智能配电网自愈控制方案研究

黄泽华 李 锰 刘裕涵 全少理 王利利

（1. 国网河南省电力公司经济技术研究院 郑州 450001 2. 湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082）

1 引言

随着经济社会的发展，人类面临的能源、环境和气候问题日益突出，发展“低碳、高效”经济成为国际社会的广泛共识。电力作为最广泛应用的二次能源供应方式，在“低碳、高效”经济建设中承担着极为核心的角色。“智能电网（smart grid）”以其可靠、优质、高效、兼容、互动等特点，成为现代电网的发展方向。

配电网是电力系统中直接面向电力用户的部分，是保证供电质量、客户服务体验、提高电力系统经济效率的中心环节。随着智能电网技术的兴起以及用户对供电质量、供电可靠性要求的不断提高，配电网特别是具有自愈特征的智能配电网受到了广泛的关注和重视[1,2]。

2 智能配电网自愈控制的定义、特征及定位

智能配电网自愈控制的概念最早由美国电力科学研究院（EPRI）和美国国防部在“复杂交互网络与系统计划”中提出[3]。智能配电网自愈控制技术的基本概念可以概括为：在配电网的不同层次和区域内实施充分协调且技术经济优化的控制手段与策略，使其具有自我感知、自我诊断、自我决策、自我恢复的能力，实现配电网在不同状态下的安全、可靠与经济运行[4]。实现自愈控制是实现智能配电网运行控制的显著特点，配电网正常运行时，智能配电网自愈控制主要体现在对系统的监控优化与预警；故障状态时，该技术体现在对故障的定位、隔离以及供电恢复。从特征上看，自愈控制特别强调电网运行时具有的自我预防和自我恢复的能力[5]：

（1）以预防控制为主要控制手段，及时发现、诊断和消除故障隐患；

（2）具有故障情况下维持系统连续运行的能力，不造成或尽可能减小系统的运行损失，并且通过最小范围最短时间故障隔离和网络自治修复功能实现用户的不间断供电。

智能配电网自愈控制的总体原则是实现持续供电。如图1所示，依照此原则，在不同的状态下，配电网自愈控制的目标依次是：首先对可能的故障进行预警避免其发生；其次，如果故障不可避免，则希望故障后能不失去负荷；以故障后保障重要（关键）负荷为基本的控制底线；如果发生了电网瘫痪事故，则意味着电网自愈控制失败。

图1 配电网自愈控制区域图Fig.1 Distribution network self-healing control area

3 传统配电自动化技术条件下的故障处理

在配电网自愈控制技术的概念被明确提出并采用之前，以自动恢复配电网运行故障、提高配电网可靠性为基本目标的配电自动化相关技术历经了长期的、多个阶段的发展和演进[6,7]。

最早实现的是馈线自动化（Feeder Automation，FA）技术，即从变电站出线到用户用电设备之间的馈电线路的自动化。馈线自动化技术的核心内容包括两大方面：一是配电网在正常运行状态下的自动重构，以实现配电系统运行的最优化；二是配电网在事故状态下的故障检测、故障隔离、负荷转移和恢复供电控制[8,9]。我国馈线自动化技术自 1999年以来陆续在上海浦东、邯郸、郑州、盐城等地得到应用，在一定程度上实现了配电网故障自愈的部分功能。

基于配电自动化（Distribution Automation，DA）主站的集中控制技术是在馈线自动化的基础上，结合以配电 SCADA为核心的配电管理系统，实现对整个配电系统在正常运行及事故情况下的监测、保护、控制和管理的技术。实现配电网的运行监视和控制的自动化系统，通常具备配电 SCADA、馈线自动化、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能，主要由配电主站、配电终端、配电子站（可选）和通信通道等部分组成。位于配电自动化主站的配电管理系统（DMS系统），除基本配电 SCADA系统外，通常还具备相关配网管理高级应用功能，包括地理信息系统（GIS系统）等，以及与配电生产管理信息系统（MIS系统）等实现信息互通[10]。要实现配电自动化，需要合理的配电网结构，具备环网供电的条件；环网开关、负荷开关等各种开关的操作机构必须具有远程操作功能，配置相应的远程终端设备；开关柜内必须具备可靠的开关操作电源和供远程终端设备、通信设备用的工作电源；具备可靠的、不受外界环境影响的通信系统。远程终端设备通常具有“一遥”、“二遥”、或者“三遥”功能：具备“三遥”功能的终端能够将采集的开关位置信息（即遥信 YX）及电流电压量（即遥测 YC），通过通信系统上传到配电自动化主站；同时，配电自动化主站系统通过通信系统对开关进行分合操作（即遥控YK）[11]。

4 智能配电网技术条件下的自愈控制技术

智能配电网自愈控制技术不仅是对传统配电自动化技术（Distribution Automation，DA）的提升和发展，也是下一代高级配电自动化技术的核心，是促进分布式电源友好接入和提高配电资产利用效率的关键，是极具工程化、实用化价值与技术经济效益的智能配电网技术[12]。

智能配电网自愈控制技术实施方案是自愈控制策略的具体体现，直接决定了自愈控制的实施效果与代价。智能配电网自愈控制功能的实现主要包括以下3种方式：

（1）基于分布式智能终端的就地控制方式。该方案的核心是分布式智能终端。通过 FTU相互通信，该方案能在现场实现快速的故障隔离、重构转供，不需要配电自动化主站、子站的参与，即使配电主站系统通信中断，也不会影响故障处理和供电恢复。基于分布式智能配电终端的就地控制技术可以采用不同模式进行工作：无需通信系统的自动网络重构方案，各开关完全根据自身检测到的信息动作，称之为“自主重构模式”；当开关设备之间或开关设备与主站之间的通信通道存在时，重构方案与网络式保护相结合，可以升级为“协作重构模式”以及“综合重构模式”。在“自主重构方式”中故障后网络重构是由重合器与智能开关的自主配合来完成的，并不需要通信。这种模式的主要缺点一是无法一次动作确定各开关开断，使得供电恢复时间较长，二是由于开关需要多次开断，导致线路承受的一次电流冲击较强。

