城市配電網(wǎng)分布式自愈控制方法與系統(tǒng)

史 裕，許 明，呂曉平，張 聰，盧憲斐

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司章丘市供電公司，濟(jì)南 250200；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012；3.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

·電網(wǎng)技術(shù)·

城市配電網(wǎng)分布式自愈控制方法與系統(tǒng)

史 裕1，許 明2，呂曉平2，張 聰3，盧憲斐2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司章丘市供電公司，濟(jì)南 250200；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250012；3.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

自愈控制是未來(lái)智能配電網(wǎng)的核心技術(shù)，可以有效提升配電系統(tǒng)的安全性、可靠性與運(yùn)行效率。研究基于廣域測(cè)控體系的自愈控制系統(tǒng)，通過(guò)智能終端對(duì)等交換故障檢測(cè)與控制信息，實(shí)現(xiàn)短路故障快速定位、隔離與自動(dòng)恢復(fù)供電，該控制方法能夠用于不同的饋線(xiàn)拓?fù)洳⒆詣?dòng)適應(yīng)饋線(xiàn)運(yùn)行方式的變化。最后通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了該方法的有效性。

分布式控制；自愈控制；智能終端；自動(dòng)識(shí)別

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)提出了更高的要求，配電網(wǎng)的保護(hù)與控制技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。自愈控制是未來(lái)智能配電網(wǎng)的核心技術(shù)，能夠有效提升配電系統(tǒng)的安全性、可靠性與運(yùn)行效率［1-5］。

采用基于終端之間對(duì)等交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分布式智能控制（簡(jiǎn)稱(chēng)分布式控制）技術(shù)，是配電網(wǎng)自愈控制的發(fā)展方向［6-9］。現(xiàn)代通信、計(jì)算機(jī)與測(cè)控技術(shù)的發(fā)展為研發(fā)開(kāi)放、統(tǒng)一的智能配電網(wǎng)測(cè)控廣域測(cè)控系統(tǒng)，創(chuàng)造了條件。除支持常規(guī)的集中控制應(yīng)用外，廣域測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)終端裝置還能夠支持各種就地控制分布式控制應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源的高度共享；同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有高度的開(kāi)放性，支持自動(dòng)化設(shè)備與應(yīng)用軟件的即插即用。

通過(guò)分布式控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障定位、隔離與供電恢復(fù)技術(shù)，能夠縮短故障停電時(shí)間與范圍、提高供電可靠性，是配電網(wǎng)自愈控制的一個(gè)核心功能［10-12］。為此研究采用基于智能終端 （Smart Terminal Unit，STU）之間對(duì)等通信的分布式控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的快速自愈提供新的解決方案。

1 分布式控制策略

分布式控制指多個(gè)控制實(shí)體之間通過(guò)對(duì)等交換測(cè)量與控制信息協(xié)同完成控制任務(wù)的控制方式。在智能配電網(wǎng)中，控制實(shí)體是安裝在變電站、柱上開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜與配電變壓器等配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處的智能終端。分布式控制既可以利用多個(gè)站點(diǎn)的測(cè)量信息提高保護(hù)控制性能，又避免了主站集中控制存在的通信與數(shù)據(jù)處理延時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，是配電網(wǎng)保護(hù)控制技術(shù)的發(fā)展方向。

控制任務(wù)指一個(gè)具有完整功能目標(biāo)的控制應(yīng)用。根據(jù)需要操作的配電設(shè)備個(gè)數(shù)，配電網(wǎng)的控制任務(wù)可分為單操作任務(wù)與多操作任務(wù)。控制任務(wù)需由STU完成，為便于對(duì)任務(wù)進(jìn)行分配，一個(gè)控制任務(wù)可以分解為若干子任務(wù)。以饋線(xiàn)自動(dòng)化任務(wù)為例，可將其分解為故障定位及隔離任務(wù)與供電恢復(fù)任務(wù)；故障定位與隔離任務(wù)由故障區(qū)段相鄰開(kāi)處的STU配合完成，而供電恢復(fù)控制由出口斷路器與聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處的STU完成。

一個(gè)具體的控制任務(wù)（應(yīng)用）涉及的站點(diǎn)稱(chēng)為相關(guān)站點(diǎn)，相關(guān)站點(diǎn)覆蓋的供電區(qū)域稱(chēng)為控制作用域。控制的啟動(dòng)，又稱(chēng)控制的發(fā)起，指STU在何種情況下啟動(dòng)分布式控制應(yīng)用操作。控制應(yīng)用指一個(gè)具體的保護(hù)與控制應(yīng)用，如分布式饋線(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用、電流保護(hù)應(yīng)用、孤島保護(hù)應(yīng)用等。分布式控制應(yīng)用有循環(huán)發(fā)起、事件觸發(fā)與遠(yuǎn)方命令3種啟動(dòng)方式。

