廖環(huán)宇，吳勝華

(南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210032)

一種新型智能電網(wǎng)體系架構研究

廖環(huán)宇，吳勝華

(南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210032)

近年來，智能電網(wǎng)受到廣泛關注。提出了一種實現(xiàn)智能電網(wǎng)功能的基礎體系結構，并采用分布式自主狀態(tài)估計方法對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時估計。在這個架構的基礎上，詳細討論了線路故障檢測、負荷平衡、網(wǎng)損最小化以及供電可靠性保證等智能電網(wǎng)高級應用的實現(xiàn)方法。該智能電網(wǎng)體系具有廣泛的應用前景，可為智能電網(wǎng)的構建提供參考。

智能電網(wǎng)；體系結構；狀態(tài)估計；線路故障檢測；負荷平衡；網(wǎng)損

0 引言

隨著國家對電力系統(tǒng)現(xiàn)代化建設重視程度的不斷增加，許多專家學者開始對智能電網(wǎng)技術進行相關研究[1]。關于智能電網(wǎng)控制和運行方面的研究，國外目前已經(jīng)進入了規(guī)劃和實驗階段，并為將來的大規(guī)模建設做好了前期準備工作。國外在電力系統(tǒng)基礎設施的建設方面，開始采取安裝分布式電網(wǎng)資源、電能存儲裝置、動態(tài)無功補償器、自動繼電器和智能開關等措施，為電網(wǎng)的智能化建設鋪路[2]。

智能電網(wǎng)主要是利用先進的控制設備和手段來保證電網(wǎng)安全、降低網(wǎng)損、平衡電網(wǎng)負荷以及提高運行可靠性等[3]，從而節(jié)約電網(wǎng)運行成本，實現(xiàn)其安全、環(huán)保、優(yōu)化運行。本文采用一種基于分布式網(wǎng)絡結構與通信系統(tǒng)的智能電網(wǎng)體系，并提出一種新型的狀態(tài)估計方法。該狀態(tài)估計方法通過平衡負荷與降低高峰負荷來優(yōu)化供電系統(tǒng)，通過電網(wǎng)的損耗最小化實現(xiàn)電能的最優(yōu)輸送，從而提高電力系統(tǒng)動態(tài)運行的可靠性。

1 智能電網(wǎng)體系結構

由于各國智能電網(wǎng)發(fā)展的思路和側重點不同，因此智能電網(wǎng)的體系結構組成也有所區(qū)別[4]，但總的說來，智能電網(wǎng)體系都是以整個電網(wǎng)能夠安全、合理運行為目標，在此基礎上，通過有效管理各種控制設施，達到與用電終端互相協(xié)調的目的。智能電網(wǎng)體系包括以下3個方面：由硬件基礎設施組成的實時監(jiān)視與控制系統(tǒng)；提高電網(wǎng)系統(tǒng)管理效率的實時優(yōu)化模型；智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)。

隨著用戶端智能儀表的開發(fā)與應用，用戶個體可以實現(xiàn)負荷分配的實時主動控制；然而，智能電網(wǎng)不僅要實現(xiàn)個體負荷量的自主控制，更需要對所有分布式電網(wǎng)支線進行充分監(jiān)測，對電網(wǎng)設備進行優(yōu)化控制與協(xié)調，以達到系統(tǒng)整體性能優(yōu)化的目的。

分布式發(fā)電和微網(wǎng)成了今后智能電網(wǎng)建設的一種發(fā)展趨勢，因此，如何有效地獲取各個分布式區(qū)域的電網(wǎng)信息，并對各個分布式區(qū)域進行優(yōu)化與協(xié)調控，制成為了一個亟待解決的問題。在這種背景下，本文提出一種由分布式同步測量系統(tǒng)、分布式狀態(tài)估計中心以及調度控制中心構成的智能電網(wǎng)體系，其物理結構如圖1所示。

