提升供電可靠性的智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)探析

于 孟，呂姝穎

（1.國網(wǎng)天津城南供電公司，天津 300201；2.國網(wǎng)天津城東供電公司，天津 300171）

0 引 言

智能配電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為依托，搭配通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字技術(shù)，結(jié)合傳感測量技術(shù)、信息化技術(shù)、控制技術(shù)，打造的新型網(wǎng)絡(luò)。而自愈控制技術(shù)屬于控制技術(shù)的一種，是指具備自我感知、自我修復(fù)能力的技術(shù)手段，其作用在于準確預(yù)判事故，改善電網(wǎng)運行狀態(tài)，通過定位、隔離實現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移。借助風(fēng)險評估與脆弱性分析，完成網(wǎng)絡(luò)重建。因此，研究此項課題具有十分重要的意義。

1 智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)

實際調(diào)查顯示，隨著我國分布式電源裝置的大面積普及與接入，配電網(wǎng)規(guī)模的進一步增長，數(shù)據(jù)量的高速攀升，故障處理難度也在隨之增加，對配電網(wǎng)的運維管理提出更高的要求。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)由于缺少健全的自愈體系，已無法有效應(yīng)對復(fù)雜的配電網(wǎng)問題，也難以契合供電可靠性的實際需要，經(jīng)常出現(xiàn)故障處理效率不佳的情況。若想切實解決此類問題，需要打造更加完善、智能、安全的自愈控制系統(tǒng)，在設(shè)計過程中需要以實現(xiàn)以下幾種功能為首要目標。自我感知功能：包括智能配電網(wǎng)分析、配電網(wǎng)運行監(jiān)控、分布式電源監(jiān)控、信息集成；自我診斷功能：包括脆弱點評估、風(fēng)險評估、預(yù)警分析、狀態(tài)劃分、故障定位；自我決策功能：包括經(jīng)濟性重構(gòu)、預(yù)防性重構(gòu)、故障性重構(gòu)、孤島劃分、黑啟動；自我修復(fù)功能：包括主站集中控制策略、終端就地控制策略。

為契合配電網(wǎng)的可測、可控需求，需要推動配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)的發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其具備協(xié)調(diào)報警功能，能夠?qū)崿F(xiàn)故障自愈與交流通信，完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，切實提高集成應(yīng)用效果。通常來說，配電網(wǎng)的全域自愈技術(shù)更多表現(xiàn)為預(yù)測系統(tǒng)與設(shè)備故障識別體系，其作用在于第一時間進行故障警報，并采取針對性的應(yīng)對措施。通過脆弱性分析達到快速修復(fù)的目的，盡可能縮短停電時間。借助信息系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控等技術(shù)手段，挖掘設(shè)備的潛在風(fēng)險，從根本上消除安全隱患，保證電力的持續(xù)供給[1]。

2 提升供電可靠性的智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)實施路徑

自愈控制本身屬于一個多目標、非線性的組合優(yōu)化問題，因此要充分考慮計算開關(guān)閉合次數(shù)、失去負荷的恢復(fù)數(shù)量、客戶優(yōu)先等級，并在應(yīng)用前設(shè)計好數(shù)學(xué)模型，確定自愈目標與約束條件。失電負荷、系統(tǒng)有功損耗、開關(guān)操作次數(shù)的具體計算公式為

式中：λi表示負荷比重系數(shù)；li、s表示未恢復(fù)供電的母線負荷與數(shù)量；ri表示支線線路電阻；n表示線路支線數(shù)量；Ui表示支路節(jié)點電壓幅值；Pi表示支路有功功率；Qi表示支路的無功功率；ki表示開關(guān)狀態(tài)變量；m表示配電網(wǎng)中未拉開的隔離開關(guān)；ci表示隔離開關(guān)在恢復(fù)中維持閉合狀態(tài)；oj表示聯(lián)絡(luò)控制開關(guān)在恢復(fù)中由開啟轉(zhuǎn)化為關(guān)閉。此外，在智能配電網(wǎng)的故障自愈算法方面，可模擬退火算法，完成多次開關(guān)交換，充分考慮網(wǎng)損情況。

