智能配電網的自愈能力

0引言:

“智能電網”具有自愈、優質、兼容、互動等特點，是現代電網的發展方向.自愈作為保證電網供電可靠、優質的關鍵功能，是智能電網技術研究的重點。輸電網的自愈能力在總結大停電的經驗教訓基礎上，對提高電網的安全穩定水平進行了大量的研究，取得了一系列研究成果配電網自愈能力的研究相對較少配電網直接面向用戶是控制、保證用戶供電質量的關鍵環節目前用戶停電95%以上是由配電系統原因引起的電網有一半的損耗發生在配電網分布式電源的影響主要在配電網目前配電網的自動化、智能化程度遠低于輸電網1智能配電網自愈的基本概念電網的自愈(SelfHealing)是指其在無需或僅需少量的人為干預的情況下，利用先進的監控手段對電網的運行狀態進行連續的在線自我評估，并采取預防性的控制手段，及時發現、快速診斷、快速調整或消除故障隱患；在故障發生時能夠快速隔離故障、自我恢復，不影響用戶的正常供電或將影響降至最小。自愈是智能電網的核心功能自愈就像人體的免疫功能一樣1.1自愈技術概念的提出自愈的概念最早出自美國電科院（EPRI）與美國能源部于1999年啟動的“復雜互動系統”聯合研究計劃。后來美國電科院的“智能電網Intelligrid”、美國能源試驗室的“現代電網ModernGridInitiative”研究項目都把自愈作為主要研究內容，作為保證電網供電質量的核心技術手段。自愈是傳統繼電保護與安全自動裝置的發展，它的終極目標是為用戶提供永不間斷的理想電力

。1.2智能配電網的自愈功能1）配電網運行的自優化；2）配電網異常、故障的自行診斷、隔離和恢復；3）電能質量的自動優化調整。重點解決停電與電能質量兩方面的問題，即供電質量問題1.3當前供電質量的主要問題

供電質量=供電可靠性+電能質量+(服務質量)1）供電可靠性問題：據美國能源部的報告“今天的電力可靠性99.97%，仍然有停電和中斷，每年至少要造成停電損失1500億美元”。中國2007年全國平均是99.88%，每年要造成停電損失是？！2）電能質量問題：據有關統計，在用戶電能質量問題投訴中，由于電壓驟降原因造成的占80%以上。據LeonardoEnergy最近對歐洲8個國家的電能質量調查，在工業等領域，電能質量每年大概造成損失超過150億英鎊，而其中差不多60%的損失是由于電壓驟降或短時中斷（shortinterruption）引起的。3）短時停電（3分鐘內）問題：目前配網中大量存在。如瞬時性故障時的跳閘與重合閘操作、故障自動隔離與非故障區段恢復供電、變電所備自投裝置動作等都會引起用戶供電出現數秒到數分鐘的停電。短時停電未納入可靠性統計，但同樣會引起用電設備停機或運行不正常研究智能電網驅動力：不在電能的成本，而在于電能不合格的成本!1.4自愈功能作用1)對于輸電網，是環網多電源供電結構，其中一個甚至多個元件退出運行，不會影響系統的正常供電。因此，其自愈功能首先是實現電力設備狀態的在線監測，及時發現并排除故障隱患，再就是通過快速繼電保護切除故障元件；另一個重點內容是對系統進行在線安全評估和預警控制，防止出現電網穩定破壞事故導致的大面積停電。

2)對于配電網，直接面向用戶，一般是輻射性供電，其中任何故障、電能質量擾動都直接影響到用戶，因此配電網的自愈功能作用主要有：一是減少停電時間與停電次數，特別是避免目前電網大量存在短時停電問題，提高供電質量；二是優化電能質量，尤其是抑制電壓驟降，提供優質電力；三是有效抵御攻擊，提高電網防災能力；四是為用戶提供特定要求的“定制電力”，提高服務水平。2智能配電網自愈關鍵技術自愈功能的實現，涉及多項技術的綜合應用。首先一次網架的設計應該更加靈活、合理，并應用快速斷路器、故障電流限制器等新設備；在二次系統中，應用廣域保護、自適應保護就地快速故障隔離，以及實時在線檢測故障并快速自愈操作。同時集先進的通信、遙感、仿真分析等技術都是自愈技術的基礎要素。在此基礎上，有關鍵技術如下：1）饋線自動化技術目前的饋線自動化技術依賴主站遠方遙控來實現，故障隔離與自動恢復供電的時間在30s-60s之間;智能配電網采用廣域IP通信技術，饋線終端之間能夠實時交換故障檢測數據與控制命令，可將自愈的速度提高至“幾秒級”2）配網閉環運行故障隔離技術配電網閉環運行且分段開關采用斷路器，并配備差動保護，則可在線路出現故障時快速（200ms之內）切除故障，而使非故障線路的供電基本不受影響。3）配網廣域測控技術支持同步相量測量、設備在線監測，記錄故障與電能質量擾動數據，提供配網運行數據采集、數據傳輸、分析與管理服務，與用戶端的AMI一起，構成智能配電網的信息交換與集成的基礎設施。4）微網技術微網（MicroGrid）是指接有分布電源（DER）的配電子系統，按預先設計好的供電孤島，可在主網脫離后孤立正常運行。5）柔性配電技術（DFACTS）

