有源配電網的饋線自動化效果評價方法

朱紅，劉東，凌萬水，翁嘉明，孫辰(．國網南京供電公司，南京市009;．上海交通大學，上海市0040)

有源配電網的饋線自動化效果評價方法

朱紅1，劉東2，凌萬水2，翁嘉明2，孫辰2
(1．國網南京供電公司，南京市210019;2．上海交通大學，上海市200240)

隨著分布式能源和可再生能源技術的廣泛研究與應用以及信息通信技術和電力電子技術的同步發展，傳統被動單向式供電配電網正面臨向雙向供電的配電網發展的巨大挑戰，主動配電網(active distribution network，ADN)(即有源配電網)是解決上述問題的重要方法和手段。然而在有源配電網中傳統饋線自動化技術難以保證選擇的正確性，需要提供新的更有效的評價方法作為理論基礎。針對目前大量分布式能源接入配電網所帶來的電網自動化問題，基于有源配電網的特點并從饋線自動化(feeder automation，FA)動作過程與FA動作結果2個角度來對FA處理效果進行評價，提出有源配電網的饋線自動化評價指標體系及效果評價方法，為將來有源配電網的饋線自動化技術發展提供理論依據。

有源配電網(ADN);饋線自動化;評價方法;故障處理;供電恢復

0 引言

實施饋線自動化(feeder automation，FA)是一項能夠提高配電網供電可靠性的關鍵技術措施。作為饋線自動化技術得以實用化的重要前提，需要對其在配電網絡發生故障后各種條件下的動作成功率進行有效性評價，即對相關產品性能、邏輯與動作正確性、故障處理效果等內容開展準確定量的評估。文獻［1-4］介紹了饋線自動化一般現有的多種不同處理模式。針對不同的應用模式，當前已有多篇文獻從饋線自動化技術的可靠性測試、邏輯動作正確性、實施效果評估等方面進行了論述和分析。

文獻［5］提出了一種測試評價在含一次系統故障的信息與各種干擾信息等輸入條件下算法可靠性的方法。文獻［6］提出了一種自動測試饋線自動化主站的方法，強調可靠性測試需要注重典型運行環境下的長期運行能力、持續的遠程控制能力和雪崩測試3個方面。文獻［7］以時間相關性指標(以平均無故障時間/平均故障間隔時間等)作為系統的可靠性指標進行評估，但未針對饋線自動化的故障定位、隔離和供電恢復算法的可靠性的量化指標以及各種干擾，如通信干擾、遠程控制拒動、運行方式改變等對算法的定量影響進行研究。文獻［8］基于并行計算環境，建立了一套饋線自動化仿真測試環境，用于對動作邏輯正確與否進行測試以評估其有效性，但在分析算法的動作邏輯時主要以饋線終端單元(feeder terminal unit，FTU)正確采集故障，以及FTU與系統正常通信為基礎，模擬一次系統故障進行研究。文獻［9-10］分別提出相應的技術手段來提高故障處理算法在通信信道失敗、開關拒分、信息不全時的可靠性。

目前已有部分智能配電網饋線自動化的研究［11-14］。在有源配電網中，由于分布式電源的大量接入引起潮流和短路電流分布變化，使得原有的配電網保護配置和整定方法不再適用。針對這一問題，文獻［15-17］研究分析了有源配電網的故障電流特征及對配電網保護的影響，并提出了相應對策。文獻［18］研究比較了故障位置與故障前后線路兩端的電流相角變化方向，提出了一種只利用電流量的縱聯保護方案，通過驗證表明該方案能夠準確識別區內故障。針對配電網線路特點和不同的饋線結構，文獻［19］給出了適應性差動保護動作判據及門檻整定原則，提出并實現了基于故障信息的電流數據自同步方法，驗證了應用于故障檢測與處理的有效性。文獻［20-21］研究并提出了有源配電網發生故障后，綜合利用備用聯絡線路與內部分布式電源為故障后的停電負荷綜合恢復供電，提高配電網供電可靠性的方法，但還缺乏算法實際應用的有效性驗證。因此，計及有源配電網雙向潮流這種特性的新型饋線自動化技術的有效性評價仍需要加以深入探討研究。

在簡述分析饋線自動化傳統評價方法的基礎上，本文提出相應的量化評價指標體系，從動作過程與動作結果2個角度出發對有源配電網中所應用的分布式饋線自動化技術的故障處理效果進行評價。

1 傳統饋線自動化的評價方法

饋線自動化有多種不同的處理模式，如集中式主站模式，子站隔離主站恢復模式，智能分布就地控制模式，電流計數型就地控制模式，電壓時間型就地控制模式等;對于一種處理模式，不同的供應商的處理策略也不盡相同，動作過程不同。

傳統上，對FA的動作結果評價一般采用2種方法:

(1)檢查最終結果是否與設定結果一致;

(2)檢查動作過程是否與設定過程一致。

這些方法可以在一定程度上反應各種饋線自動化系統的可靠性，但存在以下幾點不足:

