第5章 智能配电网自愈控制技术
“智能电网”具有可靠、优质、高效、兼容、互动等特点，是现代电网的发展方向，受到了国内外电力业界的高度关注。自愈能力作为保证电网可靠、优质供电的关键功能，是智能电网技术研究的重点。近年来，总结国际上几次大停电的经验教训，国内外专家就提高大型输电网的自愈能力，进而提高电网的安全稳定水平进行了大量的研究，取得了一系列研究成果;而对配电网自愈能力的研究相对较少。配电网直接面向用户，其自愈能力的高低直接影响电网对用户的供电质量。本章对智能配电网自愈的基本概念进行阐述，详细介绍实现自愈控制的相关技术及其方法，并提出了评价配电网自愈能力的技术指标。
5.1 自愈控制技术概述
5.1.1配电自愈技术基本概念
自愈的概念最早出自美国电科院(EPRI)与美国能源部于1999年启动的“复杂互动系统”联合研究计划。后来美国电科院的“智能电网Intelligrid”、美国能源试验室的“现代电网 Modern Grid Initiative”研究项目都把自愈作为主要研究内容，作为保证电网供电质量的核心技术手段。
电网的自愈(SelfHealing)是指其在无需或仅需少量的人为干预的情况下，利用先进的监控手段对电网的运行状态进行连续的在线自我评估，并采取预防性的控制手段，及时发现、快速诊断、快速调整或消除故障隐患;在故障发生时能够快速隔离故障、自我恢复，实现快速复电，而不影响用户的正常供电或将影响降至最小。就像人体的免疫功能一样，自愈功能使配电网能够抵御并缓解电网内部和外部的各种危害(故障)，保证电网的安全稳定运行和用户的供电质量。
配电网自愈能力是配电网的自我预防、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。自我预防是系统正常运行时，通过对电网进行实时运行评价和持续优化来完成的。自我恢复是电网经受扰动或故障时，通过自动进行故障检测、隔离、恢复供电来实现的。
配电网自愈控制(Self-Healing Control，SHC)通过共享和调用一切可用电网资源，实时预测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、检修维护等控制策略，使得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。在实际运行过程中，配电网自愈具有以下三种能力: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在故障情况下，维持系统连续运行，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能力。
如图5-1所示，电网自愈控制将电网的运行状态划分为五种
(1)正常状态:在保护和控制装置局部功能正确执行的条件下，如果故障发生，电网能够维持正常运行的状态。
图5-1电自控制的状态与控制
(2)脆弱状态:如果故障发生，即使保护和控制装置的局部功能正确执行，电网也将失去负荷的状态。
(3)故障状态:故障正在发生的状态。
(4)故障后状态:故障发生后达到的平衡状态，其中电网瘫痪是极端恶化的故障后状态。
(5)优化状态:具有更大安全裕度的正常状态。
对应上述三种状态，智能配电网自愈控制包括四种基本控制。
(1)预防控制:使电网从脆弱状态回到正常状态的控制。
(2)紧急控制:使电网从故障状态回到正常状态的控制，必须具有快速、及时性。
(3)恢复控制:使电网从故障后状态回到正常状态的控制。
(4)优化控制:正常状态下，使电网具有更大安全裕度的控制。
5.1.2 配电网自愈技术的主要目标原则和意义
配电网的自愈控制以不间断供电为控制原则，从这一角度来看，电网的安全控制有四种结果:①避免故障发生;②故障发生后不失去负荷;③故障发生后失去部分负荷;④故障发生后电网崩溃。
配电网自愈控制的目标是:首先，要通过配电网运行优化和预防校正控制，来避免故障发生;其次，如果故障发生，通过紧急恢复控制和检修维护控制，使得故障后不失去负荷或失去尽可能少的负荷。如果发生了电网连锁停电或瘫痪事故，就意味着电网自愈控制失败。
在控制逻辑和结构设计上，配电网自愈控制坚持以下三项原则:
(1)分布自治原则。电网的广域性和动态过程的快速性要求控制保护设备必然具有分布自治性，如此才能满足及时控制的要求。
