智能配電網(wǎng)自愈功能與評價指標

1、第38卷第22期電力系統(tǒng)保護與控制Vol.38 No.22 2010年11月16日Power System Protection and Control Nov. 16, 2010 智能配電網(wǎng)自愈功能與評價指標李天友1,2 ,徐丙垠3,4(1.華北電力大學(xué),北京 102206;2.福建電力公司,福建 福州 350003;3.山東理工大學(xué),山東 淄博 255012;4.科匯電力自動化公司,山東 淄博 255087摘要:介紹智能電網(wǎng)自愈的基本概念,闡述配電網(wǎng)自愈功能及相關(guān)技術(shù),提出采用自愈速度和供電自愈率指標來評價配電網(wǎng)的自愈能力。把自愈速度分為毫秒級、周波級、秒級與分鐘級四個級別;將供電自愈率定

2、義為在統(tǒng)計期(如一年內(nèi)故障自愈恢復(fù)的總用戶數(shù)與受故障影響的總用戶數(shù)的百分比值。對我國開展短時停電損失研究、配電網(wǎng)自愈相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究等提出了建議。關(guān)鍵詞:智能配電網(wǎng);自愈功能;評價指標;自愈速度;供電自愈率Self-healing and its benchmarking of smart distribution gridLI Tian-you1,2,XU Bing-yin3,4(1. North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2. Fujian Electric Power Company Limited,Fuzh

3、ou 350003, China;3. Shandong University of Technology,Zibo 255012,China;4. Kehui Power Automation Co.,Zibo 255087,ChinaAbstract:The basic self-healing concepts of smart distribution grid (SDG are introduced and its self-healing functions and relevant technology are illustrated.Two indexes for benchm

4、arking the self-healing ability of SDG,self-healing speed and self-healing rate are proposed.The self-healing speed is divided as milliseconds,cycles,minutes and seconds levels.The self-healing rate is defined as the number of customers recovered from a fault divided by the total number of customers

5、 affected by a fault.Suggestions on the loss analysis of short-time outage and the application of SDG self-healing technologies in China are presented.Key words:smart distribution grid;self-healing;benchmarking indexes;self-healing speed;self-healing rate中圖分類號: TM72 文獻標識碼:A 文章編號: 1674-3415(201022-01

6、05-040 引言“智能電網(wǎng)(Smart Grid”具有可靠、優(yōu)質(zhì)、高效、兼容、互動等特點,是現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展方向。自愈功能作為保證電網(wǎng)可靠、優(yōu)質(zhì)供電的關(guān)鍵功能,是智能電網(wǎng)技術(shù)研究的重點。近年來,國內(nèi)外專家就提高大型輸電網(wǎng)自愈進行了大量的研究,取得了一系列研究成果1-6;而對配電網(wǎng)自愈的研究相對較少7- 8。配電網(wǎng)直接面向用戶,其自愈水平的高低直接影響電網(wǎng)對用戶的供電質(zhì)量。本文介紹智能電網(wǎng)自愈的基本概念、闡述配電網(wǎng)自愈功能及相關(guān)技術(shù),提出評價配電網(wǎng)自愈能力的指標體系,并對我國開展智能配電網(wǎng)自愈研究工作提出建議。1 智能電網(wǎng)自愈的基本概念電網(wǎng)自愈的概念最早出自美國電科院(EPRI與美國能源部于19

7、99年啟動的“復(fù)雜互動系統(tǒng)”聯(lián)合研究計劃1。后來美國電科院的“智能電網(wǎng)(Intelligrid”、美國能源試驗室的“現(xiàn)代電網(wǎng)(Modern Grid Initiative”研究項目都把自愈作為主要研究內(nèi)容2-3。作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行與提高供電質(zhì)量的核心技術(shù)手段,自愈技術(shù)是當前智能電網(wǎng)研究的熱點內(nèi)容。電網(wǎng)的自愈(Self Healing是指其在無需或僅需少量的人為干預(yù)的情況下,利用先進的監(jiān)控手段對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行連續(xù)的在線診斷與評估,及時發(fā)現(xiàn)并快速調(diào)整,消除故障隱患;在故障發(fā)生時,能夠快速隔離故障、自我恢復(fù),不影響用戶的正常供電或?qū)⒐收嫌绊懡抵磷钚?。就像人體的免疫功能一樣,自愈使電網(wǎng)能夠抵

