配电网自愈控制与设计

配电网自愈控制研究与设计

苏标龙1，杜红卫1，韩韬1，时金媛1，王明磊1，陈国亮1，陈楷2，刘健3

（1. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210061；2. 南京供电公司, 江苏省南京市210019;

3. 陕西电力科学研究院, 陕西省西安市710054）

摘要：本文根据配电网结构和运行特点，建立配电网风险评估模型，分别从控制逻辑、控制结构和控制环节等方面入手，探讨配电网自愈控制的基本智能化框架，明确该框架各层面各环节的内部逻辑和协调关系。本文探讨配电网在正常、紧急、故障、恢复等状态下的相关理论与应对控制手段。以连续在线评估优化为手段，以实现配电网的快速故障恢复、优化配电运行为目标。文中针对非健全信息条件下配电网容错故障定位，配电网大面积断电快速恢复技术以及批量负荷转移做出深入的研究。提出了配电网故障信息融合方法在配电网容错故障定位中的使用，研究考虑开关拒动情况的自适应故障自愈情况；提出配电网大面积断电快速恢复方法，明确自愈控制的风险并给出防范措施，为配电网的自愈功能提供方法和技术支持。

依据本文提出的配电网风险评估模型及容错控制原理，在OPEN-3200配电自动化管理系统进行了仿真验证，结果表明，建模方法正确、控制原理可行。 关键词：配电网，风险评估，自愈控制， 智能电网

Distribution Network Self-healing Control Research and

KEY WORDS： Distribution network ，Risk Assessment ，Self-healing control ，Smart Grid

0 引言

智能电网是为实现电力系统安全稳定、优质可靠、经济环保要求而提出的未来电网的发展方向。建设智能配电网是实现智能电网中必不可少的环节，其主要特征是融合、分布、互动和自愈。

配电网自愈是指对配电网的运行状态进行分层控制，使配电网具备自我预防、自动恢复的能力，有效的应对极端灾害和大电网紧急事故，提高配电网供电可靠性。

目前，国内外学者都对电网自愈展开了深入的研究，并根据自己的研究领域对自愈的内涵给出了不同的定义，包括从高电压等级电网自愈[1]、城市电网自愈[2]等角度来描述。

1 配电网自愈控制的基本概念

1.1 配电网自愈控制

自愈是指自我预防和自我恢复的能力。自愈控制的目的为：1、及时发现、诊断和消除潜在隐患，阻止系统的恶化；2、发生故障情况下快速切除故障，维持系统持续运行，避免扩大损失；3、通过优化分析，提高配电网运行安全裕度，降低损耗。

配电网自愈控制涵盖常态监视、事前评估预警、事中诊断决策、事后恢复优化4个连续性过

Design

程。通过设备状态监视、稳定断面监视、紧急预警、恢复控制、优化控制等5个层次对电网薄弱环节进行分析，准确把握电网的监控要点，给出相应的事故处理和优化校正策略。事故时依据开关变位、保护动作等信息，基于拓扑分析原理准确诊断出故障范围，生成故障影响报告，自动提供失电区恢复策略。