(1)故障處理的操作，具有嚴格的時序性，如在故障區沒有被隔離前，不能進行非故障區的恢復操作，否則將導致故障范圍的擴大，引起正常線路的供電安全，因此即使動作結果狀態是正確的，也不能夠保證動作過程上是安全的;

(2)僅能進行定性的判別，無法對饋線自動化系統對非故障區的恢復比例以及恢復速度等指標做出判斷;

(3)在輸入條件不具備或者信息不完備時，最終結果與設定結果往往不同，但不同處理方案為最終客戶提供的幫助是不同的，這無法得到體現;

(4)故障處理結果，不僅與供電區域恢復的大小相關而且與恢復的速度相關;

(5)故障處理過程中，可能的錯誤行為會導致檢修區段帶電或者故障范圍擴大。

2 有源配電網的饋線自動化評價指標體系

隨著分布式能源和可再生能源技術的廣泛研究與應用以及信息通信技術和電力電子技術的同步發展，傳統被動單向式供電配電網正面臨向雙向供電的配電網發展的巨大挑戰，有源配電網技術是解決上述問題的重要方法和手段。

有源配電網是具備組合控制各種分布式能源分布式發電(distributed generation，DG)、可控負荷、儲能、需求側管理等能力的配電網絡，其目的是提高配電網對能量的主動分配能力和經濟運行能力，提升配電網資產利用率，提高用戶的用電質量和供電可靠性。其中饋線自動化是實現有源配電網控制的核心內容之一，也是提高供電可靠性的重要手段。然而，在高滲透率的分布式能源接入的條件下，目前已有的饋線自動化技術不能滿足有源配電網控制的需要。

本文基于有源配電網的特點并從FA動作過程與FA動作結果2個角度來對FA處理效果進行評價，提出有源配電網的饋線自動化效果評價方法，為將來有源配電網的饋線自動化技術發展提供理論依據。

2.1 有源配電網的供電區段狀態定義

根據有源配電網供電區段在故障發生及其處理前后的狀態變化規律，可以將區段狀態分為“正?！睜顟B、“故障”狀態、“待恢復”狀態與“停電”狀態。

有源配電網正常運行時，初始化所有帶電區段狀態都為“正常”，非帶電區段狀態為“停電”。發生故障后因出口斷路器及分布式電源出口保護跳閘導致停電的非故障區域為“待恢復”狀態，故障區段為“故障”狀態。圖1和圖2以輻射狀有源配電網為例，在正常運行和發生故障后在圖中劃分了各個運行狀態。

圖1 正常運行時輻射狀有源配電網狀態Fig.1 Radial active distribution network state at normal station

圖2 發生故障后輻射狀有源配電網狀態Fig.2 Radial active distribution network state after the faults

2.2 故障處理過程系數

通過對故障處理中操作開關引起的開關位置變化進行連續網絡拓撲分析，可以得到各個區段狀態的變化，從這些狀態變化的過程可以分析出故障處理系統的每步操作過程的安全性，作為故障處理是否失效的判據。故障處理中區段狀態變化合理性對照見表1。

表1 故障處理中區段狀態變化合理性對照表Table 1 Rationality of section state changes in the fault handling

表1表達了故障處理過程中開關操作前后導致區段狀態變遷的合理性。“×”表示這個操作不合理，會導致系統擴大故障范圍或者引起安全事故;“√”表示操作過程是無破壞效果的;“-”表示操作過程沒有導致該區段狀態變化。

(1)如果一個區段由“正?！鞭D變為其他任何狀態，說明正常帶電區域因為故障處理操作而引起失電，是典型的故障范圍擴大的案例，這種轉變判為“×”。

(2)故障所在的區段，在故障被排除之前不能恢復供電，也就不可能轉變為“正常”與“待恢復”狀態，如果發生這種轉換也是一種錯誤的變遷，判為“×”。

(3)狀態為“待恢復”的區段，可以轉變為任何區段，其本身因為故障原因已經停電。

(4)如果一個區段由“停電”轉變為其他任何狀態，也應判為“×”。原因是故障前狀態為“停電”的區段，調度人員因為檢修或者其他原因將該區段從配電網絡中隔離，使該區段處于孤島狀態，故障處理，導致該區段與其他區段相連，將可能導致這些區段重新帶電，從而可能引發人身安全或者設備安全問題。

可以用故障處理過程系數K來最終體現故障處理操作的結果。如果一次故障處理過程中沒有任何一個區段存在任何錯誤狀態變遷，K取值為1，反之，取值為-1。

2.3 有源配電網的故障處理電量恢復率

由公式(1)表示的故障處理電量恢復率fsh指單位時間內，因故障處理動作被恢復供電的供電量Psh與線路不發生故障時單位時間供電量Pnm的比值，即

因為Psh與故障處理系統最終恢復區段的大小與速度緊密相關，所以該指標不僅容納了故障處理速度和供電故障處理率，而且包括了配電線路中的區段負荷量等與經濟性相關的指標，同時，一定程度也反應了配電一次網絡的可靠性。