圖1 智能電網(wǎng)體系物理結構

分布式同步測量系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)電網(wǎng)整體結構的可視性和用戶端分布式支線的有效監(jiān)測。該系統(tǒng)采用3G無線通信技術與全球定位系統(tǒng)(GPS)定位對時功能，實現(xiàn)電壓、電流的同步測量與遠距離無線傳輸。這種基于3G+GPS的同步測量裝置的硬件構成如圖2所示，主要包括電壓、電流傳感器，GPS模塊，微處理器和無線通信模塊。其中，電壓、電流傳感器可以實現(xiàn)電源波形幅值與相角的測量；GPS接收器不僅可以用于獲取裝置的精確位置，而且還能保證智能電網(wǎng)各個裝置之間的時鐘同步；無線通信模塊可以實現(xiàn)遠方調度中心與該測量裝置之間的雙向通信。微處理器屬于整個裝置的控制單元，可以合并電壓信號、電流信號、位置信號和時鐘信號，然后通過無線傳輸技術發(fā)送給該裝置所屬的分布式狀態(tài)估計中心。智能電網(wǎng)體系要具有安全、高速的數(shù)字化通信系統(tǒng)。

圖3 智能電網(wǎng)體系結構

圖2 基于3G+GPS的同步測量裝置結構

由于子站的狀態(tài)估計模塊的位置可以根據(jù)電網(wǎng)的結構方式進行合理分布，所以分布式測量系統(tǒng)與分布式狀態(tài)估計中心的無線通信距離較短，通信造成的延時不會影響系統(tǒng)的實際運行效果；同時，數(shù)字量傳輸防止了數(shù)據(jù)的失真。這種點對點的高效無線數(shù)據(jù)傳輸提高了系統(tǒng)傳輸?shù)男始胺€(wěn)定性。

分布式狀態(tài)估計中心是本文所介紹智能電網(wǎng)體系結構中的另一個重要組成部分，主要通過收集分布式測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對所屬分布式區(qū)域的電網(wǎng)運行工作狀態(tài)進行估計。由于GPS的同步性，狀態(tài)評估過程也具有很強的實時性。實時狀態(tài)評估結果能夠綜合反映電網(wǎng)運行時的全部狀態(tài)，其評估結果發(fā)送到調度中心的分布式管理系統(tǒng)。

調度中心的分布管理系統(tǒng)通過收集各分布式區(qū)域的狀態(tài)評估結果，對整個電網(wǎng)模型和狀態(tài)進行綜合預測估計；然后根據(jù)估計的狀態(tài)結果，計算得到相應的調整策略，并產(chǎn)生實時控制信號發(fā)送到各個可控設備，如圖3所示。

2 智能電網(wǎng)的狀態(tài)估計

從上節(jié)描述的智能電網(wǎng)體系結構可以看出，要實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的高效管理，首先要應用先進的方法對電網(wǎng)的所有特征進行實時的狀態(tài)評估。所謂電網(wǎng)的實時狀態(tài)評估就是通過分析測量數(shù)據(jù)，得到高度精確的電網(wǎng)實時運行狀況。

另外，智能電網(wǎng)在對整體進行操作和控制時，必然會導致網(wǎng)絡拓撲結構頻繁變化，因此，狀態(tài)估計過程要能夠自動檢測系統(tǒng)的變化情況，并根據(jù)變化進行相應的參數(shù)調整，使電網(wǎng)達到最合理的運行狀態(tài)。下面針對本文提出的智能電網(wǎng)體系結構，著重介紹分布式自主狀態(tài)估計的組成和功能。

2.1 參數(shù)類型

自主狀態(tài)估計的實現(xiàn)是基于智能電網(wǎng)中硬件設備組件的3類關鍵數(shù)據(jù)，分別是節(jié)點數(shù)據(jù)、設備模型數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)，具體描述如下。

(1)節(jié)點數(shù)據(jù)。智能電網(wǎng)硬件設備組件通過節(jié)點或以總線的方式進行連接，這些節(jié)點數(shù)據(jù)可以用于確定電網(wǎng)的拓撲結構，并進行網(wǎng)絡配置。

(2)設備模型數(shù)據(jù)。狀態(tài)估計的目的是獲得系統(tǒng)模型的最佳估計數(shù)據(jù)，因此，每個設備模型需要隨著測量數(shù)據(jù)的改變自動生成測量模型h(x)。除此之外，電力系統(tǒng)中過高的單相負荷會對電網(wǎng)產(chǎn)生不平衡和不對稱的影響，因此，電網(wǎng)在建模的過程中需要硬件設備的詳細模型參數(shù)。

