電力自動化終端自治控制模式切換及功能配置策略研究

謝青洋 張旭東 楊洋

摘要：隨著智能電網和主動配電網建設的持續推進，在提高配電網供電質量和故障自愈能力的同時，還要求配電網中各類源-網-荷的電力自動化終端之間靈活地支持和實現雙向互動和協調控制。本文運用邊緣計算的理念，在考慮電力自動化系統通信故障的條件下，對電力自動化終端非自治控制模式與自治控制模式的切換技術進行了研究，提出了一種電力自動化終端自治控制模式切換策略和自治功能配置策略，可以提高低壓配電網中電力自動化系統的自愈能力，保障供電質量。

關鍵詞：電力自動化終端;自治控制;主動配電網

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0044-03

0 引言

電力系統中自動化系統的構架一般為服務器/客戶端通信模式，主要由電力自動化終端（客戶端）和自動化主站（服務器）構成。其中，電力自動化終端的主要功能為采集電氣一次設備的運行狀態（電壓、電流、頻率、功率、相角、開關位置、告警信號等）上傳至自動化主站，并接收自動化主站下發的各種控制命令（開關的遙控、變壓器檔位的遙調、保護裝置的跳閘等）對電氣一次設備進行操作;自動化主站的主要功能則為收集某個區域電力自動化終端上傳的信息用以監視電氣一次設備的運行狀況，提供人機操作界面對所轄的電氣一次設備進行集中控制。在配電網中，常見的電力自動化系統有：配電自動化系統（配電自動化終端為電力自動化終端，配電自動化主站為服務器）、分布式發電監控系統（光伏發電逆變器和風力發電逆變器為電力自動化終端，監控系統主站為服務器）、微電網能量管理系統（分布式發電逆變器和儲能控制器為電力自動化終端，能量管理系統主站為服務器）、電動汽車充電設施監控系統（充電樁狀態采集和計費裝置為電力自動化終端，監控系統為服務器）。

隨著智能電網和主動配電網建設的持續推進，在提高配電網供電質量和故障自愈能力的同時，還要求配電網中各類源-網-荷的電力自動化終端之間，無論是縱向還是橫向都能夠靈活地支持和實現雙向互動和協調控制。但是當越來越多的分布式電源、充電樁、微電網接入配電網時，能量的雙向流動、隨機性、電能質量等問題都成為了主動配電網調度控制難點，而利用電力自動化系統的自治控制技術來解決這些難點成為了業內的共識。

1 電力自動化系統自治控制技術研究概況

電力自動化系統的自治控制模式有別于集中控制模式（服務器/客戶端）的非自治控制模式，在系統運行控制時不需要上層主站服務器統一下發指令，而是通過系統中底層電力自動化終端間進行橫向的互動，根據系統某區域的實際情況自主做出相應的控制，從而實現整個系統運行控制的最優。

目前針對低壓配電網中電力自動化系統的自治控制技術有：（1）在配電網系統的自治控制技術研究方面，從網架規劃、配電自動化系統建設、配電網運維等方面引入主動配電網理念，采用分層目標引導和自治單元來實現自治控制，用來代替人工在電力系統運行控制中的工作，提出的是配電網的區域自治控制，并根據接入分布式電源后電網的特性，將配電網簡化為以自治單元為主體的系統，然后進行自治分區劃分并分類，計算不同類別自治分區的可靠性指標[1-7];（2）在分布式發電和微電網系統中自治控制的技術研究主要集中在分層分級控制方法、微電網與配電網的協調控制、微電網孤島運行的區域自治、無功電壓分散自治控制策略等[8-11]。

