智能配电网自愈控制关键技术研究

冉玘泉，刘建

(西南交通大学 电气工程学院，四川　成都　610031)



智能配电网自愈控制关键技术研究

冉玘泉，刘建

(西南交通大学 电气工程学院，四川成都610031)

首先阐述了配电网自愈控制的基本概念及重要性，然后分析研究了自愈控制的关键技术，指明了自愈控制发展的方向和技术依托，为未来智能配电网的发展和规划提供决策参考。

智能配电网；自愈；自愈控制；关键技术；供电可靠性

1　引言

智能配电网是智能电网的重要组成部分，建设和发展智能配电网是建设坚强智能电网的重要内涵。自愈作为智能配电网的“免疫系统”，是智能配电网最重要的特征。自愈控制技术是智能配电网最核心的技术。当然，自愈控制技术实际上是一个完整的技术体系，或者说是一个技术集成。它包含若干具体的技术，涵盖了自动控制、继电保护和计算机控制等多个领域的新技术[1]。由于历史上电力工业发展的各种原因,我国配电网的发展明显滞后于发电、输电。目前用户停电95%以上是由配电系统原因引起的,电网有一半的损耗发生在配电网,我国配电网的自动化、智能化程度以及自愈和优化运行能力远低于输电网[2]。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。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。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[3-5]。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。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”[6]。

2　配电网自愈相关概念

电网的自愈(Self-Healing)是指其在无需或仅需少量的人为干预的情况下人，利用先进的监控手段对电网的运行状态进行连续的在线自我评估，并采取预防性的控制手段，及时发现、快速诊断、快速调整或消除故障隐患;在故障发生时能够快速隔离故障、自我恢复，实现快速复电，而不影响用户的正常供电或将影响降至最小。就像人体的免疫功能一样，自愈功能使配电网能够抵御并缓解电网内部和外部的各种危害(故障)，保证电网的安全稳定运行和用户的供电质量[7]。

配电网自愈能力是配电网的自我预防、自我恢复的能力，这种能力来源于对电网重要参数的监测和有效的控制策略。自我预防是系统正常运行时，通过对电网进行实时运行评价和持续优化来完成的。自我恢复是电网经受扰动或故障时，通过自动进行故障检测、隔离、恢复供电来实现的。

配电网自愈控制(Self-Healing Control，SHC)通过共享和调用一切可用电网资源，实时预测电网存在的各种安全隐患和即将发生的扰动事件，采取配电网在正常运行下的优化控制策略和非正常情况下的预防校正、紧急恢复、检修维护等控制策略，使得电网尽快从非正常运行状态转化为正常运行状态，应对电网可能发生的各种事件及组合，防止或遏制电力供应的重大干扰，以减少配电网运行时的人为干预，降低配电网经受扰动或故障时对电网和用户的影响，在实际运行过程中具有以下三种能力:一是正常运行时，有选择性、有目的地进行优化控制，改善电网运行性能，提高电网稳定裕度和抵御扰动的能力;二是把预防控制作为主要控制手段，及时发现、诊断和消除故障隐患;三是在故障情况下，维持系统连续运行，不造成系统运行损失，并且通过自治修复功能从故障中恢复的能力[8]。

自愈是智能配电网的重要特征，也是其建成的重要标志[9]。

3　配电网自愈控制关键技术

配电网的智能化要以配电网高级自动化技术为基础,通过应用先进的配电网运行自动化技术、配电网管理自动化技术、用户自动化技术、分布式电源并网控制技术、定制电力技术等,使得配电网支持大量的分布式发电、可再生能源、储能装置的接入和微网运行,增强电力企业与用户之间的双向互动,提高配电网的综合自动化水平、管理水平和电力市场化水平,优化配电网资产利用,从而实现给用户更加安全、可靠、经济、环保、优质供电[2]。

3.1高级配电自动化技术

高级配电自动化技术(Advanced Distribution Automation,ADA)是配电网革命性的管理与控制方法,是电能进行智能化分配的技术核心,是智能配电网中的配电自动化,其功能如图1所示。ADA是一个庞大复杂的、综合性很高的系统性工程,包含电力企业与配电系统有关的全部功能数据流和控制,旨在建立未来配电系统所需要的技术和功能,它是实现配电网自愈的关键技术。

与DA相比,ADA具有以下特点:①支持DER接入并与配电网有机集成;②实现柔性配电设备的协调控制;③满足有源配电网的监控需要;④提供实时仿真分析与辅助决策,有效支持高级应用软件;⑤支持分布智能控制技术;⑥具有良好的开放性与可扩展性;⑦各种自动化系统之间无缝集成,信息高度共享,功能深度融合[10-11]。

