配电网自愈控制分析模型研究与实用化设计
苏标龙1，杜红卫1，刘健2，时金媛1，陈楷3，张明3，万真礼4（1.国网电力科学研究院，南京市210061；2.陕西电力科学研究院，陕西省西安市710054；
3.南京供电公司，江苏省南京市210019；
4.宁波电业局，浙江省宁波市315336）Distribution Power Network Self-healing Control Analysis Model Research and Practical
Use Design
SU Biaolong1, DU Hongwei1 , LIU Jian2, SHI Jinyuan1, CHEN Kai3, ZHANG Ming3, WANG Zhenli4,
(1.State Grid Electrical Power Research Institute, Nanjing 210061,China;
2.Shaanxi Electric Power Research Institute, Xi,an 710054,China;
3.Nanjing Power Supply Company, Nanjing 210019,China;
4.Ningbo Power Supply Company, Ningbo 315336,China)
（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）
ABSTRACT: B ased on distribution network structure and its operating characteristics, this paper intends to establish a risk assessment model that explores the intelligent self-healing control of distribution network in the basic framework from the perspectives of control logics, structure and methodswith an aim to clarify internal relations within the structure. This paper analyzes the theory and control method for distribution grid in such different status asnormal, emergency, failure, recovery, etc. in order to answer the need of rapid recoveryand optimized operation by adopting online assessment optimization . These reseach involves fault location, and the large-scale power load rapid restoration technologies and load shielding for non-sound signal situation. In the paper a method of integrating fault information is proposed which can be applied to the case of self-healing process under switch tripping failure. Another proposal of fast recovery for large-scale outage is made to provide risk analysis and prevention meaures. Also proposed self-healing control principles of complex distribution network with distributed power in order to support distribution network self-healing.
The above proposed risk assessment model and fault-tolerant control theory have been verified in the OPEN-3200 distribution management system . Simulation results show that the model has been established properly and that the control principle is feasible.
KEY WORD: Distribution network; risk assessment; self-healing control; smart grid
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；提出含分布式电源复杂配电网自愈控制原则，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、容错控制原理以及含分式电源/微网自愈控制原理，在扬州智能电网综合示范等项目中进行了实践验证，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，分布式电源
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。智能配电网自愈控制将实现电网正常运行时的优化与预警，故障情况下的故障诊断、网络重构与供电恢复，极端情况下与主网解列并依靠系统中的分布式电源（DG）及储能装置独立运行。以自愈为特征的智能配电网是未来电网技术发展的必然趋势[1][2]。
配电网结构和运行特性的变化对配电网自愈控制提出了新要求[3]：
1）安全、可靠；
科技高速发展的今天，即使秒级的停电也将带来严重的经济损失。因此，安全、可靠的供电水平是当今社会的共性要求。
2）经济、高效；
在电力系统整体损耗中，配电网的损耗接近一半；配电网的设备利用率低，年平均负载率不足40%。提高配电自动化与控制水平是解决这些问题的重要措施。
3）应对新问题。
未来分布式电源将大量接入配电网络，传统的单向供电模式将被双向供电模式所取代。配电网常态监视、紧急控制、优化协调的难度增加。配电网自愈控制分析模型中，需要将配电网各种运行状态下“源、网、荷”之间的优化协调分析考虑其中。
