多源智能配電網(wǎng)自愈控制關鍵技術研究＊

胡偉，周敏

（湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲 412000）

1 研究意義

相對于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)，智能配電網(wǎng)中接入了大量的分布式電源以及儲能裝置，分布式電源以及儲能裝置的接入使智能配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源系統(tǒng)變成了多電源，加之分布式電源以及儲能裝置具有一定的隨機性，使得智能配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下出現(xiàn)了雙向不定潮流的問題，使得智能配電網(wǎng)運行方式復雜多變[1-3]。安全穩(wěn)定運行是智能配電網(wǎng)其他功能實現(xiàn)的基礎與前提，而自愈控制能及時發(fā)現(xiàn)、預防和隔離各類可能出現(xiàn)的故障及安全隱患，優(yōu)化配電網(wǎng)運行狀態(tài)，能抵御內(nèi)外部各類故障的沖擊，抑制系統(tǒng)內(nèi)外的各種擾動。具有在故障狀態(tài)下維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行、修復故障、快速恢復供電的能力，能簡化調(diào)度操作流程，實現(xiàn)全自動化過程，降低配電網(wǎng)內(nèi)部擾動和外部故障時對用戶的影響[4-6]。

2 多源智能配電網(wǎng)自愈控制框架

智能配電網(wǎng)自愈控制技術的實現(xiàn)特別強調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性與適應性，是一項復雜的系統(tǒng)工程，為了行之有效地實現(xiàn)多源智能配電網(wǎng)的自愈控制，本文提出了如圖1 所示的自下至上的分層協(xié)調(diào)自愈控制框架。

圖1 面向多源配電網(wǎng)的自愈控制系統(tǒng)總體框架

分層協(xié)調(diào)自愈控制框架由3 個功能層構成，分別是基礎層、支撐層和應用層。其中，基礎層是實體智能配電網(wǎng)及相關的電力設備，包括智能開關、保護控制設備、分布式電源、智能配電終端等；支撐層是數(shù)據(jù)和通信，涉及到高速、雙向、實時、集成的通信技術，開放的通信架構，統(tǒng)一的技術標準等；應用層是本文重點研究的內(nèi)容，主要包括故障預警和分析、網(wǎng)絡重構、自愈決策、自愈控制等。

3 多源智能配電網(wǎng)自愈控制關鍵技術

3.1 智能配電網(wǎng)測量保護一體化終端裝置設計

為了較好地實現(xiàn)故障自愈控制，需要對多源智能配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析及挖掘，因此，研究面向智能配電網(wǎng)測量保護一體化智能終端尤為關鍵。在裝置研發(fā)方面，本文研究了一款功能模塊化、組合靈活化、保護監(jiān)控智能化、高可靠性、廣泛適用性、擴展性良好的低功耗一體化配電智能饋線終端（Feeder Terminal Unit，F(xiàn)TU），可實現(xiàn)智能配電網(wǎng)分布式和集中式控制方式，能快速準確地判斷出故障，并根據(jù)多源配電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲，實現(xiàn)最優(yōu)重構方案，快速準確地恢復供電。智能FTU 其典型連接方式如圖2 所示。

圖2 智能終端連接示意圖

該終端除了具有一般FTU 的通用功能外，還加入了間隔層光纖通信網(wǎng)絡，終端之間可以直接通信，通過這個硬件接口，各個FTU 可以結合光纖保護接口進行快速數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)電網(wǎng)自愈和優(yōu)化控制。

保護模塊主要實現(xiàn)電網(wǎng)交流量的采集、數(shù)據(jù)計算和線路保護功能。該模塊使用DSP（C6748）為核心的最小系統(tǒng)作為計算核心，通過2 片8 路AD（AD7606）采樣，可實現(xiàn)16 路交流量數(shù)據(jù)的采集。該模塊具有8路輸入開關量和4 路輸出開關量接口，可實現(xiàn)對柱上斷路器的監(jiān)測和控制，結合算法可實現(xiàn)線路保護功能。該模塊還有一路光纖（或以太網(wǎng)）接口，可實現(xiàn)間隔層的快速通信。

管理模塊主要實現(xiàn)本地采集數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計、存儲和與其他設備之間的通信。該模塊由ARM9（9260）+Linux 組成的嵌入式系統(tǒng)構成。

電源模塊為設備提供所需的電源，輸入電源能夠兼容交直流系統(tǒng)。

保護模塊和管理模塊之間使用UART 和SPI這2個通道進行通信。UART 為全雙工模式，提供2 個模塊之間小數(shù)據(jù)量（參數(shù)、消息等）的對等通信。SPI通信中，ARM 通過SPI讀取大批量的DSP 數(shù)據(jù)（實時數(shù)據(jù)、錄波等），其中ARM 為主設備，DSP 為從設備。