“协作重构方式”在具有快速通信网络的情况下，利用开关之间的网络通信，获取开关的开断状态，从而快速准确的获得故障的位置信息，隔离故障并完成转供，使得线路尽可能少的遭受电流冲击，同时进一步加快供电恢复。

如果采用主从式通信网络，需要设置一台服务子站，负责数据的整理、转发和判断，只需配备简单的通信和仲裁软件，即可实现从“自主重构模式”向“协作重构模式”的升级。如果具备对等式通信网络，可以实现任意开关之间的双向信息交流，则可以不设置子站，而由终端自主完成故障的隔离和转供。

新型的智能配电控制装置可以同时具备“自主重构模式”和“协作重构模式”的分布式智能功能。由于“协作重构模式”可以更快更准确的隔离故障和转移供电，所以在有通信通道的条件下，优先以“协作重构模式”作为主，以“自主重构模式”为后备方案；当通信通道或子站出现问题时，将自动转为“自主重构模式”运行。能够实现两种模式之间转换的分布式智能方案即“综合重构模式”。

分布式智能工作模式技术方式的特点是故障自愈的时间能显著缩短，“协作重构”方式下处理时间在 ms级至 s级；对通信系统依赖程度较低，即使通信中断，也不会影响故障处理和转供。缺点是对于配电网网络结构复杂的线路不太适用。当线路中转供回路有多种选择时，不能及时从全局角度给出最优转供回路。该技术方式适用于对供电可靠性要求较高但大范围铺设光纤存在困难的配电区域。

（2）基于分布式智能终端与主站协调配合的综合控制方式。在配电网故障处理过程中，基于分布式智能终端的就地控制方式和基于配电自动化主站的集中控制方式的各有优、缺点，并且具有很强互补性，如表所示。

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

基于分布式智能终端与主站协调配合的综合控制方式采用以单条馈线或馈线组为控制对象的分层分布控制模式，将馈线的故障识别、定位与隔离完全下放到配电终端实现；配电子站、配电主站在功能上保留集中式馈线自动化控制方式（即通过遥控来隔离故障），但是将该项功能作为配电终端的后备，只有在配电终端处理故障失败的情况下才由配电子站处理故障，在配电终端及配电子站控制均失效的情况下才由配电主站来进行故障处理。

该综合控制方案以分布式智能的就地处理方式为主，可以保证在通信失效的情况下也能在短时间内实现故障处理和供电恢复，使故障造成的损失降到最低；而基于通信的集中式网络控制方式提供了优化的备选方案，在通信正常的情况下，可以避免分布式智能终端无法从全局出发给出合理方案的不足，也给调度人员介入故障处理提供了接口，便于调度员监视和控制故障的自动处理过程。

该方式的优点是故障处理速度快，可靠性高，且可通过配电自动化主站进行全局优化。该技术方式适用于网络转供路径复杂、负荷密度高、可靠性要求高的配电区域。

（3）基于分布式智能终端的多代理技术的综合控制方式。基于分布式智能多代理技术的综合控制方式在区域电网层面，采用基于全局信息的集中控制，并通过建立在统一支撑平台基础上的自愈控制系统实现；在变电站和馈线层面，则通过分布式计算与控制技术完成上层系统指派的各种分析计算功能，它基于分布式智能多代理技术实现，在局部层面上，采用基于局部信息的就地控制，配置具备人工智能功能的智能配电终端、联络和分段开关等设备[13]。

在规模庞大、结构复杂、多种分布式电源接入的智能配电系统中，基于智能多代理技术的分布式智能系统发挥各级智能代理所拥有的局部智能，当系统发生故障时，利用基于局部信息的保护装置首先实现故障的快速切除，然后通过智能代理利用局部信息和局部智能判断当前局部系统状态，选择最优转供路径，控制相应分布式电源的出力，并重新整定相应保护设备的参数，实现系统的最优运行。当系统将要发生故障时，基于智能多代理技术的分布式智能系统的局部智能代理将感知局部信息，进行相应的分析和计算，然后采取对应的处理措施，例如改变分布式电源的出力、调整变压器抽头、投切无功补偿装置以及改变网络拓扑结构等手段使得局部区域进入安全运行状态，然后基于全局信息的集中控制则会综合判断整个系统是否处于安全运行状态。

基于分布式智能多代理技术的综合控制方式能够适应任意类型的配电网络，实现了最快的故障定位、故障隔离和故障恢复过程，是智能配电网自愈控制的最终目标。对于分布式电源接入的配电网，采用基于分布式智能多代理技术的综合控制方式，主站系统可以根据分布式电源的实时监测数据，及时、灵活调整智能终端保护整定值及策略，从而实现分布式智能终端与分布式电源之间的协调匹配。这一模式既延续了分布式智能就地控制快速、可靠的优点，也能保证分布式电源接入条件下故障隔离及负荷转供操作的合理性和最优性，同样是含分布式电源接入配电网自愈控制的最佳模式。

5 结论

本文阐述了智能配电网自愈控制技术的概念与特征，由配电自动化故障处理入手，以不同技术水平系统故障处理为例分析了几种典型的自愈控制技术实现方式。智能配电网自愈控制技术的应用有利于提高配电网供电可靠性和安全性，解决大量分布式电源接入带来的影响，具有广阔的市场前景。

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