有源配電網(wǎng)的饋線自動化效果評價方法

朱紅，劉東，凌萬水，翁嘉明，孫辰(．國網(wǎng)南京供電公司，南京市009;．上海交通大學，上海市0040)

有源配電網(wǎng)的饋線自動化效果評價方法

朱紅1，劉東2，凌萬水2，翁嘉明2，孫辰2
(1．國網(wǎng)南京供電公司，南京市210019;2．上海交通大學，上海市200240)

隨著分布式能源和可再生能源技術(shù)的廣泛研究與應用以及信息通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的同步發(fā)展，傳統(tǒng)被動單向式供電配電網(wǎng)正面臨向雙向供電的配電網(wǎng)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)(即有源配電網(wǎng))是解決上述問題的重要方法和手段。然而在有源配電網(wǎng)中傳統(tǒng)饋線自動化技術(shù)難以保證選擇的正確性，需要提供新的更有效的評價方法作為理論基礎。針對目前大量分布式能源接入配電網(wǎng)所帶來的電網(wǎng)自動化問題，基于有源配電網(wǎng)的特點并從饋線自動化(feeder automation，F(xiàn)A)動作過程與FA動作結(jié)果2個角度來對FA處理效果進行評價，提出有源配電網(wǎng)的饋線自動化評價指標體系及效果評價方法，為將來有源配電網(wǎng)的饋線自動化技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

有源配電網(wǎng)(ADN);饋線自動化;評價方法;故障處理;供電恢復

0 引言

實施饋線自動化(feeder automation，F(xiàn)A)是一項能夠提高配電網(wǎng)供電可靠性的關鍵技術(shù)措施。作為饋線自動化技術(shù)得以實用化的重要前提，需要對其在配電網(wǎng)絡發(fā)生故障后各種條件下的動作成功率進行有效性評價，即對相關產(chǎn)品性能、邏輯與動作正確性、故障處理效果等內(nèi)容開展準確定量的評估。文獻［1-4］介紹了饋線自動化一般現(xiàn)有的多種不同處理模式。針對不同的應用模式，當前已有多篇文獻從饋線自動化技術(shù)的可靠性測試、邏輯動作正確性、實施效果評估等方面進行了論述和分析。

文獻［5］提出了一種測試評價在含一次系統(tǒng)故障的信息與各種干擾信息等輸入條件下算法可靠性的方法。文獻［6］提出了一種自動測試饋線自動化主站的方法，強調(diào)可靠性測試需要注重典型運行環(huán)境下的長期運行能力、持續(xù)的遠程控制能力和雪崩測試3個方面。文獻［7］以時間相關性指標(以平均無故障時間/平均故障間隔時間等)作為系統(tǒng)的可靠性指標進行評估，但未針對饋線自動化的故障定位、隔離和供電恢復算法的可靠性的量化指標以及各種干擾，如通信干擾、遠程控制拒動、運行方式改變等對算法的定量影響進行研究。文獻［8］基于并行計算環(huán)境，建立了一套饋線自動化仿真測試環(huán)境，用于對動作邏輯正確與否進行測試以評估其有效性，但在分析算法的動作邏輯時主要以饋線終端單元(feeder terminal unit，F(xiàn)TU)正確采集故障，以及FTU與系統(tǒng)正常通信為基礎，模擬一次系統(tǒng)故障進行研究。文獻［9-10］分別提出相應的技術(shù)手段來提高故障處理算法在通信信道失敗、開關拒分、信息不全時的可靠性。

目前已有部分智能配電網(wǎng)饋線自動化的研究［11-14］。在有源配電網(wǎng)中，由于分布式電源的大量接入引起潮流和短路電流分布變化，使得原有的配電網(wǎng)保護配置和整定方法不再適用。針對這一問題，文獻［15-17］研究分析了有源配電網(wǎng)的故障電流特征及對配電網(wǎng)保護的影響，并提出了相應對策。文獻［18］研究比較了故障位置與故障前后線路兩端的電流相角變化方向，提出了一種只利用電流量的縱聯(lián)保護方案，通過驗證表明該方案能夠準確識別區(qū)內(nèi)故障。針對配電網(wǎng)線路特點和不同的饋線結(jié)構(gòu)，文獻［19］給出了適應性差動保護動作判據(jù)及門檻整定原則，提出并實現(xiàn)了基于故障信息的電流數(shù)據(jù)自同步方法，驗證了應用于故障檢測與處理的有效性。文獻［20-21］研究并提出了有源配電網(wǎng)發(fā)生故障后，綜合利用備用聯(lián)絡線路與內(nèi)部分布式電源為故障后的停電負荷綜合恢復供電，提高配電網(wǎng)供電可靠性的方法，但還缺乏算法實際應用的有效性驗證。因此，計及有源配電網(wǎng)雙向潮流這種特性的新型饋線自動化技術(shù)的有效性評價仍需要加以深入探討研究。

