多源智能配电网自愈控制关键技术研究＊

胡伟，周敏

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412000）

1 研究意义

相对于传统的配电网，智能配电网中接入了大量的分布式电源以及储能装置，分布式电源以及储能装置的接入使智能配电网由传统的单电源系统变成了多电源，加之分布式电源以及储能装置具有一定的随机性，使得智能配电网在正常运行状态下出现了双向不定潮流的问题，使得智能配电网运行方式复杂多变[1-3]。安全稳定运行是智能配电网其他功能实现的基础与前提，而自愈控制能及时发现、预防和隔离各类可能出现的故障及安全隐患，优化配电网运行状态，能抵御内外部各类故障的冲击，抑制系统内外的各种扰动。具有在故障状态下维持系统安全稳定运行、修复故障、快速恢复供电的能力，能简化调度操作流程，实现全自动化过程，降低配电网内部扰动和外部故障时对用户的影响[4-6]。

2 多源智能配电网自愈控制框架

智能配电网自愈控制技术的实现特别强调系统的协调性与适应性，是一项复杂的系统工程，为了行之有效地实现多源智能配电网的自愈控制，本文提出了如图1 所示的自下至上的分层协调自愈控制框架。

图1 面向多源配电网的自愈控制系统总体框架

分层协调自愈控制框架由3 个功能层构成，分别是基础层、支撑层和应用层。其中，基础层是实体智能配电网及相关的电力设备，包括智能开关、保护控制设备、分布式电源、智能配电终端等；支撑层是数据和通信，涉及到高速、双向、实时、集成的通信技术，开放的通信架构，统一的技术标准等；应用层是本文重点研究的内容，主要包括故障预警和分析、网络重构、自愈决策、自愈控制等。

3 多源智能配电网自愈控制关键技术

3.1 智能配电网测量保护一体化终端装置设计

为了较好地实现故障自愈控制，需要对多源智能配电网实时数据进行数据分析及挖掘，因此，研究面向智能配电网测量保护一体化智能终端尤为关键。在装置研发方面，本文研究了一款功能模块化、组合灵活化、保护监控智能化、高可靠性、广泛适用性、扩展性良好的低功耗一体化配电智能馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU），可实现智能配电网分布式和集中式控制方式，能快速准确地判断出故障，并根据多源配电网网络拓扑，实现最优重构方案，快速准确地恢复供电。智能FTU 其典型连接方式如图2 所示。

图2 智能终端连接示意图

该终端除了具有一般FTU 的通用功能外，还加入了间隔层光纤通信网络，终端之间可以直接通信，通过这个硬件接口，各个FTU 可以结合光纤保护接口进行快速数据交互，从而实现电网自愈和优化控制。

保护模块主要实现电网交流量的采集、数据计算和线路保护功能。该模块使用DSP（C6748）为核心的最小系统作为计算核心，通过2 片8 路AD（AD7606）采样，可实现16 路交流量数据的采集。该模块具有8路输入开关量和4 路输出开关量接口，可实现对柱上断路器的监测和控制，结合算法可实现线路保护功能。该模块还有一路光纤（或以太网）接口，可实现间隔层的快速通信。

管理模块主要实现本地采集数据的管理、统计、存储和与其他设备之间的通信。该模块由ARM9（9260）+Linux 组成的嵌入式系统构成。

电源模块为设备提供所需的电源，输入电源能够兼容交直流系统。

保护模块和管理模块之间使用UART 和SPI这2个通道进行通信。UART 为全双工模式，提供2 个模块之间小数据量（参数、消息等）的对等通信。SPI通信中，ARM 通过SPI读取大批量的DSP 数据（实时数据、录波等），其中ARM 为主设备，DSP 为从设备。

系统模块连接方式如图3 所示。

图3 系统模块连接方式

3.2 自愈控制通信技术

根据多源智能配电网网络拓扑结构及地域复杂程度，可对其通信技术进行相应调整。为了多源智能配电网的发展与延伸，保证配电网自愈控制技术的精准及稳定，其通信技术还具备开放性，确保配电网发生故障时故障检测及定位通信技术通畅，自愈控制命令能够及时传达。多源智能配电网自愈通信还具备抵御外部物理故障及系统故障的能力。

多源智能配电网通信方式主要有2 个部分：终端与智能配电网主站通信、终端与现场传感器之间的通信。终端与主站通信主要有无线通信和光纤2 种媒介。配电网通信系统可以利用专网也可以利用公网，配电网主站系统和子站系统之间的通信通道是骨干层通信网络，配电网主站、子站至配电终端的通信通道为接入层通信网络。配电网通信网络应充分利用配电网络现有通信条件，既要满足可靠性要求，又要满足现有传输速度，因此，在设计上，需要留有足够的宽带，满足后续发展需要。光纤通信为主体，将开闭所和环网柜统一接入骨干光纤环网；也可采用电力载波通信，而对于只需采集遥信和遥测量的配电网络，也可采用GPRS 通信方式采集三遥数据。

