智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)分析

蘆鵬

摘要：自愈是智能配電系統(tǒng)的重要特征。智能配電網(wǎng)自愈控制是解決中國(guó)配電網(wǎng)長(zhǎng)期以來(lái)存在的設(shè)備利用率低、供電可靠性低、線(xiàn)損率高等關(guān)鍵問(wèn)題的核心技術(shù)。首先介紹了智能配電網(wǎng)自愈控制的目標(biāo)、技術(shù)方案與實(shí)施條件，在此基礎(chǔ)上介紹了自愈控制研究與示范中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，包括智能配電網(wǎng)仿真、分析與試驗(yàn)，智能決策與網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，故障特性與保護(hù)，關(guān)鍵負(fù)荷保障等技術(shù)。最后，分析了智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)研究與應(yīng)用面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng);自愈控制;分布式電源

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)面臨的能源、環(huán)境和氣候問(wèn)題日益突出，發(fā)展“低碳、高效”經(jīng)濟(jì)成為國(guó)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)（smartgrid）”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

1.體系架構(gòu)

1.1自愈控制目標(biāo)

智能配電網(wǎng)自愈控制的目標(biāo)是在含DG的配電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防和隔離各種潛在故障和隱患，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外發(fā)生的各種擾動(dòng)，抵御外部嚴(yán)重故障沖擊，具有在故障情況下維持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行、自主修復(fù)故障并快速恢復(fù)供電的能力，可通過(guò)減少配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的人為干預(yù)，降低擾動(dòng)或故障對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)的影響。配電網(wǎng)直接面向用戶(hù)，其自愈能力的高低直接影響供電質(zhì)量。針對(duì)配電系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)，自愈控制的目標(biāo)與控制策略完全不同，可分為正常運(yùn)行狀態(tài)、控制區(qū)域內(nèi)部故障和控制區(qū)域外部故障3種情況。首先，在電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，自愈控制的目標(biāo)主要是在滿(mǎn)足系統(tǒng)安全穩(wěn)定約束的前提下，盡可能優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，充分利用系統(tǒng)中的可再生能源并降低損耗，提高資產(chǎn)利用效率;其次，在自愈控制區(qū)域內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，自愈控制應(yīng)快速切除故障并確定故障類(lèi)型與故障位置，盡可能減少或消除非故障段停電范圍與區(qū)域，在故障段則應(yīng)當(dāng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和快速搶修盡快恢復(fù)供電;最后，在控制區(qū)域外部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重故障時(shí)，應(yīng)斷開(kāi)與外部電網(wǎng)的連接，依靠區(qū)域內(nèi)的DG及儲(chǔ)能裝置，維持系統(tǒng)的自治運(yùn)行，保證部分關(guān)鍵負(fù)荷的持續(xù)供電。智能配電網(wǎng)自愈控制目標(biāo)是自愈策略與控制手段實(shí)施的基礎(chǔ)，同時(shí)也是評(píng)價(jià)自愈控制實(shí)施效果的依據(jù)。

1.2方案設(shè)計(jì)

