智能配电网自愈控制技术分析
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摘要：自愈是智能配电系统的重要特征。智能配电网自愈控制是解决中国配电网长期以来存在的设备利用率低、供电可靠性低、线损率高等关键问题的核心技术。首先介绍了智能配电网自愈控制的目标、技术方案与实施条件，在此基础上介绍了自愈控制研究与示范中的关键科学问题，包括智能配电网仿真、分析与试验，智能决策与网络重构，故障特性与保护，关键负荷保障等技术。最后，分析了智能配电网自愈控制技术研究与应用面临的问题与挑战。
关键词：智能配电网;自愈控制;分布式电源
随着经济社会的发展，人类面临的能源、环境和气候问题日益突出，发展“低碳、高效”经济成为国际社会的广泛共识。电力作为最广泛应用的二次能源供应方式，在“低碳、高效”经济建设中承担着极为核心的角色。“智能电网（smartgrid）”以其可靠、优质、高效、兼容、互动等特点，成为现代电网的发展方向
1.体系架构
1.1自愈控制目标
智能配电网自愈控制的目标是在含DG的配电网运行过程中及时发现、预防和隔离各种潜在故障和隐患，优化系统运行状态并有效应对系统内外发生的各种扰动，抵御外部严重故障冲击，具有在故障情况下维持系统连续运行、自主修复故障并快速恢复供电的能力，可通过减少配电网运行时的人为干预，降低扰动或故障对电网和用户的影响。配电网直接面向用户，其自愈能力的高低直接影响供电质量。针对配电系统的不同运行状态，自愈控制的目标与控制策略完全不同，可分为正常运行状态、控制区域内部故障和控制区域外部故障3种情况。首先，在电网正常运行状态下，自愈控制的目标主要是在满足系统安全稳定约束的前提下，尽可能优化系统运行状态，充分利用系统中的可再生能源并降低损耗，提高资产利用效率;其次，在自愈控制区域内部发生故障时，自愈控制应快速切除故障并确定故障類型与故障位置，尽可能减少或消除非故障段停电范围与区域，在故障段则应当通过网络重构和快速抢修尽快恢复供电;最后，在控制区域外部发生不可逆转的严重故障时，应断开与外部电网的连接，依靠区域内的DG及储能装置，维持系统的自治运行，保证部分关键负荷的持续供电。智能配电网自愈控制目标是自愈策略与控制手段实施的基础，同时也是评价自愈控制实施效果的依据。
1.2方案设计
智能配电网自愈控制技术实施方案是自愈控制策略的具体体现，直接决定了自愈控制的实施效果与代价。智能配电网自愈控制功能的实现主要包括以下3种方式。1）集中控制方式主要依靠具有高级分析计算功能的系统主站来完成，它需要系统在发生故障后将量测信息发送到主站，通过分析计算确定故障类型、故障位置并形成控制决策，再下发到保护装置或智能终端执行，整个故障的处理过程依赖主站完成。由于集中控制需要主站与终端的大量数据通信，同时仅由主站进行分析决策，耗时较长，很难满足故障切除的快速性要求，因此，现阶段完全依靠集中控制方式实现自愈控制是不现实的。2）分散控制方式主要依靠保护装置或智能终端的相互配合来实现。故障的清除与故障后的供电恢复完全依靠基于局部信息的保护装置或智能终端。分散控制方式的效率与可靠性较高，尽管保护装置或智能终端间存在一定的联系，但由于缺少主站的参与，基于局部信息的故障恢复过程缺乏全局性的整体协调能力，同时也不能适应频繁变化的网络结构与运行方式。未来，基于多代理的分布式计算技术的广泛应用可能会使分散控制方式得到推广。3）集中—分散协调控制方式综合了集中控制与分散控制的优点，实现分级分布式协调控制。在故障清除阶段主要依靠保护装置（或智能终端）的配合实现，在故障恢复阶段依靠主站分析计算后下发的控制命令实现。集中—分散控制方式一方面保证了故障切除的快速性，另一方面具有全局的协调优化能力，可适应多变的网络结构与系统运行方式，是现阶段可行的自愈控制技术方案。围绕自愈控制的目标，自愈控制技术的实现既要考虑实施区域的基础与条件，又将随着技术的进步进一步发展和完善。
1.3实施基础与条件自愈控制技术的实施以配电自动化为基础，需要满足以下基本条件：①配备各种智能化的开关设备和配电终端设备;②系统中拥有双电源或多电源以及DG和储能设备，具有灵活、可靠的网络拓扑结构;③可靠的通信网络及强大的信息处理能力;④拥有具有分析、计算、评估与预警等功能的智能化的主站系统。与传统配电自动化技术相比，自愈控制技术对主站系统的功能要求更高，能够满足DG的灵活接入要求。目前，中国城市电网的配电自动化水平较高，具备较好的自愈控制实施基础与条件。但相对于城市电网，农村等偏远地区限于技术与经济水平，不完全具备自愈控制的实施条件。在自愈控制的研究与应用中，建议应以自愈控制目标为基础，考虑不同的技术经济水平，分阶段有计划地实施配电自动化升级与改造，以实现电网技术与运营的跨越式发展。
