智能配电网自愈控制技术综述

于士斌，徐兵，张玉侠，刘洪，李腾，张凯

（1．天津电力设计院，天津 300400；2．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

智能配电网自愈控制技术综述

于士斌1，徐兵1，张玉侠1，刘洪2，李腾2，张凯2

（1．天津电力设计院，天津 300400；2．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

自愈控制作为智能配电网的“免疫系统”，是智能配电网最重要的特征。首先阐述智能配电网自愈控制主要解决的问题及其作用，然后分析自愈控制的功能定位和包括电网在线监测技术、高级测量技术（AMI）、配电网快速仿真与模拟技术（FSM）、高级配电自动化技术（ADA）、配电网重构技术和微电网技术等在内的技术需求，最后阐明了自愈控制的功能、软硬件的体系架构及其依托的通信技术。指明了自愈控制的发展方向和技术依托，是未来智能配电网发展的重点领域。

智能配电网；自愈控制；高级配电自动化；快速仿真与模拟

自愈是智能配电网的重要特征，也是其建成的重要标志[1]。配电网自愈是指配电网的自我预防和自我恢复的能力，这种能力来源于对电网重要参数的监测和有效的控制策略[2]。其中，自我预防是通过系统正常运行时对电网进行实时评价和持续优化来完成的，而自我恢复是电网经受到扰动或发生故障时，系统自动进行故障检测、隔离并恢复供电来实现的。

配电网自愈控制SHC（self-healing control）是指通过共享和调用一切可用的电网资源，实时预测配电网存在的各种安全隐患和即将发生的扰动事件，采取配电网在正常运行下的优化控制策略和非正常情况下的预防校正、紧急恢复和检修维护等控制策略，使得配电网尽快从非正常运行状态转化为正常运行状态，应对电网可能发生的各种事件及事件组合，防止或遏制电力供应的重大干扰，以减少配电网运行时的人为干预，降低配电网经受扰动或故障时对电网和用户的影响[3-4]。配电网自愈有着十分重要的意义，它不仅是应对不断增长的负荷需求和分布式电源接入问题的有效解决方案，同时还是预防和避免大停电事故发生的有效控制手段。

1 自愈控制的功能定位和技术需求

1.1 功能定位

配电网自愈控制的基本原则是不间断供电。首先要通过配电网运行优化和预防校正控制，来避免事故的发生；若事故已经发生，则要通过紧急恢复控制和检修维护控制，使得故障损失最小化。如果停电事故导致了电网瘫痪，就意味着自愈控制的失败，如图1所示。

图1 电网自愈控制区域Fig.1 Zoneof SHC

智能配电网自愈控制应具有以下功能：

（1）正常运行时，有选择性、有目的地进行优化控制，改善电网运行性能，提高电网稳定裕度和抵御扰动的能力；

（2）把预防控制作为主要控制手段，及时发现、诊断和消除故障隐患；

（3）具有故障情况下维持系统连续运行的能力，不造成系统运行损失，并且通过自治修复功能从故障中恢复。

1.2 技术需求

配电网自愈控制涵盖了自动控制、继电保护和计算机控制等多个领域的新技术，是一个集中了软件和智能装置的综合控制技术。

1）电网在线监测技术

在线监测技术包括电气量以及非电气量的监测[5，6]。电气量监测主要监测电网设备的电流、电压、相角、功率和功率因数等运行状态量，非电气量监测则包括监测电气设备中介质的压力、流量、气体成分和温度等。

关键设备的状态监测是电网自愈控制的重要基础，电网控制需要通过3个部分获得稳态测量，由SCADA/TRDS获得的动态测量和由WAMS状态监测系统获得的关键设备运行状态测量。而电网的故障往往来自电网关键电力设备的故障隐患，电力设备故障隐患从脆弱情况发展到设备故障往往需要相对长的时间。一旦发展为故障，电网电气状态量会发生剧烈的反应。