图1 配电网自愈控制流程图

配电网运行状态可以归纳为以下几个阶段：

1) 紧急状态：指配电网中有故障发生，或有严重低电压，或有严重过负荷，或有过负荷持

续时间超出允许范围，需继电保护动作以防止运行继续恶化时所处的状态。

2) 恢复状态：指对配电网的紧急状态实施控制后，配电网的参数尚能符合运行约束条件，

但存在失电负荷或供电孤岛，此时配电网的运行状态虽不再继续恶化，但尚未确立正常运行状态。

3) 异常状态：指配电网中存在过负荷且持续时间在允许范围内，电压越限但未发生电压失

稳，电压失稳的趋势或电力设备运行异常时所处的状态。 4) 安全状态：指配电网各项运行参数正常，无过负荷或供电孤岛的情况，但有可能存在N-1

的安全隐患，或者在受到某一个合理的预想事故扰动后不能完全满足约束条件时所处的状态。

5) 经济状态：指配电网稳定、安全、可靠运行，且在当前负荷水平下损耗低、运行成本小。

图2 配电网运行状态转换流程图

1.2 风险评估模型

在配电网正常运行状态下，风险评估按照单个设备、稳定断面、系统3个层次对配电网络的薄弱环节进行分析预警。

图3风险评估流程图

设备运行状态分析是根据系统获取设备的量测信息，主动判断电网中开关、线路、母线、变压器等设备的运行状态，并对设备运行状态进行电压、潮流等量测信号的验证，保证设备运行状态分析准确。

电网稳定断面智能监视预警是在设备运行状态分析结果的基础上，根据电网当前网络拓扑的变化，自动识别配电网络的运行方式，结合线路潮流等条件因素，实时分析正确的稳定控制断面及相应的稳定限额值进行稳定监控，根据实时数据及稳定限额的匹配结果，计算断面实时值，并

对断面重载、越限等情况给予提示。

电网运行状态分析与安全预警是通过对电网实时运行状态的监控(安全分析和潮流计算) 进行地区电网运行状态的多侧面分诊、预警，提醒调度运行人员系统监控的重点，并结合灵敏度分析软件和校正计算软件进行监控控制策略的制定，从而实现对电网运行薄弱环节的监控与预警。 1.3诊断决策框架

智能校正控制及自愈，对于智能监视所发现的电网薄弱环节给出相应的校正控制措施。由于不同电压等级配电网的运行方式有所不同，采用不同的诊断决策手段。其中针对高压配网环网支路或断面越限消除校正控制的有效调整手段是基于灵敏度计算并结合规划方法给出电源点及负荷调整的方向性意见；针对地区中压辐射配电网的有效调整手段通常是变换电网运行方式，实现不间断供电、消除越限。

图4 诊断决策框架图

配电网状态诊断及控制决策主要包括以下步骤 1) 配电网监测信息的监听和判别

配电网监测的信息类型很多，需要进行信息定制以滤除多余干扰。监听的信号类型包括一次设备的遥信变位、保护动作、遥测越限信息，还包括调度运行人员的遥控、遥调、标志牌操作等信息。其中大部分信息来源于配网调度自动化系统，有些信息还来自于保护信息管理系统、负控系统、用户信息采集系统等。

由于开关变位信号、保护动作信号、遥测越限信号、潮流扰动信号之间具有一定的关联性，信息的判别需要从多个方面进行考虑，保证事故的准确判别，以及配电网运行状态的正确评估。

2) 故障诊断和风险评估

当系统判别到预警信号之后，在故障信息和遥信变位信号的支持下，首先确定是否发生故障，并进行动态拓扑分析，定位到故障区域。对于单点故障，可直接定位到故障组件；对于较复杂的故障情况（如多点故障、多重故障）以及在故障信号不完整的情况下，对停电区域可分析出停电区域各组件的故障可信度，最终确定故障设备。

在确定并非故障的情况下，对相关的预警信号进行风险评估，确定配电网当前的运行状态。

3) 恢复决策与控制

针对不同电压等级的配电网恢复决策分析方法，得到相应的决策控制方案，处理故障，消除不安全因素。

2 配电网自愈实用化

2.1 配电网故障信息融合

由于配电网络中各种实时监测信号之间有一定的关联性，比如开关变位常常由保护动作触发，遥测越限与潮流扰动之间也有着较强的关联性，量测突变与故障信号常常是对同一事件的反映等。加强配电网故障信息融合，能够多维度的捕捉系统内部安全因素，加强理解和控制配电系统的运行状态。

此外，配电自动化因其数据采集点多、面广，网架结构变化频繁，与主网的自动化建设存在着较大的差距，监测点覆盖不全面，造成配电网络的整体可观性不强。因此更需要加强系统之间的信息交互和共享，例如从负控系统、用户信息采集系统等配电相关信息系统获取准实时数据，进行相关信息融合，辨识坏数据等。

