有源配电网的馈线自动化效果评价方法

朱红，刘东，凌万水，翁嘉明，孙辰(．国网南京供电公司，南京市009;．上海交通大学，上海市0040)

有源配电网的馈线自动化效果评价方法

朱红1，刘东2，凌万水2，翁嘉明2，孙辰2
(1．国网南京供电公司，南京市210019;2．上海交通大学，上海市200240)

随着分布式能源和可再生能源技术的广泛研究与应用以及信息通信技术和电力电子技术的同步发展，传统被动单向式供电配电网正面临向双向供电的配电网发展的巨大挑战，主动配电网(active distribution network，ADN)(即有源配电网)是解决上述问题的重要方法和手段。然而在有源配电网中传统馈线自动化技术难以保证选择的正确性，需要提供新的更有效的评价方法作为理论基础。针对目前大量分布式能源接入配电网所带来的电网自动化问题，基于有源配电网的特点并从馈线自动化(feeder automation，FA)动作过程与FA动作结果2个角度来对FA处理效果进行评价，提出有源配电网的馈线自动化评价指标体系及效果评价方法，为将来有源配电网的馈线自动化技术发展提供理论依据。

有源配电网(ADN);馈线自动化;评价方法;故障处理;供电恢复

0 引言

实施馈线自动化(feeder automation，FA)是一项能够提高配电网供电可靠性的关键技术措施。作为馈线自动化技术得以实用化的重要前提，需要对其在配电网络发生故障后各种条件下的动作成功率进行有效性评价，即对相关产品性能、逻辑与动作正确性、故障处理效果等内容开展准确定量的评估。文献［1-4］介绍了馈线自动化一般现有的多种不同处理模式。针对不同的应用模式，当前已有多篇文献从馈线自动化技术的可靠性测试、逻辑动作正确性、实施效果评估等方面进行了论述和分析。

文献［5］提出了一种测试评价在含一次系统故障的信息与各种干扰信息等输入条件下算法可靠性的方法。文献［6］提出了一种自动测试馈线自动化主站的方法，强调可靠性测试需要注重典型运行环境下的长期运行能力、持续的远程控制能力和雪崩测试3个方面。文献［7］以时间相关性指标(以平均无故障时间/平均故障间隔时间等)作为系统的可靠性指标进行评估，但未针对馈线自动化的故障定位、隔离和供电恢复算法的可靠性的量化指标以及各种干扰，如通信干扰、远程控制拒动、运行方式改变等对算法的定量影响进行研究。文献［8］基于并行计算环境，建立了一套馈线自动化仿真测试环境，用于对动作逻辑正确与否进行测试以评估其有效性，但在分析算法的动作逻辑时主要以馈线终端单元(feeder terminal unit，FTU)正确采集故障，以及FTU与系统正常通信为基础，模拟一次系统故障进行研究。文献［9-10］分别提出相应的技术手段来提高故障处理算法在通信信道失败、开关拒分、信息不全时的可靠性。

目前已有部分智能配电网馈线自动化的研究［11-14］。在有源配电网中，由于分布式电源的大量接入引起潮流和短路电流分布变化，使得原有的配电网保护配置和整定方法不再适用。针对这一问题，文献［15-17］研究分析了有源配电网的故障电流特征及对配电网保护的影响，并提出了相应对策。文献［18］研究比较了故障位置与故障前后线路两端的电流相角变化方向，提出了一种只利用电流量的纵联保护方案，通过验证表明该方案能够准确识别区内故障。针对配电网线路特点和不同的馈线结构，文献［19］给出了适应性差动保护动作判据及门槛整定原则，提出并实现了基于故障信息的电流数据自同步方法，验证了应用于故障检测与处理的有效性。文献［20-21］研究并提出了有源配电网发生故障后，综合利用备用联络线路与内部分布式电源为故障后的停电负荷综合恢复供电，提高配电网供电可靠性的方法，但还缺乏算法实际应用的有效性验证。因此，计及有源配电网双向潮流这种特性的新型馈线自动化技术的有效性评价仍需要加以深入探讨研究。

在简述分析馈线自动化传统评价方法的基础上，本文提出相应的量化评价指标体系，从动作过程与动作结果2个角度出发对有源配电网中所应用的分布式馈线自动化技术的故障处理效果进行评价。