這是柔性交流輸電（FACTS）技術在配電網的延伸。其設備包括靜止無功發生器（SVC）、靜止同步補償器（STATCOM）、有源電力濾波器（APF）、動態不停電電源（UPS）、動態電壓恢復器（DVR）、固態斷路器（SSCB）、固態負荷轉移開關（SSTS）等。應用SSCB、SSTS可以提高故障切除與負荷轉移切換速度，提高自愈速度；而利用UPS與DVR可以補償配電網故障切除、隔離期間短時供電中斷與電壓驟降，實現無縫自愈，保證重要敏感負荷供電不受影響。此外，作為配電網自愈能力的一部分，應用SVC、STATECOM、APF可以消除諧波、電壓波動的影響，改善電能質量。3智能配電網自愈能力的評價

科學、量化地評價配電網的自愈能力，是智能配電網自愈功能研究的重要內容，目前國內外還沒有這方面的標準。研究建立一套評價智能配電網自愈能力的指標體系，是十分必要的，該指標體系也將是智能配電網運行管理指標的重要內容。配電網的自愈能力，可從自愈速度與自愈率兩方面來評價。3.1自愈速度指標

根據供電質量波動對用電對象的影響嚴重程度，將電力負荷分為如下三類：1)普通負荷，即基本不受供電質量波動的影響或者所造成的損失較小的電力負荷。如一般照明設備、電加熱等。2)敏感負荷，指幾個周波的供電質量波動會對其造成影響和危害的電力負荷，如可編程控制器、變頻調速裝置等3)嚴格負荷，指對供電能質量要求非常嚴格，出現一周波以上的波動即會對其造成影響和危害的負荷，如集成電路芯片制造流水線、銀行與證券中心的計算機系統等。

可見，自愈速度的快慢直接關系到對用戶的影響，綜合考慮對用戶的影響及其所需要的緩解控制技術，可將自愈速度分為四級：（1）一級自愈速度，也稱為毫秒級自愈，指供電質量波動時間在一周波（50Hz電網是20毫秒）以內的自愈恢復，其作用是讓用戶沒有“感覺”，因此可稱為“無縫自愈”。（2）二級自愈速度，也稱為周波級自愈，指供電質量波動時間在一周波以上、幾十毫秒以內的自愈恢復，對普通負荷和一般敏感負荷基本無影響。（3）三級自愈速度，也稱為秒級自愈，指供電質量波動時間在幾秒鐘內的自愈恢復，對敏感負荷有一定影響，但對普通負荷無影響。（4）四級自愈速度，也稱為分鐘級自愈，指供電質量波動時間在3分鐘內即自愈恢復，雖用戶都“感覺”到停電，但短時間恢復，會影響敏感負荷的正常運行，但對普通負荷基本無影響。對于停電時間超過3分鐘的，則為不自愈。自愈速度也是一個技術經濟指標，自愈速度越快，就意味著電網裝備投入越大，因此針對具體的配電網，要從滿足用戶負荷要求實際出發，選擇適中的自愈速度。自愈速度指標也作為評價智能配電網某一饋線或者某一小區配電網絡的自愈能力指標。3.2供電自愈率指標用于描述一個區域直至一個城市的配電網對事故隱患與供電故障的自愈恢復能力。在實際工程中，難以對故障隱患進行準確地的監測與統計，因此，將供電自愈率指標限定為描述故障自愈恢復能力的指標。3.2.1與供電可靠性關系供電可靠性是指對用戶連續供電的可靠程度，其指標是對用戶停電時間和次數的統計，直接體現了配電網對用戶連續供電的能力。我國原能源部的[1991]363號文《供電系統用戶供電可靠性統計辦法》中明確規定，“對供電系統停電時間不超過３分鐘的各類操作（如調電操作、開關跳閘后試送成功等）不應視為對用戶停電”。后來頒布的DL/T836—2003號文《供電系統用戶供電可靠性評價規程》雖然刪去了這條款，但在實際操作中，還是不把短時停電納入可靠性統計中。英國等國家也是將３分鐘以內的停電不納入統計。3.2.1供電自愈率供電自愈率是描述了配電網在減少故障停電方面的自愈恢復能力，重點是描述電網對3分鐘之內停電的自愈恢復能力，3分鐘以上的停電納入供電可靠性統計。指標如下：第一個供電自愈率指標是供電故障自愈率，其定義為在統計期（如一年）內故障自愈恢復的總用戶數與受故障影響的總用戶數的百分比值，即：供電故障自愈率=[∑（每次故障自愈的戶數）/∑（每次故障影響的用戶數）]×100%(1)式中，“每次故障影響的戶數”指故障影響范圍內線路連接的用戶數；而“每次故障自愈的戶數”指由于配電網自愈操作供電沒受故障影響或經歷短暫停電后恢復供電的戶數，它是故障影響范圍內連接的用戶數與實際遭受停電戶數之差。

另一個供電自愈率指標是用戶平均自愈次數，它是每個用戶在統計期（如一年）內遭受故障的平均自愈成功的次數，即：用戶平均自愈次數=∑（每次故障自愈的戶數）/總用戶數（次/戶.年）（2）事實上，供電自愈的效果還與自愈速度有關，自愈速度的快慢直接關系到對敏感用戶的影響程度。嚴格地講，作為評價整個配電網自愈能力的供電自愈率指標還應考慮這些因素，這有待進一步的研究完善。4、配網自愈技術研究建議在我國：電力用戶遭受停電的時間有95%以上是配電網造成的（扣除發電不足的原因）；造成電能質量問題的主要因素也在配電網。智能配電網代表著未來配電網的發展方向，其自愈功能在于減少停電、提高供電質量、提供優質電力從而帶來顯著的社會經濟效益。因此，結合我國實際開展智能配電網自愈能力的技術研究和應用，具有十分重要的作用和意義！1）要進一步系統研究分析停電造成當今經濟社會的影響，進一步確立以供電可靠性為核心的價值觀；2）要進一步系統研究分析