在簡述分析饋線自動化傳統(tǒng)評價方法的基礎上，本文提出相應的量化評價指標體系，從動作過程與動作結(jié)果2個角度出發(fā)對有源配電網(wǎng)中所應用的分布式饋線自動化技術(shù)的故障處理效果進行評價。

1 傳統(tǒng)饋線自動化的評價方法

饋線自動化有多種不同的處理模式，如集中式主站模式，子站隔離主站恢復模式，智能分布就地控制模式，電流計數(shù)型就地控制模式，電壓時間型就地控制模式等;對于一種處理模式，不同的供應商的處理策略也不盡相同，動作過程不同。

傳統(tǒng)上，對FA的動作結(jié)果評價一般采用2種方法:

(1)檢查最終結(jié)果是否與設定結(jié)果一致;

(2)檢查動作過程是否與設定過程一致。

這些方法可以在一定程度上反應各種饋線自動化系統(tǒng)的可靠性，但存在以下幾點不足:

(1)故障處理的操作，具有嚴格的時序性，如在故障區(qū)沒有被隔離前，不能進行非故障區(qū)的恢復操作，否則將導致故障范圍的擴大，引起正常線路的供電安全，因此即使動作結(jié)果狀態(tài)是正確的，也不能夠保證動作過程上是安全的;

(2)僅能進行定性的判別，無法對饋線自動化系統(tǒng)對非故障區(qū)的恢復比例以及恢復速度等指標做出判斷;

(3)在輸入條件不具備或者信息不完備時，最終結(jié)果與設定結(jié)果往往不同，但不同處理方案為最終客戶提供的幫助是不同的，這無法得到體現(xiàn);

(4)故障處理結(jié)果，不僅與供電區(qū)域恢復的大小相關而且與恢復的速度相關;

(5)故障處理過程中，可能的錯誤行為會導致檢修區(qū)段帶電或者故障范圍擴大。

2 有源配電網(wǎng)的饋線自動化評價指標體系

隨著分布式能源和可再生能源技術(shù)的廣泛研究與應用以及信息通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的同步發(fā)展，傳統(tǒng)被動單向式供電配電網(wǎng)正面臨向雙向供電的配電網(wǎng)發(fā)展的巨大挑戰(zhàn)，有源配電網(wǎng)技術(shù)是解決上述問題的重要方法和手段。

有源配電網(wǎng)是具備組合控制各種分布式能源分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、可控負荷、儲能、需求側(cè)管理等能力的配電網(wǎng)絡，其目的是提高配電網(wǎng)對能量的主動分配能力和經(jīng)濟運行能力，提升配電網(wǎng)資產(chǎn)利用率，提高用戶的用電質(zhì)量和供電可靠性。其中饋線自動化是實現(xiàn)有源配電網(wǎng)控制的核心內(nèi)容之一，也是提高供電可靠性的重要手段。然而，在高滲透率的分布式能源接入的條件下，目前已有的饋線自動化技術(shù)不能滿足有源配電網(wǎng)控制的需要。

本文基于有源配電網(wǎng)的特點并從FA動作過程與FA動作結(jié)果2個角度來對FA處理效果進行評價，提出有源配電網(wǎng)的饋線自動化效果評價方法，為將來有源配電網(wǎng)的饋線自動化技術(shù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

2.1 有源配電網(wǎng)的供電區(qū)段狀態(tài)定義

根據(jù)有源配電網(wǎng)供電區(qū)段在故障發(fā)生及其處理前后的狀態(tài)變化規(guī)律，可以將區(qū)段狀態(tài)分為“正?！睜顟B(tài)、“故障”狀態(tài)、“待恢復”狀態(tài)與“停電”狀態(tài)。

有源配電網(wǎng)正常運行時，初始化所有帶電區(qū)段狀態(tài)都為“正?！?，非帶電區(qū)段狀態(tài)為“停電”。發(fā)生故障后因出口斷路器及分布式電源出口保護跳閘導致停電的非故障區(qū)域為“待恢復”狀態(tài)，故障區(qū)段為“故障”狀態(tài)。圖1和圖2以輻射狀有源配電網(wǎng)為例，在正常運行和發(fā)生故障后在圖中劃分了各個運行狀態(tài)。

