智能配电网自愈控制技术体系框架研究

贾东梨，孟晓丽，宋晓辉

（中国电力科学研究院，北京 100192）

进入21世纪以来，随着世界经济的发展，节能减排、绿色能源、可持续发展成为各国关注的焦点，更成为电力行业实现转型发展的核心驱动力，智能电网的理念逐渐萌发形成，成为全球电力工业应对未来挑战的共同选择[1-3]。目前，中国和世界各国已经达成普遍共识，建设灵活、清洁、安全、经济、友好的智能电网，是未来电网的发展方向[4-6]。智能电网能够实现电力系统安全稳定、优质可靠、经济环保，是实施可持续供电战略的重要保障，具有融合、优化、分布、协调、互动、自愈等特征[7-9]。

根据目前国际、国内的研究报告，智能电网主要由4部分组成，分别是高级配电运行、高级量测体系、高级输电运行、高级资产管理。在各个部分中，高级配电运行是目前装备较薄弱的环节，所以在国际上关于智能电网的研究报告中，配电网是大家关注的重点[10]。

智能配电网是智能电网中连接主网和面向用户供电的重要组成部分[11]。智能配电网有助于提高电网供电可靠性、系统运行效率以及终端电能质量；有助于实现分布式发电、储能与微网的并网与优化运行，实现高效互动的需求侧管理；有助于结合先进的现代管理理念，构建集成与优化的配电资产运行、维护与管理系统。智能配电网较传统配电网更加坚强并具有更大的“弹性”，可以有效抵御自然灾害及外力破坏等突发事件给电力系统造成的影响，并且具有强大的“自愈”功能，自愈是智能配电网最重要的特征。从本质上讲，自愈是智能配电网的“免疫系统”。

目前，国内外学者都在积极探讨具有自愈能力的电网架构[12-14]、自愈控制体系及控制策略[15-16]，但是这些研究还未形成统一的系统理论，也没有针对智能配电网展开自愈控制的研究。

本文对智能配电网的控制技术体系进行研究。首先分析智能配电网自愈控制技术体系设计的层次结构，自下而上分为3层，分别是基础层、支撑层和应用层，然后分别分析各层次的技术组成。

1 智能配电网自愈控制概述

电网从当前的安全控制到自愈电网理念的提出、研发和实施，是一个历时以世纪计的积累发展过程[17]。智能配电网的“自愈”能力是指智能配电网能够及时检测出已经发生或正在发生的故障，并进行相应的纠正性操作，使其不影响对用户的正常供电或将其影响降至最小。自愈控制主要是解决“供电不间断的问题”，也就是在无需或仅需少量人为干预情况下，监测电网的实时运行状态，预测电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患。具有自愈能力的智能配电网将具有更高的供电可靠性、更高的电能质量、支持大量的分布式电源的接入、支持用户能源管理（需求侧管理）、提高电网资产利用率、对配电网及其设备进行可视化管理、实现配网设备管理、生产管理的自动化、信息化。

2 智能配电网自愈控制技术体系

智能配电网的自愈控制技术体系自下而上分为3个层次，依次是基础层、支撑层、应用层，如图1所示。

2.1 基础层——电网及其设备

实体电网作为智能电网的物理载体，是实现智能电网的基础[18]，也是实现自愈控制的基础。但是，与国外先进国家相比，我国配电网整体供电能力和可靠性水平偏低，管理手段相对落后；配电自动化系统覆盖范围小，远远低于先进国家水平；由于技术不成熟、网架结构调整频繁、运行维护力量不足等原因，配电自动化实用化水平较低，部分装置处于闲置状态；部分地区城市配电变压器经济运行水平不高，配网节能降耗技术应用不足。

图1 智能配电网自愈控制技术体系

鉴于以上原因，我国智能配电网应该以可靠性建设为核心，以配电网高效运行为目标，同时提高负荷管理水平和用户参与水平。而且，未来将有大量的分布式清洁能源发电及其他形式发电接入电网，要求配电网具备灵活重构、潮流优化、清洁能源接纳能力。同时，随着用户侧、配网侧分布式电源增多，特别是随着屋顶太阳能发电、电动汽车大量使用，电网中电力流和信息流的双向互动会逐步增多，对电网运行和管理将产生重大影响。因此，在实体配电网的建设过程中，必须进行前瞻性的探索、规划和构建，以长远的眼光来研究我国配电网的发展，大力推进先进技术创新，积极采用成熟先进技术，使实体电网在架构上、技术上、装备上满足未来智能电网的需求。