標準的設備模型表示形式如下

式中：I為電流向量；A為導納矩陣；V為電壓狀態(tài)向量；y(t)為內部狀態(tài)向量；t為測量時間；b(t-h)為過去的測量值；h為兩次測量之間的時間間隔；f(t)為二階非線性向量；q為二次常數(shù)。

(3)測量數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)包括電壓、電流及其他物理量。測量模型h(x)為一個特定的系統(tǒng)狀態(tài)下x的模型函數(shù)，該測量模型為通用模型，具體形式如下

式中：zk為測量值；ck為常數(shù)項；ak,i為線性系數(shù)；bk,i,j為非線性系數(shù)；ηk為測量誤差。

2.2 狀態(tài)估計算法

狀態(tài)估計一般可以轉化成一個優(yōu)化問題，即定義一個目標函數(shù)，求使該目標函數(shù)最小的那組狀態(tài)向量。一般這種優(yōu)化問題都可以基于加權最小二乘方法進行求解。目標函數(shù)可以描述為

MinimizeJ(x)=[z-h(x)]TW[z-h(x)] ，

式中：W為對角矩陣，其非零項為測量誤差的逆。

方程的解為

2.3 狀態(tài)估計結果驗證

采用卡方檢驗方法來驗證模型的擬合精度及誤差的分布情況是否在限定的范圍內，求解公式如下

式中：χ為系統(tǒng)中待估計的狀態(tài)參數(shù)；v為自由度；ζ為卡方臨界值。它們的求解式如下

式中：m為測量次數(shù)；n為狀態(tài)個數(shù)。

如果置信水平在允許的范圍內，那么解的準確性就可以利用協(xié)方差矩陣來評價

每個狀態(tài)標準的計算方法為

式中：Cx(i,i)為Cx的第i個對角線元素。

2.4 狀態(tài)估計算法流程

智能電網(wǎng)系統(tǒng)在啟動狀態(tài)估計模塊之后，該算法就按照一定的流程對電網(wǎng)進行實時狀態(tài)估計。圖4描述了智能電網(wǎng)狀態(tài)估計的算法流程：首先，系統(tǒng)采集各節(jié)點數(shù)據(jù)、設備模型數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)；然后建立測量模型h(x)，進行自主狀態(tài)估計，以及故障數(shù)據(jù)的檢測、識別與處理工作；最后，將狀態(tài)估計結果應用到智能電網(wǎng)優(yōu)化與控制中。狀態(tài)估計可以根據(jù)操作人員設定的時間間隔連續(xù)地進行，狀態(tài)估計結果被打包成一個數(shù)據(jù)包在智能電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡中進行傳輸。

圖4 狀態(tài)估計算法流程

2.5 狀態(tài)估計的可擴展性

智能電網(wǎng)的自主狀態(tài)估計模塊應具有良好的可擴展性，使之能夠適用于任意系統(tǒng)。自主狀態(tài)估計模塊負責處理電網(wǎng)中一個具體的局部器件，各個子模塊把狀態(tài)估計結果傳送到分布式管理中心進行整合，得到整個系統(tǒng)的狀態(tài)估計，實現(xiàn)對整個分布式電網(wǎng)的實時監(jiān)控。這種分布式的狀態(tài)估計體系結構，能夠防止局部狀態(tài)估計過程負荷過高而導致處理速度變慢，當電網(wǎng)規(guī)模擴大時，也能夠具有較好的狀態(tài)估計性能。

3 功能實現(xiàn)

針對前面提出的一種智能電網(wǎng)體系，本節(jié)主要介紹在這種體系結構下，如何實現(xiàn)故障檢測、負荷平衡、網(wǎng)損最小、供電可靠等目標。

3.1 線路故障檢測

電網(wǎng)線路故障不僅會造成電能供應的中斷，有時還會造成人員傷亡。智能電網(wǎng)的重要功能之一，就是為線路故障的有效診斷和處理提供相關的措施[5]。線路故障的形成可能是多種原因造成的，自然和人為因素都會導致電網(wǎng)線路發(fā)生故障。