8、御并緩解各種內(nèi)外部危害(故障,保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和供電質(zhì)量。從自愈功能的含義與技術(shù)內(nèi)容來講,它并不是一個全新的概念。我們以前熟悉的繼電保護與安全自動裝置,都屬于自愈功能的范疇。另一方面,自- 106 - 電力系統(tǒng)保護與控制愈是傳統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置技術(shù)的發(fā)展,它的終極目標是為用戶提供永不間斷的理想電力,其內(nèi)容更為豐富、完善。自愈技術(shù)的研發(fā)與推廣應(yīng)用,對于建設(shè)智能電網(wǎng),提高供電質(zhì)量具有十分重要的意義。2 智能配電網(wǎng)的自愈功能與相關(guān)技術(shù)智能配電網(wǎng)(Smart Distribution Grid,SDG是智能電網(wǎng)中配電網(wǎng)部分的內(nèi)容。它實現(xiàn)自愈的根本目的是保證供電質(zhì)量。2.1 配電網(wǎng)的供電質(zhì)量

9、供電質(zhì)量是滿足用戶電力需求的質(zhì)量。根據(jù)目前國家有關(guān)標準,供電質(zhì)量包括供電可靠性和電能質(zhì)量兩個方面。供電可靠性是指對用戶連續(xù)供電的可靠程度,其指標是對用戶停電時間和次數(shù)的統(tǒng)計,直接體現(xiàn)了配電網(wǎng)對用戶連續(xù)供電的能力。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,供電質(zhì)量不合格造成的經(jīng)濟損失及對社會的影響越來越大。據(jù)美國能源部的報告9,美國每年供電中斷至少造成1 500億美元的停電損失,平均每人損失500美元。而電能質(zhì)量是指供應(yīng)到用戶受電端電能的品質(zhì),衡量電能質(zhì)量水平的指標有電壓偏差、頻率、電壓波動與閃變、諧波、三相不平衡五項,這都有相應(yīng)的國家標準。隨著變頻調(diào)速設(shè)備、可編程邏輯控制器等數(shù)字化設(shè)備以及各種自動生產(chǎn)線、計算機系統(tǒng)

10、的大量應(yīng)用,電壓驟降所造成的影響日益突出。所謂電壓驟降,根據(jù)IEEE Std.519-1992的定義,是指供電電壓有效值突然降至額定電壓的90%10% (0.90.1 p.u. ,并持續(xù)半個周波至1 min,然后又恢復(fù)至正常電壓。電壓驟降現(xiàn)在國內(nèi)外雖然還沒有統(tǒng)一的定義,但卻是危害最大的電能質(zhì)量問題。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計,在用戶電能質(zhì)量問題投訴中,由于電壓驟降原因造成的占80%以上。此外,配電網(wǎng)中還存在大量的供電短時中斷(短時停電現(xiàn)象,例如配電線路瞬時性故障時的跳閘又重合成功、線路故障自動隔離與非故障區(qū)段恢復(fù)供電、變電所備自投裝置動作等都會引起用戶供電出現(xiàn)數(shù)秒到數(shù)分鐘的停電。這類短時停電在供電可靠性指標中

