城市配电网分布式自愈控制方法与系统

史 裕，许 明，吕晓平，张 聪，卢宪斐

（1.国网山东省电力公司章丘市供电公司，济南 250200；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012；3.山东理工大学，山东 淄博 255000）

·电网技术·

城市配电网分布式自愈控制方法与系统

史 裕1，许 明2，吕晓平2，张 聪3，卢宪斐2

（1.国网山东省电力公司章丘市供电公司，济南 250200；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南 250012；3.山东理工大学，山东 淄博 255000）

自愈控制是未来智能配电网的核心技术，可以有效提升配电系统的安全性、可靠性与运行效率。研究基于广域测控体系的自愈控制系统，通过智能终端对等交换故障检测与控制信息，实现短路故障快速定位、隔离与自动恢复供电，该控制方法能够用于不同的馈线拓扑并自动适应馈线运行方式的变化。最后通过实际测试验证了该方法的有效性。

分布式控制；自愈控制；智能终端；自动识别

0 引言

现代社会与经济的发展，对电力系统提出了更高的要求，配电网的保护与控制技术面临新的挑战。自愈控制是未来智能配电网的核心技术，能够有效提升配电系统的安全性、可靠性与运行效率［1-5］。

采用基于终端之间对等交换实时数据的分布式智能控制（简称分布式控制）技术，是配电网自愈控制的发展方向［6-9］。现代通信、计算机与测控技术的发展为研发开放、统一的智能配电网测控广域测控系统，创造了条件。除支持常规的集中控制应用外，广域测控系统的现场终端装置还能够支持各种就地控制分布式控制应用，实现软硬件资源的高度共享；同时，系统应具有高度的开放性，支持自动化设备与应用软件的即插即用。

通过分布式控制技术实现故障定位、隔离与供电恢复技术，能够缩短故障停电时间与范围、提高供电可靠性，是配电网自愈控制的一个核心功能［10-12］。为此研究采用基于智能终端 （Smart Terminal Unit，STU）之间对等通信的分布式控制技术，为实现配电网故障的快速自愈提供新的解决方案。

1 分布式控制策略

分布式控制指多个控制实体之间通过对等交换测量与控制信息协同完成控制任务的控制方式。在智能配电网中，控制实体是安装在变电站、柱上开关、环网柜与配电变压器等配电网节点处的智能终端。分布式控制既可以利用多个站点的测量信息提高保护控制性能，又避免了主站集中控制存在的通信与数据处理延时长的问题，是配电网保护控制技术的发展方向。

控制任务指一个具有完整功能目标的控制应用。根据需要操作的配电设备个数，配电网的控制任务可分为单操作任务与多操作任务。控制任务需由STU完成，为便于对任务进行分配，一个控制任务可以分解为若干子任务。以馈线自动化任务为例，可将其分解为故障定位及隔离任务与供电恢复任务；故障定位与隔离任务由故障区段相邻开处的STU配合完成，而供电恢复控制由出口断路器与联络开关处的STU完成。

一个具体的控制任务（应用）涉及的站点称为相关站点，相关站点覆盖的供电区域称为控制作用域。控制的启动，又称控制的发起，指STU在何种情况下启动分布式控制应用操作。控制应用指一个具体的保护与控制应用，如分布式馈线自动化应用、电流保护应用、孤岛保护应用等。分布式控制应用有循环发起、事件触发与远方命令3种启动方式。

在分布式控制系统中，将做出控制决策或发出控制命令的STU称为主控STU。针对一个具体的控制任务，根据参与决策的主控STU的个数，可将分布式智能控制方法分为协同控制与主从控制。

协同控制，指由2个或2个以上的主控STU处理当地测量信息以及来自相关STU测控信息，进行控制决策，对当地或相关配电设备进行控制。例如，分布式电流差动保护应用中，线路区段两侧的STU分别根据本地故障电流测量相量与接收到的对端故障电流测量相量做出是否需要跳闸的判断。

主从控制，指在一个控制任务的作用域内，由一个STU作为主控STU，采集、处理相关站点的测控信息，进行控制决策；其他STU作为从STU，与主控STU通信并向其传送当地配电设备的运行信息，根据来自主控STU的控制命令对当地配电设备进行操作。如在馈线自动化应用中，由变电站出口断路器处的STU采集处理来自相关站点的故障检测与开关动作信息，进行故障定位、故障隔离与恢复供电操作。

2 自愈控制方法

采用协同控制作为自愈控制策略，既通过各个终端的分布式信息交换，获取馈线的实时拓扑结构与实时信息。联络开关处的终端与联络电源出线开关以及线路上各个分段开关的终端进行分布式的点对点通信，获取故障前电流及拓扑关系。发生故障时，如果线路一侧开关检测到故障电流，而另一侧开关未检测到故障电流流过，则将故障定位在该侧区段上，并确认有故障电流流过的开关属于故障区段上游边界开关。

