配电自动化新技术 第十章 智能配电网自愈控制技术
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图10-3 城市电网 自愈控制 架构方案
强壮运行状态
经济发展、用 电性质变化、
负荷变化、运 经济运行状态
健壮 控制
电力负荷及分 行方式变化 布变化
出现电磁环网、运行 显性安全状态
优化 控制 正
常 运
状态变化使得N-1准
预防
行
则被破坏，保护定值
控制
状
不合理
隐性安全状态
态
故障、电压 过低、严重 过负荷、过 负荷持续时
二、配电网仿真与模拟技术
配电网快速仿真和模拟技术(DFSM)是由一系列面向配电 网的实时分析软件组成的分布式智能系统，包括短期负荷预 测(LFM)、应急分析(EAM)、动态安全分析(DSA)、聚合分析 、潮流计算、状态估计等子系统。
另外，根据配电网的固有特点，DFSM还具有：支持多馈 线网络重构(MFR)、电压与无功控制(VVC)、故障定位与隔离 (FLI)、自适应保护方案(SPS)的配电网自愈功能。
三、配电网自愈技术的基本功能
(1) 减少停电时间与次数，尤其是目前电网存在的大量短时间 停电问题，提高供电质量。 (2) 优化电能质量，尤其是抑制电压骤降，提供优质电力。 (3) 有效抵御攻击，提高电网防灾防外部破坏的能力。 (4) 为用户提供特定要求的“定制电力”，提高服务水平。
四、配电网自愈技术的基本条件
10.4 自愈控制技术的评价体系
一、自愈速度指标
自愈速度是是电网自愈能力评价的一项量化指标。分为四级： 1) 一级自愈速度(毫秒级自愈)：供电质量波动时间在1个周期内的
自愈恢复，可称“无缝自愈”。 2) 二级自愈速度(周波级自愈)：供电质量波动时间在1个周期以上
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(秒级自愈)：供电质量波动时间在几秒内自愈恢复
该方法首先定义电网电压、电流、功 率、频率的相关状态函数 f (U,I, P, Q, f)， 然后分别设定在紧急状态、恢复状态、 异常状态、警戒状态下的状态函数范围 限制 fex、fre、f se、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，使城市配电网从现 在状态向一种更好的运行状态转移。
1) 供电故障自愈率。 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)
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
第 10 章
智能配电网 自愈控制技术
10.1 自愈控制技术概述
一、配电网自愈技术基本概念
• 电网的自愈(Self Healing)是指在无需或少需 人为干预的情况下，利用先进监控手段对电 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 时能及时隔离故障、自我恢复，实现快速复 电。
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 故障时维持系统持续运行，不造成系统运行损失 ，通过自治修复功能从故障中恢复能力。
优化状态
正常状态 脆弱状态 故障状态 故障后状态
预防控制 紧急控制
恢复控制
• 电网的自愈控制将电网的运行状态划分五种：
(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，若故 障发生，电网能维持正常运行的状态。
触发储能系统
计算并断开部 分非线性负荷
孤岛异常或扰动确定
潮流优化
孤岛稳定运行
Baidu Nhomakorabea
快速进行预 先定义的校
正控制
与用户互动
严重性分析/结果分析 仿真并进行校正控制
操作人员 决策并控制
操作人员进行负荷需 求侧管理和控制
自动调整 执行慢速/迭 储能系统 代控制算法
执行快速/动 持续调整储 态控制算法 能系统输出
三、快速复电技术
快速复电技术以提高配电网自动化快速复电为目标，以 营配一体化平台为支撑，主要手段为馈线自动化、配电自动 化。要求故障快速报告、诊断、定位、隔离、修复、沟通。
其核心是具有检测和控制配电网系统的馈线 自动化技术。
10.3 自愈控制技术的实现方法
一、基于状态量比较的城市配电网自愈控制方法
