智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系框架研究

1、智能配電網(wǎng)自愈控制技 術(shù)體系框架研究 智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系框架研究 關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)自愈控制智能配電網(wǎng) 摘要：智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，自愈作為智能配電網(wǎng)的免疫系統(tǒng)”，是智 能配電網(wǎng)最重要的特征。首先闡述智能配電網(wǎng)自愈控制主要解決的問題及其作用，然后分 析智能配電網(wǎng)自愈控制體系的結(jié)構(gòu)及其技術(shù)組成，包括基礎層、支撐層和應用層。其中， 電網(wǎng)及其設備為基礎層，數(shù)據(jù)和通信為支撐層，監(jiān)測、評估、預警/分析、決策、控制、恢 復為應用層。通過研究應用智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)將使電網(wǎng)的供電可靠性明顯提高，停 電時間顯著減少。尤其是在極端天氣情況下，配電網(wǎng)將充分發(fā)揮它的自我預防、自我恢復 能力，優(yōu)

2、先保障人們的生活，最大限度地為人們提供電力。 關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng)；自愈控制；技術(shù)體系；基礎層 支持層；應用層 進入21世紀以來，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能減排、綠色能源、可持續(xù)發(fā)展成為各國關(guān)注 的焦點，更成為電力行業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心驅(qū)動力，智能電網(wǎng)的理念逐漸萌發(fā)形成，成 為全球電力工業(yè)應對未來挑戰(zhàn)的共同選擇1-3。目前，中國和世界各國已經(jīng)達成普遍共 識，建設靈活、清潔、安全、經(jīng)濟、友好的智能電網(wǎng)，是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向4-6。智能 電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)可靠、經(jīng)濟環(huán)保，是實施可持續(xù)供電戰(zhàn)略的重要保 障，具有融合、優(yōu)化、分布、協(xié)調(diào)、互動、自愈等特征7-9。根據(jù)目前國際、國內(nèi)的研究 報告

3、，智能電網(wǎng)主要由4部分組成，分別是高級配電運行、高級量測體系、高級輸電運行、 高級資產(chǎn)管理。在各個部分中，高級配電運行是目前裝備較薄弱的環(huán)節(jié)，所以在國際上關(guān) 于智能電網(wǎng)的研究報告中，配電網(wǎng)是大家關(guān)注的重點10。 智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中連接主網(wǎng)和面向用戶供電的重要組成部分11。智能配電網(wǎng)有助 于提高電網(wǎng)供電可靠性、系統(tǒng)運行效率以及終端電能質(zhì)量；有助于實現(xiàn)分布式發(fā)電、儲能與 微網(wǎng)的并網(wǎng)與優(yōu)化運行，實現(xiàn)高效互動的需求側(cè)管理；有助于結(jié)合先進的現(xiàn)代管理理念，構(gòu) 建集成與優(yōu)化的配電資產(chǎn)運行、維護與管理系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)較傳統(tǒng)配電網(wǎng)更加堅強并具 有更大的 彈性”，可以有效抵御自然災害及外力破壞等突發(fā)事件給電力

4、系統(tǒng)造成的影響， 并且具有強大的 自愈”功能，自愈是智能配電網(wǎng)最重要的特征。從本質(zhì)上講，自愈是智能 配電網(wǎng)的免疫系統(tǒng)”。 目前，國內(nèi)外學者都在積極探討具有自愈能力的電網(wǎng)架構(gòu)12-14、自愈控制體系及控制策 略15-16，但是這些研究還未形成統(tǒng)一的系統(tǒng)理論，也沒有針對智能配電網(wǎng)展開自愈控制 的研究。本文對智能配電網(wǎng)的控制技術(shù)體系進行研究。首先分析智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù) 體系設計的層次結(jié)構(gòu)，自下而上分為3層，分別是基礎層、支撐層和應用層，然后分別分析 各層次的技術(shù)組成。 1智能配電網(wǎng)自愈控制概述 電網(wǎng)從當前的安全控制到自愈電網(wǎng)理念的提出、研發(fā)和實施，是一個歷時以世紀計的積累 發(fā)展過程17。智能配電

