智能配電網自愈控制技術體系框架研究

賈東梨，孟曉麗，宋曉輝

（中國電力科學研究院，北京 100192）

進入21世紀以來，隨著世界經濟的發展，節能減排、綠色能源、可持續發展成為各國關注的焦點，更成為電力行業實現轉型發展的核心驅動力，智能電網的理念逐漸萌發形成，成為全球電力工業應對未來挑戰的共同選擇[1-3]。目前，中國和世界各國已經達成普遍共識，建設靈活、清潔、安全、經濟、友好的智能電網，是未來電網的發展方向[4-6]。智能電網能夠實現電力系統安全穩定、優質可靠、經濟環保，是實施可持續供電戰略的重要保障，具有融合、優化、分布、協調、互動、自愈等特征[7-9]。

根據目前國際、國內的研究報告，智能電網主要由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、高級資產管理。在各個部分中，高級配電運行是目前裝備較薄弱的環節，所以在國際上關于智能電網的研究報告中，配電網是大家關注的重點[10]。

智能配電網是智能電網中連接主網和面向用戶供電的重要組成部分[11]。智能配電網有助于提高電網供電可靠性、系統運行效率以及終端電能質量；有助于實現分布式發電、儲能與微網的并網與優化運行，實現高效互動的需求側管理；有助于結合先進的現代管理理念，構建集成與優化的配電資產運行、維護與管理系統。智能配電網較傳統配電網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事件給電力系統造成的影響，并且具有強大的“自愈”功能，自愈是智能配電網最重要的特征。從本質上講，自愈是智能配電網的“免疫系統”。

目前，國內外學者都在積極探討具有自愈能力的電網架構[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一的系統理論，也沒有針對智能配電網展開自愈控制的研究。

本文對智能配電網的控制技術體系進行研究。首先分析智能配電網自愈控制技術體系設計的層次結構，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組成。

1 智能配電網自愈控制概述

電網從當前的安全控制到自愈電網理念的提出、研發和實施，是一個歷時以世紀計的積累發展過程[17]。智能配電網的“自愈”能力是指智能配電網能夠及時檢測出已經發生或正在發生的故障，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將其影響降至最小。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，監測電網的實時運行狀態，預測電網運行狀態，及時發現、快速診斷和消除故障隱患。具有自愈能力的智能配電網將具有更高的供電可靠性、更高的電能質量、支持大量的分布式電源的接入、支持用戶能源管理（需求側管理）、提高電網資產利用率、對配電網及其設備進行可視化管理、實現配網設備管理、生產管理的自動化、信息化。

2 智能配電網自愈控制技術體系

智能配電網的自愈控制技術體系自下而上分為3個層次，依次是基礎層、支撐層、應用層，如圖1所示。

2.1 基礎層——電網及其設備

實體電網作為智能電網的物理載體，是實現智能電網的基礎[18]，也是實現自愈控制的基礎。但是，與國外先進國家相比，我國配電網整體供電能力和可靠性水平偏低，管理手段相對落后；配電自動化系統覆蓋范圍小，遠遠低于先進國家水平；由于技術不成熟、網架結構調整頻繁、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；部分地區城市配電變壓器經濟運行水平不高，配網節能降耗技術應用不足。

圖1 智能配電網自愈控制技術體系

鑒于以上原因，我國智能配電網應該以可靠性建設為核心，以配電網高效運行為目標，同時提高負荷管理水平和用戶參與水平。而且，未來將有大量的分布式清潔能源發電及其他形式發電接入電網，要求配電網具備靈活重構、潮流優化、清潔能源接納能力。同時，隨著用戶側、配網側分布式電源增多，特別是隨著屋頂太陽能發電、電動汽車大量使用，電網中電力流和信息流的雙向互動會逐步增多，對電網運行和管理將產生重大影響。因此，在實體配電網的建設過程中，必須進行前瞻性的探索、規劃和構建，以長遠的眼光來研究我國配電網的發展，大力推進先進技術創新，積極采用成熟先進技術，使實體電網在架構上、技術上、裝備上滿足未來智能電網的需求。