故障区段上游边界开关处的终端在检测出故障区段后，通过终端直接向该开关以及故障区段的所有边界开关发出跳闸命令，并在检测到故障区段所有的边界开关都断开后，发出“故障隔离”成功的信息。如果故障区段的边界开关分属不同的终端控制，则上下游边界开关处的终端互相通信，断开下游边界开关并上传开关位置信息。当故障区段的上游边界开关位于线路末端时，终端只需断开该开关即可实现故障区段隔离。

电源开关处的终端在接收到故障隔离成功的信息后，控制电源开关合闸，恢复故障点上游非故障区段的供电。

以图1所示配电网结构进行具体说明。在F1点发生故障时，通过STUA、STU1与STU2之间的信息交换，获知Q11、Q12有故障电流且Q21无故障电流流过，因此，判断出故障在开关Q12所在的下游区段且在Q21上游区段，实现故障的准确定位；STU1与STU2各自发送命令断开Q12与Q21，实现故障隔离；STU2发送命令闭合Q22，通过电源2实现供电恢复。

图1 典型配电网自动化结构

3 自愈控制系统

所设计的基于分布式控制的自愈控制系统框架如图2所示，主要包括开放式通信体系、支撑平台与高级应用3个部分。

开放式通信体系包括IP通信网络等，将IEC 61850应用于自愈控制系统，故障发生时需要将故障相别、故障启动时间、故障历时等信息及时上报给主站，为此需要增加相应的逻辑节点。此外，还需要增加短路故障检测、小电流接地故障选线、小电流接地故障检测等功能。

支撑平台技术通过软硬件支撑实现分布式控制技术，包括分布式控制测量技术、馈线拓扑自动识别方法与快速实时数据传输技术。

高级应用通过终端实现，在终端中集成上述算法实现故障的快速定位、隔离与恢复。

图2 自愈控制系统

4 应用测试

4.1 试验模拟

在山东理工大学静模试验室中进行模拟试验，具体系统结构如图3所示。记录各点故障时线路各开关的动作过程、动作时间，结果表明故障隔离与恢复供电时间小于0.5 s。图4给出了一次模拟故障录波图，可见故障点两侧开关在94.4 ms时跳开隔离故障，联络开关在259.2 ms时闭合恢复供电。可见，所提出的分布式自愈控制技术能够快速地进行故障定位、隔离与恢复。

图3 静态试验模拟系统

图4 试验室模拟自愈录波图

图5 现场实际接线图

4.2 现场应用

为验证自愈控制系统的实用性，在某电力公司装设该系统，现场实际接线图如图5所示。试运行以来，该区域内发生多次单相接地与短路故障，系统均能可靠准确动作，保证扣除计划停电因素后供电可靠率达到99.999%。图6给出了现场某次故障时的自愈录波图，952线路发生相间短路故障，系统正确动作，在检测到故障后的202 ms后完成故障定位，向952号开关发出断开指令，7s 325 ms后，故障隔离成功（负荷开关动作时间约7 s）并向主站发出具备恢复供电条件的信息，5 min 6 s 499 ms后变电站断路器合闸，供电恢复。

图6 现场自愈录波图

5 结语

研究了基于分布式智能控制的自愈系统，通过智能终端对等交换故障检测与控制信息，实现短路故障定位、隔离与自动恢复供电。提出的控制方法能够用于不同的馈线拓扑并自动适应馈线运行方式的变化，并通过实际测试验证了所提方法的有效性。

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Distributed Self-Healing Control Method and System for Urban Distribution Network

SHI Yu1，XU Ming2，LV Xiaoping2，ZHANG Cong3，LU Xianfei2
（1.State Grid Zhangqiu Power Supply Company，Jinan 250200，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；3.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China）

Self-healing control is the core technology of the intelligent distribution system in the future，which can effectively improve the security，reliability and efficiency of the distribution system.In this paper，self-healing control system based on distributed intelligent control is studied.Smart terminal units exchang the fault and controlled the information with peer-topeer form，to realize the location and isolation of the short-circuit fault and automatic recovery of power supply.The control method can automatically adapt to the change of feeder operation for different network topologies.Finally，the validity of the proposed method is verified by the practical test.

distributed control；self-healing control；smart terminal unit；automatic identification

TM726

A

1007－9904（2017）01－0001－04

2016-07-15

史 裕（1977），男，工程师，研究方向为电流系统运维及电力可靠性管理等。

国家高技术研究发展计划（2015AA050202）