冉玘泉,劉建
(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)
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智能配電網(wǎng)自愈控制關(guān)鍵技術(shù)研究
冉玘泉,劉建
(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川成都610031)
首先闡述了配電網(wǎng)自愈控制的基本概念及重要性,然后分析研究了自愈控制的關(guān)鍵技術(shù),指明了自愈控制發(fā)展的方向和技術(shù)依托,為未來智能配電網(wǎng)的發(fā)展和規(guī)劃提供決策參考。
智能配電網(wǎng);自愈;自愈控制;關(guān)鍵技術(shù);供電可靠性
智能配電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分,建設(shè)和發(fā)展智能配電網(wǎng)是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要內(nèi)涵。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。自愈控制技術(shù)是智能配電網(wǎng)最核心的技術(shù)。當(dāng)然,自愈控制技術(shù)實(shí)際上是一個(gè)完整的技術(shù)體系,或者說是一個(gè)技術(shù)集成。它包含若干具體的技術(shù),涵蓋了自動(dòng)控制、繼電保護(hù)和計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)領(lǐng)域的新技術(shù)[1]。由于歷史上電力工業(yè)發(fā)展的各種原因,我國配電網(wǎng)的發(fā)展明顯滯后于發(fā)電、輸電。目前用戶停電95%以上是由配電系統(tǒng)原因引起的,電網(wǎng)有一半的損耗發(fā)生在配電網(wǎng),我國配電網(wǎng)的自動(dòng)化、智能化程度以及自愈和優(yōu)化運(yùn)行能力遠(yuǎn)低于輸電網(wǎng)[2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著世界經(jīng)濟(jì)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(diǎn),更成為電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)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(yīng)對未來挑戰(zhàn)的共同選擇。目前,中國和世界各國已經(jīng)達(dá)成普遍共識,建設(shè)靈活、清潔、安全、經(jīng)濟(jì)、友好的智能電網(wǎng),是未來電網(wǎng)的發(fā)展方向。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(jì)環(huán)保,是實(shí)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(dòng)、自愈等特征[3-5]。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。智能配電網(wǎng)有助于提高電網(wǎng)供電可靠性、系統(tǒng)運(yùn)行效率以及終端電能質(zhì)量;有助于實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電、儲(chǔ)能與微網(wǎng)的并網(wǎng)與優(yōu)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)高效互動(dòng)的需求側(cè)管理;有助于結(jié)合先進(jìn)的現(xiàn)代管理理念,構(gòu)建集成與優(yōu)化的配電資產(chǎn)運(yùn)行、維護(hù)與管理系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)較傳統(tǒng)配電網(wǎng)更加堅(jiān)強(qiáng)并具有更大的“彈性”,可以有效抵御自然災(zāi)害及外力破壞等突發(fā)事件給電力系統(tǒng)造成的影響,并且具有強(qiáng)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)”[6]。
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)的情況下人,利用先進(jìn)的監(jiān)控手段對電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的在線自我評估,并采取預(yù)防性的控制手段,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、快速診斷、快速調(diào)整或消除故障隱患;在故障發(fā)生時(shí)能夠快速隔離故障、自我恢復(fù),實(shí)現(xiàn)快速復(fù)電,而不影響用戶的正常供電或?qū)⒂绊懡抵磷钚 >拖袢梭w的免疫功能一樣,自愈功能使配電網(wǎng)能夠抵御并緩解電網(wǎng)內(nèi)部和外部的各種危害(故障),保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和用戶的供電質(zhì)量[7]。
配電網(wǎng)自愈能力是配電網(wǎng)的自我預(yù)防、自我恢復(fù)的能力,這種能力來源于對電網(wǎng)重要參數(shù)的監(jiān)測和有效的控制策略。自我預(yù)防是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),通過對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行評價(jià)和持續(xù)優(yōu)化來完成的。自我恢復(fù)是電網(wǎng)經(jīng)受擾動(dòng)或故障時(shí),通過自動(dòng)進(jìn)行故障檢測、隔離、恢復(fù)供電來實(shí)現(xiàn)的。
