智能配電網自愈控制方案研究

黃澤華 李 錳 劉裕涵 全少理 王利利

（1. 國網河南省電力公司經濟技術研究院 鄭州 450001 2. 湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082）

1 引言

隨著經濟社會的發展，人類面臨的能源、環境和氣候問題日益突出，發展“低碳、高效”經濟成為國際社會的廣泛共識。電力作為最廣泛應用的二次能源供應方式，在“低碳、高效”經濟建設中承擔著極為核心的角色。“智能電網（smart grid）”以其可靠、優質、高效、兼容、互動等特點，成為現代電網的發展方向。

配電網是電力系統中直接面向電力用戶的部分，是保證供電質量、客戶服務體驗、提高電力系統經濟效率的中心環節。隨著智能電網技術的興起以及用戶對供電質量、供電可靠性要求的不斷提高，配電網特別是具有自愈特征的智能配電網受到了廣泛的關注和重視[1,2]。

2 智能配電網自愈控制的定義、特征及定位

智能配電網自愈控制的概念最早由美國電力科學研究院（EPRI）和美國國防部在“復雜交互網絡與系統計劃”中提出[3]。智能配電網自愈控制技術的基本概念可以概括為：在配電網的不同層次和區域內實施充分協調且技術經濟優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、自我恢復的能力，實現配電網在不同狀態下的安全、可靠與經濟運行[4]。實現自愈控制是實現智能配電網運行控制的顯著特點，配電網正常運行時，智能配電網自愈控制主要體現在對系統的監控優化與預警；故障狀態時，該技術體現在對故障的定位、隔離以及供電恢復。從特征上看，自愈控制特別強調電網運行時具有的自我預防和自我恢復的能力[5]：

（1）以預防控制為主要控制手段，及時發現、診斷和消除故障隱患；

（2）具有故障情況下維持系統連續運行的能力，不造成或盡可能減小系統的運行損失，并且通過最小范圍最短時間故障隔離和網絡自治修復功能實現用戶的不間斷供電。

智能配電網自愈控制的總體原則是實現持續供電。如圖1所示，依照此原則，在不同的狀態下，配電網自愈控制的目標依次是：首先對可能的故障進行預警避免其發生；其次，如果故障不可避免，則希望故障后能不失去負荷；以故障后保障重要（關鍵）負荷為基本的控制底線；如果發生了電網癱瘓事故，則意味著電網自愈控制失敗。

圖1 配電網自愈控制區域圖Fig.1 Distribution network self-healing control area

3 傳統配電自動化技術條件下的故障處理

在配電網自愈控制技術的概念被明確提出并采用之前，以自動恢復配電網運行故障、提高配電網可靠性為基本目標的配電自動化相關技術歷經了長期的、多個階段的發展和演進[6,7]。

最早實現的是饋線自動化（Feeder Automation，FA）技術，即從變電站出線到用戶用電設備之間的饋電線路的自動化。饋線自動化技術的核心內容包括兩大方面：一是配電網在正常運行狀態下的自動重構，以實現配電系統運行的最優化；二是配電網在事故狀態下的故障檢測、故障隔離、負荷轉移和恢復供電控制[8,9]。我國饋線自動化技術自 1999年以來陸續在上海浦東、邯鄲、鄭州、鹽城等地得到應用，在一定程度上實現了配電網故障自愈的部分功能。

基于配電自動化（Distribution Automation，DA）主站的集中控制技術是在饋線自動化的基礎上，結合以配電 SCADA為核心的配電管理系統，實現對整個配電系統在正常運行及事故情況下的監測、保護、控制和管理的技術。實現配電網的運行監視和控制的自動化系統，通常具備配電 SCADA、饋線自動化、電網分析應用及與相關應用系統互聯等功能，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。位于配電自動化主站的配電管理系統（DMS系統），除基本配電 SCADA系統外，通常還具備相關配網管理高級應用功能，包括地理信息系統（GIS系統）等，以及與配電生產管理信息系統（MIS系統）等實現信息互通[10]。要實現配電自動化，需要合理的配電網結構，具備環網供電的條件；環網開關、負荷開關等各種開關的操作機構必須具有遠程操作功能，配置相應的遠程終端設備；開關柜內必須具備可靠的開關操作電源和供遠程終端設備、通信設備用的工作電源；具備可靠的、不受外界環境影響的通信系統。遠程終端設備通常具有“一遙”、“二遙”、或者“三遙”功能：具備“三遙”功能的終端能夠將采集的開關位置信息（即遙信 YX）及電流電壓量（即遙測 YC），通過通信系統上傳到配電自動化主站；同時，配電自動化主站系統通過通信系統對開關進行分合操作（即遙控YK）[11]。

4 智能配電網技術條件下的自愈控制技術

智能配電網自愈控制技術不僅是對傳統配電自動化技術（Distribution Automation，DA）的提升和發展，也是下一代高級配電自動化技術的核心，是促進分布式電源友好接入和提高配電資產利用效率的關鍵，是極具工程化、實用化價值與技術經濟效益的智能配電網技術[12]。