智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)在控制模型方面主要分為2 種，一種是就地型，利用重合器、分段器，實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化；另一種是主站型，借助獲取的故障數(shù)據(jù)，通過配電終端，傳送到自愈控制主站，經(jīng)過集中決策后，完成故障定位。之后借助遠程控制手段，實現(xiàn)故障區(qū)域的隔離，并進行非故障區(qū)域的電力恢復(fù)。雖然該方法的自愈效果顯著，但在使用時仍存在以下幾點不足：一是自愈時間相對較長；二是對主站依賴度過高，且控制方式較為死板，不夠靈活；三是在多對一的通信層面，可靠性不足；四是無法有效契合有源電網(wǎng)實際需求。且由于就地型、主站型控制模式無法實現(xiàn)信息的精準收集，導(dǎo)致對配電網(wǎng)的供電可靠性保障較差?；谝陨蠁栴}，提出推動配電網(wǎng)自動化發(fā)展，借助智能化全域自愈控制技術(shù)，保障配電網(wǎng)的安全運行，降低安全事故的形成概率。

2.1 集中式自愈

主站集中式自愈控制技術(shù)負責(zé)配電系統(tǒng)的核心功能，如故障分析、定位、隔離與管理，能夠完成負荷轉(zhuǎn)移。對于配電主站來說，可依托通信網(wǎng)絡(luò)，從配電終端獲取相關(guān)的故障信號，之后依照配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)合設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)故障信號與配電終端的切換情況，完成網(wǎng)絡(luò)拓撲分析，從而達到快速定位、故障隔離、恢復(fù)非故障區(qū)域供電的目的。

2.2 電流差動縱聯(lián)保護定位法

電流差動縱聯(lián)保護定位法是指被保護線路各端電流量實現(xiàn)電流差原理的一種線路縱聯(lián)保護，其特征在于動作快、定位準，但對于分布式電源來說，當出現(xiàn)滲透率較高且數(shù)據(jù)量龐大的情況時，需要完成電流差值的交換。此時，容易造成故障難以準確判斷。而主站集中型控制的特征在于恢復(fù)供電的過程中，能夠為網(wǎng)絡(luò)分析提供解決方案。基于兩者特點，文章認為可將電流差動縱聯(lián)保護定位法與主站集中型控制實現(xiàn)協(xié)同應(yīng)用。當出現(xiàn)故障問題時，利用電流差動縱聯(lián)保護定位法第一時間完成斷路器跳閘操作，由主站依照跳閘信息啟動自愈功能，結(jié)合電流差動信號明確故障區(qū)域，及時隔離下游區(qū)域[2]。

2.3 分布式自愈

簡單來說，智能分布式自愈是借助智能終端單元功能的優(yōu)化，通過相互聯(lián)通，實現(xiàn)配電自動化功能，但該技術(shù)需要依靠大量拓撲信息。由于智能終端單元無法與主站一樣，完成全部拓撲數(shù)據(jù)的存儲，因此提出與主站控制技術(shù)協(xié)同，打造全新的技術(shù)路線。

該協(xié)同模式主要利用配電終端進行故障的定位與隔離，完成非故障區(qū)域的供電恢復(fù)，可根據(jù)開關(guān)保護動作信號，如開關(guān)位置、開關(guān)拒動等，進一步判斷現(xiàn)場設(shè)備動作是否正確。同時能作為現(xiàn)場設(shè)備的后備保護，具有遠程遙控功能，起到優(yōu)化故障處理決策的作用，產(chǎn)生配電網(wǎng)自愈的效果[3]。

2.4 就地式自愈

通常來說，主站式自愈承擔(dān)決策作用，而終端則負責(zé)信息的收集以及策略的執(zhí)行，同時也承擔(dān)就地式自愈終端組網(wǎng)的通信，能完成故障的及時處理與運行方式的適當調(diào)整。根據(jù)以上特征，提出將就地式自愈與主站自愈有機協(xié)調(diào)，構(gòu)建新的技術(shù)路線。該技術(shù)路線依靠智能終端完成故障的緊急處理，包括傳輸故障信號，完成100 ms、200 ms故障切換以及2 s轉(zhuǎn)供電。之后利用主站完成全局監(jiān)控，提高供電可靠性，包括故障校驗、定位校驗、隔離校驗以及轉(zhuǎn)供校驗，若定位準確，則執(zhí)行故障隔離全局優(yōu)化決策，在滿足經(jīng)濟運行的條件后，實現(xiàn)最佳的配電網(wǎng)全域自愈[4]。