5、網(wǎng)的 自愈”能力是指智能配電網(wǎng)能夠及時檢測出已經(jīng)發(fā)生或正在 發(fā)生的故障，并進行相應的糾正性操作，使其不影響對用戶的正常供電或?qū)⑵溆绊懡抵磷?小。自愈控制主要是解決供電不間斷的問題”，也就是在無需或僅需少量人為干預情況 下，監(jiān)測電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，預測電網(wǎng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、快速診斷和消除故障隱 患。具有自愈能力的智能配電網(wǎng)將具有更高的供電可靠性、更高的電能質(zhì)量、支持大量的 分布式電源的接入、支持用戶能源管理（需求側(cè)管理）、提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用率、對配電網(wǎng)及 其設備進行可視化管理、實現(xiàn)配網(wǎng)設備管理、生產(chǎn)管理的自動化、信息化。 2智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系 智能配電網(wǎng)的自愈控制技術(shù)體系自下而上分為3個

6、層次，依次是基礎層、支撐層、應用層， 如圖1所示。 2.1基礎層電網(wǎng)及其設備 實體電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的物理載體，是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎18，也是實現(xiàn)自愈控制的基 礎。但是，與國外先進國家相比，我國配電網(wǎng)整體供電能力和可靠性水平偏低，管理手段 相對落后；配電自動化系統(tǒng)覆蓋范圍小，遠遠低于先進國家水平；由于技術(shù)不成熟、網(wǎng)架結(jié) 構(gòu)調(diào)整頻繁、運行維護力量不足等原因，配電自動化實用化水平較低，部分裝置處于閑置 狀態(tài);部分地區(qū)城市配電變壓器經(jīng)濟運行水平不高，配網(wǎng)節(jié)能降耗技術(shù)應用不足。 a 鑒于以上原因，我國智能配電網(wǎng)應該以可靠性建設為核心，以配電網(wǎng)高效運行為目標，同 時提高負荷管理水平和用戶參與水平。而且，未

7、來將有大量的分布式清潔能源發(fā)電及其他 形式發(fā)電接入電網(wǎng)，要求配電網(wǎng)具備靈活重構(gòu)、潮流優(yōu)化、清潔能源接納能力。同時，隨 著用戶側(cè)、配網(wǎng)側(cè)分布式電源增多，特別是隨著屋頂太陽能發(fā)電、電動汽車大量使用，電 網(wǎng)中電力流和信息流的雙向互動會逐步增多，對電網(wǎng)運行和管理將產(chǎn)生重大影響。因此， 在實體配電網(wǎng)的建設過程中，必須進行前瞻性的探索、規(guī)劃和構(gòu)建，以長遠的眼光來研究 我國配電網(wǎng)的發(fā)展，大力推進先進技術(shù)創(chuàng)新，積極采用成熟先進技術(shù)，使實體電網(wǎng)在架構(gòu) 上、技術(shù)上、裝備上滿足未來智能電網(wǎng)的需求。 2.2支撐層數(shù)據(jù)和通信 覆蓋整個電網(wǎng)的信息交互是實現(xiàn)電力傳輸和使用高效性、可靠性和安全性的基礎19。而 且，自愈控制需

8、要采集大量設備 （包括一次、二次設備）的狀態(tài)數(shù)據(jù)和表計計量數(shù)據(jù)，對于 這種數(shù)量大、采集點多而且分散的情況，就需要在開放的通信架構(gòu)、統(tǒng)一的技術(shù)標準、完 備的安全防護措施下建立高速、雙向、實時、集成的通信系統(tǒng)。高速、雙向、實時、集成 的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)智能配電網(wǎng)的基礎，也是邁向配電網(wǎng)自我預防、自我恢復的關(guān)鍵步驟。 這樣的通信系統(tǒng)建成后，電網(wǎng)通過連續(xù)不斷地自我監(jiān)測和校正，應用先進的信息技術(shù)，實 現(xiàn)其自愈能力，提高對電網(wǎng)的駕馭能力和優(yōu)質(zhì)服務的水平，它還可以監(jiān)測各種擾動，進行 補償，重新分配潮流，避免事故的擴大。 2.3應用層 自愈電網(wǎng)各項功能的實現(xiàn)，有賴于在完善電網(wǎng)、電力設備以及數(shù)據(jù)通信的基礎上，應用監(jiān)