智能配電網自愈控制技術實施方案是自愈控制策略的具體體現，直接決定了自愈控制的實施效果與代價。智能配電網自愈控制功能的實現主要包括以下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，該方案能在現場實現快速的故障隔離、重構轉供，不需要配電自動化主站、子站的參與，即使配電主站系統通信中斷，也不會影響故障處理和供電恢復。基于分布式智能配電終端的就地控制技術可以采用不同模式進行工作：無需通信系統的自動網絡重構方案，各開關完全根據自身檢測到的信息動作，稱之為“自主重構模式”；當開關設備之間或開關設備與主站之間的通信通道存在時，重構方案與網絡式保護相結合，可以升級為“協作重構模式”以及“綜合重構模式”。在“自主重構方式”中故障后網絡重構是由重合器與智能開關的自主配合來完成的，并不需要通信。這種模式的主要缺點一是無法一次動作確定各開關開斷，使得供電恢復時間較長，二是由于開關需要多次開斷，導致線路承受的一次電流沖擊較強。

“協作重構方式”在具有快速通信網絡的情況下，利用開關之間的網絡通信，獲取開關的開斷狀態，從而快速準確的獲得故障的位置信息，隔離故障并完成轉供，使得線路盡可能少的遭受電流沖擊，同時進一步加快供電恢復。

如果采用主從式通信網絡，需要設置一臺服務子站，負責數據的整理、轉發和判斷，只需配備簡單的通信和仲裁軟件，即可實現從“自主重構模式”向“協作重構模式”的升級。如果具備對等式通信網絡，可以實現任意開關之間的雙向信息交流，則可以不設置子站，而由終端自主完成故障的隔離和轉供。

新型的智能配電控制裝置可以同時具備“自主重構模式”和“協作重構模式”的分布式智能功能。由于“協作重構模式”可以更快更準確的隔離故障和轉移供電，所以在有通信通道的條件下，優先以“協作重構模式”作為主，以“自主重構模式”為后備方案；當通信通道或子站出現問題時，將自動轉為“自主重構模式”運行。能夠實現兩種模式之間轉換的分布式智能方案即“綜合重構模式”。

分布式智能工作模式技術方式的特點是故障自愈的時間能顯著縮短，“協作重構”方式下處理時間在 ms級至 s級；對通信系統依賴程度較低，即使通信中斷，也不會影響故障處理和轉供。缺點是對于配電網網絡結構復雜的線路不太適用。當線路中轉供回路有多種選擇時，不能及時從全局角度給出最優轉供回路。該技術方式適用于對供電可靠性要求較高但大范圍鋪設光纖存在困難的配電區域。

（2）基于分布式智能終端與主站協調配合的綜合控制方式。在配電網故障處理過程中，基于分布式智能終端的就地控制方式和基于配電自動化主站的集中控制方式的各有優、缺點，并且具有很強互補性，如表所示。

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

基于分布式智能終端與主站協調配合的綜合控制方式采用以單條饋線或饋線組為控制對象的分層分布控制模式，將饋線的故障識別、定位與隔離完全下放到配電終端實現；配電子站、配電主站在功能上保留集中式饋線自動化控制方式（即通過遙控來隔離故障），但是將該項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間內實現故障處理和供電恢復，使故障造成的損失降到最低；而基于通信的集中式網絡控制方式提供了優化的備選方案，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給出合理方案的不足，也給調度人員介入故障處理提供了接口，便于調度員監視和控制故障的自動處理過程。

該方式的優點是故障處理速度快，可靠性高，且可通過配電自動化主站進行全局優化。該技術方式適用于網絡轉供路徑復雜、負荷密度高、可靠性要求高的配電區域。

（3）基于分布式智能終端的多代理技術的綜合控制方式。基于分布式智能多代理技術的綜合控制方式在區域電網層面，采用基于全局信息的集中控制，并通過建立在統一支撐平臺基礎上的自愈控制系統實現；在變電站和饋線層面，則通過分布式計算與控制技術完成上層系統指派的各種分析計算功能，它基于分布式智能多代理技術實現，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、聯絡和分段開關等設備[13]。

在規模龐大、結構復雜、多種分布式電源接入的智能配電系統中，基于智能多代理技術的分布式智能系統發揮各級智能代理所擁有的局部智能，當系統發生故障時，利用基于局部信息的保護裝置首先實現故障的快速切除，然后通過智能代理利用局部信息和局部智能判斷當前局部系統狀態，選擇最優轉供路徑，控制相應分布式電源的出力，并重新整定相應保護設備的參數，實現系統的最優運行。當系統將要發生故障時，基于智能多代理技術的分布式智能系統的局部智能代理將感知局部信息，進行相應的分析和計算，然后采取對應的處理措施，例如改變分布式電源的出力、調整變壓器抽頭、投切無功補償裝置以及改變網絡拓撲結構等手段使得局部區域進入安全運行狀態，然后基于全局信息的集中控制則會綜合判斷整個系統是否處于安全運行狀態。

基于分布式智能多代理技術的綜合控制方式能夠適應任意類型的配電網絡，實現了最快的故障定位、故障隔離和故障恢復過程，是智能配電網自愈控制的最終目標。對于分布式電源接入的配電網，采用基于分布式智能多代理技術的綜合控制方式，主站系統可以根據分布式電源的實時監測數據，及時、靈活調整智能終端保護整定值及策略，從而實現分布式智能終端與分布式電源之間的協調匹配。這一模式既延續了分布式智能就地控制快速、可靠的優點，也能保證分布式電源接入條件下故障隔離及負荷轉供操作的合理性和最優性，同樣是含分布式電源接入配電網自愈控制的最佳模式。

5 結論

本文闡述了智能配電網自愈控制技術的概念與特征，由配電自動化故障處理入手，以不同技術水平系統故障處理為例分析了幾種典型的自愈控制技術實現方式。智能配電網自愈控制技術的應用有利于提高配電網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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