3.3 自愈控制系统控制方式

3.3.1 基于时序配合的就地控制方式

就地控制主要是通过底层智能终端、保护测控装置、各类智能开关等设备之间的时序逻辑配合，与智能配电网主站无信息传输控制，在配电网发生物理事故时，配电网网络断开故障区段断路器，隔离故障区段，通过就地控制方式，恢复非故障区域供电，只需向主站上报时间记录顺序及处理结果。

基于配电网时序配合的就地控制模式的主要优点是与智能配电网主站无信息传输控制，不需要主站传送遥控或者跳闸命令，处理故障速度极快，无传输延时，稳定性相对较好。缺点是无法根据全域信息进行负荷转供，无法根据各分布式电源出力进行控制，易造成开关动作次数较多，影响其使用寿命，且非停电区域容易扩大。

自愈控制就地控制模式一般适用于供电可靠性要求不高的地区及偏远山区负荷分散且不集中的区域，该模式成本较低，仅实现了智能配电网故障的就地隔离和一些预定模式的故障处理。

3.3.2 基于主站的集中控制模式

基于主站集中控制模式主要是通过现场各类传感器及智能终端采集配电网网络运行参数进而实现对智能配电网的实时监测，一旦配电网出现接地等极端事故，对终端及传感器上传的海量数据进行数据挖掘。通过构建故障特征量来识别故障区域及类型，实现断路器的自动跳闸及合闸，主站依据全域信息，通过控制算法，进行合理地故障重构，实现智能配电网故障区域的隔离，非故障区域及时复电。整个过程由主站统一完成，终端负责“上传下达”，实时上传配电网络拓扑结构、潮流方向、功率以及各类现场位置遥信及告警遥信，执行主站下达的各类控制命令，实现对一次设备的遥控及遥调操作，改变运行状态等。

基于主站集中控制模式由智能终端、光纤通道、子站、主站构成。子站在中小型配电网中不设置。配电终端一般应用在开关站、环网柜、配电室、柱上开关、箱式及配电变压器、架空线路等场合。根据终端运用场景及及装置功能的不同，配电网智能终端可分为配电网馈线终端（FTU）、配变终端（TTU）、开关站或变电所智能终端（DTU）以及具备通信功能的故障指示器等。配电终端功能还可以采用远动装置（Remote Terminal Unit，RTU）、重合闸控制器或者综合自动化装置等。对开关站实现综合自动化系统“五遥”功能（遥信、遥测、遥控、遥调、遥视），对配电网环网柜和配电线路柱上开关实现“三遥”功能（遥控、遥信、遥测），对配变实现“两遥”功能，即遥信、遥测信息量采集。各类智能配电终端是配电网自动化的重要组成部分，智能配电终端对运行稳定性要求极高，且对各类终端设备的技术要求进行统一规定，制造标准统一，接口标准，自动化施工难度降低。配电网主站系统应根据不同地区的配电规模、实际需求以及配网自动化的应用基础等情况来选择和配置软硬件，并建立在标准且通用的软件及硬件平台上，具有可靠性强、扩展性好及安全性高等优势。

图4 为基于主站的集中控制模式配电网拓扑结构图，正常运行时，变电站A 和变电站B 开环运行，Q3处于分位，当故障F1 发生在断路器Q1 和Q2 区域（短路永久性故障）时，变电站A 某出线保护测控装置动作，断路器QF1 跳闸，重合闸动作，此时Q1 和Q2处终端通过上传的实时故障特征量检测到故障电流，主站下达遥控分闸Q1 和Q2 的命令，隔离故障区域，通过遥控合闸Q3 断路器，恢复非故障区域供电。

图4 主站集中控制式配电网拓扑结构

这种基于主站的自愈控制模式以集中控制为核心，综合了过流保护、远动智能终端（RTU）自动跳合闸以及遥控功能，能够极为准确且迅速地切除故障区域，在数十秒内实现故障检测、定位、隔离，在几分钟内实现配电网网络重构，并恢复非故障区域供电。这种方式可以实现配电网故障自愈的主站自我感知、诊断、决策和恢复，是目前国内配电自动化的主流，需要依赖变电站出口保护动作的配合，故障恢复时间较长，不支持环网运行。

3.3.3 基于分布式智能终端的就地控制方式

基于分布式智能终端的就地控制模式主要是依赖于终端之间的相互通信，通过数据共享，实现故障区域的隔离与非故障区域的恢复供电，不需要主站参与，只依赖于终端微机处理程序完成。