2）高级测量技术

高级测量技术AMI（advancedmetering infrastructure）是自动抄表技术的高级发展，除了实现电能自动采集、分析和计费功能之外，还有能实现带时标的测量数据双向通信，具有停电报告在线读取和其他功能；出现网络通信问题后，相应的网络能自动重构，以恢复正常通信能力。AMI的通信结构有两种，一种是广域通信结构，另一种是本地局域网。

典型的AMI系统由智能表计、数据收集单元、回程传输单元、通信网络和量测数据管理系统组成。AMI和配电管理系统是实现智能电网蓝图的重要一步。将两者有机地结合起来，可以提高电网运行效率和实现资源的优化配置。随着AMI技术的进步，其在配电网通信中的重要作用将有很大的应用价值。

3）配电网快速仿真与模拟技术

快速仿真与模拟FSM（fast simulation and modeling）的发展是为了给电网自愈提供数学支撑和预测能力，最终形成一个强大的软件平台，为操作人员在复杂电网环境下提供管理决策方面的支持。

FSM相当于智能电网的大脑，分析和诊断系统运行状态，以便自动或辅助电力系统运行人员做出正确的决策。FSM能够提升系统运行操作水平和把握系统运行操作状态，满足系统在现代互联电网复杂的运行环境和不同控制级别下的运行要求，不中断地为全网提供运行条件识别、预测、预防和控制事故，执行运行计划和满足运行裕度的要求，支持系统恢复。

4）高级配电自动化技术

高级配电自动化技术ADA（advanced distribution automation）是配电网革命性的管理与控制方法，是电能进行智能化分配的技术核心，是智能配电网中的配电自动化[7，8]，旨在建立未来配电系统所需要的技术和功能。它是实现配电网自愈的关键技术。ADA系统的主要功能如图2所示。

ADA包含许多独立的功能和应用程序，要实现一个完整的一体化系统，需要从以下5个重要方面入手：①通讯与控制设施；②所有可控的配电设备实现自动化功能；③先进的电力电子技术；④分布式发电和储能集成；⑤配电网快速建模的实时仿真系统。

ADA目前正处于成熟阶段，具有很好的发展前景，并具有以下优点：①供电可靠性提高；②配电系统效率、电能质量和资源管理水平提高；③资源管理水平和设备诊断能力提高；④通过DER和需求更好地利用发电和配电资源。未来的高级配电系统在数据采集与配电运行建模和分析的基础上，将实现高级配电自动化的功能。

图2 ADA系统功能Fig.2 Function of ADA system

5）配电网重构技术

配电网中装有大量的常闭开关和少量的常开开关，网络重构就是通过操作这些开关，即通过调整网络中分段开关和联络开关的分、合状态，重新组织网络的运行方式，使之处于一个更有利的运行状态[9，10]。通过配电网的网络重构一方面可以在故障情况下恢复供电，提高供电的可靠性，从而实现系统的自愈；另一方面也可以实现降低网损和平衡负荷的目的。对于比较简单的网络，一般使用规划算法和启发式算法能够找到全局最优解，从而满足降低网损的目的。对于复杂的网络，采用遗传算法能够取得较好的效果。以供电恢复和提高供电可靠性为目的，供电恢复可视为故障情况下的网络重构，考虑的是开关状态的组合空间。供电恢复策略的求解，一是可以采用带启发原则的广度优先搜索算法；二是采用遗传算法。

配电网重构技术只是配电自动化的一部分，是现阶段常用的手段之一，有一套成熟系统的理论支持，也是相对简单的操作，可以很好地实现自愈功能。

6）微电网技术

微电网技术的涵盖面比较广，包括集成通信技术、高级传感和测量技术及高级能量管理技术等。集成通信技术提供统一、开放的通信标准和兼容的物理媒介两大基本功能，使微网自身、多个微网之间以及微网与配电网之间的信息交换变得实时互动；高级传感和测量技术是基于双向通信技术的高级传感和测量技术能够迅速在网络各节点进行数据采集和数据共享，诊断智能微网的运行状况，同时具备自动抄表等功能，并能缓解电力阻塞。