2.2 支撐層——數據和通信

覆蓋整個電網的信息交互是實現電力傳輸和使用高效性、可靠性和安全性的基礎[19]。而且，自愈控制需要采集大量設備（包括一次、二次設備）的狀態數據和表計計量數據，對于這種數量大、采集點多而且分散的情況，就需要在開放的通信架構、統一的技術標準、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。

高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能配電網的基礎，也是邁向配電網自我預防、自我恢復的關鍵步驟。這樣的通信系統建成后，電網通過連續不斷地自我監測和校正，應用先進的信息技術，實現其自愈能力，提高對電網的駕馭能力和優質服務的水平，它還可以監測各種擾動，進行補償，重新分配潮流，避免事故的擴大。

2.3 應用層

自愈電網各項功能的實現，有賴于在完善電網、電力設備以及數據通信的基礎上，應用監測、評估、預警/分析、決策、控制、恢復等技術，實現電網的自我預防，自我恢復。本文從以上6方面闡述智能配電網自愈控制技術體系應用層的功能，各功能模塊的關系如圖2所示。

圖2 智能配電網自愈控制應用層各模塊關系圖

具有自愈能力的智能配電網將電網運行狀態分為正常狀態、預警狀態、臨界狀態、緊急狀態和恢復狀態。各狀態的特征如表1所示，各狀態之間的變化關系如圖3所示。

表1 智能配電網自愈控制電網運行狀態特征

2.3.1 監測

智能配電網是一個復雜的系統，按照現代控制理論的觀點，要對一個系統實施有效控制，必須首先能夠觀測這個系統[20]。智能配電網自愈控制重點在于提高電網所有元件的可觀測性和可控制性，增強對電力設備參數、電網運行狀態以及分布式能源的監測作用，這就對傳感與量測技術提出了更高的要求。

圖3 智能配電網自愈控制的狀態

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絡環境的功能的傳感器”。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'、邏輯思維與判斷功能的傳感器。智能傳感器為自愈配電網的發展提供了敏銳的“神經末梢”。為了實現對智能電網大部分設備實現狀態監測，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、智能數據交換接口等特點，易于安裝、推廣和維護。

2）同步相量測量技術。同步相量測量以全球定位系統（GPS）提供的精確時間為基準，可對電力系統進行同步相量測量、實時記錄、暫態錄波、時鐘同步、運行參數監視、實時記錄數據及暫態錄波數據分析，實現各個節點的同步測量[21]，并通過高速通信網絡把測量相量傳送到主站，為大電網的實時監測、分析和控制提供基礎信息。由于PMU能夠實現廣域電網運行狀態的實時同步測量，為實現電力系統全局穩定性控制創造了條件，克服了現有以SCADA為代表的調度監測系統不能監測和辨識電力系統動態行為的缺點，改善了傳統狀態估計的結果[22]。隨著智能配電網的發展，要求控制系統和保護越來越復雜，實時相角測量系統將會是這些控制和保護裝置中所不可缺少的。盡管PMU還未在配電網中應用，筆者相信PMU在配電網中應用是必然趨勢。

3）表計、變壓器、饋線、開關等。除智能傳感器和同步相量測量技術外，未來智能配電網中的測量可能遍及電網的表計、變壓器、饋線、開關以及其他設備和裝置。

4）電網運行狀態監測設備。應用電網運行狀態檢測設備，對電網運行狀態監測，將電網當前的運行狀態精確、直觀地展現，并將電網當前的動態運行數據及時上傳。

5）分布式能源監控設備。對分布式能源終端進行實時監測、控制和管理，實時顯示終端參數并為評估模塊和預警/分析模塊提供實時數據。同時還能實現管網平衡等控制，實現遠程定時抄表，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，提高管理水平。

2.3.2 評估

傳統配電網評估方法多是從配電網供電能力和網架結構方面進行評估，由于智能配電網的復雜性，其評估需在傳統配電網評估的基礎上，加上電網安全評估、設備狀態評估、電網脆弱性評估、電網風險評估以及上網電價適應性評估，以盡可能的反映電網的實際情況，為電網預警/分析以及自愈決策提供參考。

