5.3 自愈控制技术的实现方法
配电网自愈性能体现在配电网安全隐患和突发事件与坚强可靠的自愈运行管理系统之间的较量中，配电网能从异常运行状态或紧急事故状态向正常运行状态甚至优化运行状态转变。典型的智能配电网自愈系统结构如图5-5所示。配电网自愈功能的实现按其实现方式不同，通常可以分为常规自愈控制方案和智能自愈控制方案。其中，常规自愈控制方案主要有基于状态量比较的城市配电网自愈控制方法、基于智能微网和需求侧管理的配电网自愈控制方法、基于协调控制模式的配电网自愈控制方法等；而智能自愈控制方案则包括基于电力免疫系统的电网自愈控制方法、基于序贯博弈的电网自愈控制方法、基于智能多代理的自愈控制方法等。
图5-5典型智能配电网自愈系统结构
5.3.1基于状态量比较的自愈控制方法
基于状态量比较的城市配电网自愈控制流程如图5-6所示。该方法首先定义了与电网电压、电流、功率、频率相关的系统状态函数f(U，I，P，Q，f)，然后分别设定电网在紧急状态、恢复状态、异常状态、警戒状态下的状态函数范围限值fex、fre、fse、fcr;再根据电网数据采集量，将计算出的状态函数与系统状态函数的设定值相比较，确定电网的运行状态，采取相应的控制手段，使城市配电网从当前运行状态向一种更好的运行状态转移。 各种运行状态下的控制流程中，紧急控制如图5-7(a)所示，恢复控制如图5-7(b)所示，校正控制如图5-7(c)所示，预防控制如图5-7(d)所示，应用上述理论编制自愈控制软件，将其嵌入到城市配电网调度自动化系统，借助于新型的保护测控装置在线监测装置等自动化装置采集实时信息，并将信息传达到相应的控制设备，以协调完成自愈控制策略的形成、筛选、确定、执行等整个过程，实现将数据采集、控制决策与执行设备的一体化，赋予城市配电网自我预防、自动恢复的能力，使城市电网调度系统具备应对极端灾害和大电网紧急事故的能力，提高城市电网供电可靠性。
图5-6 基于状态量比较的城市
5.3.2 基于智能微网和需求侧管理的配电网自愈控制方法
对于由分布式发电和储能装置组成的微网系统，可以采用基于智能微网和需求侧管理的自愈控制方法，其原理如图5-8所示。该方法通过需求侧管理控制器、变压器、传感器、孤岛控制开关及非线性负荷开关等关键设备元件在配电网中的合理配置，在对配电网状态进行实时监测和控制的过程中实现配电网的自愈。在该配电网控制系统中，需求侧管理控制器可以建立起主交流系统、储能系统、非线性负荷和其他负荷之间的电气联系，并可实现对微网的孤岛控制；变压器用来实现微网与主交流系统的隔离，并进行电压变换；传感器用来监测系统的电气量，包括电压、电流、频率等;孤岛控制开关用来连接或断开孤岛和主交流系统之间的电气联系；非线性负荷开关用来控制需求侧控制器对非线性负荷的开合。为了使得正常运行下的电网具有更加优越的性能，还需要对电网进行持续优化。基于智能微网和负荷需求侧管理的电网自愈控制方法的最大优点是能够充分发挥微网在电网故障或受到扰动时对系统的支持及电网在正常运行时的持续优化作用。
图5-7 城市配电网各种运行状态下的控制流程(a)紧急控制;(b)恢复控制:(c)校正控制;(d)预防控制
图5-8基于智能微网和需求侧管理的电网自愈控制原理
5.3.3 基于调控制模配控制模式的配电网自愈控制方法
该方法采用基于一体化协调控制模式，信号的处理和控制策略的产生具有自适应性，无需外界干预，自动完成控制过程，协调继电保护装置、各种自动调节装置及其参数进行智能控制，从而实现城市电网的稳定、安全、可靠、经济运行，属于电力系统理论、控制理论和人工智能交叉技术的应用领域。其控制架构方案如图5-9所示。
该方法把城市电网的运行状态分为正常运行状态和非正常运行状态两种。其中，正常运行状态又可以分为隐性安全状态、显性安全状态、经济运行状态和强壮运行状态。在该系统中，通过监控系统和管理系统保证配电系统在正常运行时实现四种状态之间的转换。对应地，电网的非正常运行状态又可以分为紧急状态、恢复状态、异常运行状态。其中，通过对在异常运行状态的电网施加校正控制，可以使电网回到正常运行状态;对紧急状态的电网施加紧急控制或对恢复状态的电网施加恢复控制，可以使得电网回到异常运行状态或正常运行状态。在条件允许的情况下，还可以对恢复状态的电网施加孤岛控制。