2.2 支撑层——数据和通信

覆盖整个电网的信息交互是实现电力传输和使用高效性、可靠性和安全性的基础[19]。而且，自愈控制需要采集大量设备（包括一次、二次设备）的状态数据和表计计量数据，对于这种数量大、采集点多而且分散的情况，就需要在开放的通信架构、统一的技术标准、完备的安全防护措施下建立高速、双向、实时、集成的通信系统。

高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能配电网的基础，也是迈向配电网自我预防、自我恢复的关键步骤。这样的通信系统建成后，电网通过连续不断地自我监测和校正，应用先进的信息技术，实现其自愈能力，提高对电网的驾驭能力和优质服务的水平，它还可以监测各种扰动，进行补偿，重新分配潮流，避免事故的扩大。

2.3 应用层

自愈电网各项功能的实现，有赖于在完善电网、电力设备以及数据通信的基础上，应用监测、评估、预警/分析、决策、控制、恢复等技术，实现电网的自我预防，自我恢复。本文从以上6方面阐述智能配电网自愈控制技术体系应用层的功能，各功能模块的关系如图2所示。

图2 智能配电网自愈控制应用层各模块关系图

具有自愈能力的智能配电网将电网运行状态分为正常状态、预警状态、临界状态、紧急状态和恢复状态。各状态的特征如表1所示，各状态之间的变化关系如图3所示。

表1 智能配电网自愈控制电网运行状态特征

2.3.1 监测

智能配电网是一个复杂的系统，按照现代控制理论的观点，要对一个系统实施有效控制，必须首先能够观测这个系统[20]。智能配电网自愈控制重点在于提高电网所有元件的可观测性和可控制性，增强对电力设备参数、电网运行状态以及分布式能源的监测作用，这就对传感与量测技术提出了更高的要求。

图3 智能配电网自愈控制的状态

1）智能传感器。电气电子工程师学会（IEEE）在1998年通过了智能传感器的定义，即“除产生一个被测量或被控量的正确表示之外，还同时具有简化换能器的综合信息以用于网络环境的功能的传感器”。也就是说，智能传感器是一种带有微处理器的、具有信息检测、信息处理、信息记'、逻辑思维与判断功能的传感器。智能传感器为自愈配电网的发展提供了敏锐的“神经末梢”。为了实现对智能电网大部分设备实现状态监测，使用的智能传感器必须具有高性价比、尺寸小、工程维护性好、良好的电磁兼容性、智能数据交换接口等特点，易于安装、推广和维护。

2）同步相量测量技术。同步相量测量以全球定位系统（GPS）提供的精确时间为基准，可对电力系统进行同步相量测量、实时记录、暂态录波、时钟同步、运行参数监视、实时记录数据及暂态录波数据分析，实现各个节点的同步测量[21]，并通过高速通信网络把测量相量传送到主站，为大电网的实时监测、分析和控制提供基础信息。由于PMU能够实现广域电网运行状态的实时同步测量，为实现电力系统全局稳定性控制创造了条件，克服了现有以SCADA为代表的调度监测系统不能监测和辨识电力系统动态行为的缺点，改善了传统状态估计的结果[22]。随着智能配电网的发展，要求控制系统和保护越来越复杂，实时相角测量系统将会是这些控制和保护装置中所不可缺少的。尽管PMU还未在配电网中应用，笔者相信PMU在配电网中应用是必然趋势。

3）表计、变压器、馈线、开关等。除智能传感器和同步相量测量技术外，未来智能配电网中的测量可能遍及电网的表计、变压器、馈线、开关以及其他设备和装置。

4）电网运行状态监测设备。应用电网运行状态检测设备，对电网运行状态监测，将电网当前的运行状态精确、直观地展现，并将电网当前的动态运行数据及时上传。

5）分布式能源监控设备。对分布式能源终端进行实时监测、控制和管理，实时显示终端参数并为评估模块和预警/分析模块提供实时数据。同时还能实现管网平衡等控制，实现远程定时抄表，历史记录、历史曲线查询，自动完成各种报表，减轻工作人员劳动强度，避免人为失误，避免纠纷，提高管理水平。

2.3.2 评估

传统配电网评估方法多是从配电网供电能力和网架结构方面进行评估，由于智能配电网的复杂性，其评估需在传统配电网评估的基础上，加上电网安全评估、设备状态评估、电网脆弱性评估、电网风险评估以及上网电价适应性评估，以尽可能的反映电网的实际情况，为电网预警/分析以及自愈决策提供参考。