• 其次，若发生故障，通过紧急恢复控制和检修维护控制，使 故障后不失去或少失去负荷。
• 若发生电网连锁停电或瘫痪，意味着电网自愈控制失败。
2.原则
在控制逻辑和结构设计上，自愈控制坚持以下原则： (1) 分布自治原则。满足电网的广域性、及时性要求。 (2) 广域协调原则。电网安全的全局性与控制手段的局部性之间 的协调。 (3) 工况适应原则。控制方案要适应工况变化，以测量为基础， 要求工况评价与控制方案具有智能性。
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自愈。
图10-2 基于智能微网和 需求侧管理的
自愈控制流程
电网和重要设备检测 仿真并进行孤岛定义 状态估计/拓扑分析 孤岛异常或扰动预测
网络持续优化
，对普通负荷无影响，对一般敏感负荷有一定影响。 4) 四级自愈速度(分钟级自愈)：供电质量波动时间在3min内自愈
恢复，用户能感觉到“停电”，但短时间内恢复。对普通负荷 基本无影响，对敏感负荷有影响。 5) 对停电时间超过3min的，成为不自愈，在供电可靠性指标中统 计为停电。
二、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之内的停电自愈恢复能力，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：
间过长
紧急状态
过负荷、电压越 线、设备异常、 负荷变化等引起 的电压失稳驱使
异常运行状态
紧急 控制
校正
非
控制
正
常
恢复 控制
运 行 孤岛 状 控制 态
恢复状态
四、基于电力免疫系统的电网自愈控制方法
免疫系统(PIS)是维持电网运行稳定的一种人为培育功能，可 以免除、预防扰动或故障的发生。主要功能有：
(1)免疫防御。预防外界对电网施加的扰动或袭击，及时清除 电网内部扰动。
图10-1 基于状态量比较的城市 配电网自愈控制流程
状态定义
电气采集量
状态函数计算并与 设定值比较
f >fex 否 fre>f >fex 否 fse>f >fre 否
fcr>f >fse 否 f >fcr
否 采用紧 急控制
启动恢 复控制
启动校 正控制
启动预 防控制
二、基于智能微网和需求侧管理的自愈控制方法
电网自愈目标是使得博弈双方收益最大，即不断平衡电网运 行评价指标的变化。
六、基于智能多代理的电网自愈控制方法
智能多代理系统由大量自治软件或硬件实体组成。每个单代 理有自己的输入输出数据通道，虽没有系统全局控制，但存在代 理间的协调，以解决代理间的决策冲突。代理决策过程是异步的 。 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。
免疫答应分为固有免疫答应与适应性免疫答应两种。 (1)固有免疫答应能对一般是电网自愈控制的基础。对一 般的、特定扰动反应，在本地清除扰动。 (2)适应性免疫答应具有扰动适应性、智能性和学习性， 需要更多高级软件和先进算法的支持。
五、基于序贯博弈的电网自愈控制方法
电网的实时运行可以看作扰动与自愈控制系统之间的博弈。 若某个博弈过程分多个阶段，且博弈方的决策有先后，后行动的 一方可以观察到对方已进行的策略，则称其为序贯博弈。
基本原则：保证配电网络安全可靠运行及不间断供电。 目的：实现大规模配电网自愈控制。 广域测控技术主要应用于以下领域：
1) 运行监视与控制，即传统的SCADA应用； 2) 故障测距与定位，故障自动隔离与恢复； 3) 电压无功优化控制； 4) 电能质量检测与调节； 5) DFACTS控制； 6) 分布式电源孤岛保护与控制； 7) 分布式电源调度。
(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。快速性。 (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。
二、配电网自愈技术的主要目标、原则和意义
1.目标
• 首先通过配电网运行优化和预防校正控制，避免故障发生；
3.配电网自愈技术意义
(1) 有效解决以下需求： 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) 分布式电压大量接入配电网； (2) 成为预防和避免大停电事故的有效控制手段。 1) 增强对电力系统运行状态和条件识别； 2) 丰富决策支持手段； 3) 避免稳定运行超出系统极限； 4) 及时控制；正确设置保护。