配電網(wǎng)自愈控制(Self-Healing Control,SHC)通過共享和調(diào)用一切可用電網(wǎng)資源,實(shí)時(shí)預(yù)測電網(wǎng)存在的各種安全隱患和即將發(fā)生的擾動(dòng)事件,采取配電網(wǎng)在正常運(yùn)行下的優(yōu)化控制策略和非正常情況下的預(yù)防校正、緊急恢復(fù)、檢修維護(hù)等控制策略,使得電網(wǎng)盡快從非正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行狀態(tài),應(yīng)對電網(wǎng)可能發(fā)生的各種事件及組合,防止或遏制電力供應(yīng)的重大干擾,以減少配電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的人為干預(yù),降低配電網(wǎng)經(jīng)受擾動(dòng)或故障時(shí)對電網(wǎng)和用戶的影響,在實(shí)際運(yùn)行過程中具有以下三種能力:一是正常運(yùn)行時(shí),有選擇性、有目的地進(jìn)行優(yōu)化控制,改善電網(wǎng)運(yùn)行性能,提高電網(wǎng)穩(wěn)定裕度和抵御擾動(dòng)的能力;二是把預(yù)防控制作為主要控制手段,及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患;三是在故障情況下,維持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行,不造成系統(tǒng)運(yùn)行損失,并且通過自治修復(fù)功能從故障中恢復(fù)的能力[8]。
自愈是智能配電網(wǎng)的重要特征,也是其建成的重要標(biāo)志[9]。
配電網(wǎng)的智能化要以配電網(wǎng)高級自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ),通過應(yīng)用先進(jìn)的配電網(wǎng)運(yùn)行自動(dòng)化技術(shù)、配電網(wǎng)管理自動(dòng)化技術(shù)、用戶自動(dòng)化技術(shù)、分布式電源并網(wǎng)控制技術(shù)、定制電力技術(shù)等,使得配電網(wǎng)支持大量的分布式發(fā)電、可再生能源、儲(chǔ)能裝置的接入和微網(wǎng)運(yùn)行,增強(qiáng)電力企業(yè)與用戶之間的雙向互動(dòng),提高配電網(wǎng)的綜合自動(dòng)化水平、管理水平和電力市場化水平,優(yōu)化配電網(wǎng)資產(chǎn)利用,從而實(shí)現(xiàn)給用戶更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)供電[2]。
3.1高級配電自動(dòng)化技術(shù)
高級配電自動(dòng)化技術(shù)(Advanced Distribution Automation,ADA)是配電網(wǎng)革命性的管理與控制方法,是電能進(jìn)行智能化分配的技術(shù)核心,是智能配電網(wǎng)中的配電自動(dòng)化,其功能如圖1所示。ADA是一個(gè)龐大復(fù)雜的、綜合性很高的系統(tǒng)性工程,包含電力企業(yè)與配電系統(tǒng)有關(guān)的全部功能數(shù)據(jù)流和控制,旨在建立未來配電系統(tǒng)所需要的技術(shù)和功能,它是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的關(guān)鍵技術(shù)。
與DA相比,ADA具有以下特點(diǎn):①支持DER接入并與配電網(wǎng)有機(jī)集成;②實(shí)現(xiàn)柔性配電設(shè)備的協(xié)調(diào)控制;③滿足有源配電網(wǎng)的監(jiān)控需要;④提供實(shí)時(shí)仿真分析與輔助決策,有效支持高級應(yīng)用軟件;⑤支持分布智能控制技術(shù);⑥具有良好的開放性與可擴(kuò)展性;⑦各種自動(dòng)化系統(tǒng)之間無縫集成,信息高度共享,功能深度融合[10-11]。
從保證對用戶的供電質(zhì)量、提高服務(wù)水平、減少運(yùn)行費(fèi)用的觀點(diǎn)來看,ADA是一個(gè)統(tǒng)一的整體。有助于ADA監(jiān)測和控制的開放式通訊體系與柔性電力體系和保護(hù)系統(tǒng)是ADA在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的組件,共同支持智能配電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。通過柔性電力體系和開放式通信系統(tǒng),并結(jié)合ADA的功能,組成未來的智能配電系統(tǒng)。
3.2智能微網(wǎng)技術(shù)
微網(wǎng)技術(shù)是新型電力電子技術(shù)和分布式發(fā)電(Distributed Generation,DG)、可再生能源發(fā)電技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)的綜合,集成多個(gè)分布式發(fā)電單元和負(fù)荷作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng),為用戶提供電能和熱能。在合理的控制方式下,微網(wǎng)可以并網(wǎng)運(yùn)行,也可以脫離主電網(wǎng)孤立運(yùn)行,并可實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)行模式的無縫轉(zhuǎn)換。
智能微網(wǎng)即微網(wǎng)的智能化,通過采用先進(jìn)的電力技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上,能夠有效地解決以上技術(shù)問題,滿足電網(wǎng)對未來電力、能源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的更高發(fā)展需求。智能微網(wǎng)是一個(gè)微型的、智能化信息系統(tǒng),其信息交互關(guān)系如圖2所示。

圖1 ADA系統(tǒng)功能框圖

圖2 智能微網(wǎng)信息交互關(guān)系