基于分布式智能终端的就地控制模式在通信网络速度稳定的前提下，通过智能终端之间数据的共享及传输，相互获取对方开关遥信状态及电压电流功率等遥测信息，当配电网出现故障，能更加快速及准确地判断出故障区域及故障类型，并且不依赖主站通信，准确地做出网络重构方案，完成非故障区域的负荷转供，相较于集中控制模式，减少了断路器短路冲击次数，但需要较好的网络通信环境。

终端之间的通信方式主要是主从式和对等式2 种通信方式。主从式通信需要设置配电网子站，负责信息的收集、转发和仲裁。如果是对等式通信方式，则终端之间完全开放，全域信息共享，故障区域的识别、故障定位、故障类型判别、网络重构等均由终端及断路器配合完成，不需要设置子站和主站。

基于分布式智能终端的就地控制方式的优点在于可减少断路器冲击次数，处理故障速度快，但是由于建立在终端间的通信对通信网络要求较高，在复杂配电网拓扑结构下，无法根据全域信息进行网络重构，只能提供局部最优策略。

3.3.4 基于分布式智能终端与主站协调配合的综合控制模式

综合控制模式在配电网正常时通过风险评估识别配电网潜在隐患或危害，对潜在故障发出预警，通过预防控制操作，尽可能降低故障发生的可能性，实现避免故障发生的目标。

当智能配电网发生接地故障时，综合控制模式在处理故障时，主要工作在就地控制模式下，能充分发挥分布式智能终端处理故障速度快、无传输延时、稳定性好等优势，能快速检测出配电网网络故障区段，对配电网网络非故障区域做出重构方案，恢复供电，能最大减少停电时间及停电区域。而主站控制模式主要作用是提供后备方法，能及时纠正系统错误模式，并且综合系统内外约束条件，做出全域最优自愈控制方法，提供人机接口操作界面，能及时为调度员提供故障处理操作接口。在发生主站及终端间的通信故障时，并不影响分布式智能终端就地控制模式故障处理速度及终端间的通信，能及时恢复非故障区域供电。

分布式与集中式相结合的综合控制模式集合了分布式智能终端就地化快速故障处理和集中式控制模式最优控制方式优点，能适用于复杂的包含多种分布式电源的智能配电网网络。智能配电网“五遥”功能主要集中在分布式智能终端装置上，保证了测控功能（遥测、遥信）、保护功能（故障辨识、故障隔离、非故障区域恢复）的独立性以及完整性。

4 配电网的自愈控制系统技术支撑体系

多源智能配电网的自愈控制系统技术支撑体系如图5 所示。主要分为4 个部分，分别是检测、分析、预警技术体系，自愈决策技术体系，自愈控制技术体系，自愈恢复技术体系。

图5 配电网自愈控制技术支撑体系

检测、分析、预警技术体系：自愈控制技术的重点在于提高智能配电网的可观测性及可控制性，增强对配电网电力设备运行状态及参数的监测，并将终端及电力设备的海量数据上传，通过数据融合和数据处理，挖掘出故障特征量，从而实现对智能配电网运行状态的实时监测、分析以及故障预警。预警技术是配电网自愈控制不可或缺的一部分，能够实现对配电网运行状态进行实时自动跟踪，能及时发现配电网隐藏的安全隐患，对监控主站上报预警信息。依据上报预警信息，智能配电网能及时挖掘出安全隐患，采取主动措施，迅速解决配电网的安全隐患及突变状态。快速仿真与分析是检测、分析、预警技术体系的重要支撑。

自愈决策技术体系：将评估和预警/分析信息上传到主站决策层，通过容错故障检测及定位技术、故障类型判别技术、配电网灵活分区技术、自愈决策人机交互技术等，以及相对应的故障处理模型、算法、智库等，可实时调控并消除某一初始状态下产生的不良后果，并启动反作用因果链，将事故遏制在初始状态，恢复电网安全稳定运行。而基于脆弱点评估的在线安全预警是自愈决策技术体系的重要支撑。

自愈控制技术体系：根据配电网的不同运行状态，存在4 种基本控制方法，分别是预防、校正、紧急、恢复控制技术。现有智能配电网已经接入包含多种分布式电源系统，因此，除了以上4 种基本控制方法外，还需研究分布式能源集成控制技术、智能配电网的自愈控制模式、自愈控制可视化技术、分布协调/自适应控制技术等。

自愈恢复技术体系：当电网运行到恢复状态，已有部分地区供电中断，为了满足安全运行的需要不得不甩去一部分负荷，需研究模型更新技术、网络快速重构技术、自愈解列技术、自愈恢复仿真技术等。

5 结论

配电网分布式电源的接入，改变了传统的运行方式，需实时监测配电网运行状态，并通过数据挖掘方式进行海量数据分析，通过故障特征的提取，实现对配电网故障的检测及定位，进而实现对配电网的故障自愈控制、网络重构等。因此，本文从自愈控制总体框架、智能终端研发、自愈控制运行模式、技术支撑等方面进行全面研究，探究多源智能配电网自愈控制关键技术。