配電網自愈控制方法
2023-06-23 17:09:51
專利名稱：配電網自愈控制方法
技術領域：
本發明涉及一種配電網安全、可靠、優質、經濟運行的控制方法，屬於電力系統理 論、控制理論和人工智慧的交叉技術應用領域。
背景技術：
配電網是聯繫電力負荷與大電網的中間環節，在我國典型的電壓等級為 10/6/20kV，社會生產生活水平的提高要求配電網具有更高的供電安全性與可靠性。配電網 中分支和級聯開關多、運行方式靈活、中性點不直接接地、多種能源形勢的小容量分布式電 源多點接入、負荷和分布式電源出力具有很強的不確定性、三相不平衡、故障率高、量測點 覆蓋率低，這些特點使得配電網的控制非常困難，其控制水平遠落後於輸電網。目前，配電網中只實現了簡單的保護和控制功能，當配電網中發生故障時，通過安 裝在饋線首端的繼電保護裝置切除故障，一些饋線中裝有負荷開關和饋線終端單元，每個 饋線終端單元及時採集流過負荷開關的電流、電壓及開關狀態等信號，並通過通訊網絡上 送到主站計算機，主站計算機根據饋線終端單元上傳的數據判斷出故障發生的區域，然後 通過遙控指令，由饋線終端單元執行相應的負荷開關分合閘操作，將故障區隔離、恢復無故 障區域的供電，以縮小停電區域。正常時，對配電網的運行狀態進行優化，但由於以一個時 間斷面的數據為基礎進行靜態網絡重構，未考慮負荷、分布式電源出力的變化趨勢，無法獲 得優化效果，並且沒有發揮分布式電源/微網/儲能裝置的作用。目前實現的配電網控制 中，缺乏從絕緣缺陷到發生單相接地故障、以及發展為相間短路過程的預警監測、分析與控 制。與傳統控制模式相比，自愈控制技術具有自治性、智能性、適應性、協調性、主動 性和社會性等優良特徵，使被控對象具備很強的自我癒合、自我防治、自我免疫能力，因此 在通訊、網絡等領域中紛紛提出了自愈控制方案，目前自愈控制在電網中的應用只針對於 35kV以上電網。為了防止出現大面積停電，在被中斷供電後，配電網要有自我恢復供電的能 力，要求開展配電網規劃和改造工作，建成堅強的配電網，提高供電能力和可靠性，確保電 網安全穩定運行，滿足社會經濟發展及人民生活水平不斷提高的要求。因此，需要研究並實 現配電網的一次系統、二次系統、通訊網和自動化的有效集成與協調控制。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種配電網自愈控制方法，通過採集電壓、電流、 開關狀態等數據，判斷配電網當前所處的運行狀態，並運用智能方法進行決策，對開關、保 護控制裝置、安全自動裝置等進行協調控制，實現配電網始終向更健康狀態轉移，提高配電 網供電安全性、可靠性、優質性和經濟性，增強應急能力的目標。技術方案配電網的自愈控制通過對配電網狀態的自動辨識，並根據實際條件進 行控制決策，統一協調智能開關、保護控制裝置、安全自動裝置等控制設備與配電網集中控 制主站計算機，形成分布控制與集中控制、局部控制與全局控制相協調的控制模式。為此，本發明完整定義了配電網的運行狀態、以及各種狀態與相應控制之間的關係。本發明的配電網自愈控制方法採用集中與分布協調的控制模式，信號的處理和控 制策略的生成具有自適應性，在無人工幹預條件下自動完成控制過程，協調繼電保護裝置 與保護控制裝置、開關與智能開關、安全自動裝置的動作行為，包括分布自愈控制和集中自 愈控制兩步，具體步驟如下1)分布自愈控制步驟電壓電流互感器分別將配電網的電壓、電流變換為弱電或 光信號，保護控制裝置與繼電保護裝置接收到變換後的電壓、電流信號後與保護整定值進 行比較，超過動作啟動值時觸發繼電器將開關分閘，同時保護控制裝置根據電壓電流信號 確定故障區段、單相接地和絕緣下降設備，並觸發繼電器斷開與故障區段相連的開關，然後 搜索併合閘一個與非故障區段相連且另一端具有正常電壓信號的開關，變電站的備自投裝 