电力自动化终端自治控制模式切换及功能配置策略研究

谢青洋 张旭东 杨洋

摘要：随着智能电网和主动配电网建设的持续推进，在提高配电网供电质量和故障自愈能力的同时，还要求配电网中各类源-网-荷的电力自动化终端之间灵活地支持和实现双向互动和协调控制。本文运用边缘计算的理念，在考虑电力自动化系统通信故障的条件下，对电力自动化终端非自治控制模式与自治控制模式的切换技术进行了研究，提出了一种电力自动化终端自治控制模式切换策略和自治功能配置策略，可以提高低压配电网中电力自动化系统的自愈能力，保障供电质量。

关键词：电力自动化终端;自治控制;主动配电网

中图分类号：TM76 文献標识码：A 文章编号：1007-9416（2019）11-0044-03

0 引言

电力系统中自动化系统的构架一般为服务器/客户端通信模式，主要由电力自动化终端（客户端）和自动化主站（服务器）构成。其中，电力自动化终端的主要功能为采集电气一次设备的运行状态（电压、电流、频率、功率、相角、开关位置、告警信号等）上传至自动化主站，并接收自动化主站下发的各种控制命令（开关的遥控、变压器档位的遥调、保护装置的跳闸等）对电气一次设备进行操作;自动化主站的主要功能则为收集某个区域电力自动化终端上传的信息用以监视电气一次设备的运行状况，提供人机操作界面对所辖的电气一次设备进行集中控制。在配电网中，常见的电力自动化系统有：配电自动化系统（配电自动化终端为电力自动化终端，配电自动化主站为服务器）、分布式发电监控系统（光伏发电逆变器和风力发电逆变器为电力自动化终端，监控系统主站为服务器）、微电网能量管理系统（分布式发电逆变器和储能控制器为电力自动化终端，能量管理系统主站为服务器）、电动汽车充电设施监控系统（充电桩状态采集和计费装置为电力自动化终端，监控系统为服务器）。

随着智能电网和主动配电网建设的持续推进，在提高配电网供电质量和故障自愈能力的同时，还要求配电网中各类源-网-荷的电力自动化终端之间，无论是纵向还是横向都能够灵活地支持和实现双向互动和协调控制。但是当越来越多的分布式电源、充电桩、微电网接入配电网时，能量的双向流动、随机性、电能质量等问题都成为了主动配电网调度控制难点，而利用电力自动化系统的自治控制技术来解决这些难点成为了业内的共识。

1 电力自动化系统自治控制技术研究概况

电力自动化系统的自治控制模式有别于集中控制模式（服务器/客户端）的非自治控制模式，在系统运行控制时不需要上层主站服务器统一下发指令，而是通过系统中底层电力自动化终端间进行横向的互动，根据系统某区域的实际情况自主做出相应的控制，从而实现整个系统运行控制的最优。

目前针对低压配电网中电力自动化系统的自治控制技术有：（1）在配电网系统的自治控制技术研究方面，从网架规划、配电自动化系统建设、配电网运维等方面引入主动配电网理念，采用分层目标引导和自治单元来实现自治控制，用来代替人工在电力系统运行控制中的工作，提出的是配电网的区域自治控制，并根据接入分布式电源后电网的特性，将配电网简化为以自治单元为主体的系统，然后进行自治分区划分并分类，计算不同类别自治分区的可靠性指标[1-7];（2）在分布式发电和微电网系统中自治控制的技术研究主要集中在分层分级控制方法、微电网与配电网的协调控制、微电网孤岛运行的区域自治、无功电压分散自治控制策略等[8-11]。

但是目前关于电力自动化系统自治控制技术的研究还存在不足：（1）现有的研究中自治控制的策略只考虑到了能量条件，但没有考虑到通信条件，可能会导致在实际工程中无法实现自治控制。随着智能电网的建设，通信技术对于电力自动化系统而言越发重要，越来越多的电力自动化系统都是能量流和信息流的融合，二者缺一不可。目前研究中所提到的自治控制策略或者模式都是基于电力自动化终端和系统主站间通信正常的条件才可实现，没有考虑到在实际工程中电力自动化终端与系统主站间通信故障时如何组网、如何实现自治控制的情况。（2）现有研究中自治控制策略绝大部分为集中式自治或者是分层式自治，对于电力自动化系统主站服务器或者各层控制服务器的通信可靠性和处理能力有很强的要求，若主站服务器或者各层控制服务器出现故障，则整个电力自动化系统无法正常运行。（3）现有研究中没有讨论非自治控制与自治控制策略的切换方法，要支持系统的自治控制，对电力自动化终端的处理能力要求较高，或者需要在电力自动化系统中加装新的控制装置来实现，对于现存的电力自动化终端的兼容性不高，不容易升级改造。

本文针对目前电力自动化系统自治控制技术的不足，对考虑系统通信条件的自治控制切换及电力自动化终端配置技术进行了研究，用来保证电力自动化终端出现通信故障时分组自治控制策略的执行，并且可以实现传统的非自治控制模式与自治控制模式的灵活切换，可以很好地兼容低压配电网中现有的各类电力自动化系统。

