智能配電網故障自愈技術探討

廣東電網公司清遠清新供電局 習思敏

1 智能配電網自愈控制技術的需求

1.1 電源側需求

1.2 負荷側需求

在基站建立背景下，負荷側以多元化、復雜化趨勢發展。隨著科學技術的進步，5G 基站等一系列新型負荷產品的應用進一步加大了自愈技術應用下的分析、決策難度。

1.3 配電網系統穩定性的需求

伴隨分布式電源裝機容量擴大、電網負荷持續不斷增加，以及智能配電網規模的提升，導致智能配電網在運行過程中出現了不穩定性因素，不利于智能配電網穩定、持續發展，諸如供電質量、潮流分布等，均是配電網系統穩定性維系必不可少的因素。

2 基于GOOSE 通信分布自愈原理

確定面向對象變電站事件（GOOSE）下高速通信網絡為基石，分析配電網終端信息展開綜合判斷，納入采集的配電網終端信息包含了過流信息、開關位置，以便于對故障區域進行快速定位，進行自動隔離[2]。

2.1 開環配電網故障定位原理

饋線線路開環線路故障問題出現時，電流方向由變電站流向母線故障區域，沿線經過所有配電終端均會在故障電流下流過，而一旦其中某個開關在故障電流檢測時結果超出了設定值，就會自動對臨近開關傳遞變電站事件的故障信息。

2.2 閉環配電網故障定位原理

與開環配電網故障原理相似，閉環配電網故障定位原理是在故障問題出現時，電量經過兩側最終流至故障區域。基于此，配電網終端故障信息要確定故障功率的方向。

2.3 配電網故障隔離機制

配電網潮流的故障隔離情況分為需要重合閘隔離故障的情況、沒有重合閘隔離故障的情況等。在需重合閘隔離故障的情形中，故障狀態通常處于與開關連接的配電位置內、在相鄰位置的“開關拒分”信息中，或者是相連位置出現“開關拒分”信號的狀態；在無須重合閘隔離故障情形中，與開關連接的情況下，配電價格位置的故障不會發生在故障狀態中，而配電網潮流計算范圍的位置也能夠自行進行故障分離。

2.4 配電網健全區域恢復供電機制

在與開關相關聯的各個區域，配電網內部故障并未再次出現故障情況，同時所有區域的故障位置開關可以有效完成隔離情況下，智能配電網的有序運行離不開通信的支撐，其在規定時間內完成故障信息采集，讓通信維護動作能夠有序進行。

3 配電網自愈控制模式

3.1 分層遞階控制結構

分層遞階控制結構是一種沿用了Villa 所提出的數學解析，以及知識闡述為核心的兩層遞階控制式結構，其次則是Saridis 研究中選取的IPDO 原理和多個控制層面形成的三級分層遞階控制結構等，如圖1所示。

綜上可知，隨著日中有“金雞”說法的出現與流傳，自宋以后，學者們又試圖從如鏡像、折射的角度；或從陰陽互藏、陰陽交感的理論，來推測日中為何會有“雞”。但由前引北宋董逌的《跋月宮圖》中駁斥當時人“知日中為烏，而不知為雞”之語，以及以上各家的解釋亦可發現：宋代以后的人們，對于此說可能已多有質疑。

圖1 配電網分層遞階控制結構

運行狀態是結合系統設備量所采集的信息，對配電網整體下的分布式電源、變壓器、母線、開關等設備的運行情況進行分析，監測各個設施的潮流、電壓的情況，以維持智能配電網的穩定運行。

3.2 診斷決策層

針對強度差異的電壓，配電網經營選取的模式也存在區別。對此，在進行決策時要選取科學的模式進行調節，將差異出現情況發生率控制在最低水平。

4 基于同步相量測量的自愈控制新支撐技術

4.1 快速感知技術

由于智能配電網無論是電源還是電荷，變換都較為迅速，且工作過程復雜，將微型同步相量檢測設備運用到配電網的潮流統計領域，能夠顯著改善智能配電網潮流計量數據收集的觀測性能[3]。經過精心整合，利用PMU 所提供的高密度同步相量測量數據，并與現有的數據收集與檢測技術進行了全面對接與融合。

與高壓輸電網比較，配電網無論是在結構還是支路都更加復雜，應用的線路數量也更多，而在管理時，傳統配電網無論是評估使用的方法還是計算公式、效率、收斂性方面都存在缺陷。基于此，研究可采用中間變量和等式約束、二次約束以及加權最小二乘法的方式，進一步提高配電網測量的穩定性與精準度、效率。為確保數據的準確性和可靠性，依托PMU 進行高密度同步相量測量，并運用卡爾曼濾波等先進算法，實現高頻動態數據處理。通過這一組合策略，能夠有效地分析電力系統的運行狀態，提升電力系統智能化水平。

4.2 精準協調控制技術

在分布式電源、電動汽車接入及供需互動等多重因素的影響下，配電網操作變得更加復雜，同時也面臨著抗擾動能力不足的風險，且容易出現諧振。基于此，要使用密度較高的PMU 對測量數據進行采集與分析，實現故障的快速恢復控制、柔性復合潛力采掘，提高配電網的穩定性。在主網故障等多種情況下，要以分布式電源為切口，通過對電源供電支撐效果的體現，使智能配電網資源利用率實現最大化。

