黃澤華 李 錳 劉裕涵 全少理 王利利

（1. 國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 鄭州 450001 2. 湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410082）

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類面臨的能源、環(huán)境和氣候問題日益突出，發(fā)展“低碳、高效”經(jīng)濟成為國際社會的廣泛共識。電力作為最廣泛應(yīng)用的二次能源供應(yīng)方式，在“低碳、高效”經(jīng)濟建設(shè)中承擔(dān)著極為核心的角色?！爸悄茈娋W(wǎng)（smart grid）”以其可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、兼容、互動等特點，成為現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向。

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中直接面向電力用戶的部分，是保證供電質(zhì)量、客戶服務(wù)體驗、提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟效率的中心環(huán)節(jié)。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的興起以及用戶對供電質(zhì)量、供電可靠性要求的不斷提高，配電網(wǎng)特別是具有自愈特征的智能配電網(wǎng)受到了廣泛的關(guān)注和重視[1,2]。

2 智能配電網(wǎng)自愈控制的定義、特征及定位

智能配電網(wǎng)自愈控制的概念最早由美國電力科學(xué)研究院（EPRI）和美國國防部在“復(fù)雜交互網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)計劃”中提出[3]。智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的基本概念可以概括為：在配電網(wǎng)的不同層次和區(qū)域內(nèi)實施充分協(xié)調(diào)且技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化的控制手段與策略，使其具有自我感知、自我診斷、自我決策、自我恢復(fù)的能力，實現(xiàn)配電網(wǎng)在不同狀態(tài)下的安全、可靠與經(jīng)濟運行[4]。實現(xiàn)自愈控制是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)運行控制的顯著特點，配電網(wǎng)正常運行時，智能配電網(wǎng)自愈控制主要體現(xiàn)在對系統(tǒng)的監(jiān)控優(yōu)化與預(yù)警；故障狀態(tài)時，該技術(shù)體現(xiàn)在對故障的定位、隔離以及供電恢復(fù)。從特征上看，自愈控制特別強調(diào)電網(wǎng)運行時具有的自我預(yù)防和自我恢復(fù)的能力[5]：

（1）以預(yù)防控制為主要控制手段，及時發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患；

（2）具有故障情況下維持系統(tǒng)連續(xù)運行的能力，不造成或盡可能減小系統(tǒng)的運行損失，并且通過最小范圍最短時間故障隔離和網(wǎng)絡(luò)自治修復(fù)功能實現(xiàn)用戶的不間斷供電。

智能配電網(wǎng)自愈控制的總體原則是實現(xiàn)持續(xù)供電。如圖1所示，依照此原則，在不同的狀態(tài)下，配電網(wǎng)自愈控制的目標(biāo)依次是：首先對可能的故障進行預(yù)警避免其發(fā)生；其次，如果故障不可避免，則希望故障后能不失去負(fù)荷；以故障后保障重要（關(guān)鍵）負(fù)荷為基本的控制底線；如果發(fā)生了電網(wǎng)癱瘓事故，則意味著電網(wǎng)自愈控制失敗。

圖1 配電網(wǎng)自愈控制區(qū)域圖Fig.1 Distribution network self-healing control area

3 傳統(tǒng)配電自動化技術(shù)條件下的故障處理

在配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的概念被明確提出并采用之前，以自動恢復(fù)配電網(wǎng)運行故障、提高配電網(wǎng)可靠性為基本目標(biāo)的配電自動化相關(guān)技術(shù)歷經(jīng)了長期的、多個階段的發(fā)展和演進[6,7]。

