智能配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)探討

廣東電網(wǎng)公司清遠(yuǎn)清新供電局 習(xí)思敏

1 智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)的需求

1.1 電源側(cè)需求

1.2 負(fù)荷側(cè)需求

在基站建立背景下，負(fù)荷側(cè)以多元化、復(fù)雜化趨勢發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，5G 基站等一系列新型負(fù)荷產(chǎn)品的應(yīng)用進(jìn)一步加大了自愈技術(shù)應(yīng)用下的分析、決策難度。

1.3 配電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的需求

伴隨分布式電源裝機容量擴大、電網(wǎng)負(fù)荷持續(xù)不斷增加，以及智能配電網(wǎng)規(guī)模的提升，導(dǎo)致智能配電網(wǎng)在運行過程中出現(xiàn)了不穩(wěn)定性因素，不利于智能配電網(wǎng)穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展，諸如供電質(zhì)量、潮流分布等，均是配電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性維系必不可少的因素。

2 基于GOOSE 通信分布自愈原理

確定面向?qū)ο笞冸娬臼录℅OOSE）下高速通信網(wǎng)絡(luò)為基石，分析配電網(wǎng)終端信息展開綜合判斷，納入采集的配電網(wǎng)終端信息包含了過流信息、開關(guān)位置，以便于對故障區(qū)域進(jìn)行快速定位，進(jìn)行自動隔離[2]。

2.1 開環(huán)配電網(wǎng)故障定位原理

饋線線路開環(huán)線路故障問題出現(xiàn)時，電流方向由變電站流向母線故障區(qū)域，沿線經(jīng)過所有配電終端均會在故障電流下流過，而一旦其中某個開關(guān)在故障電流檢測時結(jié)果超出了設(shè)定值，就會自動對臨近開關(guān)傳遞變電站事件的故障信息。

2.2 閉環(huán)配電網(wǎng)故障定位原理

與開環(huán)配電網(wǎng)故障原理相似，閉環(huán)配電網(wǎng)故障定位原理是在故障問題出現(xiàn)時，電量經(jīng)過兩側(cè)最終流至故障區(qū)域?；诖?，配電網(wǎng)終端故障信息要確定故障功率的方向。

2.3 配電網(wǎng)故障隔離機制

配電網(wǎng)潮流的故障隔離情況分為需要重合閘隔離故障的情況、沒有重合閘隔離故障的情況等。在需重合閘隔離故障的情形中，故障狀態(tài)通常處于與開關(guān)連接的配電位置內(nèi)、在相鄰位置的“開關(guān)拒分”信息中，或者是相連位置出現(xiàn)“開關(guān)拒分”信號的狀態(tài)；在無須重合閘隔離故障情形中，與開關(guān)連接的情況下，配電價格位置的故障不會發(fā)生在故障狀態(tài)中，而配電網(wǎng)潮流計算范圍的位置也能夠自行進(jìn)行故障分離。

2.4 配電網(wǎng)健全區(qū)域恢復(fù)供電機制

在與開關(guān)相關(guān)聯(lián)的各個區(qū)域，配電網(wǎng)內(nèi)部故障并未再次出現(xiàn)故障情況，同時所有區(qū)域的故障位置開關(guān)可以有效完成隔離情況下，智能配電網(wǎng)的有序運行離不開通信的支撐，其在規(guī)定時間內(nèi)完成故障信息采集，讓通信維護(hù)動作能夠有序進(jìn)行。

3 配電網(wǎng)自愈控制模式

3.1 分層遞階控制結(jié)構(gòu)

分層遞階控制結(jié)構(gòu)是一種沿用了Villa 所提出的數(shù)學(xué)解析，以及知識闡述為核心的兩層遞階控制式結(jié)構(gòu)，其次則是Saridis 研究中選取的IPDO 原理和多個控制層面形成的三級分層遞階控制結(jié)構(gòu)等，如圖1所示。

綜上可知，隨著日中有“金雞”說法的出現(xiàn)與流傳，自宋以后，學(xué)者們又試圖從如鏡像、折射的角度；或從陰陽互藏、陰陽交感的理論，來推測日中為何會有“雞”。但由前引北宋董逌的《跋月宮圖》中駁斥當(dāng)時人“知日中為烏，而不知為雞”之語，以及以上各家的解釋亦可發(fā)現(xiàn)：宋代以后的人們，對于此說可能已多有質(zhì)疑。

圖1 配電網(wǎng)分層遞階控制結(jié)構(gòu)

運行狀態(tài)是結(jié)合系統(tǒng)設(shè)備量所采集的信息，對配電網(wǎng)整體下的分布式電源、變壓器、母線、開關(guān)等設(shè)備的運行情況進(jìn)行分析，監(jiān)測各個設(shè)施的潮流、電壓的情況，以維持智能配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

3.2 診斷決策層

針對強度差異的電壓，配電網(wǎng)經(jīng)營選取的模式也存在區(qū)別。對此，在進(jìn)行決策時要選取科學(xué)的模式進(jìn)行調(diào)節(jié)，將差異出現(xiàn)情況發(fā)生率控制在最低水平。