1 传统馈线自动化的评价方法

馈线自动化有多种不同的处理模式，如集中式主站模式，子站隔离主站恢复模式，智能分布就地控制模式，电流计数型就地控制模式，电压时间型就地控制模式等;对于一种处理模式，不同的供应商的处理策略也不尽相同，动作过程不同。

传统上，对FA的动作结果评价一般采用2种方法:

(1)检查最终结果是否与设定结果一致;

(2)检查动作过程是否与设定过程一致。

这些方法可以在一定程度上反应各种馈线自动化系统的可靠性，但存在以下几点不足:

(1)故障处理的操作，具有严格的时序性，如在故障区没有被隔离前，不能进行非故障区的恢复操作，否则将导致故障范围的扩大，引起正常线路的供电安全，因此即使动作结果状态是正确的，也不能够保证动作过程上是安全的;

(2)仅能进行定性的判别，无法对馈线自动化系统对非故障区的恢复比例以及恢复速度等指标做出判断;

(3)在输入条件不具备或者信息不完备时，最终结果与设定结果往往不同，但不同处理方案为最终客户提供的帮助是不同的，这无法得到体现;

(4)故障处理结果，不仅与供电区域恢复的大小相关而且与恢复的速度相关;

(5)故障处理过程中，可能的错误行为会导致检修区段带电或者故障范围扩大。

2 有源配电网的馈线自动化评价指标体系

随着分布式能源和可再生能源技术的广泛研究与应用以及信息通信技术和电力电子技术的同步发展，传统被动单向式供电配电网正面临向双向供电的配电网发展的巨大挑战，有源配电网技术是解决上述问题的重要方法和手段。

有源配电网是具备组合控制各种分布式能源分布式发电(distributed generation，DG)、可控负荷、储能、需求侧管理等能力的配电网络，其目的是提高配电网对能量的主动分配能力和经济运行能力，提升配电网资产利用率，提高用户的用电质量和供电可靠性。其中馈线自动化是实现有源配电网控制的核心内容之一，也是提高供电可靠性的重要手段。然而，在高渗透率的分布式能源接入的条件下，目前已有的馈线自动化技术不能满足有源配电网控制的需要。

本文基于有源配电网的特点并从FA动作过程与FA动作结果2个角度来对FA处理效果进行评价，提出有源配电网的馈线自动化效果评价方法，为将来有源配电网的馈线自动化技术发展提供理论依据。

2.1 有源配电网的供电区段状态定义

根据有源配电网供电区段在故障发生及其处理前后的状态变化规律，可以将区段状态分为“正常”状态、“故障”状态、“待恢复”状态与“停电”状态。

有源配电网正常运行时，初始化所有带电区段状态都为“正常”，非带电区段状态为“停电”。发生故障后因出口断路器及分布式电源出口保护跳闸导致停电的非故障区域为“待恢复”状态，故障区段为“故障”状态。图1和图2以辐射状有源配电网为例，在正常运行和发生故障后在图中划分了各个运行状态。

图1 正常运行时辐射状有源配电网状态Fig.1 Radial active distribution network state at normal station

图2 发生故障后辐射状有源配电网状态Fig.2 Radial active distribution network state after the faults

2.2 故障处理过程系数

通过对故障处理中操作开关引起的开关位置变化进行连续网络拓扑分析，可以得到各个区段状态的变化，从这些状态变化的过程可以分析出故障处理系统的每步操作过程的安全性，作为故障处理是否失效的判据。故障处理中区段状态变化合理性对照见表1。

表1 故障处理中区段状态变化合理性对照表Table 1 Rationality of section state changes in the fault handling

表1表达了故障处理过程中开关操作前后导致区段状态变迁的合理性。“×”表示这个操作不合理，会导致系统扩大故障范围或者引起安全事故;“√”表示操作过程是无破坏效果的;“-”表示操作过程没有导致该区段状态变化。

(1)如果一个区段由“正常”转变为其他任何状态，说明正常带电区域因为故障处理操作而引起失电，是典型的故障范围扩大的案例，这种转变判为“×”。

(2)故障所在的区段，在故障被排除之前不能恢复供电，也就不可能转变为“正常”与“待恢复”状态，如果发生这种转换也是一种错误的变迁，判为“×”。

(3)状态为“待恢复”的区段，可以转变为任何区段，其本身因为故障原因已经停电。

(4)如果一个区段由“停电”转变为其他任何状态，也应判为“×”。原因是故障前状态为“停电”的区段，调度人员因为检修或者其他原因将该区段从配电网络中隔离，使该区段处于孤岛状态，故障处理，导致该区段与其他区段相连，将可能导致这些区段重新带电，从而可能引发人身安全或者设备安全问题。