最早實現(xiàn)的是饋線自動化（Feeder Automation，F(xiàn)A）技術(shù)，即從變電站出線到用戶用電設(shè)備之間的饋電線路的自動化。饋線自動化技術(shù)的核心內(nèi)容包括兩大方面：一是配電網(wǎng)在正常運行狀態(tài)下的自動重構(gòu)，以實現(xiàn)配電系統(tǒng)運行的最優(yōu)化；二是配電網(wǎng)在事故狀態(tài)下的故障檢測、故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)移和恢復(fù)供電控制[8,9]。我國饋線自動化技術(shù)自 1999年以來陸續(xù)在上海浦東、邯鄲、鄭州、鹽城等地得到應(yīng)用，在一定程度上實現(xiàn)了配電網(wǎng)故障自愈的部分功能。

基于配電自動化（Distribution Automation，DA）主站的集中控制技術(shù)是在饋線自動化的基礎(chǔ)上，結(jié)合以配電 SCADA為核心的配電管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個配電系統(tǒng)在正常運行及事故情況下的監(jiān)測、保護、控制和管理的技術(shù)。實現(xiàn)配電網(wǎng)的運行監(jiān)視和控制的自動化系統(tǒng)，通常具備配電 SCADA、饋線自動化、電網(wǎng)分析應(yīng)用及與相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)等功能，主要由配電主站、配電終端、配電子站（可選）和通信通道等部分組成。位于配電自動化主站的配電管理系統(tǒng)（DMS系統(tǒng)），除基本配電 SCADA系統(tǒng)外，通常還具備相關(guān)配網(wǎng)管理高級應(yīng)用功能，包括地理信息系統(tǒng)（GIS系統(tǒng)）等，以及與配電生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)）等實現(xiàn)信息互通[10]。要實現(xiàn)配電自動化，需要合理的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具備環(huán)網(wǎng)供電的條件；環(huán)網(wǎng)開關(guān)、負(fù)荷開關(guān)等各種開關(guān)的操作機構(gòu)必須具有遠(yuǎn)程操作功能，配置相應(yīng)的遠(yuǎn)程終端設(shè)備；開關(guān)柜內(nèi)必須具備可靠的開關(guān)操作電源和供遠(yuǎn)程終端設(shè)備、通信設(shè)備用的工作電源；具備可靠的、不受外界環(huán)境影響的通信系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端設(shè)備通常具有“一遙”、“二遙”、或者“三遙”功能：具備“三遙”功能的終端能夠?qū)⒉杉拈_關(guān)位置信息（即遙信 YX）及電流電壓量（即遙測 YC），通過通信系統(tǒng)上傳到配電自動化主站；同時，配電自動化主站系統(tǒng)通過通信系統(tǒng)對開關(guān)進行分合操作（即遙控YK）[11]。

4 智能配電網(wǎng)技術(shù)條件下的自愈控制技術(shù)

智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)不僅是對傳統(tǒng)配電自動化技術(shù)（Distribution Automation，DA）的提升和發(fā)展，也是下一代高級配電自動化技術(shù)的核心，是促進分布式電源友好接入和提高配電資產(chǎn)利用效率的關(guān)鍵，是極具工程化、實用化價值與技術(shù)經(jīng)濟效益的智能配電網(wǎng)技術(shù)[12]。

智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)實施方案是自愈控制策略的具體體現(xiàn)，直接決定了自愈控制的實施效果與代價。智能配電網(wǎng)自愈控制功能的實現(xiàn)主要包括以下3種方式：

（1）基于分布式智能終端的就地控制方式。該方案的核心是分布式智能終端。通過 FTU相互通信，該方案能在現(xiàn)場實現(xiàn)快速的故障隔離、重構(gòu)轉(zhuǎn)供，不需要配電自動化主站、子站的參與，即使配電主站系統(tǒng)通信中斷，也不會影響故障處理和供電恢復(fù)?；诜植际街悄芘潆娊K端的就地控制技術(shù)可以采用不同模式進行工作：無需通信系統(tǒng)的自動網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方案，各開關(guān)完全根據(jù)自身檢測到的信息動作，稱之為“自主重構(gòu)模式”；當(dāng)開關(guān)設(shè)備之間或開關(guān)設(shè)備與主站之間的通信通道存在時，重構(gòu)方案與網(wǎng)絡(luò)式保護相結(jié)合，可以升級為“協(xié)作重構(gòu)模式”以及“綜合重構(gòu)模式”。在“自主重構(gòu)方式”中故障后網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是由重合器與智能開關(guān)的自主配合來完成的，并不需要通信。這種模式的主要缺點一是無法一次動作確定各開關(guān)開斷，使得供電恢復(fù)時間較長，二是由于開關(guān)需要多次開斷，導(dǎo)致線路承受的一次電流沖擊較強。