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）集中控制方式主要依靠具有高級(jí)分析計(jì)算功能的系統(tǒng)主站來(lái)完成，它需要系統(tǒng)在發(fā)生故障后將量測(cè)信息發(fā)送到主站，通過(guò)分析計(jì)算確定故障類(lèi)型、故障位置并形成控制決策，再下發(fā)到保護(hù)裝置或智能終端執(zhí)行，整個(gè)故障的處理過(guò)程依賴(lài)主站完成。由于集中控制需要主站與終端的大量數(shù)據(jù)通信，同時(shí)僅由主站進(jìn)行分析決策，耗時(shí)較長(zhǎng)，很難滿(mǎn)足故障切除的快速性要求，因此，現(xiàn)階段完全依靠集中控制方式實(shí)現(xiàn)自愈控制是不現(xiàn)實(shí)的。2）分散控制方式主要依靠保護(hù)裝置或智能終端的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。故障的清除與故障后的供電恢復(fù)完全依靠基于局部信息的保護(hù)裝置或智能終端。分散控制方式的效率與可靠性較高，盡管保護(hù)裝置或智能終端間存在一定的聯(lián)系，但由于缺少主站的參與，基于局部信息的故障恢復(fù)過(guò)程缺乏全局性的整體協(xié)調(diào)能力，同時(shí)也不能適應(yīng)頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式。未來(lái)，基于多代理的分布式計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用可能會(huì)使分散控制方式得到推廣。3）集中—分散協(xié)調(diào)控制方式綜合了集中控制與分散控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布式協(xié)調(diào)控制。在故障清除階段主要依靠保護(hù)裝置（或智能終端）的配合實(shí)現(xiàn)，在故障恢復(fù)階段依靠主站分析計(jì)算后下發(fā)的控制命令實(shí)現(xiàn)。集中—分散控制方式一方面保證了故障切除的快速性，另一方面具有全局的協(xié)調(diào)優(yōu)化能力，可適應(yīng)多變的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)運(yùn)行方式，是現(xiàn)階段可行的自愈控制技術(shù)方案。圍繞自愈控制的目標(biāo)，自愈控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)既要考慮實(shí)施區(qū)域的基礎(chǔ)與條件，又將隨著技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)一步發(fā)展和完善。

1.3實(shí)施基礎(chǔ)與條件自愈控制技術(shù)的實(shí)施以配電自動(dòng)化為基礎(chǔ)，需要滿(mǎn)足以下基本條件：①配備各種智能化的開(kāi)關(guān)設(shè)備和配電終端設(shè)備;②系統(tǒng)中擁有雙電源或多電源以及DG和儲(chǔ)能設(shè)備，具有靈活、可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);③可靠的通信網(wǎng)絡(luò)及強(qiáng)大的信息處理能力;④擁有具有分析、計(jì)算、評(píng)估與預(yù)警等功能的智能化的主站系統(tǒng)。與傳統(tǒng)配電自動(dòng)化技術(shù)相比，自愈控制技術(shù)對(duì)主站系統(tǒng)的功能要求更高，能夠滿(mǎn)足DG的靈活接入要求。目前，中國(guó)城市電網(wǎng)的配電自動(dòng)化水平較高，具備較好的自愈控制實(shí)施基礎(chǔ)與條件。但相對(duì)于城市電網(wǎng)，農(nóng)村等偏遠(yuǎn)地區(qū)限于技術(shù)與經(jīng)濟(jì)水平，不完全具備自愈控制的實(shí)施條件。在自愈控制的研究與應(yīng)用中，建議應(yīng)以自愈控制目標(biāo)為基礎(chǔ)，考慮不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平，分階段有計(jì)劃地實(shí)施配電自動(dòng)化升級(jí)與改造，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)技術(shù)與運(yùn)營(yíng)的跨越式發(fā)展。

2.愈控制關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1配電網(wǎng)建模、仿真、分析和試驗(yàn)技術(shù)研究

智能配電網(wǎng)的建模、仿真、分析、試驗(yàn)理論與方法屬于自愈控制技術(shù)研究方面的核心基礎(chǔ)研究之一，可為智能配電網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、深層研究與工程應(yīng)用提供必要、有效的研究工具和手段。課題對(duì)含分布式電源、儲(chǔ)能及微電網(wǎng)的智能配電網(wǎng)的建模方法和仿真方法進(jìn)行研究。面向智能配電網(wǎng)的不同應(yīng)用場(chǎng)景，研究了智能配電網(wǎng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)建模理論，建立了含分布式電源及儲(chǔ)能裝置的智能配電網(wǎng)多時(shí)間尺度模型庫(kù)。具體包含：①涵蓋了智能配電網(wǎng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)層面的多時(shí)間尺度建模工作，包括一次能源動(dòng)態(tài)模型、新能源并網(wǎng)模型;②針對(duì)各種分布式電源以及儲(chǔ)能裝置在動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間尺度上的明顯差異，進(jìn)行了在不同仿真場(chǎng)景下的模型適應(yīng)性分析，包括燃料電池、電力電子裝置等;③針對(duì)智能配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)與參數(shù)高度不對(duì)稱(chēng)等典型特征，開(kāi)展了智能配電網(wǎng)模型化簡(jiǎn)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模型的整體降維化簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)高維復(fù)雜配電系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確和高效的分析計(jì)算。