2.2非健全信息条件下配电网容错故障定位

实现配电网自愈的基础是具备准确、完备的实时监测信息，在目前配电网建设的实际条件下，必须实现非健全信息条件下配电网容错故障定位，采用故障信息融合方法，结合配网状态估计能够提高不良数据的辨识率，填补监控系统中缺失的量测数据，辅助判定配电网的故障区域，对故障分析结果起到正确性校验。

1）结合其它系统传入的准实时量测数据，采用配网状态估计，补全配电线路开关的遥信信息； 2）利用用户负荷的量测突变信息，弥补故障指示信息，确定故障区域范围； 3）结合实时量测及补充数据，进行动态拓扑分析和潮流计算，辨识不良数据，消除潜在隐患。 2.3 配电网大面积断电的快速恢复

干扰因素较少，处理过程较迅速，比较适合应对小范围断电事故的处理。

当出现高压及中压环型配电网络故障，例如高压配电线路故障以及站端母线、变压器故障等问题时，往往导致多条线路同时失电，影响面较广，需要大面积快速转移负荷。

在转移的过程中，需要对故障切除后的网络进行潮流计算、灵敏度分析，确保在转移负荷的过程中不会导致正常供电线路发生超载或产生事故，对无法一次性转供的区域将进行拆分转供，当转供电源无法满足所有转供负荷的需求时，将近一步拆分非故障区域，将一般负荷隔离出去，保证重要负荷正常供电。

当用户自身存在分布式电源的情况下，将结合分布式电源控制及网络重构，以分布式电源为中心形成独立电气岛，带动其周边小范围的用电负荷，减轻负荷转供线路的压力。

2.4 自愈的仿真验证

依据本文中提出的配电网风险评估模型及容错控制原理，在OPEN-3200配电自动化管理系统中进行了仿真验证。仿真验证的内容包括：

1) 健全信息条件下配电网络运行状态的风险评估：

对网络运行方式进行循环扫描，在系统薄弱环节（如越限线路）进行事故预想，分析系统在N-1情况下的安全裕度，并给出安全调整决策。

2) 非健全信息条件下的故障定位：

结合信息融合方法，以区域负荷的准实时量测为补充，验证了在故障信号缺失、不连续、漏

在中低压辐射型配电网络结构中，一旦出现故障，可以采用快速隔离故障的方法切除故障，并对故障下游非故障区域进行分析，找到合适的转供路径进行转供。故障处理方式较简单，相关

报和错报的条件下，故障区域定位的准确性，以及故障处理决策的合理性。

3) 配电网大面积断电的快速恢复：

仿真验证了110kV 线路故障、变电站10kV 出线母线故障等情况下失电负荷的快速转移。 仿真结果表明，在现有的配电自动化建设水平上，能够结合多系统之间的信息，完成配电网故障的快速定位、切除及恢复。实现配电网自愈中的自我诊断和自我恢复功能。在未来的配电自动化建设中，将逐步扩大配电系统的监控范围，最终达到全面覆盖，并实现配电网自愈的自我优化。

3 结语

配电网自愈控制是智能配电网的核心应用之一。本文提出的配电网风险评估模型、容错控制原理和实用化技术手段，在OPEN-3200配电自动化管理系统进行了仿真验证，结果表明，建模方法正确、控制原理可行。

参考文献

[1] 万秋兰﹒大电网实现自愈的理论研究方向[J]﹒电力系统自动化，2009，33(17)：29~32. [2] 陈星莺，顾欣欣，余昆等﹒城市电网自愈控制体系结构﹒电力系统自动化，2009，33（24）：38~42．

[3] 郭志忠﹒电网自愈控制方案﹒电力系统自动化﹒2005，29(10)：85~91. [4] 《智能电网技术》 [5] 《智能电网知识读本》

基金项目

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA050214）；国家电网公司重大科技项目（SGKJ[2011]86）