一种基于容错思想的智能配电网自愈控制方法

程宏波， 康嘉斌， 王 勋， 曾 琪

(华东交通大学电气与自动化工程学院， 江西 南昌 330013)

1 引言

配电网自愈(Self-Healing)是指无需或仅需少量的人为干预的情况下，利用先进的监控手段对电网的运行状态进行连续的在线监测和评估，及时发现并快速调整、消除故障隐患；在故障发生时，能够快速隔离故障，自我恢复，不影响用户的正常供电或将故障影响降至最小[1，2]。

目前，对于配电网自愈控制的研究较多地关注于电网自愈框架体系的构建，形成了双环控制逻辑、三层控制结构、六个控制环节构成的自愈控制体系结构[3-6]。文献[3]设计了一种综合考虑多种测量信息，由监视、控制与决策中心协调工作以控制城市配电网在七个状态之间转换，使电网保持在良好状态的控制方法[4,5]。文献[6]通过智能优化算法具体研究了电网自愈中的故障恢复问题，可实现对非故障区域的恢复供电。

在此过程中，配电网的自愈控制已应用到了容错控制的一些思想及方法。如备用电源自投控制、主保护拒动时后备保护切除故障、设置联络线等，这些方法多在实际系统中广泛使用，但未曾用容错控制理论加以研究，因此，结合容错理论对智能配电网自愈控制方法进行完善是值得研究的方向。为此，本文在分析智能配电网中主要设备运行时功能区别的基础上，以图论为工具，建立配电网冗余资源结构模型，提出一种基于容错思想的智能配电网自愈控制方法。

2 容错控制简介

1986年9月，容错控制的概念被正式提出。它的原理是利用系统的冗余资源来实现故障容错，即在某些部件发生故障的情况下，通过系统重构等措施，仍能保证系统按原定性能指标继续运行；或以牺牲性能损失为代价，保证系统在规定时间内完成其预定功能。

容错控制来源于现代控制理论，有着坚实的理论基础和丰富的实际应用经验。而从本质上讲，配电网的自愈问题实质也是一个容错控制问题，对于配电网的各种扰动及故障情况，自愈系统要能够通过故障检测和控制重构，消除故障的影响，保证配电网仍能按原定性能或是性能指标略有降低运行，保证电网的稳定。

实现容错控制的关键是冗余，冗余可分为硬件冗余和解析冗余两大类，硬件冗余通过设备备份来实现，解析冗余则是利用系统中不同部件在功能上的冗余性来实现的。

随着电力系统的发展，配电网中可用的冗余资源也逐步增多，除了一些设备互为备用而形成的硬件冗余外，还有一些资源在功能上形成的解析冗余。这些冗余资源为容错控制在自愈控制中的应用提供了基础，对于具有硬件冗余的设备，可在设备故障时投入冗余的设备代替其工作，例如，备用母线替代故障母线工作；对于功能上形成解析冗余的冗余资源，可以通过重构合适的路径，利用正常运行设备对故障设备的功能冗余代替故障设备的功能，例如，在配电网线路故障发生后，通过改变网络结构利用其他线路恢复原故障线路的负荷的供电。

3 配电网的冗余资源网络结构模型

配电网能够实现容错自愈控制的关键是存在着冗余资源可供调用。当电网运行处于脆弱状态时，冗余资源应做好投入运行的准备，一旦滑落至恶化状态或故障状态时，控制系统迅速通过对路径的控制，将冗余资源连接入配电网中，改善电网的运行状态，防止电网恶化进入崩溃状态。冗余资源存在的形式多样，有表现比较明显的明备用，也有暗含在实际运行线路中的暗备用，以及为了保证稳定性而设置的裕度等。

在配电网中，除了备用变压器等较为明显的冗余资源外，联络线以及具有剩余输送功率的线路也是冗余资源的一部分。某配电网结构图如图1所示。其中，联络线正常情况下是断开的，假设CB5、CB6所在线路发生故障后其末端母线BUS4失电，通过闭合联络线的CB3、CB4可提供新的供电路径恢复BUS4供电，所以联络线是一种冗余资源。该路径是否可以恢复BUS4的供电取决于CB1、CB3所在线路在约束条件下的剩余输送功率，所以具有剩余输送功率的线路也是一种冗余资源。

图1 某配电网结构图Fig.1 Structure of distribution grid

根据配电网中各设备在系统运行中所发挥的作用，以及相互之间的关联关系，将配电网分解为功能资源、冗余资源以及路径单元，因此可将配电网划分为在运网络和冗余资源网络的叠加。