系統(tǒng)模塊連接方式如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)模塊連接方式

3.2 自愈控制通信技術

根據(jù)多源智能配電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構及地域復雜程度，可對其通信技術進行相應調(diào)整。為了多源智能配電網(wǎng)的發(fā)展與延伸，保證配電網(wǎng)自愈控制技術的精準及穩(wěn)定，其通信技術還具備開放性，確保配電網(wǎng)發(fā)生故障時故障檢測及定位通信技術通暢，自愈控制命令能夠及時傳達。多源智能配電網(wǎng)自愈通信還具備抵御外部物理故障及系統(tǒng)故障的能力。

多源智能配電網(wǎng)通信方式主要有2 個部分：終端與智能配電網(wǎng)主站通信、終端與現(xiàn)場傳感器之間的通信。終端與主站通信主要有無線通信和光纖2 種媒介。配電網(wǎng)通信系統(tǒng)可以利用專網(wǎng)也可以利用公網(wǎng)，配電網(wǎng)主站系統(tǒng)和子站系統(tǒng)之間的通信通道是骨干層通信網(wǎng)絡，配電網(wǎng)主站、子站至配電終端的通信通道為接入層通信網(wǎng)絡。配電網(wǎng)通信網(wǎng)絡應充分利用配電網(wǎng)絡現(xiàn)有通信條件，既要滿足可靠性要求，又要滿足現(xiàn)有傳輸速度，因此，在設計上，需要留有足夠的寬帶，滿足后續(xù)發(fā)展需要。光纖通信為主體，將開閉所和環(huán)網(wǎng)柜統(tǒng)一接入骨干光纖環(huán)網(wǎng)；也可采用電力載波通信，而對于只需采集遙信和遙測量的配電網(wǎng)絡，也可采用GPRS 通信方式采集三遙數(shù)據(jù)。

3.3 自愈控制系統(tǒng)控制方式

3.3.1 基于時序配合的就地控制方式

就地控制主要是通過底層智能終端、保護測控裝置、各類智能開關等設備之間的時序邏輯配合，與智能配電網(wǎng)主站無信息傳輸控制，在配電網(wǎng)發(fā)生物理事故時，配電網(wǎng)網(wǎng)絡斷開故障區(qū)段斷路器，隔離故障區(qū)段，通過就地控制方式，恢復非故障區(qū)域供電，只需向主站上報時間記錄順序及處理結果。

基于配電網(wǎng)時序配合的就地控制模式的主要優(yōu)點是與智能配電網(wǎng)主站無信息傳輸控制，不需要主站傳送遙控或者跳閘命令，處理故障速度極快，無傳輸延時，穩(wěn)定性相對較好。缺點是無法根據(jù)全域信息進行負荷轉(zhuǎn)供，無法根據(jù)各分布式電源出力進行控制，易造成開關動作次數(shù)較多，影響其使用壽命，且非停電區(qū)域容易擴大。

自愈控制就地控制模式一般適用于供電可靠性要求不高的地區(qū)及偏遠山區(qū)負荷分散且不集中的區(qū)域，該模式成本較低，僅實現(xiàn)了智能配電網(wǎng)故障的就地隔離和一些預定模式的故障處理。

3.3.2 基于主站的集中控制模式

基于主站集中控制模式主要是通過現(xiàn)場各類傳感器及智能終端采集配電網(wǎng)網(wǎng)絡運行參數(shù)進而實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)的實時監(jiān)測，一旦配電網(wǎng)出現(xiàn)接地等極端事故，對終端及傳感器上傳的海量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘。通過構建故障特征量來識別故障區(qū)域及類型，實現(xiàn)斷路器的自動跳閘及合閘，主站依據(jù)全域信息，通過控制算法，進行合理地故障重構，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)故障區(qū)域的隔離，非故障區(qū)域及時復電。整個過程由主站統(tǒng)一完成，終端負責“上傳下達”，實時上傳配電網(wǎng)絡拓撲結構、潮流方向、功率以及各類現(xiàn)場位置遙信及告警遙信，執(zhí)行主站下達的各類控制命令，實現(xiàn)對一次設備的遙控及遙調(diào)操作，改變運行狀態(tài)等。