5 智能配電網故障自愈技術的應用

5.1 在多種恢復路徑中的應用

當智能配電網有多個路徑時，要結合配電網實際運行情況，挑選出其中符合標準的自愈技術。例如，主網電源進行測試時出現故障問題，導致這一情況出現的主要原因是，配電網的電流短路情況，電流短路是指電流在配電網中遇到低阻抗路徑而繞過正常電路的現象。配電網中的設備，如變壓器、開關、斷路器等，在長時間使用過程中因為老化、磨損或過載而出現故障。如果配電網的設備沒有得到及時的維護和檢修，可能會導致設備性能下降，增加短路的風險。可能由以下原因引起：配電網中的設備，如開關、斷路器等發生故障，導致電流無法按照預期流動。例如，斷路器無法正確切斷電路，從而導致電流繼續流動并形成短路。外界異常情況，如雷擊、動物觸碰、樹木倒塌等也可導致電流短路。以上因素均可導致電線之間短路或接地，使電流繞過正常路徑。針對上述故障情況，可采用常見的自愈技術來應對電流短路情況，快速檢測電流短路，隔離故障，并自動恢復供電，從而提高配電網的可靠性和穩定性。

5.2 分布式電源故障自愈技術的應用

在對分布式智能配電網故障自愈技術處置時，首先應該評估分布式電源的容量，對配電網系統供電范圍科學性、可計算性進行確定；其次，將同期開關作為聯絡點的重要原則；最后，開展負荷恢復的清零工作。

一旦智能配電網的故障區域出現在分布式電源的某個區間，故障以及故障位置鄰近的區域就會自動跳閘，在進行故障恢復階段，上半電路開關閉合，上游電量供應恢復，但在下游供電階段，需要制定相應的策略來確保穩定和可靠的供電。這可能涉及重新配置電源、調整線路負荷、優化配電網絡等措施。重點是確保下游用戶能夠獲得穩定的電力供應。在供電恢復后，需要進行持續的監測和調整，以確保配電網的穩定運行。這包括實時監測電流、電壓等參數，并根據情況進行必要的調整和優化，以應對潛在的問題和故障。

6 基于蟻群算法的配電網絡重構

6.1 蟻群算法簡介

配電網絡初始化定義配電網絡的初始拓撲結構。設置蟻群算法的參數，如螞蟻數量、信息素揮發速度、信息素更新策略等。為每只螞蟻分配一個隨機的起始節點，每只螞蟻根據當前位置的信息素濃度和啟發式信息（例如，線路的阻抗、負荷等）來選擇下一個要訪問的節點。信息素濃度高的路徑和啟發式信息好的路徑被選擇的概率更高。當所有螞蟻都完成一次路徑搜索后，評估每只螞蟻找到的路徑[4]。在迭代過程中，記錄并更新找到的最優解。輸出最終找到的最優配電網絡拓撲結構及其對應的性能指標。

6.2 求解流程

研究人員通過對蟻群計算研究了智能配電網重構的問題，其以負電荷、變壓器、電源等設備作為節點，在此基礎上，配電網絡能夠自動形成與各個節點之間產生輻射關聯的網絡，使線路中經蟻群途徑的路面數量不斷上升，最后以這條線進行的食物探索大幅度增加，目前研究中對故障或停電地區智能配電網供用電恢復重建的主要過程包括以下內容。

首先確定配電網絡涵蓋的所有節點與支路，進行再次編號，將采集到的原始數據信息輸入其中，完成聯絡開關聯通圖的設計，并以此操作開關集。研究中確定螞蟻群的整體數量是m，則將初始化信息素Tij（0）=const，將Nma確定其中最大的迭代次數，ρ指的是信息素的揮發率，β指的是期望的啟發式因子，Q是信息素強度，α為信息啟發式因子參數。

其次是完成整個蟻群的管理，結合潮流計算對初級網損值fbest=f（0），配網內開關轉換次數minSw=Sw（0），負荷平衡minLBsys=LBsys（0），記錄設計重構方案Amax。

結合潮流計算方式對迭代次數進行初始化，設定迭代次數N為0，k=1,2,…,m。

k=k+1，蟻群在路徑上的循環都要從源頭上分析最便捷的路徑，再將已經走過的節點道路儲存在禁忌表tabuk中，余下的各個節點則分別儲存在allowedk={C-tabuk}，再通過公式對概率進行轉換，，再將每只螞蟻所行走的路徑分配到一個節點，最終完成整個輻射網絡的編織，完成m個重構策略方案A1,A2,…,Am。

在潮流計算方式下，蟻群中每只螞蟻將配電網重構擬定目標函數值f、SW、LBsys；針對符合約束標準條件的，對其中最小值fmin、SWmin、LBsys、min和重構方案Amin，最后分析其與目標函數的差異，若低于目標函數則取代初始值，反之，一旦比較數值超過了目標函數就要及時更新信息素。

迭代次數N=N+1，分析迭代次數值與Nma值之間的差異，一旦迭代次數值較Nma值更低，則又回到上述第四步，反之則進入下一步。

以 輸 出 的fbest、sinSbest、LBsysbest和 重 構 方 案Abest配電網流程重構方案圖，制定配電網的運維計劃，包括定期檢查、維護保養和故障處理等，確保可靠供電。

綜上所述，本文介紹了配電網自愈的需求、原理、數字化測量等方面的技術，并以蟻群算法為例介紹了實現重構的這一有效途徑。從我國對能源領域需求量逐漸遞增的態勢來看，配電網潮流計算的數量將相應增多，智慧配電網成為配電領域的主導方向，而故障自愈科技不僅僅是配電網潮流計算未來發展的關鍵，更是配電網實現智能化控制的必備條件。因此，智能配電網的事故后自愈技術通過增強事故數據判斷的準確性，實現智能控制，能夠保障配電網的安全穩定運行。