未来的微网发展方向，首先是发展高级控制策略，协调控制系统更好运行；其次是完善数据采集和处理技术；再次是迅速故障定位，综合考虑各种效益。

7）先进设备技术

先进设备技术包括电力电子技术、超导电力技术以及新型储能技术等，是为配电网自愈提供新方法的重要技术。高级电力电子技术将最新的电力电子器件应用于配电网中，提供控制和保护，极大地提高配电网性能；超导电力技术有效地保障优质电力服务，降低输电损耗，降低电磁污染，为配电网高效运行提供保障；新型储能技术是配电网实现自愈的重要部分，解决了可再生能源发电单元问题，有很大的应用前景。

这些技术目前都处于发展阶段，很大程度上依赖于其他相应学科的发展，有很好的应用前景。

2 智能配电网自愈控制的体系架构

智能配电网的自愈控制技术体主要分为功能体系、硬件体系和软件体系。

2.1 功能体系架构

智能电网的功能有3个，一是优化运行，二是消除故障隐患，三是尽快恢复故障。结合这样的功能，设计的自愈功能体系架构如图3所示。

图3 自愈功能体系架构Fig.3 Function structure of SHC

在正常的运行情况下，可以通过简单的决策机构对配电网进行优化和控制，使其保持在良好的运行状态下，并通过通信系统实时汇报当前运行状况；当出现故障隐患的时候，可以在决策机构处理能力内迅速解决，如果决策机构不能消除故障隐患，可以通过通信系统向上层传递信息，经过上层“大脑”处理之后再由通信系统下达指令，消除故障隐患或者减少故障损失。

自愈控制体系结构包括了配电网的一次系统和二次系统，涉及多个领域，规模十分庞大，具有海量数据。因此，需要将调度系统、继电保护、测量控制装置和通讯网络等相关内容有序组织，形成一个有机的整体，各部分之间协调工作，才能促使城市电网始终向着优于当前运行状态的新状态转移，具备自愈力以保持健康状态。

2.2 硬件体系架构

为了支持配电网自愈，相应的硬件体系要求比较完善。

1）数据采集子系统

下游系统就是数据采集子系统，数据采集装置包括传感器、PMU、电气测量装备和线路运行状态监测设备等，在线采集得到一手数据，通过数据采集服务器送到主交换机，送达自愈控制系统。

2）配电网自愈控制系统

硬件体系架构最重要的部分是自愈控制系统[11]。这是整个自愈能够正常工作的核心组成部分，包括SCADA服务器、自愈控制服务器和数据库服务器3个部分，对采集来的信息进行处理，全面准确地进行分析。主要涉及两个关键环节：预防性自愈控制分析和校正性自愈控制分析

3）人工控制操作站

分析得到的结果再通过主交换机送到调度员工作站、自愈控制工作站和大屏幕控制器，给人工调度相应的数据和反馈。可以在人为的干预下进行操作和分析，对特殊情况给予及时的支持和援助。

4）通信子系统

分析的结果通过通信子系统送到网络应用服务器，送给保护执行装置、控制装置，或送达外网和其他电网进行交流。配电网需要借助有效的通信手段将控制中心的控制命令准确地传送到远方终端单元，同时将远方设备的运营状况的数据信息收集到控制中心。

5）维护开发子系统

通过这个系统，维护开发服务器进行维护开发、更新升级和保持自愈控制系统的可靠工作。通过系统维护开发工作站，给自愈控制系统增添或剔除冗余、失效的部分。

2.3 软件体系架构

软件体系基于信息传递，协调管理系统内部的多个机构之间的交互，并通过通讯网络和其他系统进行交互。

应用层的应用软件按照群体结构设计，如图4所示，采用多线程设计，基于共享系统内部消息设计的。收集的信息组成自愈控制信息库，所有的信息都在这个信息库中，可以提供强大的信息支撑。同时，由自愈控制应用软件和基础分析功能软件这两部分进行自愈控制的计算，并且加上SCADA应用软件结合动态数据和静态稳定模型进行分析和决策控制，对配电网的自愈起到至关重要的作用。