基于主站集中控制模式由智能終端、光纖通道、子站、主站構成。子站在中小型配電網(wǎng)中不設置。配電終端一般應用在開關站、環(huán)網(wǎng)柜、配電室、柱上開關、箱式及配電變壓器、架空線路等場合。根據(jù)終端運用場景及及裝置功能的不同，配電網(wǎng)智能終端可分為配電網(wǎng)饋線終端（FTU）、配變終端（TTU）、開關站或變電所智能終端（DTU）以及具備通信功能的故障指示器等。配電終端功能還可以采用遠動裝置（Remote Terminal Unit，RTU）、重合閘控制器或者綜合自動化裝置等。對開關站實現(xiàn)綜合自動化系統(tǒng)“五遙”功能（遙信、遙測、遙控、遙調(diào)、遙視），對配電網(wǎng)環(huán)網(wǎng)柜和配電線路柱上開關實現(xiàn)“三遙”功能（遙控、遙信、遙測），對配變實現(xiàn)“兩遙”功能，即遙信、遙測信息量采集。各類智能配電終端是配電網(wǎng)自動化的重要組成部分，智能配電終端對運行穩(wěn)定性要求極高，且對各類終端設備的技術要求進行統(tǒng)一規(guī)定，制造標準統(tǒng)一，接口標準，自動化施工難度降低。配電網(wǎng)主站系統(tǒng)應根據(jù)不同地區(qū)的配電規(guī)模、實際需求以及配網(wǎng)自動化的應用基礎等情況來選擇和配置軟硬件，并建立在標準且通用的軟件及硬件平臺上，具有可靠性強、擴展性好及安全性高等優(yōu)勢。

圖4 為基于主站的集中控制模式配電網(wǎng)拓撲結構圖，正常運行時，變電站A 和變電站B 開環(huán)運行，Q3處于分位，當故障F1 發(fā)生在斷路器Q1 和Q2 區(qū)域（短路永久性故障）時，變電站A 某出線保護測控裝置動作，斷路器QF1 跳閘，重合閘動作，此時Q1 和Q2處終端通過上傳的實時故障特征量檢測到故障電流，主站下達遙控分閘Q1 和Q2 的命令，隔離故障區(qū)域，通過遙控合閘Q3 斷路器，恢復非故障區(qū)域供電。

圖4 主站集中控制式配電網(wǎng)拓撲結構

這種基于主站的自愈控制模式以集中控制為核心，綜合了過流保護、遠動智能終端（RTU）自動跳合閘以及遙控功能，能夠極為準確且迅速地切除故障區(qū)域，在數(shù)十秒內(nèi)實現(xiàn)故障檢測、定位、隔離，在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構，并恢復非故障區(qū)域供電。這種方式可以實現(xiàn)配電網(wǎng)故障自愈的主站自我感知、診斷、決策和恢復，是目前國內(nèi)配電自動化的主流，需要依賴變電站出口保護動作的配合，故障恢復時間較長，不支持環(huán)網(wǎng)運行。

3.3.3 基于分布式智能終端的就地控制方式

基于分布式智能終端的就地控制模式主要是依賴于終端之間的相互通信，通過數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)故障區(qū)域的隔離與非故障區(qū)域的恢復供電，不需要主站參與，只依賴于終端微機處理程序完成。

基于分布式智能終端的就地控制模式在通信網(wǎng)絡速度穩(wěn)定的前提下，通過智能終端之間數(shù)據(jù)的共享及傳輸，相互獲取對方開關遙信狀態(tài)及電壓電流功率等遙測信息，當配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，能更加快速及準確地判斷出故障區(qū)域及故障類型，并且不依賴主站通信，準確地做出網(wǎng)絡重構方案，完成非故障區(qū)域的負荷轉(zhuǎn)供，相較于集中控制模式，減少了斷路器短路沖擊次數(shù)，但需要較好的網(wǎng)絡通信環(huán)境。

終端之間的通信方式主要是主從式和對等式2 種通信方式。主從式通信需要設置配電網(wǎng)子站，負責信息的收集、轉(zhuǎn)發(fā)和仲裁。如果是對等式通信方式，則終端之間完全開放，全域信息共享，故障區(qū)域的識別、故障定位、故障類型判別、網(wǎng)絡重構等均由終端及斷路器配合完成，不需要設置子站和主站。

基于分布式智能終端的就地控制方式的優(yōu)點在于可減少斷路器沖擊次數(shù)，處理故障速度快，但是由于建立在終端間的通信對通信網(wǎng)絡要求較高，在復雜配電網(wǎng)拓撲結構下，無法根據(jù)全域信息進行網(wǎng)絡重構，只能提供局部最優(yōu)策略。

3.3.4 基于分布式智能終端與主站協(xié)調(diào)配合的綜合控制模式

綜合控制模式在配電網(wǎng)正常時通過風險評估識別配電網(wǎng)潛在隱患或危害，對潛在故障發(fā)出預警，通過預防控制操作，盡可能降低故障發(fā)生的可能性，實現(xiàn)避免故障發(fā)生的目標。