智能微網(wǎng)不管是在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),還是在電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí),都高度支持配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈,是實(shí)施智能配電網(wǎng)自愈控制的重要手段,具備以下優(yōu)點(diǎn):①真正實(shí)現(xiàn)自治;②提供高可靠性電能;③滿足用戶多樣化的需求;④更有效利用分布式能源尤其是可再生能源;⑤實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化;⑥實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益最大化。
無論從結(jié)構(gòu)、技術(shù)上來講,還是從需求、效益上來講,智能微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)都密不可分,智能化的微網(wǎng)能夠充分利用自身特色幫助推動(dòng)配電網(wǎng)智能化的實(shí)現(xiàn),它是未來智能配電網(wǎng)新的組織形式[2,12]。
3.3配電網(wǎng)快速仿真與模擬技術(shù)
配電網(wǎng)快速仿真與模擬技術(shù)(Distribution Fast Simulation and Modeling,DFSM)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的重要工具,它能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能包括自適應(yīng)保護(hù)、故障自動(dòng)定位和排除、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、自動(dòng)電壓和無功控制等,仿真工具包括配電網(wǎng)狀態(tài)評估、電網(wǎng)潮流優(yōu)化、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)安全評估、負(fù)荷預(yù)測等,建模工具包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觥⒃O(shè)備模型、負(fù)荷模型和發(fā)電模型。DFSM在實(shí)時(shí)軟件平臺基礎(chǔ)上,應(yīng)用數(shù)學(xué)分析工具和先進(jìn)的預(yù)測技術(shù),根據(jù)配電網(wǎng)物理結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的精確狀態(tài)估計(jì)和實(shí)時(shí)優(yōu)化運(yùn)行,預(yù)測配電網(wǎng)潛在事件,并為系統(tǒng)運(yùn)行人員提供輔助決策建議和最優(yōu)決策服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈[2,13-14]。
3.4廣域測控技術(shù)
對于大規(guī)模、分布式廣域配電網(wǎng)絡(luò),需要建立一個(gè)基于廣域同步信息的保護(hù)和控制一體化理論與技術(shù),來協(xié)調(diào)電網(wǎng)元件保護(hù)、區(qū)域優(yōu)化控制、預(yù)防校正控制、緊急恢復(fù)控制等具有多道安全防線的電網(wǎng)自愈控制體系。基于廣域測量和信息交換的配電網(wǎng)自愈控制體系是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的關(guān)鍵技術(shù),能夠很好地解決全局與局部、分散與集中的功能協(xié)調(diào)和速度協(xié)調(diào)問題,實(shí)現(xiàn)廣域控制與分布保護(hù)控制的協(xié)調(diào)性。配電網(wǎng)廣域測控體系(Distribution Wide Area Monitoring and Control Infrastructure,DWAMCI)是智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自愈的關(guān)鍵技術(shù)之一,是智能配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全局監(jiān)視、全局控制、優(yōu)化運(yùn)行、自愈控制的重要解決方法,主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域:①運(yùn)行監(jiān)視與控制,即傳統(tǒng)的SCADA應(yīng)用;②故障測距與定位,故障自動(dòng)隔離與恢復(fù);③電壓無功優(yōu)化控制;④電能質(zhì)量監(jiān)測與調(diào)節(jié);⑤DFACTS控制;⑥分布式電源孤島保護(hù)與控制;⑦分布式電源調(diào)度[15]。
3.5高級量測技術(shù)
高級測量技術(shù)(Advanced Metering Infrastructure,AMI)是自動(dòng)抄表技術(shù)的高級發(fā)展,除了實(shí)現(xiàn)電能自動(dòng)采集、分析和計(jì)費(fèi)功能之外,還有能實(shí)現(xiàn)帶時(shí)標(biāo)的測量數(shù)據(jù)雙向通信,具有停電報(bào)告在線讀取和其他功能;出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信問題后,相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)重構(gòu),以恢復(fù)正常通信能力。AMI的通信結(jié)構(gòu)有兩種,一種是廣域通信結(jié)構(gòu),另一種是本地局域網(wǎng)。AMI典型系統(tǒng)如圖3所示。
典型的AMI系統(tǒng)由智能表計(jì)、數(shù)據(jù)收集單元、回程傳輸單元、通信網(wǎng)絡(luò)和量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。AMI和配電管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)藍(lán)圖的重要一步。將兩者有機(jī)地結(jié)合起來,可以提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。隨著 AMI技術(shù)的進(jìn)步,其在配電網(wǎng)通信中的重要作用將有很大的應(yīng)用價(jià)值[1]。