置接收到變換後的電壓、電流信號和開關狀態後與動作閥值比較，滿足動作條件時觸發繼 電器合上分段開關，所有變換後電壓、電流信號、單相接地和絕緣下降信號、保護控制裝置 和備自投裝置的動作情況、動作前後開關的狀態以報文方式通過遠程測控終端和電力通訊 網絡傳送給主站計算機；2)集中自愈控制步驟主站前置機接收到報文後對信號進行解析還原，並進行濾 波處理，過濾錯誤信息後將信號傳遞給主站伺服器，同時通過電力通訊網絡將收到的主站 伺服器控制命令信號發送給遠程測控終端執行相應的控制操作；主站伺服器將接收到的電壓電流與正常電壓電流值進行比較、並進行網絡拓撲連 通性檢查，若負荷處的電壓電流不在正常值範圍內、且與電源不連通時，搜索與該負荷所在 區段相連且另一端具有正常電壓信號的開關，計算比較這些開關所連的正常供電區段的功 率儲備，得到功率儲備大於負荷且操作開關最少的供電方式，如果沒有可行的供電方式能 恢復對所有負荷的供電則根據負荷的重要性進行排序，將大於功率儲備且重要性低的負荷 確定為停電負荷，若負荷的電源中只有分布式電源，則生成切機、切負荷方案，並按遙控報 文格式組織開關動作的控制信號，發送給主站前置機；主站伺服器接收到單相接地或絕緣下降信號時，設置單相接地和絕緣下降區段退 出，計算配電網各種運行方式和無功補償方式下的電壓分布、電流分布、以及負荷增長時的 臨界電壓，與正常電壓電流值進行比較，過濾得到電壓和電流都沒有超出正常運行範圍的 配電網運行方式，然後將當前負荷下配電網的臨界電壓與同樣運行方式下負荷增長時的臨 界電壓進行比較，選出安全裕度最大的配電網運行方式，進一步得出當前運行方式轉變為 該運行方式需要進行的開關操作、電容器投切情況，以及操作順序，並按遙控報文格式組織 控制信號，發送給主站前置機；主站伺服器分別設置各設備退出運行，計算配電網的電壓電流分布，並與正常電 壓電流值進行比較，如果均不超出正常運行範圍，則對歷史負荷和分布式電源出力進行延 拓處理，分別得出負荷和分布式電源出力的變化趨勢，然後結合接收到的當前電壓、電流、 開關狀態信號對配電網各種運行方式下的網損進行計算、比較，得到網損最小的運行方式 以及由當前運行方式轉變為網損最小運行方式所需要進行的操作，進一步根據新的運行方 式、負荷與分布式電源出力的變化趨勢，計算無功潮流和功率因數，改變無功電源出力重新 計算，直到配電網的無功潮流減小、功率因數增大且大於功率因數限值、網損減小時確定為 無功補償設備的運行狀態，最後按遙控報文格式組織開關操作命令信號，發送給主站前置機；主站伺服器利用接收到的歷史電壓電流信號、預測負荷數據、預測分布式電源出 力和電網結構對配電網進行評估，比較負荷變化前後各種運行方式下的功率分布和電壓的 變化情況，輸出當前配電網結構、有功電源或無功電源不能滿足負荷及其變化的情況，以及 調整配電網結構、有功電源或無功電源的策略；其中生成切機、切負荷方案的方法為主站伺服器利用接收到的孤島內的頻率、電 壓、電流信號進行功率平衡計算，孤島內電源能發出的總功率小於總負荷時根據負荷的重 要性進行排序，將大於電源功率且重要性低的負荷確定為停電負荷，如果發電機出力遠大 於總負荷則根據發電機的出力進行排序，出力大小與功率差額最接近的發電機確定為停發 機組；在孤島內功率平衡基礎上逐步增大孤島內的負荷功率，計算各種功率情況下孤島的 臨界電壓，將當前運行情況與臨界電壓進行比較，存在電壓失穩趨勢時對最接近臨界電壓 處的電容器、發電機和負荷進行控制，使孤島內不發生電壓失穩現象。有益效果本方案將自愈控制技術應用到配電網，採用集中與分布協調的自愈控 制方法可以得到如下的效果1、智能化決策本方案根據各種裝置與主站、配電網的網絡結構與運行特點，採用與其相適應的 智能方法進行決策，使整個控制決策與控制過程智能化。