9、 測、評估、預警/分析、決策、控制、恢復等技術(shù)，實現(xiàn)電網(wǎng)的自我預防，自我恢復。本文 從以上6方面闡述智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)體系應用層的功能，各功能模塊的關(guān)系如圖2所 示。 具有自愈能力的智能配電網(wǎng)將電網(wǎng)運行狀態(tài)分為正常狀態(tài)、預警狀態(tài)、臨界狀態(tài)、緊急狀 態(tài)和恢復狀態(tài)。各狀態(tài)的特征如表 1所示，各狀態(tài)之間的變化關(guān)系如圖 3所示。 u 2.3.1監(jiān)測 智能配電網(wǎng)是一個復雜的系統(tǒng)，按照現(xiàn)代控制理論的觀點，要對一個系統(tǒng)實施有效控制， 必須首先能夠觀測這個系統(tǒng)20。智能配電網(wǎng)自愈控制重點在于提高電網(wǎng)所有元件的可觀 測性和可控制性，增強對電力設備參數(shù)、電網(wǎng)運行狀態(tài)以及分布式能源的監(jiān)測作用，這就 對傳感與量測

10、技術(shù)提出了更高的要求。 1）智能傳感器。電氣電子工程師學會（IEEE） 在1998年通過了智能傳感器的定義，即除產(chǎn)生一個被測量或被控量的正確表示之外，還同 時具有簡化換能器的綜合信息以用于網(wǎng)絡環(huán)境的功能的傳感器”。也就是說，智能傳感器是 一種帶有微處理器的、具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感 器。智能傳感器為自愈配電網(wǎng)的發(fā)展提供了敏銳的神經(jīng)末梢”。為了實現(xiàn)對智能電網(wǎng)大部 分設備實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，使用的智能傳感器必須具有高性價比、尺寸小、工程維護性好、良 好的電磁兼容性、智能數(shù)據(jù)交換接口等特點，易于安裝、推廣和維護。 2）同步相量測量技術(shù)。同步相量測量以全球定位系統(tǒng)（GPS）

11、提供的精確時間為基準，可對電 力系統(tǒng)進行同步相量測量、實時記錄、暫態(tài)錄波、時鐘同步、運行參數(shù)監(jiān)視、實時記錄數(shù) 據(jù)及暫態(tài)錄波數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)各個節(jié)點的同步測量21，并通過高速通信網(wǎng)絡把測量相量 傳送到主站，為大電網(wǎng)的實時監(jiān)測、分析和控制提供基礎信息。由于PMU能夠?qū)崿F(xiàn)廣域 電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時同步測量，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)全局穩(wěn)定性控制創(chuàng)造了條件，克服了現(xiàn)有 以SCADA為代表的調(diào)度監(jiān)測系統(tǒng)不能監(jiān)測和辨識電力系統(tǒng)動態(tài)行為的缺點，改善了傳統(tǒng) 狀態(tài)估計的結(jié)果22。隨著智能配電網(wǎng)的發(fā)展，要求控制系統(tǒng)和保護越來越復雜，實時相 角測量系統(tǒng)將會是這些控制和保護裝置中所不可缺少的。盡管PMU還未在配電網(wǎng)中應 用，筆者相