圖1 正常運行時輻射狀有源配電網(wǎng)狀態(tài)Fig.1 Radial active distribution network state at normal station

圖2 發(fā)生故障后輻射狀有源配電網(wǎng)狀態(tài)Fig.2 Radial active distribution network state after the faults

2.2 故障處理過程系數(shù)

通過對故障處理中操作開關引起的開關位置變化進行連續(xù)網(wǎng)絡拓撲分析，可以得到各個區(qū)段狀態(tài)的變化，從這些狀態(tài)變化的過程可以分析出故障處理系統(tǒng)的每步操作過程的安全性，作為故障處理是否失效的判據(jù)。故障處理中區(qū)段狀態(tài)變化合理性對照見表1。

表1 故障處理中區(qū)段狀態(tài)變化合理性對照表Table 1 Rationality of section state changes in the fault handling

表1表達了故障處理過程中開關操作前后導致區(qū)段狀態(tài)變遷的合理性。“×”表示這個操作不合理，會導致系統(tǒng)擴大故障范圍或者引起安全事故;“√”表示操作過程是無破壞效果的;“-”表示操作過程沒有導致該區(qū)段狀態(tài)變化。

(1)如果一個區(qū)段由“正常”轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏螤顟B(tài)，說明正常帶電區(qū)域因為故障處理操作而引起失電，是典型的故障范圍擴大的案例，這種轉(zhuǎn)變判為“×”。

(2)故障所在的區(qū)段，在故障被排除之前不能恢復供電，也就不可能轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢！迸c“待恢復”狀態(tài)，如果發(fā)生這種轉(zhuǎn)換也是一種錯誤的變遷，判為“×”。

(3)狀態(tài)為“待恢復”的區(qū)段，可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿魏螀^(qū)段，其本身因為故障原因已經(jīng)停電。

(4)如果一個區(qū)段由“停電”轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌魏螤顟B(tài)，也應判為“×”。原因是故障前狀態(tài)為“停電”的區(qū)段，調(diào)度人員因為檢修或者其他原因?qū)⒃搮^(qū)段從配電網(wǎng)絡中隔離，使該區(qū)段處于孤島狀態(tài)，故障處理，導致該區(qū)段與其他區(qū)段相連，將可能導致這些區(qū)段重新帶電，從而可能引發(fā)人身安全或者設備安全問題。

可以用故障處理過程系數(shù)K來最終體現(xiàn)故障處理操作的結(jié)果。如果一次故障處理過程中沒有任何一個區(qū)段存在任何錯誤狀態(tài)變遷，K取值為1，反之，取值為-1。

2.3 有源配電網(wǎng)的故障處理電量恢復率

由公式(1)表示的故障處理電量恢復率fsh指單位時間內(nèi)，因故障處理動作被恢復供電的供電量Psh與線路不發(fā)生故障時單位時間供電量Pnm的比值，即

因為Psh與故障處理系統(tǒng)最終恢復區(qū)段的大小與速度緊密相關，所以該指標不僅容納了故障處理速度和供電故障處理率，而且包括了配電線路中的區(qū)段負荷量等與經(jīng)濟性相關的指標，同時，一定程度也反應了配電一次網(wǎng)絡的可靠性。

顯然，故障處理電量恢復率fsh與單位時間的大小相關，時間越大，該指標的可比較性就越低?？紤]到大多數(shù)故障處理模式的操作時間都在3 min以內(nèi)，可以取3 min的故障處理電量恢復率。

2.4 有源配電網(wǎng)中分布式電源供電恢復率

有源配電網(wǎng)中需考慮在傳統(tǒng)的無源配電網(wǎng)加入分布式電源后，在經(jīng)歷故障處理操作過程中給與比無源電網(wǎng)更多的電量恢復影響。因此結(jié)合2．3節(jié)提出的故障處理電量恢復率，提出分布式電源供電恢復率，即由于分布式電源接入的有源配電網(wǎng)，由其在故障處理后給配電網(wǎng)絡提供的電量恢復。

圖3為一典型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的有源配電網(wǎng)正常運行情況示意圖。以此有源配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，在T節(jié)點處發(fā)生故障時，用戶1將由DG恢復供電，用戶2將由對端電源恢復供電，被恢復供電的供電量為用戶1 +用戶2的電量總和，具體見圖4。如果在網(wǎng)架完全不變的情況下不考慮DG接入，用戶1不能恢復供電將停電，用戶2仍由對端電源恢復供電，被恢復供電的供電量僅為用戶2的電量，因此在實例中，有源配電網(wǎng)分布式電源供電恢復電量即為用戶1的電量。