在分布式控制系統(tǒng)中，將做出控制決策或發(fā)出控制命令的STU稱(chēng)為主控STU。針對(duì)一個(gè)具體的控制任務(wù)，根據(jù)參與決策的主控STU的個(gè)數(shù)，可將分布式智能控制方法分為協(xié)同控制與主從控制。

協(xié)同控制，指由2個(gè)或2個(gè)以上的主控STU處理當(dāng)?shù)販y(cè)量信息以及來(lái)自相關(guān)STU測(cè)控信息，進(jìn)行控制決策，對(duì)當(dāng)?shù)鼗蛳嚓P(guān)配電設(shè)備進(jìn)行控制。例如，分布式電流差動(dòng)保護(hù)應(yīng)用中，線(xiàn)路區(qū)段兩側(cè)的STU分別根據(jù)本地故障電流測(cè)量相量與接收到的對(duì)端故障電流測(cè)量相量做出是否需要跳閘的判斷。

主從控制，指在一個(gè)控制任務(wù)的作用域內(nèi)，由一個(gè)STU作為主控STU，采集、處理相關(guān)站點(diǎn)的測(cè)控信息，進(jìn)行控制決策；其他STU作為從STU，與主控STU通信并向其傳送當(dāng)?shù)嘏潆娫O(shè)備的運(yùn)行信息，根據(jù)來(lái)自主控STU的控制命令對(duì)當(dāng)?shù)嘏潆娫O(shè)備進(jìn)行操作。如在饋線(xiàn)自動(dòng)化應(yīng)用中，由變電站出口斷路器處的STU采集處理來(lái)自相關(guān)站點(diǎn)的故障檢測(cè)與開(kāi)關(guān)動(dòng)作信息，進(jìn)行故障定位、故障隔離與恢復(fù)供電操作。

2 自愈控制方法

采用協(xié)同控制作為自愈控制策略，既通過(guò)各個(gè)終端的分布式信息交換，獲取饋線(xiàn)的實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與實(shí)時(shí)信息。聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)處的終端與聯(lián)絡(luò)電源出線(xiàn)開(kāi)關(guān)以及線(xiàn)路上各個(gè)分段開(kāi)關(guān)的終端進(jìn)行分布式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，獲取故障前電流及拓?fù)潢P(guān)系。發(fā)生故障時(shí)，如果線(xiàn)路一側(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到故障電流，而另一側(cè)開(kāi)關(guān)未檢測(cè)到故障電流流過(guò)，則將故障定位在該側(cè)區(qū)段上，并確認(rèn)有故障電流流過(guò)的開(kāi)關(guān)屬于故障區(qū)段上游邊界開(kāi)關(guān)。

故障區(qū)段上游邊界開(kāi)關(guān)處的終端在檢測(cè)出故障區(qū)段后，通過(guò)終端直接向該開(kāi)關(guān)以及故障區(qū)段的所有邊界開(kāi)關(guān)發(fā)出跳閘命令，并在檢測(cè)到故障區(qū)段所有的邊界開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)后，發(fā)出“故障隔離”成功的信息。如果故障區(qū)段的邊界開(kāi)關(guān)分屬不同的終端控制，則上下游邊界開(kāi)關(guān)處的終端互相通信，斷開(kāi)下游邊界開(kāi)關(guān)并上傳開(kāi)關(guān)位置信息。當(dāng)故障區(qū)段的上游邊界開(kāi)關(guān)位于線(xiàn)路末端時(shí)，終端只需斷開(kāi)該開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段隔離。

電源開(kāi)關(guān)處的終端在接收到故障隔離成功的信息后，控制電源開(kāi)關(guān)合閘，恢復(fù)故障點(diǎn)上游非故障區(qū)段的供電。

以圖1所示配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說(shuō)明。在F1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)STUA、STU1與STU2之間的信息交換，獲知Q11、Q12有故障電流且Q21無(wú)故障電流流過(guò)，因此，判斷出故障在開(kāi)關(guān)Q12所在的下游區(qū)段且在Q21上游區(qū)段，實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位；STU1與STU2各自發(fā)送命令斷開(kāi)Q12與Q21，實(shí)現(xiàn)故障隔離；STU2發(fā)送命令閉合Q22，通過(guò)電源2實(shí)現(xiàn)供電恢復(fù)。

圖1 典型配電網(wǎng)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)

3 自愈控制系統(tǒng)