众多冗余资源由不同路径连接形成网络，在对网络结构进行研究时，可将网络抽象成一个“图”。图是抽象支路和节点的集合，它反映图中所包含的各支路之间的联结关系，即节点与支路的关系。图论方法作为一种成熟理论，特别适用于求解与网络拓扑结构有关的问题[7,8]。图可表示为G(V,E)，V表示节点集合，E表示边的集合，图的邻接矩阵A是表示顶点之间相邻关系的矩阵，它能表示顶点间的相邻关系，矩阵元素为：

(1)

式中，vivj表示节点i、j间的边。边的权值为d(vivj)，其中i,j=1,2,…,n。

分析线路冗余资源，在图中按下列原则形成一个配电网的冗余资源结构模型：①变电站中的冗余资源如备用变压器、备用母线、备用断路器等用图的节点v表示，其中与电源相连的节点称为电源节点，与失电负荷相连的节点称为故障节点；②联络线、具有剩余输送功率的输电线路用图的边vivj表示；③边的权值为线路冗余资源的冗余度值，备用线路和联络线的权值为支路最大约束有功功率值，具有剩余输送功率线路的权值为支路最大约束有功功率和在运有功功率的差值。由此，图1配电网的冗余资源结构模型如图2所示。

图2 图1配电网的冗余资源网络结构模型Fig.2 Redundant resource structure model of distribution grid in Figure 1

图的路径就是冗余资源连接的路径单元。将配电网复杂的冗余资源和路径单元用图论进行简化表示，将大大提高冗余资源的调配效率，为智能配电网的快速自愈提供支持。

4 基于容错思想的智能配电网自愈控制方法

发生故障后用最短的时间恢复供电是智能配电网实现自愈的根本目的。本文提出一种基于冗余资源网络结构模型的智能配电网容错自愈方法，该方法将配电网设备的硬件冗余和功能冗余相融合，确保智能配电网发生故障、丢失负荷时能做到有效的故障隔离以及冗余替换，从而实现自愈控制，使智能配电网能够长期稳定地运行在正常状态。基于容错思想的智能配电网供电恢复方法流程如图3所示。

图3 基于容错思想的智能配电网供电恢复方法流程Fig.3 Structure of power supply restoration method for smart distribution grid based on fault tolerance

基于容错思想的智能配电网自愈控制方法实现过程可分为以下几步：

(1)故障发生后进行保护跳闸、切除负荷等措施，并根据故障信息，在冗余资源结构模型中搜索故障设备对应节点，若节点对应冗余设备存在，则将该节点包含的对应冗余设备接入替代故障设备工作，恢复对失电负荷的供电。

实现方法为：对在运网络某变电站内各功能设备标记其状态为A=[y1,y2,…，yn]，若设备i正常运行时yi=0，处于故障状态则yi=1；该变电站在冗余资源网络模型中对应节点包含的冗余资源标记其状态为B=[z1,z2,…,zn]，若设备i存在冗余设备zi=1，不存在冗余设备zi=0。故障发生后，将功能设备状态和冗余资源状态进行比较判别，判别式如下：

li=Ai⊙Bi

(2)

式中，⊙表示同或运算。当结果为li=1时，表示故障功能设备i具有备用冗余资源，此时将对应冗余设备接入替代故障设备工作，恢复对失电负荷的供电；当结果为li=0时，表示故障功能设备不具有备用冗余单元，则需重新规划网络结构，利用联络线、具有剩余输送功率的输电线路等冗余单元对失电负荷进行供电上的功能冗余，从而实现供电恢复。

(2)为了选择合适的节点标记策略，需在冗余资源网络结构模型中通过图的邻接矩阵判断故障区域与非故障区域的连通[9]。每完成一次搜索分区后都需要对故障节点进行连通性判别。

(3)对于故障后的失电负荷，可以通过闭合联络线开关来恢复供电，但在此过程中需要满足网络辐射状、负荷功率不越限等一些要求，本文的故障节点标记分区算法可以很好地解决这些问题，其实现方法和步骤如下：

1)对于能与主网连通的故障区域，以各联络线在非故障区域内的端点为起点，按照节点与电源节点的电气距离从小到大依次开始对故障区域展开广度优先搜索[10]。第一次搜索到的节点被标记1，第二次搜索到的节点被标记2，以此类推，但后面搜索遇到已经被标记的节点不能修改其标号，联络线在故障区域内的端点不作为搜索起点。在每次搜索中，搜索到某节点vi时，相同标记的节点的功率加起来大于联络线的权值即该线路满足约束条件内可接入的负荷的功率，且没有其他节点能被标记时，本次搜索停止，且当前节点vi不被标记，同深度中，优先搜索不带有DG的故障节点。