从保证对用户的供电质量、提高服务水平、减少运行费用的观点来看,ADA是一个统一的整体。有助于ADA监测和控制的开放式通讯体系与柔性电力体系和保护系统是ADA在配电自动化系统中两个相互关联的组件,共同支持智能配电网的实现。通过柔性电力体系和开放式通信系统,并结合ADA的功能,组成未来的智能配电系统。

3.2智能微网技术

微网技术是新型电力电子技术和分布式发电(Distributed Generation，DG)、可再生能源发电技术和储能技术的综合,集成多个分布式发电单元和负荷作为一个单独的系统,为用户提供电能和热能。在合理的控制方式下,微网可以并网运行，也可以脱离主电网孤立运行,并可实现两种运行模式的无缝转换。

智能微网即微网的智能化,通过采用先进的电力技术、通信技术、计算机技术和控制技术在实现微网现有功能的基础上,能够有效地解决以上技术问题,满足电网对未来电力、能源、环境和经济的更高发展需求。智能微网是一个微型的、智能化信息系统，其信息交互关系如图2所示。

图1　ADA系统功能框图

图2　智能微网信息交互关系

智能微网不管是在电网正常运行时,还是在电网发生异常时,都高度支持配电网实现自愈,是实施智能配电网自愈控制的重要手段,具备以下优点:①真正实现自治;②提供高可靠性电能;③满足用户多样化的需求;④更有效利用分布式能源尤其是可再生能源;⑤实现经济效益最大化;⑥实现环境效益最大化。

无论从结构、技术上来讲,还是从需求、效益上来讲,智能微网与智能配电网都密不可分,智能化的微网能够充分利用自身特色帮助推动配电网智能化的实现,它是未来智能配电网新的组织形式[2,12]。

3.3配电网快速仿真与模拟技术

配电网快速仿真与模拟技术(Distribution Fast Simulation and Modeling,DFSM)是实现配电网自愈的重要工具,它能够实现的主要功能包括自适应保护、故障自动定位和排除、网络重构、自动电压和无功控制等,仿真工具包括配电网状态评估、电网潮流优化、电网动态安全评估、负荷预测等,建模工具包括网络拓扑分析、设备模型、负荷模型和发电模型。DFSM在实时软件平台基础上,应用数学分析工具和先进的预测技术,根据配电网物理结构、电网运行状态,实现配电网的精确状态估计和实时优化运行,预测配电网潜在事件,并为系统运行人员提供辅助决策建议和最优决策服务,从而实现配电网自愈[2,13-14]。

3.4广域测控技术

对于大规模、分布式广域配电网络,需要建立一个基于广域同步信息的保护和控制一体化理论与技术,来协调电网元件保护、区域优化控制、预防校正控制、紧急恢复控制等具有多道安全防线的电网自愈控制体系。基于广域测量和信息交换的配电网自愈控制体系是实现配电网自愈的关键技术,能够很好地解决全局与局部、分散与集中的功能协调和速度协调问题,实现广域控制与分布保护控制的协调性。配电网广域测控体系(Distribution Wide Area Monitoring and Control Infrastructure，DWAMCI)是智能配电网实现自愈的关键技术之一，是智能配电网实现全局监视、全局控制、优化运行、自愈控制的重要解决方法，主要应用于以下领域：①运行监视与控制，即传统的SCADA应用；②故障测距与定位，故障自动隔离与恢复；③电压无功优化控制；④电能质量监测与调节;⑤DFACTS控制；⑥分布式电源孤岛保护与控制；⑦分布式电源调度[15]。

3.5高级量测技术

高级测量技术(Advanced Metering Infrastructure，AMI)是自动抄表技术的高级发展，除了实现电能自动采集、分析和计费功能之外，还有能实现带时标的测量数据双向通信，具有停电报告在线读取和其他功能；出现网络通信问题后，相应的网络能自动重构，以恢复正常通信能力。AMI的通信结构有两种，一种是广域通信结构，另一种是本地局域网。AMI典型系统如图3所示。

典型的AMI系统由智能表计、数据收集单元、回程传输单元、通信网络和量测数据管理系统组成。AMI和配电管理系统是实现智能电网蓝图的重要一步。将两者有机地结合起来，可以提高电网运行效率和实现资源的优化配置。随着 AMI技术的进步，其在配电网通信中的重要作用将有很大的应用价值[1]。