12、信PMU在配電網(wǎng)中應用是必然趨勢。 3）表計、變壓器、饋線、開關(guān)等。除智能傳感器和同步相量測量技術(shù)外，未來智能配電網(wǎng) 中的測量可能遍及電網(wǎng)的表計、變壓器、饋線、開關(guān)以及其他設備和裝置。 4）電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測設備。應用電網(wǎng)運行狀態(tài)檢測設備，對電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測，將電網(wǎng)當 前的運行狀態(tài)精確、直觀地展現(xiàn)，并將電網(wǎng)當前的動態(tài)運行數(shù)據(jù)及時上傳。 5）分布式能源監(jiān)控設備。對分布式能源終端進行實時監(jiān)測、控制和管理，實時顯示終端參 數(shù)并為評估模塊和預警/分析模塊提供實時數(shù)據(jù)。同時還能實現(xiàn)管網(wǎng)平衡等控制，實現(xiàn)遠程 定時抄表，歷史記錄、歷史曲線查詢，自動完成各種報表，減輕工作人員勞動強度，避免 人為失誤，避免糾紛，

13、提高管理水平。 2.3.2評估 傳統(tǒng)配電網(wǎng)評估方法多是從配電網(wǎng)供電能力和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方面進行評估，由于智能配電網(wǎng)的 復雜性，其評估需在傳統(tǒng)配電網(wǎng)評估的基礎上，加上電網(wǎng)安全評估、設備狀態(tài)評估、電網(wǎng) 脆弱性評估、電網(wǎng)風險評估以及上網(wǎng)電價適應性評估，以盡可能的反映電網(wǎng)的實際情況， 為電網(wǎng)預警/分析以及自愈決策提供參考。 1）電網(wǎng)安全評估。電力系統(tǒng)的安全性指電力系統(tǒng)在運行中承受故障擾動的能力。隨著智能 配電網(wǎng)的發(fā)展以及分布式能源的接入，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式日趨復雜，故障引起的系 統(tǒng)失穩(wěn)的影響范圍更廣，對于這種情況，必需進行電網(wǎng)靜態(tài)安全評估和電網(wǎng)動態(tài)安全評 估。 2）設備狀態(tài)評估。自愈配電網(wǎng)供電可靠性在很

14、大程度上取決于電力設備的可靠程度，電力 設備作為電網(wǎng)運營的主要載體，其健康狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)抗風險的能力。設備狀 態(tài)評估可根據(jù)設備運行參數(shù)的變化而不斷實時更新評估結(jié)果，量化設備的狀態(tài)，使評估結(jié) 果能夠隨設備、線路的改造而自我更新和完善，為分析設備的安全狀況和電力系統(tǒng)的可能 故障率及變化趨勢起到一個長期動態(tài)而有效的指導作用。 3）脆弱性評估。智能配電網(wǎng)自愈控制強調(diào)脆弱狀態(tài)，重視預防控制：評價電網(wǎng)的脆弱性， 根據(jù)脆弱性的嚴重程度和不同類別制定有針對性的控制方案13。脆弱性評估是對系統(tǒng)受 到外力作用或者突發(fā)事件的情況下所可能發(fā)生的變化，也就是對突發(fā)事件的敏感程度以及 可能發(fā)生的損失，那么做好脆

15、弱性評估，就能及時、有效的預測和預警未來可能發(fā)生的變 化趨勢或者損失，抑制不良因素的發(fā)展，使損系統(tǒng)得以盡快的恢復與重建，以實現(xiàn)系統(tǒng)的 良性發(fā)展和持續(xù)利用。 4）風險評估。風險評估作為智能配電網(wǎng)不可或缺的分析方法和評估手段，應該在智能配電 網(wǎng)建設初期予以重視。智能配電網(wǎng)引入了大量的新型元件和設備、帶來了新的結(jié)構(gòu)調(diào)整。 傳統(tǒng)設備故障帶來的系統(tǒng)風險依然存在，大量新設備運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)缺乏，傳統(tǒng)設備和新設 備運行的協(xié)調(diào)，智能配電網(wǎng)帶來的結(jié)構(gòu)變化都使風險分析更加復雜。鑒于以上原因，需要 對風險進行定量評估和管理，以便從可控因素入手降低風險。 5）上網(wǎng)電價適應性評估。智能配電網(wǎng)具有與客戶互動功能，電網(wǎng)可為客戶