基于协调控制模式的自愈控制方法通过数据采集，自动判别电网当前运行状态，运用智能方法进行控制决策，对继电保护、开关、安全自动装置、自动调节装置进行自动控制，并协调紧急情况与非紧急情况、异常情况与正常情况下的电网控制，形成分散控制与集中控制、局部控制与整个电网的综合控制相协调的控制模式，以求在期望时间内促使城市电网顺利渡过紧急情况，及时恢复供电，满足运行时的安全约束。对于负荷变化等扰动具有很强的适应能力，具有较高的一体化与智能化决策、自治性与协调性、冗余性与可靠性、经济性与适应性。
图5-9 城市电网自愈控制架构方案
5.3.4基于电力免疫系统的电网自愈控制方法
电力系统中的免疫是指免除、预防扰动或故障的发生，它是电网识别并应答扰动的过程效应总和，是维持电网稳定运行的一种人为培育功能。基于PIS(Power Immune System)的电网自愈控制具有如下主要功能:
(1)免疫防御功能。预防外界对电网所施加的扰动或袭击，及时清除电网内部的扰动，保护电网不受影响。对干扰电网正常稳定运行的一切影响因素，在其尚未使电网运行恶化之前及时清除，保证电网能够健康运行。
(2)免疫监视功能。监视电网运行中发生的各种突变，及时产生抗体予以清除。
(3)免疫耐受。区别电网本身的装置或系统故障与影响电网安全运行的扰动和故障，对电网装置或系统故障进行保护，使其不受破坏;而对影响电网安全运行的扰动和故障，则予以清除。
(4)调节功能。PIS 自动参与调节与其他系统之间的关系，通过自身动态调节，不断地适应整个电力系统，成为电力系统抵御各种扰动的有效武器。
基于电力免疫系统的电网自愈控制方法具有自适应、自调整和自学习的智能化控制特点，该方法中的免疫应答环节是实现配电网智能自愈的关键。
免疫应答即所谓的免疫系统对故障和扰动所作出的反应。电力系统的免疫细胞相当于用户预定义的控制手段和方案，以及在故障和扰动的处理过程中所记忆的自适应控制手段或方案。免疫细胞通常处于静止状态，细胞必须被触发、活化经免疫应答过程，产生免疫效应细胞，才能执行免疫功能，电网才能够实现自愈。电网自愈控制的免疫应答分为固有免疫应答和适应性免疫应答两类。
(1)固有免疫应答。电力系统的保护机制和系统、本地控制装置等，能够被一般发生的、特定异常和扰动所触发，快速执行免疫效应，在故障和扰动尚未恶化时，在本地就将故障和扰动清除，其不产生应答记忆，不经历应答克隆扩增。固有免疫也称为非特异性免疫，是电网自愈控制的基础，也是电网自愈控制的第一道防线，需要电网的智能化硬件支持，不随特异病原体变化，具有与病原体第一次遭遇就能消灭它们的能力，它还能够识别病原体的性质，起到促进适应性免疫的重要作用。
(2)适应性免疫应答。故障和扰动(抗原)激发电力免疫细胞，电力免疫细胞发生自然克隆扩增，适应并逐步消除抗原。适应性应答免疫细胞具有记忆性，能够对再次发生的相同性质的故障或扰动产生免疫，迅速消除抗原，使得电网健康运行。但其缺点是在初期响应于抗原时，速度较慢。
适应性免疫应答使用两种类型的淋巴细胞:T细胞和B细胞。电网中的各种扰动和故障相当于生物免疫系统中的抗原，能够触发免疫应答机制。电网中各类控制和保护相当于生物免疫系统中的抗体，在B细胞识别抗原后，经过活化和克隆扩增，可以有效地清除抗原。B细是产抗体的细胞，在清除病原体过程中受到刺激，分泌抗体结合抗原，但其发挥免疫作用要受T辅助细胞的帮助。T细胞功能包括调节其他细胞的活动以及直接袭击宿主感染细胞，可分为毒性T细胞和调节T细胞两类,调节T细胞又可分为辅助性T细胞和抑制性T细胞。辅助性 T细胞的主要作用是激活B细胞,与抗原结合时分泌作用B细胞并帮助刺激B细胞的分子，毒性T细胞能够清除抗原。适应性免疫应答只有在接触特定抗原时才产生，仅针对该特定抗原而发生反应，亦称为特异性免疫。