2.愈控制关键技术研究
2.1配电网建模、仿真、分析和试验技术研究
智能配电网的建模、仿真、分析、试验理论与方法属于自愈控制技术研究方面的核心基础研究之一，可为智能配电网的系统设计、深层研究与工程应用提供必要、有效的研究工具和手段。课题对含分布式电源、储能及微电网的智能配电网的建模方法和仿真方法进行研究。面向智能配电网的不同应用场景，研究了智能配电网暂态和稳态建模理论，建立了含分布式电源及储能装置的智能配电网多时间尺度模型库。具体包含：①涵盖了智能配电网中各个结构层面的多时间尺度建模工作，包括一次能源动态模型、新能源并网模型;②针对各种分布式电源以及储能装置在动态过程时间尺度上的明显差异，进行了在不同仿真场景下的模型适应性分析，包括燃料电池、电力电子装置等;③针对智能配电网网络规模庞大、结构复杂、结构与参数高度不对称等典型特征，开展了智能配电网模型化简技术，通过网络模型的整体降维化简，实现高维复杂配电系统快速、准确和高效的分析计算。
针对智能配电不同时间尺度动态过程的具体特点，研究了面向稳态运行模拟的多相潮流计算方法、面向准稳态过程的稳定性仿真方法以及面向暂态过程的电磁暂态仿真方法，提出了基于显式-隐式混合积分算法的稳定性仿真方法、基于投影积分算法的稳定性仿真方法、基于多线程并行计算的暂态仿真方法以及基于高斯算法和牛顿算法相结合的潮流计算方法，进一步提升程序的仿真计算能力。研究了含分布式电源、微电网及储能装置的智能配电网动态模拟方法，包括RTDS实时仿真方法和仿真建模技术，提出了基于FPGA的智能配电网暂态实时仿真系统设计方法;开展智能配电网数字-物理混合仿真技术研究，建立了基于RTDS的智能配电网数字-物理混合仿真与试验平台，平台能够对具有不同电压等级网络架构和各 种运行方式下的智能配电网进行建模、仿真与分析，以及进行智能终端、分布式智能控制保护设备等智能配电网二次设备的功能或性能的测试，具有良好的可扩展性;基于RTDS试验平台，開展了基于硬件在环仿真的智能配电网自愈控制装置的试验测试，包括智能配电网自愈控制主站系统、智能配电网保护测控一体化终端和智能配电网故障指示器等，为智能配电网自愈控制技术研究和示范工程的建设提供支撑。
2.2正常状态下的自愈控制技术研究
研究了智能配电网在线风险评估方法，建立了配电网在线风险评估模型。该模型将风险视为健康度与重要度的二元函数，研究了评估对象的健康度与重要度的影响因素及其权重的确定规则。根据配电网的网络层次及拓扑连接关系，将配电网风险分为四层，包括设备风险、馈线风险、馈线联络组风险以及系统风险。该模型可有效避免基于概率与后果的传统风险评估方法中事件概率难以获得、实用性差的缺点，可实现多维度、多时间尺度的配电网实时在线风险评估。研究了含分布式电源的配电网安全预警指标体系、运行状态划分和安全预警方法。利用智能配电网风险评估结果计算相应的运行状态划分指标，并将配电网划分为正常状态、警戒状态和故障失电状态，研究了运行状态的相互转换机制通过含分布式电源的配电网在线k（n-1+1）评估，自动生成预想事故集，提出智能配电网自动预想事故集与故障恢复的匹配方案。
2.3故障情况下的自愈控制技术研究
研究含分布式电源的智能配电网故障检测、定位、隔离及重构技术。提出了基于和声算法的含分布式电源配电网的主站故障定位方法。研究了阶段式故障恢复网络重构方法，并将基本环路矩阵的自动生成算法应用其中，通过制定无不可行解的编码规则，实现了故障停电损失最小、恢复时间最短的目标。
结语：
本文阐述了智能配电网自愈控制技术的概念与特征，由配电自动化故障处理入手，以不同技术水平系统故障处理为例分析了几种典型的自愈控制技术实现方式。智能配电网自愈控制技术的应用有利于提高配电网供电可靠性和安全性，解决大量分布式电源接入带来的影响，具有广阔的市场前景。
参考文献：
[1]郭志忠.电网自愈控制方案[J].电力系统自动化，2011（10）：85-91
[2]陈星莺，顾欣欣，余昆，等.城市电网自愈控制体系结构[J].电力系统自动化，2015，33（24）：39-42.
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