顯然，故障處理電量恢復率fsh與單位時間的大小相關，時間越大，該指標的可比較性就越低。考慮到大多數故障處理模式的操作時間都在3 min以內，可以取3 min的故障處理電量恢復率。

2.4 有源配電網中分布式電源供電恢復率

有源配電網中需考慮在傳統的無源配電網加入分布式電源后，在經歷故障處理操作過程中給與比無源電網更多的電量恢復影響。因此結合2．3節提出的故障處理電量恢復率，提出分布式電源供電恢復率，即由于分布式電源接入的有源配電網，由其在故障處理后給配電網絡提供的電量恢復。

圖3為一典型環網結構的有源配電網正常運行情況示意圖。以此有源配電網結構為例，在T節點處發生故障時，用戶1將由DG恢復供電，用戶2將由對端電源恢復供電，被恢復供電的供電量為用戶1 +用戶2的電量總和，具體見圖4。如果在網架完全不變的情況下不考慮DG接入，用戶1不能恢復供電將停電，用戶2仍由對端電源恢復供電，被恢復供電的供電量僅為用戶2的電量，因此在實例中，有源配電網分布式電源供電恢復電量即為用戶1的電量。

圖3 典型環網結構的有源配電網正常運行示意Fig.3 Typical ring network structure of the active power distribution network normal operation schemes

圖4 典型環網結構的有源配電網故障恢復示意Fig.4 Typical ring network structure of the active powerdistribution network fault recovery schemes

由公式(2)表示的有源配電網中分布式電源供電恢復率fDG指單位時間內，因故障處理動作被恢復供電的供電量Psh減去在不考慮分布式電源接入的電網因故障處理動作被恢復供電的供電量Ptr之后，與線路不發生故障時單位時間供電量Pnm的比值，即

顯然，有源配電網中分布式電源供電恢復率fDG與故障處理電量恢復率fsh相似，故取3 min的故障處理電量恢復率。

3 有源配電網饋線自動化的故障效果評價

結合反應故障處理過程合理性的故障處理過程系數K，公式(3)給出了在有源配電網的情況下對單次故障處理的可靠性量化指標，即

公式(3)中，0．1這一技術性處理的意義在于屏蔽故障處理電量恢復率為0時，掩蓋了故障處理過程中的錯誤。Fsh〈0表示故障處理操作過程存在不合理性;Fsh≥0表示了該FA的故障處理效果。K×fDG的部分則充分體現了有源配電網與無源配電網的故障效果差別。

這些評價方法，不僅可以驗證不同饋線自動化方法在有源配電網情況下，是否具有正確處理故障的能力，而且建立了不同饋線自動化方法在有源配電網的情況下評判故障處理恢復效果的方法。

4 結論

本文在分析傳統饋線自動化的特點的基礎上，提出有源配電網的饋線自動化的評價指標體系，包括: (1)提出有源配電網的供電區段狀態定義;(2)提出故障處理過程系數;(3)提出有源配電網故障處理電量恢復率;(4)提出有源配電網中DG供電恢復率。

結合上述提出的指標，提出一種評價有源配電網的饋線自動化效果的量化方法，為饋線自動化技術在未來有源配電網的應用提供了技術上的支撐。

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(編輯:張媛媛)

An Evaluation M ethod of Feeder Automation for Active Distribution Network

ZHU Hong1，LIU Dong2，LING Wanshui2，WENG Jiam ing2，SUN Chen2
(1．State Grid Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China; 2．Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

W ith the application of distributed and renewable power source technologies，as well as the simultaneous development of informational communication and power electronics technology，the traditional one-way-supplied power distribution network is facing a huge challenge leading the way to bilateral compensative power distribution network．Active distribution network(ADN)is an important means to solve the above problems．In this case，the selectivity and correctness of traditional feeder automation cannot be ensured．It is necessary to provide more effective evaluation methods．Under the circumstances that a large amount distributed energy resources integrated into distribution grid，the paper aims at the evaluation of the effectiveness of FA fault processing effect from two aspects of FA action process and action result on the basis of characteristics of active distribution network．An evaluation index system and the evaluation method of the feeder automation for active distribution network were presented，which can provide theoretical basis for the future development of feeder automation for active distribution network．

active distribution network(ADN);feeder automation(FA);evaluation method;fault location and isolation;power supply restoration

TM 77

A

1000-7229(2015)01-0148-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.023

2014-12-01

2014-12-22

朱紅(1971)，女，高級工程師，主要研究方向為配電網運行調度與管理;

劉東(1968)，男，研究員，博士生導師，教育部新世紀優秀人才，國家能源智能電網(上海)研發中心智能配用電研究所所長，本文通信作者，主要研究方向為智能電網、主動配電網、電網物理信息融合系統;

凌萬水(1975)，男，博士，主要研究方向為智能配電網、配電自動化、多代理系統、自動化系統的形式化驗證。