智能配电网的自愈能力

  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。 3.1 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，现代将电力负荷分为如下三类[9]： 1) 普通负荷，即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，指几个周波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，指对供电能质量发展要求很严格，出现一周波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必然的联系到对用户的影响，因此，我们根据自愈速度的快慢来量化描述智能 配电网的自愈能力，作为评价智能配电网自愈能力的一项量化指标。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一周波（50Hz 电网是 20 毫秒）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一周波以上、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的自愈恢复，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 3 分钟内即自愈恢复，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。

  配电网自愈功能的实现，依赖一次网架的灵活、合理和综合应用多项技术，当前主要的有关技术有： （1） 馈线自动化技术 目前的馈线自动化技术依赖分段开关顺序重合或配网自动化主站远方遥控来实现，故障隔离与自动恢复供电的 时间在 “分钟级”。在架空线路中，还不可避免地导致故障区段上的用户较长时间停电。 下一步进一步研究采用广域 IP 通信技术，馈线终端之间能够实时交换故障检验测试的数据与控制命令，不依赖主站实 现线路故障的就地隔离与恢复供电，预计可将自愈的时间降低至“秒级”。 （2）配网闭环运行故障隔离技术 配电网闭环运行是指其正常运行时的双端电源供电方式。闭环运行线路分段开关采用断路器，并配备差动保护， 则可在线ms 之内）切除故障，而使非故障线路的供电基本不受影响。这适用于接有重要敏 感负荷的线路。 闭环运行的方式在新加坡普遍采用，而国内配电网均采用开环运行，因此，该项技术目前得不到应用。 （3） 微网技术 微网（Micro Grid）是指接有分布电源（ DER）的配电子系统，是一个预先设计好的供电孤岛，可在主网脱离后 孤立正常运行 [8]。微网应用先进的测控技术、保护技术、电力电子技术，可以灵活地与大电网连接与断开，可在主网 停电时维持其中所有或部分重要用电设备的供电。充分的发挥微网的作用，提高配电网自愈能力，保证供电可靠性。 （4） 柔性配电技术（ DFACTS） 柔性配电技术（DFACTS）是柔流输电（ FACTS）技术在配电网的延伸。 DFACTS 设备包括静止无功发生 器（SVC）、静止同步补偿器（STATCOM）、有源电力滤波器（APF）、动态不停电电源（ UPS）、动态电压恢 复器（ DVR）、固态断路器（ SSCB）、固态负荷转移开关（ SSTS）等。 DFACFS 在提高配电网自愈能力方面具备极其重大的作用。首先，应用 SSCB、 SSTS 能大大的提升故障切除与负荷转 移切换速度，提高自愈速度。而利用 UPS 与 DVR 可以补偿配电网故障切除、隔离期间短时供电中断与电压骤降， 实现无缝自愈，保证重要敏感负荷供电不受影响。此外，作为配电网自愈能力的一部分，应用 SVC、 STATECOM 、 APF 可以消除谐波、电压波动的影响，改善电能质量。 随只能电网研究的不断深入，自愈技术装备将不断研发应用，一次设备如快速断路器、故障电流限制器等； 二次系统如广域测控技术、广域保护、自适应保护等。同时集先进的通信、遥感、仿真分析等技术都是自愈技术的 基础要素。