11、是不納入統(tǒng)計的。我國原能源部的1991363號文供電系統(tǒng)用戶供電可靠性統(tǒng)計辦法中明確規(guī)定,“對供電系統(tǒng)停電時間不超過3 min的各類操作(如調(diào)電操作、開關(guān)跳閘后試送成功等不應(yīng)視為對用戶停電”。后來頒布的DL/T8362003號文供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程雖然刪去了這條款,但在實際操作中,還是不把短時停電納入可靠性統(tǒng)計中。短時停電與電壓驟降往往會導(dǎo)致高科技用電設(shè)備運行不正常,造成用戶產(chǎn)品報廢、大型生產(chǎn)線停機等事故,帶來巨大的經(jīng)濟損失。從避免用電事故、減少用戶損失角度出發(fā),也應(yīng)將這兩項內(nèi)容納入供電質(zhì)量研究的內(nèi)容,并作為智能配電網(wǎng)自愈功能解決的問題。2.2 智能配電網(wǎng)的自愈功能對電網(wǎng)自愈的研究分

12、成輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)兩部分內(nèi)容。由于發(fā)揮的作用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與運行方式等有著很大的差異,輸電網(wǎng)與配電網(wǎng)對自愈功能要求也不同。輸電網(wǎng)擔負著將電能從大型發(fā)電廠輸送到負荷中心的功能,主要采用多電源供電的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),其中一個甚至多個元件退出運行,不會影響系統(tǒng)的正常供電。因此,輸電網(wǎng)自愈功能首先是實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患,通過快速繼電保護切除故障元件;再者是對系統(tǒng)進行在線安全評估和預(yù)警控制,防止出現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定破壞導(dǎo)致的大面積停電事故。配電網(wǎng)的作用是向用戶分配電能,一般采用輻射型供電方式。它直接面向用戶,其中的任何故障、電能質(zhì)量擾動都會影響對用戶的正常供電。因此,智能配電網(wǎng)自愈功能首先是減少

13、故障停電時間與停電次數(shù),特別是避免目前配電網(wǎng)大量存在短時停電問題,提高供電可靠性;其次是優(yōu)化電能質(zhì)量,尤其是要解決電壓驟降問題;最后是有效抵御外部攻擊,提高配電網(wǎng)防災(zāi)防破壞能力。2.3 智能配電網(wǎng)自愈的相關(guān)技術(shù)智能配電網(wǎng)自愈功能的實現(xiàn),以計算機、通信、傳感與測控、電力電子以及人工智能等多項技術(shù)的綜合應(yīng)用為基礎(chǔ),涉及配電網(wǎng)規(guī)劃、一次網(wǎng)架設(shè)計、繼電保護、在線監(jiān)測、運行監(jiān)控與自動化等多個技術(shù)領(lǐng)域。配電自動化中的饋線自動化技術(shù)實現(xiàn)配電線路故障自動定位、隔離與恢復(fù)供電,是智能配電網(wǎng)自愈的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。目前的饋線自動化主要依賴分段開關(guān)順序重合或配電自動化主站遠方遙控來實現(xiàn),故障隔離與自動恢復(fù)供電的時間在6

14、0 s以上。下一步的發(fā)展方向是采用基于IP通信的分布式智能技術(shù),饋線終端之間實時交換故障檢測信息與控制命令,實現(xiàn)故障的就地隔離與恢復(fù)供電,將恢復(fù)供電時間降低至12 s以內(nèi),實現(xiàn)更為快速的自愈。如果采取配網(wǎng)閉環(huán)運行方式,采用差動保護直接跳開故障區(qū)段兩端的開關(guān),則可快速切除故障,避免故障引起供電中斷,實現(xiàn)無縫自愈。智能配電網(wǎng)自愈的另一支撐技術(shù)是柔性配電李天友,等智能配電網(wǎng)自愈功能與評價指標 - 107 -(DFACTS技術(shù),它是柔性交流輸電(FACTS技術(shù)在配電網(wǎng)的延伸。DFACTS設(shè)備包括動態(tài)不停電電源(DUPS、動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR、固態(tài)斷路器(SSCB、固態(tài)負荷轉(zhuǎn)移開關(guān)(SSTS、靜止無功