2.5 快速復(fù)電

快速復(fù)電技術(shù)主要包括自動研制、閉環(huán)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析，其目的在于完成故障饋線與相關(guān)設(shè)備的修復(fù)處理，達到簡化工作流程的目的，最大程度降低人力資源的使用，合理調(diào)控管理成本。具體的技術(shù)構(gòu)架表現(xiàn)如下：一是移動應(yīng)用，包括現(xiàn)場檢修App、復(fù)電監(jiān)控App、微信企業(yè)號、微信服務(wù)號；二是安全驗證，包括移動接入平臺、系統(tǒng)接入安全認證；三是后臺管理，包括配電系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻、計量自動化系統(tǒng)以及生產(chǎn)現(xiàn)場移動作業(yè)監(jiān)控平臺；四是6+1系統(tǒng)，包括4A 平臺、安全生產(chǎn)系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)以及地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺。

2.6 勢態(tài)感知技術(shù)

配電網(wǎng)狀態(tài)需要將系統(tǒng)的運行參數(shù)、停電檢修狀態(tài)、通信系統(tǒng)狀態(tài)等內(nèi)容涵蓋在內(nèi)，其中系統(tǒng)運行參數(shù)主要包括電網(wǎng)模型、設(shè)備、客戶及分布式電源等。采用勢態(tài)感知技術(shù)可進一步提高配電網(wǎng)系統(tǒng)的運行質(zhì)量，及時掌握設(shè)備狀態(tài)信息，以此協(xié)同發(fā)現(xiàn)問題，從而采取針對性的解決措施，保證配電網(wǎng)自愈能力符合預(yù)期效果，增強系統(tǒng)的供電可靠性。

3 應(yīng)用案例

為驗證所提出的相關(guān)論點，文章以某地方城市采用的配電網(wǎng)作為研究對象。配電網(wǎng)在3 路主電源供電等運行方式下針對主電源、分段斷路器、聯(lián)絡(luò)線處產(chǎn)生的故障，提出自愈動作邏輯。實際調(diào)查顯示，配電網(wǎng)覆蓋約28 條路線、6 組單環(huán)網(wǎng)以及81 個環(huán)網(wǎng)柜，主要組成包括三供一備主接線配電網(wǎng)保護與控制系統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)架。其中，保護系統(tǒng)與控制系統(tǒng)由光纖電流差動保護裝置、通信設(shè)備以及配電保護自愈設(shè)備組成，而配電保護自愈設(shè)備則以線路網(wǎng)絡(luò)拓撲保護、母線保護等功能為主。三供一備配電網(wǎng)保護以及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 三供一備配電網(wǎng)保護以及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

由圖1 可知，當S1產(chǎn)生故障問題時，保護開關(guān)跳開，并且配電保護自愈設(shè)備開始過載預(yù)判，如果開關(guān)Q4的功率與開關(guān)101 的原有功率之和仍不超過允許值，則證明能夠自投合開關(guān)Q1，否則閉鎖自投開關(guān)。如果S2產(chǎn)生故障，此時配電保護自愈設(shè)備同樣會執(zhí)行過載預(yù)判。而在分析應(yīng)用效果時發(fā)現(xiàn)，在保護區(qū)域較為依靠主保護的基礎(chǔ)上，借助優(yōu)化后的后備保護方法，能夠達到故障點選擇性隔離的目的，且不會對用戶供電產(chǎn)生不良影響。即便出現(xiàn)級差不足的情況，后備保護也能與主保護完成配合，確保保護不會出現(xiàn)失配點的問題。據(jù)計算可知，最快可在0.5 s 內(nèi)完成故障隔離，并進行供電恢復(fù)，保證多供一備主接線停電時間控制在2.25 min 以內(nèi)[5]。

4 結(jié) 論

通過對智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)的分析討論，闡述提升供電可靠性的智能配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)實施路徑，充分發(fā)揮配電網(wǎng)全域自愈技術(shù)的預(yù)防、自恢復(fù)能力，切實增強故障區(qū)域的識別效果，并以某城市的配電網(wǎng)作為研究對象。研究發(fā)現(xiàn)，所提出的主站與智能分布式自愈協(xié)同技術(shù)能切實提高配電網(wǎng)的全域自愈水平。