2)对于不能与主网连通的故障区域，从各DG节点为起点开始对故障区域展开搜索标记，在每次搜索中，搜索到某节点vi时，恰好相同标记的节点的功率加起来大于该DG的功率，本次搜索停止，且当前节点vi不被标记。

每次故障节点搜索标记完成后，将标记号码相同的节点划分为同一分区，并将此分区顶点与外部分区或者未标记节点间路径断开。由于节点不能被重复标记，在执行分区后将不会出现环网，保证了配电网的辐射状结构。

以某22节点配电网的冗余资源网络模型为例，假设每个节点负荷大小为1个单位，分布式电源容量为6个单元，两条联络线在满足电压安全约束下能接入负荷的大小分别为6个和5个单位。故障发生后，失电负荷节点被标记的过程如图4所示。

图4 标记故障节点的过程Fig.4 Process of marking failed node

(4)在所有搜索分区完成后，将结构调整后的冗余资源网络与当前在运网络进行叠加。按照冗余资源网络的结构，节点间存在边则闭合在运网络相应线路上的断路器；节点间不存在边则断开在运网络相应线路上靠近电源测的断路器，增加联络线和具有剩余输送功率的输电线路的潮流，进而恢复对失电负荷的供电能力。

5 算例分析

本节通过本文所提的冗余资源网络结构模型及基于容错思想的自愈控制方法进行实验。假设某地配电网如图5所示，实验中假设网络容量无限大。其中BUS代表母线，S代表分布式电源，L代表负荷，CB代表线路开关。

图5 某地配电网结构Fig.5 Structure of distribution grid

假设某时刻配电网内同时发生故障1和故障2，继保装置断开断路器CB4、CB5、CB17及CB24，导致BUS2和BUS3以下的所有母线失电，配电网中所有负荷也失去供电。此时根据监测的信息按照规则生成的冗余资源网络结构模型如图6所示。

图6 图5配电网的冗余资源网络结构模型Fig.6 Network model of redundant resources of distribution network in Figure 5

得到冗余资源网络结构模型的信息后，在模型的图中对故障节点与电源节点进行连通性判断，此时网络中电源节点1和2与其他节点的邻接矩阵为：

其中，1代表对应节点相连通；0为不连通。所以，考虑联络线等冗余资源后电源节点1能与除电源节点2外的所有节点都连通，电源节点2与所有节点都不能连通。

判断故障节点可连通后，对故障节点进行搜索标记。因节点3和节点4间的联络线端点在故障区域外，搜索将于节点3开始，持续标记节点4、节点6、节点9和节点10。这时，根据标记规则及停止条件，由于继续标记节点8(3单位容量)将不满足功率约束，节点13和节点14满足功率约束但节点14带有DG电源，所以优先标记节点13，根据停止条件本次搜索停止并进行网络划分。

上一次搜索划分完毕后，再对剩余未标记的故障节点与电源节点进行连通性判断，得到邻接矩阵：

未标记的节点5、7、8、11、12、14与电源节点间的连接关系皆为0，即不能与主网联通，需要利用周围的DG进行供电。以各DG节点为起点开始对故障区域展开搜索，进行节点标记。所有搜索划分完成后的冗余资源网络结构模型如图7所示。

图7 所有搜索划分后的冗余资源网络结构模型Fig.7 All search for division of redundant resource network structure model

在所有搜索结束后，进行在运网络与冗余网络的叠加，按照叠加规则，实际在运网络开关的动作情况见表1。

表1 自愈过程开关动作Tab.1 Self-healing process switching action

最后根据结果执行对应操作来恢复大部分负荷的供电。完成自愈恢复的配电网网络如图8所示。

图8 自愈控制实施后的配电网Fig.8 Distribution grid after implementation of self-healing control

在以往的自愈方法研究中，大多采用启发式算法，对所有的开关状态进行编码，并反复迭代，求解耗时较长。根据算例分析可知，本文提出的方法只需要搜索14个节点间的路径，求解空间较小，能够短时间得到求解结果。

6 结论

自愈系统在智能配电网的安全、稳定运行中有着重要的作用。本文提出一种基于容错思想的智能配电网自愈控制方法。算例分析结果表明，该方法不需要启发式算法繁琐的迭代过程，加快了求解速度，有效利用配电网的冗余资源，在不提高成本的基础上实现了配电网故障后的自愈控制，为智能配电网自愈的实施提供了一种新的方法。

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