動(dòng)化終端的具體情況對(duì)該控制策略進(jìn)行預(yù)演，根據(jù)預(yù)演結(jié)果對(duì)該控制策略進(jìn)行表決，若預(yù)演結(jié)果顯示電力自動(dòng)化終端在該自治控制策略下無(wú)法可靠穩(wěn)定運(yùn)行，則該終端的自治控制模塊將會(huì)反對(duì)這個(gè)自治控制策略。若有任意組員終端的自治控制模塊反對(duì)，則提出反對(duì)的自治控制模塊需向組長(zhǎng)終端的自治控制模塊發(fā)送其預(yù)演結(jié)果;組長(zhǎng)終端的自治控制模塊在考慮其預(yù)演結(jié)果的情況下，重新提出優(yōu)化后的自治控制策略供組員終端的自治控制模塊再次進(jìn)行表決，直到所有組員終端的自治控制模塊都同意該自治控制策略。若所有組員終端的自治控制模塊對(duì)同意該控制策略，則在獲取該自治控制策略后指導(dǎo)其電力自動(dòng)化終端執(zhí)行，完成電力自動(dòng)化終端自治控制功能的配置。電力自動(dòng)化終端自治功能配置策略的流程圖如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用邊緣計(jì)算的理念，在考慮電力自動(dòng)化系統(tǒng)通信故障的條件下，對(duì)電力自動(dòng)化終端非自治控制模式與自治控制模式的切換技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了電力自動(dòng)化終端自治控制模式切換策略和自治功能配置策略。通過(guò)應(yīng)用本文研究的策略，在電力自動(dòng)化系統(tǒng)或者終端出現(xiàn)通信故障時(shí)，實(shí)現(xiàn)了電力自動(dòng)化終端在傳統(tǒng)非自治控制模式與自治控制模式下的靈活切換，可以提高系統(tǒng)故障自愈能力，最大限度地保證低壓配電網(wǎng)中電力自動(dòng)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，保障供電質(zhì)量。

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