“協(xié)作重構(gòu)方式”在具有快速通信網(wǎng)絡(luò)的情況下，利用開關(guān)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，獲取開關(guān)的開斷狀態(tài)，從而快速準(zhǔn)確的獲得故障的位置信息，隔離故障并完成轉(zhuǎn)供，使得線路盡可能少的遭受電流沖擊，同時進一步加快供電恢復(fù)。

如果采用主從式通信網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)置一臺服務(wù)子站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整理、轉(zhuǎn)發(fā)和判斷，只需配備簡單的通信和仲裁軟件，即可實現(xiàn)從“自主重構(gòu)模式”向“協(xié)作重構(gòu)模式”的升級。如果具備對等式通信網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)任意開關(guān)之間的雙向信息交流，則可以不設(shè)置子站，而由終端自主完成故障的隔離和轉(zhuǎn)供。

新型的智能配電控制裝置可以同時具備“自主重構(gòu)模式”和“協(xié)作重構(gòu)模式”的分布式智能功能。由于“協(xié)作重構(gòu)模式”可以更快更準(zhǔn)確的隔離故障和轉(zhuǎn)移供電，所以在有通信通道的條件下，優(yōu)先以“協(xié)作重構(gòu)模式”作為主，以“自主重構(gòu)模式”為后備方案；當(dāng)通信通道或子站出現(xiàn)問題時，將自動轉(zhuǎn)為“自主重構(gòu)模式”運行。能夠?qū)崿F(xiàn)兩種模式之間轉(zhuǎn)換的分布式智能方案即“綜合重構(gòu)模式”。

分布式智能工作模式技術(shù)方式的特點是故障自愈的時間能顯著縮短，“協(xié)作重構(gòu)”方式下處理時間在 ms級至 s級；對通信系統(tǒng)依賴程度較低，即使通信中斷，也不會影響故障處理和轉(zhuǎn)供。缺點是對于配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的線路不太適用。當(dāng)線路中轉(zhuǎn)供回路有多種選擇時，不能及時從全局角度給出最優(yōu)轉(zhuǎn)供回路。該技術(shù)方式適用于對供電可靠性要求較高但大范圍鋪設(shè)光纖存在困難的配電區(qū)域。

（2）基于分布式智能終端與主站協(xié)調(diào)配合的綜合控制方式。在配電網(wǎng)故障處理過程中，基于分布式智能終端的就地控制方式和基于配電自動化主站的集中控制方式的各有優(yōu)、缺點，并且具有很強互補性，如表所示。

表 分布式智能就地控制和集中式控制技術(shù)方案比較Tab. Distributed intelligent control and centralized control technology scheme comparison

基于分布式智能終端與主站協(xié)調(diào)配合的綜合控制方式采用以單條饋線或饋線組為控制對象的分層分布控制模式，將饋線的故障識別、定位與隔離完全下放到配電終端實現(xiàn)；配電子站、配電主站在功能上保留集中式饋線自動化控制方式（即通過遙控來隔離故障），但是將該項功能作為配電終端的后備，只有在配電終端處理故障失敗的情況下才由配電子站處理故障，在配電終端及配電子站控制均失效的情況下才由配電主站來進行故障處理。