2、自治與協調統一本方案中各種裝置具有一定的自治性，在沒有接到主站命令時自主進行控制，同 時也能根據主站的控制信號進行操作，各種控制具有一定的自治性，各自在相應的觸發條 件下進行決策與控制，並由總體控制進行協調，保證配電網各部分之間的協調性。3、適應能力強本方案能在各種情況下對配電網進行控制，適應能力強。在緊急情況下確保負荷 的正常供電，在現有條件下不能保證所有負荷的供電時優先對重要負荷進行供電，能利用 中性點不接地的特點支撐配電網持續供電，在配電網能夠安全正常供電時儘量提高供電的 經濟性和對負荷的適應性。4、綜合控制效果顯著採用本方案進行控制，可以充分發揮分布式電源/微網/儲能裝置的作用，縮小停 電範圍，減少用戶停電次數，縮短停電時間，優化網絡運行方式，降低電能損耗，提高配電設 備的利用率。
圖1是配電網自愈控制方案的框架結構示意圖。圖2是配電網自愈控制試驗線路結構圖。
具體實施例方式配電網自愈控制方案是根據配電網當前所處的運行狀態進行控制，使其達到一種 更健康的運行狀態，從而保證配電網的安全、可靠、優質、經濟運行。具體的控制過程如下1)分布自愈控制的實施過程電壓電流互感器分別將配電網的電壓、電流變換為弱電或光信號，保護控制裝置與繼電保護裝置接收到變換後的電壓、電流信號後與保護整 定值進行比較，超過動作啟動值如豐富線電流I段定值為3A、採集到的K103開關處電流 為5. 7A時觸發繼電器將K103分閘以切除故障；重合閘合上跳開的K103開關，此時檢測到 K103開關處的電流仍為5. 7A，重合閘再次跳開剛合上的K103開關，此次重合失敗；保護控 制裝置根據電壓電流信號確定故障區段、單相接地和絕緣下降設備，並觸發繼電器斷開與 故障區段相連的開關，然後搜索併合閘一個與非故障區段相連且另一端具有正常電壓信號 的開關，如斷開Kill、K112、K115開關，合上K103、K113開關，變電站的備自投裝置接收到 變換後的電壓、電流信號和開關狀態後與動作閥值比較，滿足動作條件如岔路IOkVI段母 線電壓為0. OkV、岔路IOkVII段母線電壓為10. 37kV、岔路IOkV分段開關Kl 10的運行狀態 為斷開時觸發繼電器合上此時的備用電源開關，即K110，所有變換後電壓、電流信號、單相 接地和絕緣下降信號、保護控制裝置和備自投裝置的動作情況、動作前後開關的狀態以報 文方式通過遠程測控終端和電力通訊網絡傳送給主站計算機；2)集中自愈控制的實施過程主站前置機接收到報文後對信號進行解析還原，並 進行濾波處理，如採集到線路段L2電壓為1. 2kV、處理後為0. OkV,過濾錯誤信息後將信號 傳遞給主站伺服器；主站伺服器將接收到的電壓電流與正常電壓電流值進行比較、並進行網絡拓撲連 通性檢查，若負荷處的電壓電流不在正常值範圍內、且與電源不連通時確定為失電負荷，如 線路段L2電壓為0. OkV,小於正常電壓9. 5kV，且線路段L2與電源的連接通路被切斷，則 確定該區段為失電負荷，搜索與該負荷所在區段相連且另一端具有正常電壓信號的開關如 K113，計算比較這些開關所連的正常供電區段的功率儲備，得到功率儲備大於負荷且操作 開關最少的供電方式，如果沒有可行的供電方式能恢復對所有負荷的供電則根據負荷的重 要性進行排序，將大於功率儲備且重要性低的負荷確定為停電負荷，從而得出非故障的失 電負荷的恢復供電方案，如連接到線路段L2的負荷恢復供電的方案為K112開關分閘、K113 開關合閘，若負荷的電源中只有分布式電源時確定為供電孤島，如只有DGl為學苑線的負 荷供電，這些負荷與DGl及其相互之間的連接組成一個供電孤島，則生成切機、切負荷方 案，如學苑線的所有負荷之和為5. 2MW，大於DGl最大出力3MW，孤島內的有功功率不平衡， 經過排序，線路段L4的負荷重要性最低，輸出的切負荷方案為切除線路段L4的負荷，並斷 開K211開關、合上K212開關，然後按遙控報文格式組織開關動作的控制信號，發送給主站 前置機；主站伺服器接收到單相接地或絕緣下降信號如線路段L3絕緣下降時，設置單相 接地和絕緣下降區段如線路段L3退出，計算配電網各種運行方式和無功補償方式下的電 壓分布、電流分布、以及負荷增長如將高新線總負荷從5. 