  对于停电时间超过 3 分钟的，则为不自愈，在供电可靠性指标里统计为停电。这样，自愈速度指标就描述了智 能配电网对 3 分钟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，就 意味着电网装备投入越大，因此针对具体的配电网，要从使用户得到满足负荷要求出发，选择适中的自愈速度。 自愈速度指标也作为评价智能配电网某一馈线或者某一小区网络的自愈能力指标。 3.2 供电自愈率指标 供电自愈率指标用于描述一个区域直至一个城市的配电网对事故隐患与供电故障的自愈恢复能力。在实际工程 中，难以对故障隐患做准确地的监测与统计，为应用方便起见，这里将供电自愈率指标限定为描述故障自愈恢复 能力的指标。 第一个供电自愈率指标是供电故障自愈率，其定义为在统计期（如一年）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 =[∑（每次故障自愈的户数）/∑ （每次故障影响的用户数）]×100% (1) 式中，“每次故障影响的户数”指故障影响区域内线路连接的用户数；而“每次故障自愈的户数”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户数，它是故障影响区域内连接的用户数与实际遭受停电户数 之差。故障通过变电站保护与故障录波装置记录到的故障次数来统计，受影响的用户数根据故障时网络运行结构与 受影响线路连接的用户数来统计；而实际停电户数可通过配电终端和智能电表记录来统计。 另一个供电自愈率指标是用户平均自愈次数，它是每个用户在统计期（如一年）内遭受故障的平均自愈成功的次 数，即 用户平均自愈次数=∑（每次故障自愈的户数）/总用户数 （次 /户.年） （ 2） 供电自愈率与供电可靠性紧密关联。供电故障自愈指标描述了配电网在减少故障停电方面的自愈能力，自愈能力强 的配电网其供电可靠性则高。事实上，供电自愈的效果还与自愈速度有关，自愈速度的快慢必然的联系到对敏感用户 的影响程度。严格地讲，作为评价整个配电网自愈能力的供电自愈率指标还应考虑这一些因素，这有待进一步的研究 完善。

  中明确规定，“ 对供电系统停电时间不超过３分钟的各类操作（如调电操作、开关跳闸后试送成功等）不应视为对用 户停电”。后来颁布的 DL/T836—2003 号文《供电系统用户供电可靠性评价规程》虽然删去了这条款，但在实际操 作中，还是不把短时停电纳入可靠性统计中。而这些短时停电同样会引起用电设备停机或运行不正常，给公司制作 与社会生活带来严重的不良影响。

  “智能电网”具有可靠、优质、高效、兼容、互动等特点，是现代电网的发展趋势，受到了国内外电力业界的高 度关注。自愈能力作为保证电网可靠、优质供电的关键功能，是智能电网技术探讨研究的重点。近年来，总结国际上几 次大停电的经验教训，国内外专家就提高大型输电网的自愈能力，进而提高电网的安全稳定水平进行了大量的研究， 取得了一系列研究成果[1-6]；而对配电网自愈能力的研究相对较少[7,8]。配电网直接面向用户，其自愈能力的高低直接 影响电网对用户的供电质量。本文对智能配电网自愈的基本概念进行阐述，简要介绍实现自愈的有关技术，提出了 评价配电网自愈能力的技术指标，并就我国开展智能配电网的自愈技术探讨研究提出初步意见。