(2) 脆弱状态：若发生故障，即使保护和控制装置的局部功能执行， 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。
• 智能配电网的自愈控制包括四种基本控制：
(2)免疫监视。监视电网运行中发生的各种突变，及时反应。 (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，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予以清除。 (4)调节功能。PIS自动参与调节和其他系统之间的关系，通 过自身动态调节，不断适应整个电力系统。
孤岛设定 点补偿
确定储能充电 时间和间隔
同步控制并合上跳 闸孤岛断路器
合上已断开的非线 性负荷断路器
储能系统充电
三、基于协调控制模式的自愈控制方法
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 略的产生具有适应性，自动完成控制过程，协调继电保护装置、 各自动调节装置及参数智能控制。
优点：对于负荷 变化等扰动具有很强 的适应能力、具有较 高的一体化与智能决 策、自治性与协调性 、冗余性与可靠性、 经济型与适应性。
(1) 具备各种智能化开关设备和配电终端设备。并 具有选择性、适应的具有“四遥”功能。
(2) 配电网系统中具有双电源或多电源，具有灵活 可靠的拓扑结构。
(3) 具备可靠的运行网络，通信速度快，信息处理 能力强。
(4) 自动化处理软件系统。
10.2 自愈控制的关键技术
一、广域测控技术
配电网广域测控技术是智能电网实现全局监视、全局控制 、优化运行、自愈控制的重要途径，能够全面的面向灵活的拓 扑结构，允许多种分布式电源接入，满足高水平供电质量要求 。
• 配电网自愈能力是配电网自我预防、自我恢复的能力 ，来源于对重要参数的检测和有效控制策略。
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、恢复实现的。
• 实际运行中，配电网自愈具有三种能力：
① 正常运行时，有选择、有目的地进行优化控制， 改善电网运行性能，提高稳定裕度和抵御干扰的能 力。
强壮运行状态
经济发展、用 电性质变化、
负荷变化、运 经济运行状态
健壮 控制
电力负荷及分 行方式变化 布变化
出现电磁环网、运行 显性安全状态
优化 控制 正
常 运
状态变化使得N-1准
预防
行
则被破坏，保护定值
控制
状
不合理
隐性安全状态
态
故障、电压 过低、严重 过负荷、过 负荷持续时
二、配电网仿真与模拟技术
配电网快速仿真和模拟技术(DFSM)是由一系列面向配电 网的实时分析软件组成的分布式智能系统，包括短期负荷预 测(LFM)、应急分析(EAM)、动态安全分析(DSA)、聚合分析 、潮流计算、状态估计等子系统。
另外，根据配电网的固有特点，DFSM还具有：支持多馈 线网络重构(MFR)、电压与无功控制(VVC)、故障定位与隔离 (FLI)、自适应保护方案(SPS)的配电网自愈功能。
三、配电网自愈技术的基本功能
(1) 减少停电时间与次数，尤其是目前电网存在的大量短时间 停电问题，提高供电质量。 (2) 优化电能质量，尤其是抑制电压骤降，提供优质电力。 (3) 有效抵御攻击，提高电网防灾防外部破坏的能力。 (4) 为用户提供特定要求的“定制电力”，提高服务水平。
四、配电网自愈技术的基本条件
10.4 自愈控制技术的评价体系
一、自愈速度指标
自愈速度是是电网自愈能力评价的一项量化指标。分为四级： 1) 一级自愈速度(毫秒级自愈)：供电质量波动时间在1个周期内的
自愈恢复，可称“无缝自愈”。 2) 二级自愈速度(周波级自愈)：供电质量波动时间在1个周期以上
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(秒级自愈)：供电质量波动时间在几秒内自愈恢复
该方法首先定义电网电压、电流、功 率、频率的相关状态函数 f (U,I, P, Q, f)， 然后分别设定在紧急状态、恢复状态、 异常状态、警戒状态下的状态函数范围 限制 fex、fre、f se、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，使城市配电网从现 在状态向一种更好的运行状态转移。