4MW按0. 1麗的步長逐步增大到 20麗時的臨界電壓，與正常電壓電流值進行比較，過濾得到電壓和電流都沒有超出正常運 行範圍的配電網運行方式，然後將當前負荷下配電網的臨界電壓如東山IOkVI段母線電壓 為10. 07kV與同樣運行方式下負荷增長時的臨界電壓如東山IOkVI段母線電壓為6. 9kV、電 壓和電流的正常運行範圍如IOkV母線電壓為9. 5 10. 7kV進行比較，選出安全裕度最大 的配電網運行方式如線路段L2和L3的負荷由方山IOkVI段母線供電，並投入電容器Cl，進 一步得出當前運行方式轉變為該運行方式需要進行的開關操作、電容器投切情況，以及操 作順序，如K112開關分閘、K113開關合閘、K212開關合閘、K312開關分閘，並按遙控報文格式組織控制信號，發送給主站前置機；主站伺服器分別設置各設備退出運行，計算配電網的電壓電流分布，並與正常電 壓電流值進行比較，如果均不超出正常運行範圍，則對歷史負荷和分布式電源出力進行延 拓處理，分別得出負荷和分布式電源出力的變化趨勢，然後結合接收到的當前電壓、電流、 開關狀態信號對配電網各種運行方式下的網損進行計算、比較，得到網損最小的運行方式 以及由當前運行方式轉變為網損最小運行方式所需要進行的操作，如合上K113開關、斷開 K312開關，進一步根據新的運行方式、負荷與分布式電源出力的變化趨勢，計算無功潮流和 功率因數，改變無功電源出力重新計算，直到配電網的無功潮流減小、功率因數增大且大於 功率因數限值、網損減小時確定為無功補償設備的運行狀態，如投入電容器Cl，最後按遙控 報文格式組織開關操作命令信號，發送給主站前置機；主站伺服器利用接收到的歷史電壓電流信號、預測負荷數據、預測分布式電源出 力和電網結構對配電網進行評估，比較負荷變化前後各種運行方式下的功率分布和電壓的 變化情況，輸出當前配電網結構、有功電源或無功電源不能滿足負荷及其變化的情況，如漓 江線的負荷增長到17MW後其電壓嚴重下降，然後列出調整配電網結構、有功電源或無功電 源的策略，如在灕江線上加裝電容器、並與學苑線之間建立聯絡線；主站前置機通過電力通訊網絡將收到的主站伺服器控制命令信號發送給遠程測 控終端執行相應的控制操作。
權利要求
1. 一種配電網自愈控制方法，其特徵在於採用集中與分布協調的配電網自愈控制方 法，信號的處理和控制策略的生成具有自適應性，在無人工幹預條件下自動完成控制過程， 協調繼電保護裝置與保護控制裝置、開關與智能開關、安全自動裝置的動作行為，包括分布 自愈控制和集中自愈控制兩步，具體步驟如下1)分布自愈控制步驟電壓電流互感器分別將配電網的電壓、電流變換為弱電或光信 號，保護控制裝置與繼電保護裝置接收到變換後的電壓、電流信號後與保護整定值進行比 較，超過動作啟動值時觸發繼電器將開關分閘，同時保護控制裝置根據電壓電流信號確定 故障區段、單相接地和絕緣下降設備，並觸發繼電器斷開與故障區段相連的開關，然後搜索 併合閘一個與非故障區段相連且另一端具有正常電壓信號的開關，變電站的備自投裝置接 收到變換後的電壓、電流信號和開關狀態後與動作閥值比較，滿足動作條件時觸發繼電器 合上分段開關，所有變換後電壓、電流信號、單相接地和絕緣下降信號、保護控制裝置和備 自投裝置的動作情況、動作前後開關的狀態以報文方式通過遠程測控終端和電力通訊網絡 傳送給主站計算機；2)集中自愈控制步驟主站前置機接收到報文後對信號進行解析還原，並進行濾波處 理，過濾錯誤信息後將信號傳遞給主站伺服器，同時通過電力通訊網絡將收到的主站服務 器控制命令信號發送給遠程測控終端執行相應的控制操作；主站伺服器將接收到的電壓電流與正常電壓電流值進行比較、並進行網絡拓撲連通性 