但是目前關于電力自動化系統自治控制技術的研究還存在不足：（1）現有的研究中自治控制的策略只考慮到了能量條件，但沒有考慮到通信條件，可能會導致在實際工程中無法實現自治控制。隨著智能電網的建設，通信技術對于電力自動化系統而言越發重要，越來越多的電力自動化系統都是能量流和信息流的融合，二者缺一不可。目前研究中所提到的自治控制策略或者模式都是基于電力自動化終端和系統主站間通信正常的條件才可實現，沒有考慮到在實際工程中電力自動化終端與系統主站間通信故障時如何組網、如何實現自治控制的情況。（2）現有研究中自治控制策略絕大部分為集中式自治或者是分層式自治，對于電力自動化系統主站服務器或者各層控制服務器的通信可靠性和處理能力有很強的要求，若主站服務器或者各層控制服務器出現故障，則整個電力自動化系統無法正常運行。（3）現有研究中沒有討論非自治控制與自治控制策略的切換方法，要支持系統的自治控制，對電力自動化終端的處理能力要求較高，或者需要在電力自動化系統中加裝新的控制裝置來實現，對于現存的電力自動化終端的兼容性不高，不容易升級改造。

本文針對目前電力自動化系統自治控制技術的不足，對考慮系統通信條件的自治控制切換及電力自動化終端配置技術進行了研究，用來保證電力自動化終端出現通信故障時分組自治控制策略的執行，并且可以實現傳統的非自治控制模式與自治控制模式的靈活切換，可以很好地兼容低壓配電網中現有的各類電力自動化系統。

2 電力自動化終端自治控制模式切換策略

本文研究的電力自動化終端自治控制模式切換策略要求在電力自動化終端處加裝一個具備邊緣計算能力和定位功能的自治控制模塊，由其負責該電力自動化終端的對外雙向的通信和數據傳輸。

通信正常的情況下，電力自動化終端的初始控制狀態為非自治控制模式——即傳統的服務器/客戶端（集中控制模式）的時候，電力自動化終端加裝的自治控制模塊隨時監測該終端與主站服務器的通信情況。當自治控制模塊監測到該終端與主站服務器的通信終端時，該自治控制模塊向其周邊的電力自動化終端自治控制模塊以廣播的方式發送自治組隊請求，同時它還在通信網絡上監聽是否有其他自治控制模塊也在廣播組隊請求，之后自治控制模塊將根據以下兩種不同的通信狀況來自主做出判斷并執行：

狀況一，若在該自治控制模塊發送自治組隊請求的同一時間段內也收到了周邊其他電力自動化終端自治控制模塊發出的自治組隊請求，說明其他終端的自治控制模塊也監測到了各自電力自動化終端與主站服務器通信中斷了。由此，自治控制模塊可以判斷通信中斷是由于主站服務器發生故障造成的，且此時可以推斷主站服務器已經無法負責整個系統的控制功能了;為了保障整個系統繼續安全穩定運行，自治控制模塊將電力自動化終端切換為自治控制模式運行;自治控制模塊對電力自動化終端的自治控制功能進行配置;在切換到自治控制模式后，自治控制模塊隨時監測電力自動化終端與主站服務器的通信是否恢復，如果恢復則退出電力自動化終端的自治控制模式，切換回非自治控制模式;若沒有恢復，則繼續保持電力自動化終端的自治控制模式。

狀況二，如果在該自治控制模塊發送自治組隊請求的同一時間段內沒有收到其他電力自動化終端自治控制模塊發出的自治組隊請求，說明僅僅是該電力自動化終端與主站服務器的通信鏈路出現了故障，而其他電力自動化終端與主站服務器的通信沒有問題;該電力自動化終端的自治控制模塊將會向周邊終端的自治控制模塊廣播通信救援請求，并且與第一個響應這個請求的相鄰終端的自治控制模塊建立專用救援通信鏈路;通過該鏈路，與主站服務器通信中斷的電力自動化終端就可以通過這條救援通信鏈路，經由相鄰電力自動化終端的自治控制模塊與主站服務器間接實現通信，仍然可以在非自治控制模式下實現主站對該電力自動化終端的監視與控制，故該電力自動化終端無需切換至自治控制模式。