目前，国内外学者都对电网自愈[4-6]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：从高电压等级输电网自愈[7] [8]角度来描述复杂系统理论、稳定性理论以及自愈技术对于大电网实现安全与自愈的理论支持；从城市电网自愈[9]角度根据城市电网的特点、运行要求及其与大电网的区别，提出城市电网自愈控制体系结构；从自愈控制分步骤的方法[9]提出就地控制设备保护配置原则等。以上研究都是针对自愈含义、自愈体系以及自愈框架给出相关概念，但对于自愈控制的分析模型以及具体控制过程则没有具体论述。本文从配电网自愈控制建模入手，结合风险评估模型，提出配电网自愈控制过程分析。并针对配网故障信息融合、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以及含分布式电源复杂配电网自愈控制几方面，提出符合工程实用化要求的配电网自愈控制解决方案。
1 配电网自愈控制分析模型的创建
1.1 配电网自愈控制的基本目标
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。
图1 配电网自愈控制过程图
Fig1 Distribution network self-healing process control 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个连续性过程（如图1）。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（如图2）。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。
1.2 风险评估模型
在配电网正常运行状态下，风险评估模型按照单个设备、安全断面、系统优化3个层次对配电网络的薄弱环节进行分析预警（如图3）。
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、分布式电源等设备的运行状态，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。
图2 配电网运行状态转换过程图
Fig2 Distribution network Running state Conversion Process 配电网安全断面智能监视及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，实时分析当前运行断面及相应的安全限额值。根据实时数据及安全限额的匹配结果，对断面重载、越限、转供能力、N-1可靠性等情况给予提示，完成配电网安全性、可靠性评估。
配电网经济运行状态分析是针对安全分析的结果对配电网乃至上一级地区电网的运行状态进行多侧面分诊、预警，提醒调度运行人员系统监控的重点。结合配电网中分布式电源运行状态、负荷水平、电压分布情况，通过灵敏度分析软件和校正计算软件进行优化控制策略的制定，从而实现对电网运行薄弱环节的监控与优化协调运行。
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（如图4）。
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 配电网自愈实用化设计
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，与主网自动化建设存在着较大的差
异，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
图3风险评估分析模型图Fig3 Risk assessment process
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
在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
图4 诊断决策框架图
Fig4 Diagnostic decision-making framework
积快速转移负荷[10]。
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 含分布式电源复杂配电网自愈
分布式电源[11]大量接入配电网，改变了传统配电网运行模式，对现有配电自动化装置、保护配置、主站监视控制都带来了比较大的影响，需要进行深入研究。
就配电网自愈控制来说，由于分布式电源并网之后将会在配电网中产生双向潮流。故障时刻产生的短路电流大小及流向也与传统配电网不同。针对此类问题的实用化处理，配电网自愈分析结合了配电终端上送的方向信号，采用方向一致性对比的分析方法，既解决了故障准确定位的问题，又模糊了对方向信号正方向的定义，极大方便了工程实施。
含分布式电源复杂配电网非故障区域的转供策略分析过程，考虑了转供电源可靠性的因素，优先选择主电网电源。同时，对由于隔离故障而被迫形成孤岛的零星配电网路积极考虑使用分布式电源构建自愈型微网。由配电自动化主站与分布式电源/微网就地控制系统之间进行信息交互，主站负责全局协调，挑选合适的配电开关构建自愈型微网边界，并向就地监控系统下发运行指标。就地监控系统根据指标进行就地负荷平衡等微网运行内部控制。
当配电网故障解除之后，配网主站系统再次进行安全分析，生成配电网非正常运行方式下的恢复控制策略。在不造成负荷二次停电的前提下，将独立微网运行的孤岛重新并入配电网，并进行二次优化。
2.5 实用化验证
依据本文中提出的配电网风险评估模型及容错
控制原理，在扬州智能电网综合示范等项目中进行了实际现场使用验证。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：
实例验证了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。
4)含分布式电源复杂配电网自愈：
实例验证了含分布式电源复杂配电网故障时，故障区域的判定、非故障区域的转供、协调就地微网运行以及故障解除后恢复策略的正确性，为后续分布式电源/微网的接入控制提供了新的实践依据。
实践结果表明：在现有的配电自动化建设水平上，能够结合多系统之间的实时及准实时信息完成配电网自愈控制分析，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，并实现含分布式电源复杂配电网的自我协调优化。
4 结语
配电网自愈控制是智能配电网的核心应用之一。本文提出的配电网自愈分析模型、容错控制原理和实用化技术手段，切实解决了配网故障信息融合、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以及含分布式电源复杂配电网自愈控制等方面的实际问题，在扬州智能电网综合示范等项目中进行了验证，结果表明，建模方法正确、控制原理可行。
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收稿日期：2012-11-12
作者简介：
苏标龙，（1981-），男，工程师，研究方向为智能配电网调度自动化。杜红卫，（1974-），男，教授级高工，研究方向为智能配电网调度自动化。刘健，（1967-），男，教授、博士、博士生导师，研究方向为配电网及其自动化。