圖3 典型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的有源配電網(wǎng)正常運行示意Fig.3 Typical ring network structure of the active power distribution network normal operation schemes

圖4 典型環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的有源配電網(wǎng)故障恢復示意Fig.4 Typical ring network structure of the active powerdistribution network fault recovery schemes

由公式(2)表示的有源配電網(wǎng)中分布式電源供電恢復率fDG指單位時間內(nèi)，因故障處理動作被恢復供電的供電量Psh減去在不考慮分布式電源接入的電網(wǎng)因故障處理動作被恢復供電的供電量Ptr之后，與線路不發(fā)生故障時單位時間供電量Pnm的比值，即

顯然，有源配電網(wǎng)中分布式電源供電恢復率fDG與故障處理電量恢復率fsh相似，故取3 min的故障處理電量恢復率。

3 有源配電網(wǎng)饋線自動化的故障效果評價

結(jié)合反應故障處理過程合理性的故障處理過程系數(shù)K，公式(3)給出了在有源配電網(wǎng)的情況下對單次故障處理的可靠性量化指標，即

公式(3)中，0．1這一技術(shù)性處理的意義在于屏蔽故障處理電量恢復率為0時，掩蓋了故障處理過程中的錯誤。Fsh〈0表示故障處理操作過程存在不合理性;Fsh≥0表示了該FA的故障處理效果。K×fDG的部分則充分體現(xiàn)了有源配電網(wǎng)與無源配電網(wǎng)的故障效果差別。

這些評價方法，不僅可以驗證不同饋線自動化方法在有源配電網(wǎng)情況下，是否具有正確處理故障的能力，而且建立了不同饋線自動化方法在有源配電網(wǎng)的情況下評判故障處理恢復效果的方法。

4 結(jié)論

本文在分析傳統(tǒng)饋線自動化的特點的基礎上，提出有源配電網(wǎng)的饋線自動化的評價指標體系，包括: (1)提出有源配電網(wǎng)的供電區(qū)段狀態(tài)定義;(2)提出故障處理過程系數(shù);(3)提出有源配電網(wǎng)故障處理電量恢復率;(4)提出有源配電網(wǎng)中DG供電恢復率。

結(jié)合上述提出的指標，提出一種評價有源配電網(wǎng)的饋線自動化效果的量化方法，為饋線自動化技術(shù)在未來有源配電網(wǎng)的應用提供了技術(shù)上的支撐。

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(編輯:張媛媛)

An Evaluation M ethod of Feeder Automation for Active Distribution Network

ZHU Hong1，LIU Dong2，LING Wanshui2，WENG Jiam ing2，SUN Chen2
(1．State Grid Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China; 2．Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China)

W ith the application of distributed and renewable power source technologies，as well as the simultaneous development of informational communication and power electronics technology，the traditional one-way-supplied power distribution network is facing a huge challenge leading the way to bilateral compensative power distribution network．Active distribution network(ADN)is an important means to solve the above problems．In this case，the selectivity and correctness of traditional feeder automation cannot be ensured．It is necessary to provide more effective evaluation methods．Under the circumstances that a large amount distributed energy resources integrated into distribution grid，the paper aims at the evaluation of the effectiveness of FA fault processing effect from two aspects of FA action process and action result on the basis of characteristics of active distribution network．An evaluation index system and the evaluation method of the feeder automation for active distribution network were presented，which can provide theoretical basis for the future development of feeder automation for active distribution network．

active distribution network(ADN);feeder automation(FA);evaluation method;fault location and isolation;power supply restoration

TM 77

A

1000-7229(2015)01-0148-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.023

2014-12-01

2014-12-22

朱紅(1971)，女，高級工程師，主要研究方向為配電網(wǎng)運行調(diào)度與管理;

劉東(1968)，男，研究員，博士生導師，教育部新世紀優(yōu)秀人才，國家能源智能電網(wǎng)(上海)研發(fā)中心智能配用電研究所所長，本文通信作者，主要研究方向為智能電網(wǎng)、主動配電網(wǎng)、電網(wǎng)物理信息融合系統(tǒng);

凌萬水(1975)，男，博士，主要研究方向為智能配電網(wǎng)、配電自動化、多代理系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的形式化驗證。