自适应免疫应答能完成固有免疫应答所不能完成的、更加复杂的免疫功能，清除固有免疫系统不能清除的病原体，支持电网具备更高、更强的自愈能力，其免疫应答的基本过程是:T细胞和B细胞特异性识别抗原并被活化，继而分化为效应细胞，最终促成发生免疫效应。
适应性免疫应答是由抗原刺激电网免疫系统所致，包括对抗原的识别、活化、增殖、分化及产生免疫效应的全过程。适应性免疫应答有两种应答方法，即初次免疫应答和二次免疫应答。
1)初次免疫应答。初次免疫应答发生在免疫系统遭遇某种病原体第一次入侵时，是对以前未曾见过的病原体的应答过程。初次应答学习过程很慢，只能应答于电网的非紧急扰动或事件。
2)二次免疫应答。在初次免疫应答后，免疫系统首次遭遇异体物质并将其清除外，但免疫系统中仍保留一定数量的B细胞作为免疫记忆细胞，这使得免疫系统能够在再次遭遇相同异物后快速反应并反击抗原。二次免疫应答更迅速，无需重新学习。
由于电网本身的物理结构及二次系统在一定程度上支持固有免疫应答，而要实现适应性免疫应答，需要有更多的高级软件和先进算法支持，故固有免疫应答更容易实现，它是电网自愈控制的基础;而适应性免疫应答具有更好的扰动适应性、智能性和学习性，它更加支持电网实现自愈控制。
5.3.5 基于序贯博弈的电网自愈控制方法
博弈是指一些个人、团队或其他物理实体，面对一定的环境条件，在一定的约束条件下，依靠所掌握的信息，同时或先后、一次或多次，从各自可能的行为或策略集合中进行选择并实施，并从中取得相应结果或收益的过程。
如果赋予电网一定的理性，电网的实时运行则可看成是扰动与自愈控制系统之间的博弈，扰动为进攻方(Attacker，简称A方)，自愈控制系统为防守方(Defender，简称D方)。对于A方的进攻，D方要采取不同的博弈策略，才能维持电网的正常运行。D方采取的博弈策略的实质就是电网的自愈控制。
现A方对电网施加不同类型、不同性质的扰动，具有一定的随机性；D方的策略表现为对动进控制的收益可以定义为迫使电网运行评价指标下降;D方博弈的收益可以定义为保持或提升电网运行评价指标。可以看出，A方的目标是阻止、反抗电网自愈;而D方的目标是促进、支持电网自愈。因此，把这种博弈过程称为电网自愈博弈。
如果某个博弈过程分为多个阶段，且博弈方的决策有先有后，则称为动态博弈，或序贯博弈、多阶段博弈。序贯博弈是博弈方先后采取策略或行动的一类博弈，后行动或决策的博弈方可以观察到先行动的博弈方已经采取的策略或行动。
在该方法中，还应用到博弈树的概念。博弈树是序贯博弈常用的一种形象表示方式，描述了所有博弈方可以采取的所有可能的博弈策略及博弈的所有可能结果，其突出的优点是便于描述序贯博弈过程。
根据电网自愈博弈树和对电网自愈博弈的相关描述，可以建立起电网自愈多阶段序贯博弈模型，如图5-10所示。博弈方A实施电网扰动后，博弈方D在整个博弈中轮到自己选择的每个阶段，针对前面阶段的各种情况作相应策略调整或选择控制行为。A方的行动可分为不同类型，包括线路过负荷、分布式电源故障、保护拒动、保护误动等;D方需要考虑消除A方各种类型的博弈策略对电网运行带来的不利影响。电网自愈博弈的目标是使得博弈双方收益最大，即博弈方A最大限度地降低电网运行评价指标，而博弈方D不断平衡电网运行评价指标的变化。
图5-10电网自愈博弈的多阶段序贯模型
5.3.6 基于智能多代理的自愈控制方法
代理技术源于分布式人工智能，是一个松散耦合的代理网络，这些代理通过交互解决超出单个代理能力或知识的问题。其中，每一个代理是自主的，不同的使用者可以采用不同的设计方法和计算机语言开发出完全异质的代理。一个多代理系统(Multi-Agent Systems，MAS)由大量自治的软件或硬件实体组成，单个代理完全有能力解决局部问题，但不能独自实现全局目标。每个代理有自己的输入输出数据通道，整个系统的数据分散在多代理系统中，没有系统全局控制，但存在代理之间的协调，以解决代理间的决策冲突。代理做出决策的过程是异步的。
多代理控制系统具有很好的自治性、协调性和学习性能，能够很好地解决电网自愈控制的分布自治性和广域协调性问题，是电网实现自愈的重要技术。