對這種線路故障進行精確查找，需要花費大量的時間和人力資源，并且也不是十分安全和高效。文獻[6]中所提到的一種特殊繼電器，可以用于檢測電網(wǎng)中的斷線故障，但這項技術實施時成本較高，且實現(xiàn)起來也較困難。智能電網(wǎng)的出現(xiàn)不僅可以替代原有的配電自動化系統(tǒng)，在檢測和診斷電網(wǎng)線路故障方面具有豐富的資源優(yōu)勢，除此之外，它還能夠提供非常高的檢測準確率，并給出相應的解決方案。

智能電網(wǎng)針對線路故障檢測和診斷技術的具體實現(xiàn)，就是對電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)不斷地進行檢測更新[7]，并實時計算每個節(jié)點的電壓和電流。當一段線路發(fā)生故障時，該線路節(jié)點上靠近電源側的電壓仍然較高，電流卻變得很低，而靠近負荷側的節(jié)點電流接近零，電壓也不正常。電網(wǎng)實時狀態(tài)估計模塊得出該段線路測量結果不正常，智能電網(wǎng)系統(tǒng)就會根據(jù)狀態(tài)估計模塊提供的結果，結合定位裝置和通信裝置來確定線路故障發(fā)生的準確位置，調度中心發(fā)送控制命令，將距離故障點最近的保護裝置進行跳閘動作。

3.2 負荷平衡

智能電網(wǎng)體系在實現(xiàn)電力負荷平衡分配時，一定要以不影響電能用戶的正常用電為前提。電網(wǎng)負荷平衡的目的是要解決高峰負荷與低峰負荷交錯出現(xiàn)給電網(wǎng)帶來較高運營和維護費用的問題[8]。因為在高峰負荷時，電網(wǎng)傳輸電能的過程中能源損失較嚴重，負荷平衡能減少能源的浪費。通過對負荷的優(yōu)化設置，可以同時達到負荷最小及網(wǎng)損最小的目的。

因為負荷平衡問題不能在電網(wǎng)運行時不斷地試驗，就需要有仿真系統(tǒng)來連續(xù)精確地模擬電網(wǎng)的運行狀態(tài)，通過大量的模擬試驗得到最終的負荷平衡方案?；诜抡嫦到y(tǒng)的電網(wǎng)信息，負荷平衡問題可以轉化為優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)對資源和設備的直接控制。電網(wǎng)系統(tǒng)中的負荷運行具有一些統(tǒng)計特征，將一天的時間平均分為幾個小的時間段t1,t2,…,tn，并假設每個時間段的負荷相等，得到優(yōu)化問題minX*的具體形式如下

?

s.t.g(x(t1),u(t1),L(t1))=0 ，

?

g(x(tn),u(tn),L(tn))=0 ，

h(x,u)≥0 ，

ui,min≤ui≤ui,max，

式中：h(x,u)為約束條件；ui為控制量的約束。

負荷平衡的目的是減少高峰負荷，因此通過減少每個小的時間段內的最大負荷就可以減少一天內的高峰負荷，約束方程為

g(x(tk),u(tk),L(tk))=0，k=1,2,…,n。

該方程代表電網(wǎng)系統(tǒng)每個時間段里的電能流向，其中向量x(tk)，u(tk)和L(tk)分別為狀態(tài)變量、控制變量和統(tǒng)計負載。

上述針對負荷平衡問題的優(yōu)化解決方案，能夠對系統(tǒng)中的每個可用負荷與資源進行有效的控制。這種優(yōu)化方式比現(xiàn)在普遍使用的將用電量和價格發(fā)送給電能用戶，以計費的方式來控制用戶的負荷更加有效。因為用電量和由此付出的費用只能起到轉移高峰負荷的作用，沒有從根本上達到平衡整個電網(wǎng)負荷的目的。