4 基于同步相量測量的自愈控制新支撐技術(shù)

4.1 快速感知技術(shù)

由于智能配電網(wǎng)無論是電源還是電荷，變換都較為迅速，且工作過程復(fù)雜，將微型同步相量檢測設(shè)備運用到配電網(wǎng)的潮流統(tǒng)計領(lǐng)域，能夠顯著改善智能配電網(wǎng)潮流計量數(shù)據(jù)收集的觀測性能[3]。經(jīng)過精心整合，利用PMU 所提供的高密度同步相量測量數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)收集與檢測技術(shù)進(jìn)行了全面對接與融合。

與高壓輸電網(wǎng)比較，配電網(wǎng)無論是在結(jié)構(gòu)還是支路都更加復(fù)雜，應(yīng)用的線路數(shù)量也更多，而在管理時，傳統(tǒng)配電網(wǎng)無論是評估使用的方法還是計算公式、效率、收斂性方面都存在缺陷?；诖?，研究可采用中間變量和等式約束、二次約束以及加權(quán)最小二乘法的方式，進(jìn)一步提高配電網(wǎng)測量的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度、效率。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，依托PMU 進(jìn)行高密度同步相量測量，并運用卡爾曼濾波等先進(jìn)算法，實現(xiàn)高頻動態(tài)數(shù)據(jù)處理。通過這一組合策略，能夠有效地分析電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，提升電力系統(tǒng)智能化水平。

4.2 精準(zhǔn)協(xié)調(diào)控制技術(shù)

在分布式電源、電動汽車接入及供需互動等多重因素的影響下，配電網(wǎng)操作變得更加復(fù)雜，同時也面臨著抗擾動能力不足的風(fēng)險，且容易出現(xiàn)諧振。基于此，要使用密度較高的PMU 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實現(xiàn)故障的快速恢復(fù)控制、柔性復(fù)合潛力采掘，提高配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在主網(wǎng)故障等多種情況下，要以分布式電源為切口，通過對電源供電支撐效果的體現(xiàn)，使智能配電網(wǎng)資源利用率實現(xiàn)最大化。

5 智能配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)的應(yīng)用

5.1 在多種恢復(fù)路徑中的應(yīng)用

當(dāng)智能配電網(wǎng)有多個路徑時，要結(jié)合配電網(wǎng)實際運行情況，挑選出其中符合標(biāo)準(zhǔn)的自愈技術(shù)。例如，主網(wǎng)電源進(jìn)行測試時出現(xiàn)故障問題，導(dǎo)致這一情況出現(xiàn)的主要原因是，配電網(wǎng)的電流短路情況，電流短路是指電流在配電網(wǎng)中遇到低阻抗路徑而繞過正常電路的現(xiàn)象。配電網(wǎng)中的設(shè)備，如變壓器、開關(guān)、斷路器等，在長時間使用過程中因為老化、磨損或過載而出現(xiàn)故障。如果配電網(wǎng)的設(shè)備沒有得到及時的維護(hù)和檢修，可能會導(dǎo)致設(shè)備性能下降，增加短路的風(fēng)險?？赡苡梢韵略蛞穑号潆娋W(wǎng)中的設(shè)備，如開關(guān)、斷路器等發(fā)生故障，導(dǎo)致電流無法按照預(yù)期流動。例如，斷路器無法正確切斷電路，從而導(dǎo)致電流繼續(xù)流動并形成短路。外界異常情況，如雷擊、動物觸碰、樹木倒塌等也可導(dǎo)致電流短路。以上因素均可導(dǎo)致電線之間短路或接地，使電流繞過正常路徑。針對上述故障情況，可采用常見的自愈技術(shù)來應(yīng)對電流短路情況，快速檢測電流短路，隔離故障，并自動恢復(fù)供電，從而提高配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5.2 分布式電源故障自愈技術(shù)的應(yīng)用

在對分布式智能配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)處置時，首先應(yīng)該評估分布式電源的容量，對配電網(wǎng)系統(tǒng)供電范圍科學(xué)性、可計算性進(jìn)行確定；其次，將同期開關(guān)作為聯(lián)絡(luò)點的重要原則；最后，開展負(fù)荷恢復(fù)的清零工作。

一旦智能配電網(wǎng)的故障區(qū)域出現(xiàn)在分布式電源的某個區(qū)間，故障以及故障位置鄰近的區(qū)域就會自動跳閘，在進(jìn)行故障恢復(fù)階段，上半電路開關(guān)閉合，上游電量供應(yīng)恢復(fù)，但在下游供電階段，需要制定相應(yīng)的策略來確保穩(wěn)定和可靠的供電。這可能涉及重新配置電源、調(diào)整線路負(fù)荷、優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)等措施。重點是確保下游用戶能夠獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)。在供電恢復(fù)后，需要進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測和調(diào)整，以確保配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。這包括實時監(jiān)測電流、電壓等參數(shù)，并根據(jù)情況進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，以應(yīng)對潛在的問題和故障。