當智能配電網(wǎng)發(fā)生接地故障時，綜合控制模式在處理故障時，主要工作在就地控制模式下，能充分發(fā)揮分布式智能終端處理故障速度快、無傳輸延時、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，能快速檢測出配電網(wǎng)網(wǎng)絡故障區(qū)段，對配電網(wǎng)網(wǎng)絡非故障區(qū)域做出重構方案，恢復供電，能最大減少停電時間及停電區(qū)域。而主站控制模式主要作用是提供后備方法，能及時糾正系統(tǒng)錯誤模式，并且綜合系統(tǒng)內(nèi)外約束條件，做出全域最優(yōu)自愈控制方法，提供人機接口操作界面，能及時為調(diào)度員提供故障處理操作接口。在發(fā)生主站及終端間的通信故障時，并不影響分布式智能終端就地控制模式故障處理速度及終端間的通信，能及時恢復非故障區(qū)域供電。

分布式與集中式相結合的綜合控制模式集合了分布式智能終端就地化快速故障處理和集中式控制模式最優(yōu)控制方式優(yōu)點，能適用于復雜的包含多種分布式電源的智能配電網(wǎng)網(wǎng)絡。智能配電網(wǎng)“五遙”功能主要集中在分布式智能終端裝置上，保證了測控功能（遙測、遙信）、保護功能（故障辨識、故障隔離、非故障區(qū)域恢復）的獨立性以及完整性。

4 配電網(wǎng)的自愈控制系統(tǒng)技術支撐體系

多源智能配電網(wǎng)的自愈控制系統(tǒng)技術支撐體系如圖5 所示。主要分為4 個部分，分別是檢測、分析、預警技術體系，自愈決策技術體系，自愈控制技術體系，自愈恢復技術體系。

圖5 配電網(wǎng)自愈控制技術支撐體系

檢測、分析、預警技術體系：自愈控制技術的重點在于提高智能配電網(wǎng)的可觀測性及可控制性，增強對配電網(wǎng)電力設備運行狀態(tài)及參數(shù)的監(jiān)測，并將終端及電力設備的海量數(shù)據(jù)上傳，通過數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理，挖掘出故障特征量，從而實現(xiàn)對智能配電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、分析以及故障預警。預警技術是配電網(wǎng)自愈控制不可或缺的一部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對配電網(wǎng)運行狀態(tài)進行實時自動跟蹤，能及時發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)隱藏的安全隱患，對監(jiān)控主站上報預警信息。依據(jù)上報預警信息，智能配電網(wǎng)能及時挖掘出安全隱患，采取主動措施，迅速解決配電網(wǎng)的安全隱患及突變狀態(tài)?？焖俜抡媾c分析是檢測、分析、預警技術體系的重要支撐。

自愈決策技術體系：將評估和預警/分析信息上傳到主站決策層，通過容錯故障檢測及定位技術、故障類型判別技術、配電網(wǎng)靈活分區(qū)技術、自愈決策人機交互技術等，以及相對應的故障處理模型、算法、智庫等，可實時調(diào)控并消除某一初始狀態(tài)下產(chǎn)生的不良后果，并啟動反作用因果鏈，將事故遏制在初始狀態(tài)，恢復電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。而基于脆弱點評估的在線安全預警是自愈決策技術體系的重要支撐。

自愈控制技術體系：根據(jù)配電網(wǎng)的不同運行狀態(tài)，存在4 種基本控制方法，分別是預防、校正、緊急、恢復控制技術?，F(xiàn)有智能配電網(wǎng)已經(jīng)接入包含多種分布式電源系統(tǒng)，因此，除了以上4 種基本控制方法外，還需研究分布式能源集成控制技術、智能配電網(wǎng)的自愈控制模式、自愈控制可視化技術、分布協(xié)調(diào)/自適應控制技術等。

自愈恢復技術體系：當電網(wǎng)運行到恢復狀態(tài)，已有部分地區(qū)供電中斷，為了滿足安全運行的需要不得不甩去一部分負荷，需研究模型更新技術、網(wǎng)絡快速重構技術、自愈解列技術、自愈恢復仿真技術等。

5 結論

配電網(wǎng)分布式電源的接入，改變了傳統(tǒng)的運行方式，需實時監(jiān)測配電網(wǎng)運行狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)挖掘方式進行海量數(shù)據(jù)分析，通過故障特征的提取，實現(xiàn)對配電網(wǎng)故障的檢測及定位，進而實現(xiàn)對配電網(wǎng)的故障自愈控制、網(wǎng)絡重構等。因此，本文從自愈控制總體框架、智能終端研發(fā)、自愈控制運行模式、技術支撐等方面進行全面研究，探究多源智能配電網(wǎng)自愈控制關鍵技術。