1）電網安全評估。電力系統的安全性指電力系統在運行中承受故障擾動的能力。隨著智能配電網的發展以及分布式能源的接入，電力系統結構和運行方式日趨復雜，故障引起的系統失穩的影響范圍更廣，對于這種情況，必需進行電網靜態安全評估和電網動態安全評估。

2）設備狀態評估。自愈配電網供電可靠性在很大程度上取決于電力設備的可靠程度，電力設備作為電網運營的主要載體，其健康狀態的好壞直接關系到電網抗風險的能力。設備狀態評估可根據設備運行參數的變化而不斷實時更新評估結果，量化設備的狀態，使評估結果能夠隨設備、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的可能故障率及變化趨勢起到一個長期動態而有效的指導作用。

3）脆弱性評估。智能配電網自愈控制強調脆弱狀態，重視預防控制：評價電網的脆弱性，根據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受到外力作用或者突發事件的情況下所可能發生的變化，也就是對突發事件的敏感程度以及可能發生的損失，那么做好脆弱性評估，就能及時、有效的預測和預警未來可能發生的變化趨勢或者損失，抑制不良因素的發展，使受損系統得以盡快的恢復與重建，以實現系統的良性發展和持續利用。

4）風險評估。風險評估作為智能配電網不可或缺的分析方法和評估手段，應該在智能配電網建設初期予以重視。智能配電網引入了大量的新型元件和設備、帶來了新的結構調整。傳統設備故障帶來的系統風險依然存在，大量新設備運行統計數據缺乏，傳統設備和新設備運行的協調，智能配電網帶來的結構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）上網電價適應性評估。智能配電網具有與客戶互動功能，電網可為客戶提供實時電價和用電信息，引導客戶合理用電、高效用電，提高能源利用效率，實現用電優化、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生較大變化，對電網的承受能力產生影響，因此需對上網電價適應性進行評估。

2.3.3 預警/分析

智能配電網規模龐大，運行機理復雜，但是電網運行實踐表明，除少數突發故障以外，大多數故障發生是有一個漸進過程的，如果早期發現，及時采取恰當的措施是完全可以防止的。為了及時發現電網安全隱患，提高電網自愈能力，根據電網運行信息、環境變化信息，在電網狀態評估的基礎上，對電網可能出現的故障、問題提出警告及處理措施，就是預警/分析。預警/分析是自愈電網不可缺少的部分，實現電網運行狀態的在線自動跟蹤，并能及時發現電網的隱患，自動給出預警信號。

當電網到達預警狀態，自愈控制系統通過圖1所示預警/分析技術體系，對電網的安全性實施全面而綜合的實時預警，自動跟蹤電網運行的安全級別，自動提取表征系統狀態的特征信息，自動發現嚴重事故，及時發現電網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/分析信息上傳到決策層，通過容錯故障診斷技術、故障定位與隔離技術、電網靈活分區技術、自愈決策可視化技術以及對應的模型、算法、規則庫、知識庫等，實時主動調控或適時采取技術對策消除某一初始原因剛剛產生的后果，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、恢復和保持電網的穩定運行。

對應于電網的5種運行狀態，存在4種基本控制技術，分別是：預防控制技術、校正控制技術、緊急控制技術和恢復控制技術。由于智能配電網對分布式能源具有接納能力，除了以上4種基本控制技術外，還需研究分布式能源集成控制技術、智能配電網的自愈控制模式、自愈控制可視化技術、分布協調/自適應控制技術等。

當電網運行到恢復狀態，已有部分地區供電中斷，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、網絡快速重構技術、頻率穩定技術、自適應卸負荷技術、自愈解列技術、自愈恢復仿真技術等。

3 結語

自愈作為智能配電網最重要的特征是智能配電網的“免疫系統”。通過研究應用智能配電網自愈控制技術將使電網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，配電網將充分發揮它的自我預防、自我恢復能力，優先保障人們的生活，最大限度地為人們提供電力。

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