1) 供电故障自愈率。 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)
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
第 10 章
智能配电网 自愈控制技术
10.1 自愈控制技术概述
一、配电网自愈技术基本概念
• 电网的自愈(Self Healing)是指在无需或少需 人为干预的情况下，利用先进监控手段对电 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 时能及时隔离故障、自我恢复，实现快速复 电。
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 故障时维持系统持续运行，不造成系统运行损失 ，通过自治修复功能从故障中恢复能力。
优化状态
正常状态 脆弱状态 故障状态 故障后状态
预防控制 紧急控制
恢复控制
• 电网的自愈控制将电网的运行状态划分五种：
(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，若故 障发生，电网能维持正常运行的状态。
触发储能系统
计算并断开部 分非线性负荷
孤岛异常或扰动确定
潮流优化
孤岛稳定运行
Baidu Nhomakorabea
快速进行预 先定义的校
正控制
与用户互动
严重性分析/结果分析 仿真并进行校正控制
操作人员 决策并控制
操作人员进行负荷需 求侧管理和控制
自动调整 执行慢速/迭 储能系统 代控制算法
执行快速/动 持续调整储 态控制算法 能系统输出
三、快速复电技术
快速复电技术以提高配电网自动化快速复电为目标，以 营配一体化平台为支撑，主要手段为馈线自动化、配电自动 化。要求故障快速报告、诊断、定位、隔离、修复、沟通。
其核心是具有检测和控制配电网系统的馈线 自动化技术。
10.3 自愈控制技术的实现方法
一、基于状态量比较的城市配电网自愈控制方法
• 其次，若发生故障，通过紧急恢复控制和检修维护控制，使 故障后不失去或少失去负荷。
• 若发生电网连锁停电或瘫痪，意味着电网自愈控制失败。
2.原则
在控制逻辑和结构设计上，自愈控制坚持以下原则： (1) 分布自治原则。满足电网的广域性、及时性要求。 (2) 广域协调原则。电网安全的全局性与控制手段的局部性之间 的协调。 (3) 工况适应原则。控制方案要适应工况变化，以测量为基础， 要求工况评价与控制方案具有智能性。
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自愈。
图10-2 基于智能微网和 需求侧管理的
自愈控制流程
电网和重要设备检测 仿真并进行孤岛定义 状态估计/拓扑分析 孤岛异常或扰动预测
网络持续优化
，对普通负荷无影响，对一般敏感负荷有一定影响。 4) 四级自愈速度(分钟级自愈)：供电质量波动时间在3min内自愈
恢复，用户能感觉到“停电”，但短时间内恢复。对普通负荷 基本无影响，对敏感负荷有影响。 5) 对停电时间超过3min的，成为不自愈，在供电可靠性指标中统 计为停电。
二、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之内的停电自愈恢复能力，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：
间过长
紧急状态
过负荷、电压越 线、设备异常、 负荷变化等引起 的电压失稳驱使
异常运行状态
紧急 控制
校正
非
控制
正
常
恢复 控制
运 行 孤岛 状 控制 态
恢复状态
四、基于电力免疫系统的电网自愈控制方法
免疫系统(PIS)是维持电网运行稳定的一种人为培育功能，可 以免除、预防扰动或故障的发生。主要功能有：
(1)免疫防御。预防外界对电网施加的扰动或袭击，及时清除 电网内部扰动。
图10-1 基于状态量比较的城市 配电网自愈控制流程
状态定义
电气采集量
状态函数计算并与 设定值比较
f >fex 否 fre>f >fex 否 fse>f >fre 否
fcr>f >fse 否 f >fcr
否 采用紧 急控制
启动恢 复控制
启动校 正控制
启动预 防控制
二、基于智能微网和需求侧管理的自愈控制方法
电网自愈目标是使得博弈双方收益最大，即不断平衡电网运 行评价指标的变化。