2 电力自动化终端自治控制模式切换策略

本文研究的电力自动化终端自治控制模式切换策略要求在电力自动化终端处加装一个具备边缘计算能力和定位功能的自治控制模块，由其负责该电力自动化终端的对外双向的通信和数据传输。

通信正常的情况下，电力自动化终端的初始控制状态为非自治控制模式——即传统的服务器/客户端（集中控制模式）的时候，电力自动化终端加装的自治控制模块随时监测该终端与主站服务器的通信情况。当自治控制模块监测到该终端与主站服务器的通信终端时，该自治控制模块向其周边的电力自动化终端自治控制模块以广播的方式发送自治组队请求，同时它还在通信网络上监听是否有其他自治控制模块也在广播组队请求，之后自治控制模块将根据以下两种不同的通信状况来自主做出判断并执行：

状况一，若在该自治控制模块发送自治组队请求的同一时间段内也收到了周边其他电力自动化终端自治控制模块发出的自治组队请求，说明其他终端的自治控制模块也监测到了各自电力自动化终端与主站服务器通信中断了。由此，自治控制模块可以判断通信中断是由于主站服务器发生故障造成的，且此时可以推断主站服务器已经无法负责整个系统的控制功能了;为了保障整个系统继续安全稳定运行，自治控制模块将电力自动化终端切换为自治控制模式运行;自治控制模块对电力自动化终端的自治控制功能进行配置;在切换到自治控制模式后，自治控制模块随时监测电力自动化终端与主站服务器的通信是否恢复，如果恢复则退出电力自动化终端的自治控制模式，切换回非自治控制模式;若没有恢复，则继续保持电力自动化终端的自治控制模式。

状况二，如果在该自治控制模块发送自治组队请求的同一时间段内没有收到其他电力自动化终端自治控制模块发出的自治组队请求，说明仅仅是该电力自动化终端与主站服务器的通信链路出现了故障，而其他电力自动化终端与主站服务器的通信没有问题;该电力自动化终端的自治控制模块将会向周边终端的自治控制模块广播通信救援请求，并且与第一个响应这个请求的相邻终端的自治控制模块建立专用救援通信链路;通过该链路，与主站服务器通信中断的电力自动化终端就可以通过这条救援通信链路，经由相邻电力自动化终端的自治控制模块与主站服务器间接实现通信，仍然可以在非自治控制模式下实现主站对该电力自动化终端的监视与控制，故该电力自动化终端无需切换至自治控制模式。

电力自动化终端自治控制模式切换策略的流程图，如图1所示。

3 电力自动化终端自治功能配置策略

当电力自动化终端切换为自治控制模式后，需要自治控制模块对其自治功能进行配置后，自治控制模式才能正常运行。当电力自动化终端切换为自治控制模式后，其自治控制模块与同一时间段内发出组队请求的其他电力自动化终端自治控制模块建立专用的VLAN通信网络组成自治控制组，同一自治控制组中的自治控制模块相互共享各自电力自动化终端的位置信息和通信数据。

组内各个自治控制模块单独生成该自治控制组中各个电力自动化终端的地理拓扑图和通信数据列表，并根据拓扑图中的电力自动化终端所在节点和传输数据的重要性提名候选组长终端，所有电力自动化终端的自治控制模块对称为候选组长的电力自动化终端进行投票，得票最高的电力自动化终端称为该自治控制组的组长。组长终端的自治控制模块以保障组内区域供电可靠性为目标，制定自治控制策略，并下发至各个组员终端的自治控制模块，各个自治控制模块将根据其电力自动化终端的具体情况对该控制策略进行预演，根据预演结果对该控制策略进行表决，若预演结果显示电力自动化终端在该自治控制策略下无法可靠稳定运行，则该终端的自治控制模块将会反对这个自治控制策略。若有任意组员终端的自治控制模块反对，则提出反对的自治控制模块需向组长终端的自治控制模块发送其预演结果;组长终端的自治控制模块在考虑其预演结果的情況下，重新提出优化后的自治控制策略供组员终端的自治控制模块再次进行表决，直到所有组员终端的自治控制模块都同意该自治控制策略。若所有组员终端的自治控制模块对同意该控制策略，则在获取该自治控制策略后指导其电力自动化终端执行，完成电力自动化终端自治控制功能的配置。电力自动化终端自治功能配置策略的流程图如图2所示。

4 结语

本文运用边缘计算的理念，在考虑电力自动化系统通信故障的条件下，对电力自动化终端非自治控制模式与自治控制模式的切换技术进行了研究，提出了电力自动化终端自治控制模式切换策略和自治功能配置策略。通过应用本文研究的策略，在电力自动化系统或者终端出现通信故障时，实现了电力自动化终端在传统非自治控制模式与自治控制模式下的灵活切换，可以提高系统故障自愈能力，最大限度地保证低压配电网中电力自动化系统的安全稳定运行，保障供电质量。

参考文献

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