電力自動化終端自治控制模式切換策略的流程圖，如圖1所示。

3 電力自動化終端自治功能配置策略

當電力自動化終端切換為自治控制模式后，需要自治控制模塊對其自治功能進行配置后，自治控制模式才能正常運行。當電力自動化終端切換為自治控制模式后，其自治控制模塊與同一時間段內發出組隊請求的其他電力自動化終端自治控制模塊建立專用的VLAN通信網絡組成自治控制組，同一自治控制組中的自治控制模塊相互共享各自電力自動化終端的位置信息和通信數據。

組內各個自治控制模塊單獨生成該自治控制組中各個電力自動化終端的地理拓撲圖和通信數據列表，并根據拓撲圖中的電力自動化終端所在節點和傳輸數據的重要性提名候選組長終端，所有電力自動化終端的自治控制模塊對稱為候選組長的電力自動化終端進行投票，得票最高的電力自動化終端稱為該自治控制組的組長。組長終端的自治控制模塊以保障組內區域供電可靠性為目標，制定自治控制策略，并下發至各個組員終端的自治控制模塊，各個自治控制模塊將根據其電力自動化終端的具體情況對該控制策略進行預演，根據預演結果對該控制策略進行表決，若預演結果顯示電力自動化終端在該自治控制策略下無法可靠穩定運行，則該終端的自治控制模塊將會反對這個自治控制策略。若有任意組員終端的自治控制模塊反對，則提出反對的自治控制模塊需向組長終端的自治控制模塊發送其預演結果;組長終端的自治控制模塊在考慮其預演結果的情況下，重新提出優化后的自治控制策略供組員終端的自治控制模塊再次進行表決，直到所有組員終端的自治控制模塊都同意該自治控制策略。若所有組員終端的自治控制模塊對同意該控制策略，則在獲取該自治控制策略后指導其電力自動化終端執行，完成電力自動化終端自治控制功能的配置。電力自動化終端自治功能配置策略的流程圖如圖2所示。

4 結語

本文運用邊緣計算的理念，在考慮電力自動化系統通信故障的條件下，對電力自動化終端非自治控制模式與自治控制模式的切換技術進行了研究，提出了電力自動化終端自治控制模式切換策略和自治功能配置策略。通過應用本文研究的策略，在電力自動化系統或者終端出現通信故障時，實現了電力自動化終端在傳統非自治控制模式與自治控制模式下的靈活切換，可以提高系統故障自愈能力，最大限度地保證低壓配電網中電力自動化系統的安全穩定運行，保障供電質量。

參考文獻

[1] 沈儉榮.市場環境下配電系統自治運行研究[D].浙江大學，2016.

[2] 丁宇潔，余萬榮，華龍，王大龍，譚斌.基于自治單元的配電網可靠性分析及優化配置[J].電力大數據，2019，22（05）：68-73.

[3] 孟繁星.考慮區域自治能力的主動配電網分層優化調度[D].華北電力大學（北京），2018.

[4] 孫碣，吳富杰，楊世峰.基于源/儲/荷協調控制的主動配電網區域自治[J].電氣自動化，2017（06）：70-73.

[5] 蘇小林，吳富杰，閻曉霞，等.主動配電網的分層調控體系及區域自治策略[J].電力系統自動化，2017（06）：129-134.

[6] 謝青洋，王韶，鄧先芳，等.基于灰靶決策和NSGA-Ⅱ的配電系統分布式電源多目標優化[J].電測與儀表，2017（06）：100-105.

[7] 熊杰，張家紅，束洪春，等.混合組網通信在配電網故障自愈中的應用[J].云南電力技術，2016（04）：54-58.

[8] 包榮榮.含多微網的主動配電網協調優化調度研究[D].山東大學，2018.

[9] 許志榮，楊蘋，劉澤健，等.區域自治型單相/三相多微網多時間尺度遞階控制[J].電力系統自動化，2017（10）：82-91.

[10] 翟建偉.分布式光伏接入配電網的主動電壓控制策略[D].華南理工大學，2018.

[11] 肖鳴暉.分布式電源廣泛接入的分散自治型配電網自愈模式研究[D].華南理工大學，2017.