該綜合控制方案以分布式智能的就地處理方式為主，可以保證在通信失效的情況下也能在短時間內(nèi)實現(xiàn)故障處理和供電恢復(fù)，使故障造成的損失降到最低；而基于通信的集中式網(wǎng)絡(luò)控制方式提供了優(yōu)化的備選方案，在通信正常的情況下，可以避免分布式智能終端無法從全局出發(fā)給出合理方案的不足，也給調(diào)度人員介入故障處理提供了接口，便于調(diào)度員監(jiān)視和控制故障的自動處理過程。

該方式的優(yōu)點是故障處理速度快，可靠性高，且可通過配電自動化主站進行全局優(yōu)化。該技術(shù)方式適用于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)供路徑復(fù)雜、負(fù)荷密度高、可靠性要求高的配電區(qū)域。

（3）基于分布式智能終端的多代理技術(shù)的綜合控制方式?；诜植际街悄芏啻砑夹g(shù)的綜合控制方式在區(qū)域電網(wǎng)層面，采用基于全局信息的集中控制，并通過建立在統(tǒng)一支撐平臺基礎(chǔ)上的自愈控制系統(tǒng)實現(xiàn)；在變電站和饋線層面，則通過分布式計算與控制技術(shù)完成上層系統(tǒng)指派的各種分析計算功能，它基于分布式智能多代理技術(shù)實現(xiàn)，在局部層面上，采用基于局部信息的就地控制，配置具備人工智能功能的智能配電終端、聯(lián)絡(luò)和分段開關(guān)等設(shè)備[13]。

在規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多種分布式電源接入的智能配電系統(tǒng)中，基于智能多代理技術(shù)的分布式智能系統(tǒng)發(fā)揮各級智能代理所擁有的局部智能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，利用基于局部信息的保護裝置首先實現(xiàn)故障的快速切除，然后通過智能代理利用局部信息和局部智能判斷當(dāng)前局部系統(tǒng)狀態(tài)，選擇最優(yōu)轉(zhuǎn)供路徑，控制相應(yīng)分布式電源的出力，并重新整定相應(yīng)保護設(shè)備的參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行。當(dāng)系統(tǒng)將要發(fā)生故障時，基于智能多代理技術(shù)的分布式智能系統(tǒng)的局部智能代理將感知局部信息，進行相應(yīng)的分析和計算，然后采取對應(yīng)的處理措施，例如改變分布式電源的出力、調(diào)整變壓器抽頭、投切無功補償裝置以及改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等手段使得局部區(qū)域進入安全運行狀態(tài)，然后基于全局信息的集中控制則會綜合判斷整個系統(tǒng)是否處于安全運行狀態(tài)。

基于分布式智能多代理技術(shù)的綜合控制方式能夠適應(yīng)任意類型的配電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了最快的故障定位、故障隔離和故障恢復(fù)過程，是智能配電網(wǎng)自愈控制的最終目標(biāo)。對于分布式電源接入的配電網(wǎng)，采用基于分布式智能多代理技術(shù)的綜合控制方式，主站系統(tǒng)可以根據(jù)分布式電源的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時、靈活調(diào)整智能終端保護整定值及策略，從而實現(xiàn)分布式智能終端與分布式電源之間的協(xié)調(diào)匹配。這一模式既延續(xù)了分布式智能就地控制快速、可靠的優(yōu)點，也能保證分布式電源接入條件下故障隔離及負(fù)荷轉(zhuǎn)供操作的合理性和最優(yōu)性，同樣是含分布式電源接入配電網(wǎng)自愈控制的最佳模式。

5 結(jié)論

本文闡述了智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的概念與特征，由配電自動化故障處理入手，以不同技術(shù)水平系統(tǒng)故障處理為例分析了幾種典型的自愈控制技術(shù)實現(xiàn)方式。智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的應(yīng)用有利于提高配電網(wǎng)供電可靠性和安全性，解決大量分布式電源接入帶來的影響，具有廣闊的市場前景。

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