可以用故障处理过程系数K来最终体现故障处理操作的结果。如果一次故障处理过程中没有任何一个区段存在任何错误状态变迁，K取值为1，反之，取值为-1。

2.3 有源配电网的故障处理电量恢复率

由公式(1)表示的故障处理电量恢复率fsh指单位时间内，因故障处理动作被恢复供电的供电量Psh与线路不发生故障时单位时间供电量Pnm的比值，即

因为Psh与故障处理系统最终恢复区段的大小与速度紧密相关，所以该指标不仅容纳了故障处理速度和供电故障处理率，而且包括了配电线路中的区段负荷量等与经济性相关的指标，同时，一定程度也反应了配电一次网络的可靠性。

显然，故障处理电量恢复率fsh与单位时间的大小相关，时间越大，该指标的可比较性就越低。考虑到大多数故障处理模式的操作时间都在3 min以内，可以取3 min的故障处理电量恢复率。

2.4 有源配电网中分布式电源供电恢复率

有源配电网中需考虑在传统的无源配电网加入分布式电源后，在经历故障处理操作过程中给与比无源电网更多的电量恢复影响。因此结合2．3节提出的故障处理电量恢复率，提出分布式电源供电恢复率，即由于分布式电源接入的有源配电网，由其在故障处理后给配电网络提供的电量恢复。

图3为一典型环网结构的有源配电网正常运行情况示意图。以此有源配电网结构为例，在T节点处发生故障时，用户1将由DG恢复供电，用户2将由对端电源恢复供电，被恢复供电的供电量为用户1 +用户2的电量总和，具体见图4。如果在网架完全不变的情况下不考虑DG接入，用户1不能恢复供电将停电，用户2仍由对端电源恢复供电，被恢复供电的供电量仅为用户2的电量，因此在实例中，有源配电网分布式电源供电恢复电量即为用户1的电量。

图3 典型环网结构的有源配电网正常运行示意Fig.3 Typical ring network structure of the active power distribution network normal operation schemes

图4 典型环网结构的有源配电网故障恢复示意Fig.4 Typical ring network structure of the active powerdistribution network fault recovery schemes

由公式(2)表示的有源配电网中分布式电源供电恢复率fDG指单位时间内，因故障处理动作被恢复供电的供电量Psh减去在不考虑分布式电源接入的电网因故障处理动作被恢复供电的供电量Ptr之后，与线路不发生故障时单位时间供电量Pnm的比值，即

显然，有源配电网中分布式电源供电恢复率fDG与故障处理电量恢复率fsh相似，故取3 min的故障处理电量恢复率。

3 有源配电网馈线自动化的故障效果评价

结合反应故障处理过程合理性的故障处理过程系数K，公式(3)给出了在有源配电网的情况下对单次故障处理的可靠性量化指标，即

公式(3)中，0．1这一技术性处理的意义在于屏蔽故障处理电量恢复率为0时，掩盖了故障处理过程中的错误。Fsh〈0表示故障处理操作过程存在不合理性;Fsh≥0表示了该FA的故障处理效果。K×fDG的部分则充分体现了有源配电网与无源配电网的故障效果差别。

这些评价方法，不仅可以验证不同馈线自动化方法在有源配电网情况下，是否具有正确处理故障的能力，而且建立了不同馈线自动化方法在有源配电网的情况下评判故障处理恢复效果的方法。

4 结论

本文在分析传统馈线自动化的特点的基础上，提出有源配电网的馈线自动化的评价指标体系，包括: (1)提出有源配电网的供电区段状态定义;(2)提出故障处理过程系数;(3)提出有源配电网故障处理电量恢复率;(4)提出有源配电网中DG供电恢复率。

结合上述提出的指标，提出一种评价有源配电网的馈线自动化效果的量化方法，为馈线自动化技术在未来有源配电网的应用提供了技术上的支撑。

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(编辑:张媛媛)

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

朱红(1971)，女，高级工程师，主要研究方向为配电网运行调度与管理;

刘东(1968)，男，研究员，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，国家能源智能电网(上海)研发中心智能配用电研究所所长，本文通信作者，主要研究方向为智能电网、主动配电网、电网物理信息融合系统;

凌万水(1975)，男，博士，主要研究方向为智能配电网、配电自动化、多代理系统、自动化系统的形式化验证。