1）电网安全评估。电力系统的安全性指电力系统在运行中承受故障扰动的能力。随着智能配电网的发展以及分布式能源的接入，电力系统结构和运行方式日趋复杂，故障引起的系统失稳的影响范围更广，对于这种情况，必需进行电网静态安全评估和电网动态安全评估。

2）设备状态评估。自愈配电网供电可靠性在很大程度上取决于电力设备的可靠程度，电力设备作为电网运营的主要载体，其健康状态的好坏直接关系到电网抗风险的能力。设备状态评估可根据设备运行参数的变化而不断实时更新评估结果，量化设备的状态，使评估结果能够随设备、线路的改造而自我更新和完善，为分析设备的安全状况和电力系统的可能故障率及变化趋势起到一个长期动态而有效的指导作用。

3）脆弱性评估。智能配电网自愈控制强调脆弱状态，重视预防控制：评价电网的脆弱性，根据脆弱性的严重程度和不同类别制定有针对性的控制方案[13]。脆弱性评估是对系统受到外力作用或者突发事件的情况下所可能发生的变化，也就是对突发事件的敏感程度以及可能发生的损失，那么做好脆弱性评估，就能及时、有效的预测和预警未来可能发生的变化趋势或者损失，抑制不良因素的发展，使受损系统得以尽快的恢复与重建，以实现系统的良性发展和持续利用。

4）风险评估。风险评估作为智能配电网不可或缺的分析方法和评估手段，应该在智能配电网建设初期予以重视。智能配电网引入了大量的新型元件和设备、带来了新的结构调整。传统设备故障带来的系统风险依然存在，大量新设备运行统计数据缺乏，传统设备和新设备运行的协调，智能配电网带来的结构变化都使风险分析更加复杂。鉴于以上原因，需要对风险进行定量评估和管理，以便从可控因素入手降低风险。

5）上网电价适应性评估。智能配电网具有与客户互动功能，电网可为客户提供实时电价和用电信息，引导客户合理用电、高效用电，提高能源利用效率，实现用电优化、能效诊断等增值服务。但是，在电价的影响下用电负荷会随之发生较大变化，对电网的承受能力产生影响，因此需对上网电价适应性进行评估。

2.3.3 预警/分析

智能配电网规模庞大，运行机理复杂，但是电网运行实践表明，除少数突发故障以外，大多数故障发生是有一个渐进过程的，如果早期发现，及时采取恰当的措施是完全可以防止的。为了及时发现电网安全隐患，提高电网自愈能力，根据电网运行信息、环境变化信息，在电网状态评估的基础上，对电网可能出现的故障、问题提出警告及处理措施，就是预警/分析。预警/分析是自愈电网不可缺少的部分，实现电网运行状态的在线自动跟踪，并能及时发现电网的隐患，自动给出预警信号。

当电网到达预警状态，自愈控制系统通过图1所示预警/分析技术体系，对电网的安全性实施全面而综合的实时预警，自动跟踪电网运行的安全级别，自动提取表征系统状态的特征信息，自动发现严重事故，及时发现电网中存在的各种安全隐患，提出预警，从而采取主动措施，把安全隐患和灾变问题解决在初期阶段。

2.3.4 决策、控制、恢复

评估和预警/分析信息上传到决策层，通过容错故障诊断技术、故障定位与隔离技术、电网灵活分区技术、自愈决策可视化技术以及对应的模型、算法、规则库、知识库等，实时主动调控或适时采取技术对策消除某一初始原因刚刚产生的后果，并启动一个反作用因果链，抵消故障因果链的作用，从而可以将故障抑制在萌芽中，控制、恢复和保持电网的稳定运行。

对应于电网的5种运行状态，存在4种基本控制技术，分别是：预防控制技术、校正控制技术、紧急控制技术和恢复控制技术。由于智能配电网对分布式能源具有接纳能力，除了以上4种基本控制技术外，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。

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、频率稳定技术、自适应卸负荷技术、自愈解列技术、自愈恢复仿真技术等。

3 结语

自愈作为智能配电网最重要的特征是智能配电网的“免疫系统”。通过研究应用智能配电网自愈控制技术将使电网的供电可靠性明显提高，停电时间显著减少。尤其是在极端天气情况下，配电网将充分发挥它的自我预防、自我恢复能力，优先保障人们的生活，最大限度地为人们提供电力。

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