3.3 網(wǎng)損最小化

智能電網(wǎng)要能夠在保證電網(wǎng)安全高效運行的前提下，使供電網(wǎng)絡的損耗最小。該功能實現(xiàn)時需要一種可以對電壓和無功功率進行控制的設備體系，使之能夠與現(xiàn)有的分布式電網(wǎng)結構相結合。這種方案具體實現(xiàn)時是可行的，因為目前的變頻器能夠經(jīng)過具有四象限處理能力的濾波裝置連接到電力網(wǎng)絡，從而使電網(wǎng)具有吸收或注入無功功率的動態(tài)調節(jié)能力，并與協(xié)調線路電壓和無功控制的方案相結合，達到網(wǎng)損最小的目的。

智能電網(wǎng)的體系結構要想實現(xiàn)對電能終端用戶有效供電的同時將網(wǎng)損降到最小的目標，可以采用三相狀態(tài)估計方法。該方法是利用分布式同步測量裝置和電能用戶端非同步測量獲得的電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，結合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)來對電網(wǎng)干線實施高度精確的監(jiān)控。對比傳統(tǒng)的單相狀態(tài)估計方法，智能電網(wǎng)所應用的方法不僅能夠獲取負荷不平衡而導致的網(wǎng)損，還能對網(wǎng)損的具體消耗環(huán)節(jié)進行有效的捕獲，從而縮小產(chǎn)生網(wǎng)損的區(qū)域，達到有針對性地減小網(wǎng)損的目的。

網(wǎng)損最小化問題的求解可以轉化為如下所示的優(yōu)化問題minf(x)

，

式中：x為狀態(tài)變量；u為控制變量。

總的電網(wǎng)損失可以用系統(tǒng)的狀態(tài)表示，例如，節(jié)點電壓值的求解如下

式中：i，j代表連接到干線上的不同電力線路。

3.4 供電可靠性

智能電網(wǎng)的另一個重要應用就是提高供電可靠性。由于智能電網(wǎng)體系可以準確地監(jiān)控電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，還能夠快速診斷出電網(wǎng)的故障區(qū)域，在此基礎上，提高電網(wǎng)的可靠性就變得非常簡單且易于實現(xiàn)[9]?？傮w來說，智能電網(wǎng)是根據(jù)故障發(fā)生的區(qū)域以及開關和斷路器的狀態(tài)，來得到電網(wǎng)的最佳重構方式，達到將故障區(qū)域減到最小，同時最大限度地恢復用戶用電，并盡快派出檢修人員對故障區(qū)域進行恢復的目的。電網(wǎng)的可靠性增強問題，即電網(wǎng)最優(yōu)重構問題可以用下述公式來描述

式中：F為故障區(qū)域的功率約束；SLk為干線上的負載；Vk為干線k上的電壓量；PGk為干線k上原有的總功率；QGk為干線k的消耗總功率；Iij為干線i與j之間的電流；Ω為故障區(qū)域的干線集合。

該優(yōu)化問題要實現(xiàn)的目標是：最大限度地減少連接到故障區(qū)域的負載數(shù)量，以提高電網(wǎng)的可靠性，因此，目標函數(shù)的約束條件就包括3個方面：(1)干線的電壓約束；(2)故障區(qū)域的總功率約束；(3)線路負載約束。優(yōu)化問題的目標函數(shù)求解結果，能夠為系統(tǒng)提供最小的停電區(qū)域和最佳的電網(wǎng)重構方式。

4 結論

本文主要描述了智能電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中改造和建設的體系結構，以及其功能定位的詳細內容。智能電網(wǎng)基礎設施建設的最主要目標，就是減少電網(wǎng)的運行成本、提高供電的可靠性。本文提出的這種智能電網(wǎng)體系，采用先進的狀態(tài)實時估計算法來提高電網(wǎng)整體自動化水平，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)準確實時的監(jiān)測與控制，該方案可為我國智能電網(wǎng)的建設與實施提供一些參考。

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(本文責編：劉芳)

2016-11-15；

2016-12-27

TM 76；TM 73

A

1674-1951(2017)01-0005-05

廖環(huán)宇(1985—)，男，湖南衡陽人，工程師，工學碩士，從事分散控制系統(tǒng)、智能電網(wǎng)等方面的研究(E-mail:huanyu.liao@gmail.com)。