圖3 AMI系統(tǒng)構(gòu)成圖
3.6需求側(cè)管理技術(shù)
需求側(cè)管理(Demand Side Management,DSM)是指在行政或誘導(dǎo)措施下,通過提高終端用戶用電效率和優(yōu)化用電方式,引導(dǎo)用戶長期或短期改變用電模式,進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源、優(yōu)化資源配置和保證電網(wǎng)安全性的用電管理活動(dòng)。需求側(cè)管理的2個(gè)基本目標(biāo)是:①通過推行高效設(shè)備改造或節(jié)能建筑減少總能源的使用;②通過改變用電方式進(jìn)行負(fù)荷削峰填谷。需求側(cè)是智能配電網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)環(huán)節(jié),而需求側(cè)管理對于智能配電網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有舉足輕重的作用。同時(shí),無論配電網(wǎng)在正常運(yùn)行方式下的優(yōu)化控制,還是在非正常運(yùn)行方式下的預(yù)防校正控制、緊急恢復(fù)控制、檢修維護(hù)控制等,需求側(cè)管理都是在考慮和支持用戶參與電網(wǎng)互動(dòng)、支持實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自愈的最關(guān)鍵技術(shù),是配電網(wǎng)自愈控制采取的重要手段。智能配電網(wǎng)和需求側(cè)管理二者關(guān)系密切、相輔相成。
智能配電網(wǎng)是建設(shè)有中國特色堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的重要組成部分,是應(yīng)對我國未來能源、環(huán)境、氣候、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略武器,是解決配電網(wǎng)架構(gòu)薄弱、自動(dòng)化水平低、分布式發(fā)電大量接入對電網(wǎng)負(fù)面影響、用戶與電網(wǎng)之間的互動(dòng)能力和電網(wǎng)運(yùn)行控制水平有限等問題的有效手段。
自愈控制技術(shù)是配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化極為關(guān)鍵的技術(shù),它隨著配電網(wǎng)的信息、通信等各項(xiàng)技術(shù)不斷完善和發(fā)展而發(fā)展。通過開展配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)、分布式發(fā)電與智能微網(wǎng)技術(shù)、AMI技術(shù)、配電網(wǎng)快速仿真與模擬技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的研究,可快速而有力地推進(jìn)我國智能電網(wǎng)的建設(shè)。智能配電網(wǎng)最突出特點(diǎn)就是主動(dòng)自愈控制,而未來智能配電網(wǎng)發(fā)展的最高目標(biāo)是無縫自愈控制。智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)已成為提高配電網(wǎng)供電可靠性和安全性,抵御連鎖故障與大面積停電事故發(fā)生,解決大量DG接入的主要技術(shù)手段,具有廣闊的市場前景[2,16]。
本文對智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的特點(diǎn)和類型進(jìn)行了理論研究,分析了如何運(yùn)用各種先進(jìn)的支撐技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有準(zhǔn)確率高、自適應(yīng)強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、安全可靠和智能化程度高等的智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)。應(yīng)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(shí)間顯著減少。
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Research on the Key Technologies of Smart Distribution Grid Self-healing Control
RAN Qi-quan,LIU Jian
(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu China 610031)
Firstly,the paper expounds the basic concept and the importance of distribution network self-healing control.Then,it analyzes the key technology research of self-healing control and points out the direction and technical support of self-healing control development,which providing decision-making reference for the future of smart distribution network development and planning.
smart distribution grid;self-healing;self-healing control;key technology;power supply reliability
1004-289X(2016)01-0068-04
TM72
B
2015-03-03
冉玘泉(1987-),男,四川達(dá)州人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)重構(gòu)與控制技術(shù);
劉建(1989-),男,四川內(nèi)江人,碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)規(guī)劃與保護(hù)。