15、發(fā)生器(SVC、靜止同步補償器(STATCOM等。DFACFS在提高配電網(wǎng)自愈功能方面具有重要的作用。首先,應(yīng)用SSCB、SSTS 可以加快故障切除與負荷轉(zhuǎn)移切換時間,提高自愈速度。而利用DUPS與DVR可以補償配電網(wǎng)故障重合閘、故障隔離操作引起的短時供電中斷,保證重要敏感負荷供電不受影響。此外,應(yīng)用SVC、STATECOM可以消除電壓驟降、諧波、電壓波動的影響,提高電能質(zhì)量。3 智能配電網(wǎng)自愈能力的評價指標制定技術(shù)指標體系,科學(xué)地評價配電網(wǎng)的自愈能力,是智能配電網(wǎng)自愈研究的重要內(nèi)容。目前,國內(nèi)外還沒有智能電網(wǎng)自愈能力的評價標準,為此本文提出了一套評價智能配電網(wǎng)自愈能力的初步方法與技術(shù)指標體系

16、。配電網(wǎng)的自愈能力,可從自愈速度與自愈率兩方面來評價。3.1 自愈速度指標配電網(wǎng)故障對用戶的影響體現(xiàn)在供電中斷與電壓驟降兩個方面。不同的用電設(shè)備受供電中斷與電壓驟降影響的程度是不一樣的。根據(jù)供電中斷與電壓驟降對用電對象的影響嚴重程度,可將電力負荷分為如下三類10。1普通負荷。即供電中斷與電壓驟降擾動造成的經(jīng)濟損失與社會影響較小的電力負荷。如一般照明設(shè)備與家用電器、電加熱器、通風(fēng)機等。2敏感負荷。指幾個周波的供電中斷或電壓驟降會對其造成影響和危害的電力負荷,如可編程控制器、變頻調(diào)速裝置等。3嚴格負荷。指對供電質(zhì)量要求非常嚴格,出現(xiàn)一周波以上的供電中斷或電壓驟降即會對其造成嚴重影響和危害的負荷,如

17、集成電路芯片制造流水線、銀行與證券中心的計算機系統(tǒng)等。由此可見,智能配電網(wǎng)自愈速度的快慢直接關(guān)系到對用戶的影響程度。因此,我們可根據(jù)自愈速度的快慢來量化描述智能配電網(wǎng)的自愈能力,以此作為評價智能配電網(wǎng)自愈能力的一項量化指標。綜合考慮對用戶的影響及其所采取的自愈技術(shù),可將自愈速度分為四級。(1一級自愈速度,也稱為毫秒級自愈,指時間在一周波(50 Hz電網(wǎng)是20 ms以內(nèi)的自愈恢復(fù),其作用是讓用戶沒有“感覺”,因此可稱為“無縫自愈”。(2二級自愈速度,也稱為周波級自愈,指時間在一周波以上、幾十毫秒以內(nèi)的自愈恢復(fù),對普通負荷和一般敏感負荷基本無影響。(3三級自愈速度,也稱為秒級自愈,指時間在幾秒鐘內(nèi)

18、的自愈恢復(fù),對敏感負荷有一定影響,但對普通負荷無影響。(4四級自愈速度,也稱為分鐘級自愈,指時間在3 min內(nèi)即自愈恢復(fù),雖用戶都“感覺”到停電,但短時間得到恢復(fù),會影響敏感負荷的正常運行,但對普通負荷基本無影響。對于停電時間超過3 min的,則為不自愈,在供電可靠性指標里統(tǒng)計為停電。這樣,自愈速度指標就描述了智能配電網(wǎng)對3 min之內(nèi)短時停電與電壓驟降的自愈恢復(fù)功能。當然,自愈速度的選擇是一個技術(shù)經(jīng)濟問題,自愈速度越快,就意味著電網(wǎng)裝備投入越大,因此針對具體的配電網(wǎng),要從滿足用戶負荷要求出發(fā),選擇適中的自愈速度。自愈速度指標也作為評價智能配電網(wǎng)某一饋線或者某一小區(qū)配電網(wǎng)自愈能力的指標。3.2