6 基于蟻群算法的配電網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

6.1 蟻群算法簡介

配電網(wǎng)絡(luò)初始化定義配電網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。設(shè)置蟻群算法的參數(shù)，如螞蟻數(shù)量、信息素?fù)]發(fā)速度、信息素更新策略等。為每只螞蟻分配一個隨機的起始節(jié)點，每只螞蟻根據(jù)當(dāng)前位置的信息素濃度和啟發(fā)式信息（例如，線路的阻抗、負(fù)荷等）來選擇下一個要訪問的節(jié)點。信息素濃度高的路徑和啟發(fā)式信息好的路徑被選擇的概率更高。當(dāng)所有螞蟻都完成一次路徑搜索后，評估每只螞蟻找到的路徑[4]。在迭代過程中，記錄并更新找到的最優(yōu)解。輸出最終找到的最優(yōu)配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的性能指標(biāo)。

6.2 求解流程

研究人員通過對蟻群計算研究了智能配電網(wǎng)重構(gòu)的問題，其以負(fù)電荷、變壓器、電源等設(shè)備作為節(jié)點，在此基礎(chǔ)上，配電網(wǎng)絡(luò)能夠自動形成與各個節(jié)點之間產(chǎn)生輻射關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，使線路中經(jīng)蟻群途徑的路面數(shù)量不斷上升，最后以這條線進(jìn)行的食物探索大幅度增加，目前研究中對故障或停電地區(qū)智能配電網(wǎng)供用電恢復(fù)重建的主要過程包括以下內(nèi)容。

首先確定配電網(wǎng)絡(luò)涵蓋的所有節(jié)點與支路，進(jìn)行再次編號，將采集到的原始數(shù)據(jù)信息輸入其中，完成聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)通圖的設(shè)計，并以此操作開關(guān)集。研究中確定螞蟻群的整體數(shù)量是m，則將初始化信息素Tij（0）=const，將Nma確定其中最大的迭代次數(shù)，ρ指的是信息素的揮發(fā)率，β指的是期望的啟發(fā)式因子，Q是信息素強度，α為信息啟發(fā)式因子參數(shù)。

其次是完成整個蟻群的管理，結(jié)合潮流計算對初級網(wǎng)損值fbest=f（0），配網(wǎng)內(nèi)開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)minSw=Sw（0），負(fù)荷平衡minLBsys=LBsys（0），記錄設(shè)計重構(gòu)方案Amax。

結(jié)合潮流計算方式對迭代次數(shù)進(jìn)行初始化，設(shè)定迭代次數(shù)N為0，k=1,2,…,m。

k=k+1，蟻群在路徑上的循環(huán)都要從源頭上分析最便捷的路徑，再將已經(jīng)走過的節(jié)點道路儲存在禁忌表tabuk中，余下的各個節(jié)點則分別儲存在allowedk={C-tabuk}，再通過公式對概率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，，再將每只螞蟻所行走的路徑分配到一個節(jié)點，最終完成整個輻射網(wǎng)絡(luò)的編織，完成m個重構(gòu)策略方案A1,A2,…,Am。

在潮流計算方式下，蟻群中每只螞蟻將配電網(wǎng)重構(gòu)擬定目標(biāo)函數(shù)值f、SW、LBsys；針對符合約束標(biāo)準(zhǔn)條件的，對其中最小值fmin、SWmin、LBsys、min和重構(gòu)方案Amin，最后分析其與目標(biāo)函數(shù)的差異，若低于目標(biāo)函數(shù)則取代初始值，反之，一旦比較數(shù)值超過了目標(biāo)函數(shù)就要及時更新信息素。

迭代次數(shù)N=N+1，分析迭代次數(shù)值與Nma值之間的差異，一旦迭代次數(shù)值較Nma值更低，則又回到上述第四步，反之則進(jìn)入下一步。

以 輸 出 的fbest、sinSbest、LBsysbest和 重 構(gòu) 方 案Abest配電網(wǎng)流程重構(gòu)方案圖，制定配電網(wǎng)的運維計劃，包括定期檢查、維護(hù)保養(yǎng)和故障處理等，確?？煽抗╇?。

綜上所述，本文介紹了配電網(wǎng)自愈的需求、原理、數(shù)字化測量等方面的技術(shù)，并以蟻群算法為例介紹了實現(xiàn)重構(gòu)的這一有效途徑。從我國對能源領(lǐng)域需求量逐漸遞增的態(tài)勢來看，配電網(wǎng)潮流計算的數(shù)量將相應(yīng)增多，智慧配電網(wǎng)成為配電領(lǐng)域的主導(dǎo)方向，而故障自愈科技不僅僅是配電網(wǎng)潮流計算未來發(fā)展的關(guān)鍵，更是配電網(wǎng)實現(xiàn)智能化控制的必備條件。因此，智能配電網(wǎng)的事故后自愈技術(shù)通過增強事故數(shù)據(jù)判斷的準(zhǔn)確性，實現(xiàn)智能控制，能夠保障配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。