針對(duì)智能配電不同時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程的具體特點(diǎn)，研究了面向穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬的多相潮流計(jì)算方法、面向準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的穩(wěn)定性仿真方法以及面向暫態(tài)過(guò)程的電磁暫態(tài)仿真方法，提出了基于顯式-隱式混合積分算法的穩(wěn)定性仿真方法、基于投影積分算法的穩(wěn)定性仿真方法、基于多線(xiàn)程并行計(jì)算的暫態(tài)仿真方法以及基于高斯算法和牛頓算法相結(jié)合的潮流計(jì)算方法，進(jìn)一步提升程序的仿真計(jì)算能力。研究了含分布式電源、微電網(wǎng)及儲(chǔ)能裝置的智能配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬方法，包括RTDS實(shí)時(shí)仿真方法和仿真建模技術(shù)，提出了基于FPGA的智能配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;開(kāi)展智能配電網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真技術(shù)研究，建立了基于RTDS的智能配電網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真與試驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)能夠?qū)哂胁煌妷旱燃?jí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和各

種運(yùn)行方式下的智能配電網(wǎng)進(jìn)行建模、仿真與分析，以及進(jìn)行智能終端、分布式智能控制保護(hù)設(shè)備等智能配電網(wǎng)二次設(shè)備的功能或性能的測(cè)試，具有良好的可擴(kuò)展性;基于RTDS試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了基于硬件在環(huán)仿真的智能配電網(wǎng)自愈控制裝置的試驗(yàn)測(cè)試，包括智能配電網(wǎng)自愈控制主站系統(tǒng)、智能配電網(wǎng)保護(hù)測(cè)控一體化終端和智能配電網(wǎng)故障指示器等，為智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)研究和示范工程的建設(shè)提供支撐。

2.2正常狀態(tài)下的自愈控制技術(shù)研究

研究了智能配電網(wǎng)在線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立了配電網(wǎng)在線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。該模型將風(fēng)險(xiǎn)視為健康度與重要度的二元函數(shù)，研究了評(píng)估對(duì)象的健康度與重要度的影響因素及其權(quán)重的確定規(guī)則。根據(jù)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層次及拓?fù)溥B接關(guān)系，將配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)分為四層，包括設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、饋線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)、饋線(xiàn)聯(lián)絡(luò)組風(fēng)險(xiǎn)以及系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。該模型可有效避免基于概率與后果的傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法中事件概率難以獲得、實(shí)用性差的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多維度、多時(shí)間尺度的配電網(wǎng)實(shí)時(shí)在線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。研究了含分布式電源的配電網(wǎng)安全預(yù)警指標(biāo)體系、運(yùn)行狀態(tài)劃分和安全預(yù)警方法。利用智能配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果計(jì)算相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)劃分指標(biāo)，并將配電網(wǎng)劃分為正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)和故障失電狀態(tài)，研究了運(yùn)行狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換機(jī)制通過(guò)含分布式電源的配電網(wǎng)在線(xiàn)k（n-1+1）評(píng)估，自動(dòng)生成預(yù)想事故集，提出智能配電網(wǎng)自動(dòng)預(yù)想事故集與故障恢復(fù)的匹配方案。

2.3故障情況下的自愈控制技術(shù)研究

研究含分布式電源的智能配電網(wǎng)故障檢測(cè)、定位、隔離及重構(gòu)技術(shù)。提出了基于和聲算法的含分布式電源配電網(wǎng)的主站故障定位方法。研究了階段式故障恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法，并將基本環(huán)路矩陣的自動(dòng)生成算法應(yīng)用其中，通過(guò)制定無(wú)不可行解的編碼規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了故障停電損失最小、恢復(fù)時(shí)間最短的目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：

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(lái)的影響，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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