所設(shè)計(jì)的基于分布式控制的自愈控制系統(tǒng)框架如圖2所示，主要包括開(kāi)放式通信體系、支撐平臺(tái)與高級(jí)應(yīng)用3個(gè)部分。

開(kāi)放式通信體系包括IP通信網(wǎng)絡(luò)等，將IEC 61850應(yīng)用于自愈控制系統(tǒng)，故障發(fā)生時(shí)需要將故障相別、故障啟動(dòng)時(shí)間、故障歷時(shí)等信息及時(shí)上報(bào)給主站，為此需要增加相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)。此外，還需要增加短路故障檢測(cè)、小電流接地故障選線(xiàn)、小電流接地故障檢測(cè)等功能。

支撐平臺(tái)技術(shù)通過(guò)軟硬件支撐實(shí)現(xiàn)分布式控制技術(shù)，包括分布式控制測(cè)量技術(shù)、饋線(xiàn)拓?fù)渥詣?dòng)識(shí)別方法與快速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

高級(jí)應(yīng)用通過(guò)終端實(shí)現(xiàn)，在終端中集成上述算法實(shí)現(xiàn)故障的快速定位、隔離與恢復(fù)。

圖2 自愈控制系統(tǒng)

4 應(yīng)用測(cè)試

4.1 試驗(yàn)?zāi)M

在山東理工大學(xué)靜模試驗(yàn)室中進(jìn)行模擬試驗(yàn)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。記錄各點(diǎn)故障時(shí)線(xiàn)路各開(kāi)關(guān)的動(dòng)作過(guò)程、動(dòng)作時(shí)間，結(jié)果表明故障隔離與恢復(fù)供電時(shí)間小于0.5 s。圖4給出了一次模擬故障錄波圖，可見(jiàn)故障點(diǎn)兩側(cè)開(kāi)關(guān)在94.4 ms時(shí)跳開(kāi)隔離故障，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在259.2 ms時(shí)閉合恢復(fù)供電。可見(jiàn)，所提出的分布式自愈控制技術(shù)能夠快速地進(jìn)行故障定位、隔離與恢復(fù)。

圖3 靜態(tài)試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)

圖4 試驗(yàn)室模擬自愈錄波圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接線(xiàn)圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為驗(yàn)證自愈控制系統(tǒng)的實(shí)用性，在某電力公司裝設(shè)該系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接線(xiàn)圖如圖5所示。試運(yùn)行以來(lái)，該區(qū)域內(nèi)發(fā)生多次單相接地與短路故障，系統(tǒng)均能可靠準(zhǔn)確動(dòng)作，保證扣除計(jì)劃停電因素后供電可靠率達(dá)到99.999%。圖6給出了現(xiàn)場(chǎng)某次故障時(shí)的自愈錄波圖，952線(xiàn)路發(fā)生相間短路故障，系統(tǒng)正確動(dòng)作，在檢測(cè)到故障后的202 ms后完成故障定位，向952號(hào)開(kāi)關(guān)發(fā)出斷開(kāi)指令，7s 325 ms后，故障隔離成功（負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間約7 s）并向主站發(fā)出具備恢復(fù)供電條件的信息，5 min 6 s 499 ms后變電站斷路器合閘，供電恢復(fù)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)自愈錄波圖

5 結(jié)語(yǔ)

研究了基于分布式智能控制的自愈系統(tǒng)，通過(guò)智能終端對(duì)等交換故障檢測(cè)與控制信息，實(shí)現(xiàn)短路故障定位、隔離與自動(dòng)恢復(fù)供電。提出的控制方法能夠用于不同的饋線(xiàn)拓?fù)洳⒆詣?dòng)適應(yīng)饋線(xiàn)運(yùn)行方式的變化，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了所提方法的有效性。

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Distributed Self-Healing Control Method and System for Urban Distribution Network

SHI Yu1，XU Ming2，LV Xiaoping2，ZHANG Cong3，LU Xianfei2
（1.State Grid Zhangqiu Power Supply Company，Jinan 250200，China；2.State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China；3.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China）

Self-healing control is the core technology of the intelligent distribution system in the future，which can effectively improve the security，reliability and efficiency of the distribution system.In this paper，self-healing control system based on distributed intelligent control is studied.Smart terminal units exchang the fault and controlled the information with peer-topeer form，to realize the location and isolation of the short-circuit fault and automatic recovery of power supply.The control method can automatically adapt to the change of feeder operation for different network topologies.Finally，the validity of the proposed method is verified by the practical test.

distributed control；self-healing control；smart terminal unit；automatic identification

TM726

A

1007－9904（2017）01－0001－04

2016-07-15

史 裕（1977），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏飨到y(tǒng)運(yùn)維及電力可靠性管理等。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（2015AA050202）