19、 供電自愈率指標供電自愈率指標用于描述一個區(qū)域直至一個城市的配電網(wǎng)對故障的自愈恢復(fù)能力。第一個供電自愈率指標是供電故障自愈率,其定義為在統(tǒng)計期(如一年內(nèi)故障自愈恢復(fù)的總用戶數(shù)與受故障影響的總用戶數(shù)的百分比值,即:供電故障自愈率=(每次故障自愈的戶數(shù)/(每次故障影響的用戶數(shù)×100% (1式中:“每次故障影響的戶數(shù)”指故障影響范圍內(nèi)線路連接的用戶數(shù);而“每次故障自愈的戶數(shù)”指由于配電網(wǎng)自愈操作供電沒受故障影響或經(jīng)歷短暫停電后恢復(fù)供電的戶數(shù),它是故障影響范圍內(nèi)連接的用戶數(shù)與實際遭受停電戶數(shù)之差。故障是通過變電站保護與故障錄波裝置記錄到的故障次數(shù)來統(tǒng)計,受影響的用戶數(shù)是根據(jù)故障時網(wǎng)絡(luò)運行結(jié)

20、構(gòu)與受影響線路連接的用戶數(shù)來統(tǒng)計;而實際停電戶數(shù)可通過配電終端和智能電表記錄來統(tǒng)計。另一個供電自愈率指標是用戶平均自愈次數(shù),它是每個用戶在統(tǒng)計期(如一年內(nèi)遭受故障的平均自愈成功的次數(shù),即:用戶平均自愈次數(shù)=(每次故障自愈的戶數(shù)/ 總用戶數(shù)(次/戶·年 (2供電自愈率與供電可靠性指標密切相關(guān)。供電自愈率指標描述了配電網(wǎng)在減少故障停電方面的自愈能力,自愈能力強的配電網(wǎng)其供電可靠性則高。- 108 - 電力系統(tǒng)保護與控制事實上,供電自愈的效果還與自愈速度有關(guān),自愈速度的快慢直接關(guān)系到對敏感用戶的影響程度。嚴格地講,作為評價整個配電網(wǎng)自愈功能的供電自愈率指標還應(yīng)考慮這些因素,這有待進一步的研

21、究完善。4 結(jié)語配電網(wǎng)直接連接用戶,是保證供電質(zhì)量的中心環(huán)節(jié)。在我國,電力用戶遭受停電的時間有95%以上是配電網(wǎng)造成的(扣除發(fā)電不足的原因;造成電能質(zhì)量問題的主要因素也在配電網(wǎng)。而智能配電網(wǎng)代表著未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向,其自愈功能在于減少停電、提高供電質(zhì)量、提供優(yōu)質(zhì)電力從而帶來顯著的效益。因此,結(jié)合我國實際開展智能配電網(wǎng)自愈功能的技術(shù)研究和應(yīng)用,具有十分重要的作用和意義。當前,要進一步系統(tǒng)研究分析停電造成當今經(jīng)濟社會的影響,進一步確立以供電可靠性為核心的價值觀;要進一步系統(tǒng)研究分析配電網(wǎng)供電短時停電(3 min之內(nèi)的原因及對用戶造成的影響,并且開展這方面的統(tǒng)計工作,以利于自愈技術(shù)的研究應(yīng)用;要進

22、一步系統(tǒng)研究衡量配電網(wǎng)自愈能力的指標體系,科學(xué)客觀全面地反映自愈功能水平,使之成為智能配電網(wǎng)技術(shù)指標體系的重要組成部分;要結(jié)合配電自動化的實施,對配電數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進的測控保護技術(shù)等自愈相關(guān)技術(shù)進行應(yīng)用研究,以提高現(xiàn)階段配電網(wǎng)的自愈水平,提高供電質(zhì)量。同時,要加強技術(shù)交流,跟蹤國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展動態(tài),推動配電網(wǎng)自愈技術(shù)的發(fā)展,進而推動我國智能電網(wǎng)的發(fā)展。參考文獻1 Massoud Amin. Toward self-healing energy infrastructuresystemsJ. IEEE Computer Applications in Power,2001,14(1:20-2

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