檢查，若負荷處的電壓電流不在正常值範圍內、且與電源不連通時，搜索與該負荷所在區段 相連且另一端具有正常電壓信號的開關，計算比較這些開關所連的正常供電區段的功率儲 備，得到功率儲備大於負荷且操作開關最少的供電方式，如果沒有可行的供電方式能恢復 對所有負荷的供電則根據負荷的重要性進行排序，將大於功率儲備且重要性低的負荷確定 為停電負荷，若負荷的電源中只有分布式電源，則生成切機、切負荷方案，並按遙控報文格 式組織開關動作的控制信號，發送給主站前置機；主站伺服器接收到單相接地或絕緣下降信號時，設置單相接地和絕緣下降區段退出， 計算配電網各種運行方式和無功補償方式下的電壓分布、電流分布、以及負荷增長時的臨 界電壓，與正常電壓電流值進行比較，過濾得到電壓和電流都沒有超出正常運行範圍的配 電網運行方式，然後將當前負荷下配電網的臨界電壓與同樣運行方式下負荷增長時的臨界 電壓進行比較，選出安全裕度最大的配電網運行方式，進一步得出當前運行方式轉變為該 運行方式需要進行的開關操作、電容器投切情況，以及操作順序，並按遙控報文格式組織控 制信號，發送給主站前置機；主站伺服器分別設置各設備退出運行，計算配電網的電壓電流分布，並與正常電壓電 流值進行比較，如果均不超出正常運行範圍，則對歷史負荷和分布式電源出力進行延拓處 理，分別得出負荷和分布式電源出力的變化趨勢，然後結合接收到的當前電壓、電流、開關 狀態信號對配電網各種運行方式下的網損進行計算、比較，得到網損最小的運行方式以及 由當前運行方式轉變為網損最小運行方式所需要進行的操作，進一步根據新的運行方式、 負荷與分布式電源出力的變化趨勢，計算無功潮流和功率因數，改變無功電源出力重新計 算，直到配電網的無功潮流減小、功率因數增大且大於功率因數限值、網損減小時確定為 無功補償設備的運行狀態，最後按遙控報文格式組織開關操作命令信號，發送給主站前置 機；主站伺服器利用接收到的歷史電壓電流信號、預測負荷數據、預測分布式電源出力和 電網結構對配電網進行評估，比較負荷變化前後各種運行方式下的功率分布和電壓的變化 情況，輸出當前配電網結構、有功電源或無功電源不能滿足負荷及其變化的情況，以及調整 配電網結構、有功電源或無功電源的策略；
2.根據權利要求1所述的配電網自愈控制方法，其特徵在於所述生成切機、切負荷方 案的方法為主站伺服器利用接收到的孤島內的頻率、電壓、電流信號進行功率平衡計算，孤 島內電源能發出的總功率小於總負荷時根據負荷的重要性進行排序，將大於電源功率且重 要性低的負荷確定為停電負荷，如果發電機出力遠大於總負荷則根據發電機的出力進行排 序，出力大小與功率差額最接近的發電機確定為停發機組；在孤島內功率平衡基礎上逐步 增大孤島內的負荷功率，計算各種功率情況下孤島的臨界電壓，將當前運行情況與臨界電 壓進行比較，存在電壓失穩趨勢時對最接近臨界電壓處的電容器、發電機和負荷進行控制， 使孤島內不發生電壓失穩現象。
全文摘要
配電網自愈控制方法採用集中與分布協調的配電網自愈控制方法，信號的處理和控制策略的生成具有自適應性，在無人工幹預條件下自動完成控制過程，協調繼電保護裝置與保護控制裝置、開關與智能開關、安全自動裝置的動作行為，包括分布自愈控制和集中自愈控制兩步，通過採集電壓、電流、開關狀態等數據，判斷配電網當前所處的運行狀態，並運用智能方法進行決策，對開關、保護控制裝置、安全自動裝置等進行協調控制，實現配電網始終向更健康狀態轉移，提高配電網供電安全性、可靠性、優質性和經濟性，增強應急能力的目標。
文檔編號H02J13/00GK102088209SQ20111006152
公開日2011年6月8日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者餘昆, 陳星鶯 申請人:河海大學