16、提供實時電價和 用電信息，弓I導客戶合理用電、高效用電，提高能源利用效率，實現(xiàn)用電優(yōu)化、能效診斷 等增值服務。但是，在電價的影響下用電負荷會隨之發(fā)生較大變化，對電網(wǎng)的承受能力產(chǎn) 生影響，因此需對上網(wǎng)電價適應性進行評估。 2.3.3預警/分析 智能配電網(wǎng)規(guī)模龐大，運行機理復雜，但是電網(wǎng)運行實踐表明，除少數(shù)突發(fā)故障以外，大 多數(shù)故障發(fā)生是有一個漸進過程的，如果早期發(fā)現(xiàn)，及時采取恰當?shù)拇胧┦峭耆梢苑乐?的。為了及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)安全隱患，提高電網(wǎng)自愈能力，根據(jù)電網(wǎng)運行信息、環(huán)境變化信 息，在電網(wǎng)狀態(tài)評估的基礎上，對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的故障、問題提出警告及處理措施，就是 預警/分析。預警/分析是自愈電網(wǎng)不可缺少

17、的部分，實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)的在線自動跟蹤， 并能及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的隱患，自動給出預警信號。當電網(wǎng)到達預警狀態(tài)，自愈控制系統(tǒng)通過 圖1所示預警/分析技術(shù)體系，對電網(wǎng)的安全性實施全面而綜合的實時預警，自動跟蹤電網(wǎng) 運行的安全級別，自動提取表征系統(tǒng)狀態(tài)的特征信息，自動發(fā)現(xiàn)嚴重事故，及時發(fā)現(xiàn)電網(wǎng) 中存在的各種安全隱患，提出預警，從而采取主動措施，把安全隱患和災變問題解決在初 期階段。 2.3.4決策、控制、恢復 評估和預警/分析信息上傳到?jīng)Q策層，通過容錯故障診斷技術(shù)、故障定位與隔離技術(shù)、電網(wǎng) 靈活分區(qū)技術(shù)、自愈決策可視化技術(shù)以及對應的模型、算法、規(guī)則庫、知識庫等，實時主 動調(diào)控或適時采取技術(shù)對策消除某一初始

18、原因剛剛產(chǎn)生的后果，并啟動一個反作用因果 鏈，抵消故障因果鏈的作用，從而可以將故障抑制在萌芽中，控制、恢復和保持電網(wǎng)的穩(wěn) 定運行。 對應于電網(wǎng)的5種運行狀態(tài)，存在4種基本控制技術(shù)，分別是：預防控制技術(shù)、校正控制技 術(shù)、緊急控制技術(shù)和恢復控制技術(shù)。由于智能配電網(wǎng)對分布式能源具有接納能力，除了以 上4種基本控制技術(shù)外，還需研究分布式能源集成控制技術(shù)、智能配電網(wǎng)的自愈控制模式、 自愈控制可視化技術(shù)、分布協(xié)調(diào)/自適應控制技術(shù)等。當電網(wǎng)運行到恢復狀態(tài)，已有部分地 區(qū)供電中斷，為了滿足安全運行的需要不得不甩去一部分負荷，需研究模型更新技術(shù)、網(wǎng) 絡快速重構(gòu)技術(shù)、頻率穩(wěn)定技術(shù)、自適應卸負荷技術(shù)、自愈解列技術(shù)、

19、自愈恢復仿真技術(shù) 3結(jié)語 自愈作為智能配電網(wǎng)最重要的特征是智能配電網(wǎng)的免疫系統(tǒng)”。通過研究應用智能配電網(wǎng) 自愈控制技術(shù)將使電網(wǎng)的供電可靠性明顯提高，停電時間顯著減少。尤其是在極端天氣情 況下，配電網(wǎng)將充分發(fā)揮它的自我預防、自我恢復能力，優(yōu)先保障人們的生活，最大限度 地為人們提供電力。 參考文獻 1 AMIN M, WOLLENBERG B F. Toward a Smart Grid:Power Delivery for the 21st cen turyJ. IEEE Power andEn ergy Magazi ne, 2005, 3(5): 34-41. 2 李乃湖，倪以信，孫舒捷，等

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