六、基于智能多代理的电网自愈控制方法
智能多代理系统由大量自治软件或硬件实体组成。每个单代 理有自己的输入输出数据通道，虽没有系统全局控制，但存在代 理间的协调，以解决代理间的决策冲突。代理决策过程是异步的 。 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。
免疫答应分为固有免疫答应与适应性免疫答应两种。 (1)固有免疫答应能对一般是电网自愈控制的基础。对一 般的、特定扰动反应，在本地清除扰动。 (2)适应性免疫答应具有扰动适应性、智能性和学习性， 需要更多高级软件和先进算法的支持。
五、基于序贯博弈的电网自愈控制方法
电网的实时运行可以看作扰动与自愈控制系统之间的博弈。 若某个博弈过程分多个阶段，且博弈方的决策有先后，后行动的 一方可以观察到对方已进行的策略，则称其为序贯博弈。
基本原则：保证配电网络安全可靠运行及不间断供电。 目的：实现大规模配电网自愈控制。 广域测控技术主要应用于以下领域：
1) 运行监视与控制，即传统的SCADA应用； 2) 故障测距与定位，故障自动隔离与恢复； 3) 电压无功优化控制； 4) 电能质量检测与调节； 5) DFACTS控制； 6) 分布式电源孤岛保护与控制； 7) 分布式电源调度。
(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。快速性。 (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。
二、配电网自愈技术的主要目标、原则和意义
1.目标
• 首先通过配电网运行优化和预防校正控制，避免故障发生；
3.配电网自愈技术意义
(1) 有效解决以下需求： 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) 分布式电压大量接入配电网； (2) 成为预防和避免大停电事故的有效控制手段。 1) 增强对电力系统运行状态和条件识别； 2) 丰富决策支持手段； 3) 避免稳定运行超出系统极限； 4) 及时控制；正确设置保护。
(2) 脆弱状态：若发生故障，即使保护和控制装置的局部功能执行， 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。
• 智能配电网的自愈控制包括四种基本控制：
(2)免疫监视。监视电网运行中发生的各种突变，及时反应。 (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，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予以清除。 (4)调节功能。PIS自动参与调节和其他系统之间的关系，通 过自身动态调节，不断适应整个电力系统。
孤岛设定 点补偿
确定储能充电 时间和间隔
同步控制并合上跳 闸孤岛断路器
合上已断开的非线 性负荷断路器
储能系统充电
三、基于协调控制模式的自愈控制方法
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 略的产生具有适应性，自动完成控制过程，协调继电保护装置、 各自动调节装置及参数智能控制。
优点：对于负荷 变化等扰动具有很强 的适应能力、具有较 高的一体化与智能决 策、自治性与协调性 、冗余性与可靠性、 经济型与适应性。
(1) 具备各种智能化开关设备和配电终端设备。并 具有选择性、适应的具有“四遥”功能。
(2) 配电网系统中具有双电源或多电源，具有灵活 可靠的拓扑结构。
(3) 具备可靠的运行网络，通信速度快，信息处理 能力强。
(4) 自动化处理软件系统。
10.2 自愈控制的关键技术
一、广域测控技术
配电网广域测控技术是智能电网实现全局监视、全局控制 、优化运行、自愈控制的重要途径，能够全面的面向灵活的拓 扑结构，允许多种分布式电源接入，满足高水平供电质量要求 。
• 配电网自愈能力是配电网自我预防、自我恢复的能力 ，来源于对重要参数的检测和有效控制策略。
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、恢复实现的。
• 实际运行中，配电网自愈具有三种能力：
① 正常运行时，有选择、有目的地进行优化控制， 改善电网运行性能，提高稳定裕度和抵御干扰的能 力。