一种综合应用了多代理技术、广域测量技术的电网分层自愈控制系统如图5-11所示。该自愈控制系统由高级应用层、过程层、系统层组成。系统层是电网物理层，由若干个广域测控代理组成，并由广域测控协调代理管理各个测控代理之间的协调与沟通问题，与数据处理层交换数据;过程层负责数据处理，由数据处理代理管理实时数据库、历史数据库的数据信息，并与高级应用层和系统层进行数据交换;高级应用层综合利用经过处理的广域测控信息，通过广域控制代理、电网评价代理、快速仿真代理、实时预测代理，执行自愈控制功能。用户可以通过用户接口获取高级应用层和过程层的信息。
图5-11基于广域测量信息的电网分自愈控制系统图
如何科学、全面、量化地评价配电网的自愈能力，是智能配电网自愈能力研究的重要内容，目前国内外还没有这方面的标准。因此，研究建立一套评价智能配电网自愈能力的指标体系是十分必要的。该指标体系也将是智能配电网运行管理指标的重要内容。以下的研究成果仅是初步的，还有待于进一步的深化与完善。
配电网的自愈能力，可从自愈速度与自愈率两方面来评价。
5.4.1 自愈速度指标
不同的用电设备受电网供电质量波动(包括供电中断与电压骤降)影响的程度是不一样的。根据供电质量波动对用电对象的影响严重程度，将电力负荷分为如下三类:
(1)普通负荷。指基本不受供电质量波动的影响或者所造成的损失较小的电力负荷，如一般照明设备与家用电器、电加热器、通风机等。
(2)敏感负荷。指几个周期的供电质量波动会对其造成影响和危害的电力负荷，如可编程控制器、变频调速装置等。
(3)严格负荷。指对供电能质量要求非常严格，出现1个周期以上的波动即会对其造成影响和危害的负荷，如集成电路芯片制造流水线、银行与证券中心的计算机系统等。
可见，智能配电网自愈速度的快慢直接关系到对用户的影响，因此将自愈速度作为评价智能配电网自愈能力的一项量化指标。综合考虑对用户的影响及其所需要的缓解控制技术，可将自愈速度分为四级:
(1)一级自愈速度，也称为毫秒级自愈。指供电质量波动时间在1个周期(50Hz电网是20ms)以内的自愈恢复，其作用是让用户没有“感觉”，因此可称为“无缝自愈”。
(2)二级自愈速度，也称为周波级自愈。指供电质量波动时间在1个周期以上、几十毫秒以内的自愈恢复，对普通负荷和一般敏感负荷基本无影响。
(3)三级自愈速度，也称为秒级自愈。指供电质量波动时间在几秒钟内自愈恢复，对敏感负荷有一定影响，但对普通负荷无影响。
(4)四级自愈速度，也称为分钟级自愈。指供电质量波动时间在3min内即自愈恢复，虽用户都“感觉”到停电，但短时间得到恢复，会影响敏感负荷的正常运行，但对普通负荷基本无影响。
对于停电时间超过3min 的，称为不自愈，在供电可靠性指标中统计为停电。这样，自愈速度指标就描述了智能配电网对3min 之内短时停电的自愈恢复能力。当然，自愈速度的选择是一个技术经济问题，自愈速度越快，意味着电网设备投入越大。因此针对具体的配电网，要从满足用户负荷要求出发，选择适中的自愈速度。
自愈速度指标也可以作为评价智能配电网某一馈线或者某一小区网络自愈能力的指标。
5.4.2供电自愈率指标
供电自愈率描述配电网在减少故障停电方面的自愈恢复能力，重点是描述电网对3min之内停电的自愈恢复能力，3min 以上的停电纳入供电可靠性统计。供电自愈率指标有两个，即供电故障自愈率和用户平均自愈次数。
(1)供电故障自愈率。其定义为在统计期(如1年)内故障自愈恢复的总用户数与受故障影响的总用户数的百分比值，即
供电故障自愈率=∑(每次故障自愈的用户数)/∑(每次故障影响的用户数) (5-1)
式中:每次故障影响的用户数指故障影响范围内线路连接的用户数;每次故障自愈的用户数指由于配电网自愈操作供电没受故障影响或经历短暂停电后恢复供电的用户数，它是故障影响范围内连接的用户数与实际遭受停电用户数之差。
(2)用户平均自愈次数。它是每个用户在统计期(如1年)内遭受故障的平均自愈成功的次数，即
用户平均自愈次数=∑(每次故障自愈的用户数)/总用户数 (5-2)