图4 自愈控制的软件体系架构Fig.4 Software structure of SHC

3 自动化与通信技术

从配电网自动化实际情况可以发现，要实现配电网自动化，通信网络是一个关键的环节，配电网自动化程度的重要标志就是通信系统是否符合自动化的要求[12～14]。配电网自动化系统需要借助有效的通信手段将控制中心的控制命令准确地传送到为数众多的远方终端单元，同时能将远方设备的运营状况的数据信息收集到控制中心。配电网自动化的通信系统承担配电网监控中心与开关设备之间的数据传输和命令发布等功能。由此可见，没有可靠有效的通信系统，配电网将无法与自动化相联系。

3.1 信息采集/下发需求

配电网自动化的通信系统也是一个典型的数据通信系统，由数据终端设备（DTE）、数据传输设备（DCE）和数据传输信道组成，如图5所示。

图5 自愈控制的数据通信系统Fig.5 Data communication system of SHC

数据终端设备主要完成电网信息的采集，并把这些信息转变成用于传输的数字信号。数据传输设备的主要作用是把数据终端送来的数字信号变成可以远距离传送的数字载波信号。数据传输信道主要完成信号的传送，各层信息的交流都要依靠信道来完成。

3.2 常见通信技术

由于配电通信网节点多覆盖面广，一直缺少合适的通信技术和通信模式，这已经成为电力通信网发展的瓶颈。随着智能电网的发展和分布式能源的接入，配电网通信在可靠性、实时性和安全性方面将面临更为严峻的挑战。

现在常用的通信技术有2种：①有线通信方式，主要包括光纤通信、配电载波通信、通信电缆通信和专线通信；②无线通信方式，主要包括GPRS/CDMA通信、无线扩频通信、微波通信、卫星通信。

3.3 自愈控制的通信组网

配电网通信组网有2种。一种是光纤（电力线载波）通信组网，另一种是无线通信组网。

1）光纤（电力线载波）通信组网

光纤通信组可分为家庭组网LAN（localarea network）和接入网AN（accessnetwork）2种。以电力网为接入网实现最后1 km传输，其中有蛛网模型和蚁群模型两类，分别有不同的特点和设计方法。

2）无线通信组网

无线通信组网是一种任务型网络，利用中短距离无线通信技术，组建适合配电生产和管理需要的专用无线通信网络，获取相关的配电网信息量。无线组网的主要形式有无线蜂窝组网（Mobitex）网络、微功率无线组网网络和WiMax技术组网。无线通信组网可以克服配电网设备繁多、地点分散等问题，是以后发展的主要方向。

4 结语

自愈控制是智能配电网的关键技术，是随着配电网的信息、通信等各项技术不断完善和发展而发展的技术。智能配电网最突出特点就是主动自愈控制，而未来智能配电网发展的最高目标是无缝自愈控制。本文对智能配电网自愈控制技术的特点和类型进行了理论研究，分析了如何运用各种先进的支撑技术实现具有准确率高、自适应强、经济性好、安全可靠和智能化程度高等的智能配电网自愈控制技术。应用智能配电网自愈控制技术将使电网的供电可靠性明显提高，停电时间显著减少。

[1]李兴源，魏巍，王渝红，等（LiXingyuan，WeiWei，Wang Yuhong，etal）．坚强智能电网发展技术的研究（Study on the development and technology of strong smart grid）[J]．电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2009，37（17）：1-7．

[2]王明俊（WangMingjun）．自愈电网与分布能源（Selfhealing grid and distributed energy resource）[J]．电网技术（Power System Technology），2007，31（6）：1-7．

[3]郭志忠（Guo Zhizhong）．电网自愈控制方案（Scheme of self-healing control frame of power grid）[J]．电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2005，29（10）：85-91.