(2)广域协调原则。电网安全具有全局性，控制手段具有局部性，控制需要解决全局与局部的协调问题;电网的动态变化与发展过程具有快速性，电网全局控制方案的形成具有慢速性，控制需要解决快速与慢速的协调问题。
(3)工况适应原则。控制方案适应变化是控制有效的基础，适应控制必须以测量为基础，要求工况评价和控制方案具有智能性。智能配电网(SDG)作为电力网络最后一环，与用户的关系最为密切，其实现自愈的目的是保证供电质量，提供优质电力。
供电质量是满足用户电力需求的质量。根据目前国家有关标准，供电质量包括供电可靠性和电能质量两个方面。
供电可靠性是指对用户连续供电的可靠程度，其指标是对用户停电时间和次数的统计。据美国能源部的报告:“今天的电力可靠性 99.97%，仍然有停电和中断，每年至少要造成停电损失1500亿美元”。我国2007年全国平均电力可靠性为99.88%，每年造成的停电损失相当大。随着社会经济的发展，由于供电可靠性低而引起的停电所造成的社会影响将越来越突出。
电能质量是指供应到用户受电端电能的品质，正常的电能质量指标包含电压偏差、频率、电压波动与闪变、谐波、三相不平衡五个方面，且都有相应的国家标准。随着变频调速设备、可编程逻辑控制器等数字化设备以及各种自动生产线、计算机系统的大量应用，电压骤降和短时中断所造成的影响日益突出。根据IEEE Std.519-1992的定义,电压骤降是指供电电压有效值突然降至额定电压的90%~10%(0.9p.u.~0.1p.u.)，并持续半个周波至1min，然后又恢复至正常电压。对电压骤降，现在国内外还没有统一的定义，但它却是危害最大的电能质量问题。据有关统计，在用户电能质量问题投诉中，电压骤降占80%以上。又据Leonardo Energy最近对欧洲8个国家的电能质量调查，在工业等领域，电能质量每年造成的损失超过150亿英镑，而其中约60%是由电压骤降或短时中断(short interruption)引起的。因此，对电压骤降问题的研究已引起各国的重视。
实际上目前配电网中还存在大量的供电短时停电现象，例如配电线路瞬时性故障时的跳闸与重合闸动作、线路故障自动隔离与非故障区段恢复供电、变电站备用电源自动投入装置动作等都会引起用户供电出现数秒到数分钟的停电。但是目前这类短时停电都没有纳入到供电可靠性指标的统计中。我国原能源部[1991363号文《供电系统用户供电可靠性统计办法》中明确规定，“对供电系统停电时间不超过3分钟的各类操作(如调电操作、开关跳闸后试送成功等)不应视为对用户停电”。后来颁布的DL/T836-2003《供电系统用户供电可靠性评价规程》虽然删去了此条，但在实际操作中，还是不把短时停电纳入可靠性统计中。而这些短时停电同样会引起用电设备停机或运行不正常，给企业生产与社会生活带来严重的不良影响。
配电网自愈技术的应用，使得配电网拥有了具有自愈功能和自愈性的坚强网架，这样能够有效提高配电网供电的可靠性，切实保障用户的不间断供电。同时，能够很好地解决供电环节中由电压骤降和短时中断而引起严重事故的问题。另外，供电短时停电的现象也会随着配电网可靠性的提高而得到抑制，从而保证配电网的供电质量。
具体来说，实施配电网自愈控制技术的重要意义在于:
(1)成为应对以下需求的有效解决方案:
1)负荷的持续增长;
2)市场驱动下的电网运行环境:
3)智能装置和设备的大量应用:
4)高供电可靠性;
5)电网快速响应;
6)分布式电源大量接入配电网:
7)需求侧管理及其响应。
(2)成为预防和避免大停电事故发生的有效控制手段。因为以往的一些大停电事故具有以下共同特征:
1)对电力系统运行状态和条件的识别不够;
2)缺乏决策支持手段;
3)稳态运行超出系统极限;
4)缺乏及时的控制;
5)保护设置不正确;
6)对电压和暂态稳定问题进行控制来避免连锁故障。而配电网自愈控制通过对系统状态的监测和评估，及时采用适当的手段对系统进行调整和修复，成为了预防大停电事故发生有效控制方式。
5.1.3配电网自愈技术基本功能
输电网主要采用环网多电源供电结构，其中一个甚至多个元件退出运行，不会影响系统的正常供电。因此，其自愈功能首先是实现电力设备状态的在线监测，及时发现并排除故障隐患;其次是通过快速继电保护切除故障元件;最后是对系统进行在线安全评估和预警控制，防止出现电网稳定破坏事故导致的大面积停电。与输电网不同，配电网有其自身的特点。配电网直接面向用户，负荷波动大，而且一般采用辐射性供电方式，其中的任何故障、电能质量扰动都直接影响着对用户的供电质量，因此配电网中的自愈功能有着不同于输电网的特点。智能配电网自愈功能应该起到以下作用:
(1)减少停电时间与停电次数，特别是避免目前电网大量存在的短时停电问题，提高供电质量。自愈技术应用中，通过采用快速复电技术，结合应用柔性配电技术中固态断路器SSCB、固态负荷转移开关SSTS 等可以提高故障切除与负荷转移切换速度，进而提高自愈速度，实现故障的快速定位、隔离和健全区恢复供电，可以减少停电时间:而快速仿真与模仿技术和在线监测和预警技术的应用，以及智能微网运行方式，都能为调度人员及时发现配电网异常运行状态并为配电网电力调度和网架变更作出最优决策，从而达到将配电网事故“防患于未然”的目的。
(2)优化电能质量，尤其是抑制电压骤降，提供优质电力。自愈配电网中，柔性配电技术利用动态不停电电源UPS与动态电压恢复器DVR 可以补偿配电网故障切除、隔离期间短时供电中断与电压骤降，实现无缝自愈，保证重要敏感负荷供电不受影响，此外，作为配电网自愈能力的一部分，应用静止无功发生器 SVC、静止同步补偿器STATCOM、有源电力滤波器APF 等，可以消除谐波、电压波动的影响，改善电能质量。
(3)有效抵御攻击，提高电网防灾防破坏能力。配电网自愈功能设计除了能防止由于电网自身结构及其元件的原因引起的故障外，还要设计成为能够抵御由于其他无法预知的外部原因，如火灾、冰雪灾害、战争等导致的配电网事故。通过利用自愈技术中的馈线自动化技术，结合现代通信技术和电力系统高级分析应用软件，实现配电网的快速复电、网架重构等来保证配电网的坚强性、可靠性，切实保障城市重要用户的正常供电。
(4)为用户提供特定要求的“定制电力”(Custom Power，CP)，提高服务水平。通过运用现代电力电子技术和控制技术，采用大功率的电力电子器件【如晶闸管、可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)、集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)]、集成的固体切换开关SSTS、动态电压恢复器 DVR、有源电力滤波器APF等元器件，在配电系统中实现电能质量控制，为用户提供特定需要的电力供应技术。
5.1.4配电技术的基件
配电网自愈控制涵盖了自动控制、继电保护、计算机和软件、应用数学等领域的很多新技术、新进展，是一种集成了软件和智能装置的综合控制技术，其基本组成包括基于自愈理论的高级可视化实时预测和快速仿真软件工具、坚强而灵活的配电网物理架构、分布而相互协调的智能装置和设备、标准而一体化的智能配调中心。特别地，要实现配电网的自愈控制，至少需要满足如下条件:
(1)具备各种智能化的开关设备和配电终端设备。配电网中的智能开关设备具有高性能、高可靠性、免维护、硬件软件化特点和在线监测、功能自适应、自诊断等功能，提供网络化远动接口;配电终端设备应具有故障自动检测与识别功能，提供可靠的不间断电源，满足户外工作环境和电磁兼容性要求，支持多种通信方式和通信协议，具有远程维护、诊断和自诊断功能。开关设备和配电终端设备有选择性、适应地具有“四遥”功能。
(2)配电网系统中拥有双电源或多电源，具有灵活可靠的拓扑结构。坚强的物理架构是配电网进行自愈的物理基础，适应是自愈控制的基本原则之一。智能配电网要实现“手拉手供电”，网络当中要兼容分布式发电、可再生能源和储能装置，并能灵活调度。同时，网架结构要灵活、坚强、可靠，既能实现正常运行下的拓扑结构优化，又能实现故障控制中的拓扑结构快速重构。当配电网遭遇大面积停电时，重要的用户负荷能应用智能微网技术对原有配电网进行分割、整合，进行孤岛安全稳定运行。
(3)可靠的通信网络。智能配电网自愈控制是通过在控制或调度中心自适应
地在线、实时、连续分析和远方遥控实现的，要求配电通信网络必须可靠，要考虑主通信网络瘫痪情况下的备用通信网络或备用通信方案。同时，还要求通信速度要快，信息处理能力要强。
(4)自动化处理软件系统。要实现配电网的自愈，离不开自动化软件处理系统，最终需要嵌入到配电调度监控中心系统来实现。届时，将会在很大程度上提高配电网的整体自动化水平、优化能力和自愈控制能力，为配电网的智能化增加有力的砝码。自动化处理软件系统具有以下优点:
1)连续实时预测系统状态;
2)实时系统状态评估;
3)算法具有自适应;
4)实时优化和自愈控制;
5)系统的整体性和统一性;
6)巨大的经济价值和社会效益。