图3　AMI系统构成图

3.6需求侧管理技术

需求侧管理(Demand Side Management，DSM)是指在行政或诱导措施下,通过提高终端用户用电效率和优化用电方式,引导用户长期或短期改变用电模式,进而达到节约能源、优化资源配置和保证电网安全性的用电管理活动。需求侧管理的2个基本目标是:①通过推行高效设备改造或节能建筑减少总能源的使用;②通过改变用电方式进行负荷削峰填谷。需求侧是智能配电网建设的重点环节,而需求侧管理对于智能配电网建设目标的实现具有举足轻重的作用。同时,无论配电网在正常运行方式下的优化控制,还是在非正常运行方式下的预防校正控制、紧急恢复控制、检修维护控制等,需求侧管理都是在考虑和支持用户参与电网互动、支持实现配电网自愈的最关键技术,是配电网自愈控制采取的重要手段。智能配电网和需求侧管理二者关系密切、相辅相成。

4　结束语

智能配电网是建设有中国特色坚强智能电网实现的重要组成部分,是应对我国未来能源、环境、气候、经济、社会等挑战的战略武器,是解决配电网架构薄弱、自动化水平低、分布式发电大量接入对电网负面影响、用户与电网之间的互动能力和电网运行控制水平有限等问题的有效手段。

自愈控制技术是配电网实现智能化极为关键的技术，它随着配电网的信息、通信等各项技术不断完善和发展而发展。通过开展配电网自愈控制技术、分布式发电与智能微网技术、AMI技术、配电网快速仿真与模拟技术等相关技术的研究,可快速而有力地推进我国智能电网的建设。智能配电网最突出特点就是主动自愈控制，而未来智能配电网发展的最高目标是无缝自愈控制。智能配电网自愈控制技术已成为提高配电网供电可靠性和安全性，抵御连锁故障与大面积停电事故发生，解决大量DG接入的主要技术手段,具有广阔的市场前景[2,16]。

本文对智能配电网自愈控制技术的特点和类型进行了理论研究，分析了如何运用各种先进的支撑技术实现具有准确率高、自适应强、经济性好、安全可靠和智能化程度高等的智能配电网自愈控制技术。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。

[1]于士斌,徐兵,张玉侠,等.智能配电网自愈控制技术综述[J].电力系统及其自动化学报,2013,25(5):65-69.

[2]马其燕,秦立军.智能配电网关键技术[J].现代电力,2010,27(2):39-44.

[3]李乃湖,倪以信,孙舒捷,等.智能电网及其关键技术综述[J].南方电网技术,2010,4(3):1-7.

[4]谢开,刘永奇,朱治中,等.面向未来的智能电网[J].中国电力，2008,41(6):19-22.

[5]陆一鸣,刘东,柳劲松,等.智能配电网信息集成需求及模型分析[J].电力系统自动化,2010,34(8):1-4.

[6]贾东梨,孟晓丽,宋晓辉.智能配电网自愈控制技术体系框架研究[J].电网与清洁能源,2011,27(2):14-18.

[7]李天友,徐丙垠.智能配电网自愈功能与评价指标[J].电力系统保护与控制,2010,38(22):105-108

[8]葛树国.智能配电网自愈技术及其评价体系构建[J].产业与科技论坛，2011,10(23)：60-61.

[9]李兴源,魏巍,王渝红,等.坚强智能电网发展技术的研究[J].电力系统保护与控制,2009,37(17):1-7.

[10]Technical and System Requirements for Advanced Distribution Automation,EPRI,Palo Alto,CA:2004.1010915.

[11]Guidelines for Planning Interoperable Distribution Automation Systems,EPRI,Palo Alto,CA:2004.1002161.

[12]李振杰,袁越.智能微网—未来智能配电网新的组织形式[J].电力系统自动化,2009,33(17):42-48.

[13]Distribution Fast Simulation and Modeling:Situation Awareness Requirements Based on a Distribution State Estimator.EPRI,Palo Alto,CA and électricitéde France:2007.1013840.

[14]Intelligrid SM-Distribution Fast Simulation & Modeling Engineering Requirements:Documents Guideline.EPRI,Palo Alto,CA:2005.1012927.

[15]马其燕.智能配电网运行方式优化和自愈控制研究[D].华北电力大学,2010.

[16]董旭柱,黄邵远,陈柔伊,等.智能配电网自愈控制技术[J].电力系统自动化,2012,36(18):17-20.

Research on the Key Technologies of Smart Distribution Grid Self-healing Control

RAN Qi-quan,LIU Jian

(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu China 610031)

Firstly,the paper expounds the basic concept and the importance of distribution network self-healing control.Then,it analyzes the key technology research of self-healing control and points out the direction and technical support of self-healing control development,which providing decision-making reference for the future of smart distribution network development and planning.

smart distribution grid；self-healing;self-healing control;key technology;power supply reliability

1004-289X(2016)01-0068-04

TM72

B

2015-03-03

冉玘泉(1987-)，男，四川达州人，硕士研究生，研究方向为智能配电网重构与控制技术；

刘建(1989-)，男，四川内江人，硕士研究生，研究方向为智能配电网规划与保护。