[4]陈星莺，顾欣欣，余坤，等（Chen Xingying，Gu Xinxin，Yu Kun，etal）．城市电网自愈控制体系结构（Architecture forself-healing controlof urban powergrid）[J]．电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（24）：38-42．

[5]邹建明（Zou Jianming）．在线监测技术在电网中的应用（Application of on-line monitoring technology on power grid）[J]．高电压技术（High Voltage Engineering），2007，33（8）：203-206．

[6]孙才新（Sun Caixin）．输变电设备状态在线监测与诊断技术现状和前景（Present situation and developmentof condition on-linemonitoring and diagnosis technology for power transmission and transformation equipment）[J]．中国电力（Electric Power），2005，38（2）：1-7．

[7]余贻鑫，栾文鹏（Yu Yixin，LuanWenpeng）．智能电网的基本理念（Basic philosophy ofsmartgrid）[J]．天津大学学报（Journal of Tianjin University），2011，44（5）：377-384．

[8]韩国政，徐丙垠（Han Guozheng，Xu Bingyin）．基于IEC 61850的高级配电自动化开放式通信体系（IEC 61850-based open communication system of advanced distribution automation）[J]．电网技术（Power System Technology），2011，35（4）：183-186．

[9]李振坤，陈星莺，余昆，等（Li Zhenkun，Chen Xingying，Yu Kun，etal）．配电网重构的混合粒子群算法（Hybrid particle swarm optimization for distribution network reconfiguration）[J]．中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2008，28（31）：35-41．

[10]何禹清，彭建春，文明，等（He Yuqing，Peng Jianchun，Wen Ming，etal）．含风电的配电网重构场景模型及算法（Scenariomodeland algorithm for the reconfiguration of distribution network with wind power generators）[J]．中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2010，30（28）：12-18．

[11]肖世杰（Xiao Shijie）．构建中国智能电网技术思考（Consideration of technology for constructing Chinese smartgrid）[J]．电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（9）：1-4．

[12]吴潮辉，胡玉兰，黄传荣（Wu Chaohui，Hu Yulan，Huang Chuanrong）．变电站自动化通信技术现状及发展（Present situation and development of substation automation communication）[J]．华北电力技术（North China Electric Power），2002，（8）：52-54.

[13]朱吉然，冷华，荀吉辉，等（Zhu Jiran，Leng Hua，Xun Jihui，etal）．配电网自动化系统通信技术探讨（Discussion on communication technology of automation system for distribution grid）[J]．湖南电力（Hunan Electric Power），2012，32（5）：41-46．

[14]颜俊，刘沛，苗世洪（Yan Jun，Liu Pei，Miao Sihong）．自组网在变电站自动化中的应用（Application of ADHOC network in substation automation）[J]．电网技术（Power System Technology），2005，29（17）：53-57．

Review on Self-healing Control Technique in SmartDistribution Grid

YUShi-bin1，XUBing1，ZHANGYu-xia1，LIUHong2，LITeng2，ZHANGKai2
（1．Tianjin Electric Power Design Institute，Tianjin 300400，China；2．Ministry of Education Key Laboratory ofSmartGrid，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As the immune system of smartdistribution grid，self-healing control（SHC）is themost important character.Firstly，this paper expounds the problems that SHCmainly handle in the smart distribution grid.Secondly，the function of SHC and its technology demands are analyzed，including onlinemonitoring technology of power grid，advancedmetering infrastructure（AMI），fastsimulation andmodeling（FSM），advanced distribution automation（ADA），distribution network reconfiguration technology，micro powergrid technology and so on.Finally，the structure of function and softhardware aboutSHCand the communication technology thatSHC isbased on are clarified.This paper indicates the development direction of SHC，which is the importantdevelopment field of smart distribution grid in the future.

smartdistribution grid；self-healing control；advanced distribution automation；fastsimulation andmodeling

TM741

A

1003-8930（2013）05-0065-06

于士斌（1957—），男，学士，教授级高工，从事智能配电网规划设计方面的研究和应用工作。Email：shibin.yu@tepdi. com.cn

2013-04-12；

2013-05-07

中国能源建设集团科技项目（CEEC12-KJ10）

徐兵（1970—），男，硕士，高级工程师，从事智能配电网规划设计方面的研究和应用工作。Email：bing.xu@tepdi.com.cn

张玉侠（1982—），女，硕士，工程师，从事智能配电网规划设计方面的研究和应用工作。Email：13820898772@163.com