  1.1 自愈概念的提出 自愈的概念最早出自美国电科院（ EPRI）与美国能源部于 1999 年启动的“复杂互动系统”联合研究计划 [1]。后来 美国电科院的“ 智能电网(Intelligrid)” 、美国能源试验室的“现代电网（Modern Grid Initiative）” 研究项目都把自愈作为 主要研究内容 [2,3]，作为保证电网供电质量的核心技术方法，自愈功能是当前智能电网研究的热点内容。 电网的自愈功能(Self Healing)是指其在无需或仅需少量的人为干预的情况下，利用先进的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，及时有效地发现、快速诊断、快速调整或消除故障隐患；在 故障发生时能快速隔离故障、自我恢复，不影响用户的正常供电或将影响降至最小。就像人体的免疫功能一样， 自愈能力使电网能够抵御并缓解各种内外部危害（故障），保证电网的安全稳定运行和用户的供电质量。 输电网主要是采用环网多电源供电结构，其中一个甚至多个元件退出运行，不会影响系统的正常供电。因此，其 自愈功能首先是实现电力设备状态的在线监测，及时有效地发现并排除一些故障隐患，再就是通过快速继电保护切除故障元件； 另一个重点是对系统来进行在线安全评估和预警控制，防止出现电网稳定破坏事故导致的大面积停电。 配电网直接面向用户，一般都会采用辐射性供电方式，其中的任何故障、电能质量扰动都直接影响着对用户的供电 质量，因此配电网中的自愈功能有不一样于输电网的特点。智能配电网自愈功能的作用首先是减少停电时间与停电 次数，特别是避免目前电网大量存在短时停电问题，提高供电质量；其次是优化电能质量，尤其是抑制电压骤降， 提供优质电力；第三是有效抵御攻击，提高电网防灾防破坏能力；第四是为用户更好的提供特定要求的“定制电力”，提高服 务水平。为使自愈的研究内容更有明确的目的性，本文将其限定为解决停电问题的技术，而从对用户的影响与解决方案来 讲，电压骤降与供电停电问题是类似的，因此，也将其列入一并讨论。 需要指出，从自愈功能的含义与技术内容来讲，它并不是一个全新的概念。我们以前熟悉的继电保护与安全自 动装置，都属于自愈功能的范畴。另一方面，自愈是传统继电保护与安全自动装置的发展，内容更丰富、完善， 它的终极目标是为用户更好的提供永不间断的理想电力。自愈技术的研发与推广应用，对于建设智能电网，提高供电质量 具有十分重要的意义。 1． 2当前的供电质量上的问题 智能配电网（ SDG， Smart Distribution Automation ）实现自愈的目的是保证供电质量，提供优质电力。 供电质量是使用户得到满足电力需求的质量[9]。根据目前国家相关标准，供电质量包括供电可靠性和电能质量两个方面。 供电可靠性是指对用户连续供电的可靠程度，其指标是对用户停电时间和次数的统计。据美国能源部的报告“今天的 电力可靠性 99.97%，仍然有停电和中断，每年至少要造成停电损失 1500 亿美元”。我国 2007 年全国平均是 99.88%，每年要造成停电损失又该是多少？！跟着社会经济的发展，停电造成的社会影响将越来越突出。 电能质量是指供应到用户受电端电能的品质，正常的电能质量指标包含电压偏差、频率、电压波动与闪变、谐 波、三相不平衡五个方面，这都有相应的国家标准。当今随着变频调速设备、可编程逻辑控制器等数字化设备和 各种自动生产线、计算机系统的大量应用，电压骤降和短时中断所造成的影响一天比一天突出。电压骤降，根据 IEEE Std.519-1992 的定义，是指供电电压有效值突然降至标称电压的 90%～ 10% (0.9p.u.- 0.1p.u.) , 并持续半个周波至 1 分钟，然后又恢复至正常电压。电压骤降现在国内外虽然还没有统一的定义，但却是危害最大的电能质量上的问题。据 有关统计，在用户电能质量上的问题投诉中，由于电压骤降问题导致的占 80%以上。又据 Leonardo Energy 最近对欧洲 8 个国家的电能质量调查，在工业等领域，电能质量每年大概造成损失超过 150 亿英镑，而其中差不多 60%的损失 是由于电压骤降或短时中断（short interruption）引起的，因此，对电压骤降问题的研究已引起各国的重视。 实际上目前配电网中还存在大量的供电短时停电现象，例如配电线路瞬时性故障时的跳闸与重合闸动作、线路 故障自动隔离与非故障区段恢复供电、变电所备自投装置动作等都会引发用户供电出现数秒到数分钟的停电。这类 短时停电在供电可靠性指标中是不纳入统计的。我国原能源部的[1991]363 号文《供电系统用户供电可靠性统计办法》

  李天友 1 3 徐丙垠 2 4 1 华北电力大学 北京 102206； 2 山东理工大学 山东淄博 255012；3 福建电力公司 福建福州 350003； 4 科汇电力自 动化公司山东淄博 255087； 摘要：文章阐述智能配电网自愈的基本概念，介绍实现自愈的有关技术，研究提出了采用自愈速度和供电自愈率等 指标来评价配电网自愈能力，并就我国开展智能配电网的自愈技术探讨研究提出建议。 关键词：智能配电网 自愈能力 评价指标