智能配电网自愈控制技术研究与开发 (863课题）

董旭柱

南网科研院

2015.11

© CSG 2012. All rights reserved. 2

一、配电网自愈控制定义

二、自愈控制关键技术

三、自愈控制示范与验证

四、结语

目录

驱动力

配电网供电可靠性有待提高

系统平均停电时间长

智能化水平相对较低

分布式电源大量接入带来新的挑战

智能配电网自愈控制是解决上述挑战的核心技术！

0

5

10

15

平均停电时间（2012年）

1.11 0.03 0.25 0.15 2.95 2.85 1.97

12.49

国际先进电网城市水平

新加坡 巴黎 东京 广州 深圳 佛山 全国均值

配电网自愈控制内涵

• 配电网自愈控制

– 分层分区优化协调

– 四个“自我”

– 安全可靠经济

• 自愈的配电网

正常情况-预防事故发生，运行状态优化

故障情况-快速故障定位、隔离与负荷转

供，保障关键负荷供电

自愈控制

自我感知 自我诊断

自我决策自我恢复

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配电网自愈控制： 正常（事前）：经济优化运行，分布式电源的即插即用和协调控制，在线风险监测、评估和安全预警等，降低系统风险。配电网运行在优化、安全和警戒等不同状态中转化。 故障中（事中，即配电网故障自愈）：故障快速定位、隔离、转供和恢复，主动孤岛切换和运行，脆弱点分析与评估，客户停电时间自动统计等。配电网运行在紧急、警戒和孤岛等不同状态中转化。 故障后（事后）：分布式电源和微电网并网，在线风险评估和脆弱点分析，网络重构等。配电网运行在警戒、安全和优化等不同状态中转化。

配电网自愈控制定义

优化

安全

警戒

紧急

孤岛并网控制

自愈控制方式

运行状态转换

优化控制

预防控制

恢复紧急控制

恢复控制

紧急控制

智能配电网运行状态及相互转化

研究目标

2012 年 ， “ 智 能 配 电 网 自 愈 控 制 技 术 研 究 与 开 发 ”

（2011AA05A114）获得国家科技部863计划课题立项

提出一套智能配电网自愈控制技术支撑体系

研究智能配电网决策支持技术

突破非正常状态下配电网自愈控制关键技术

研制支撑配电网自愈的若干种装备

形成智能配电网自愈控制技术标准与规范体系

课题目标

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一、配电网自愈控制定义

二、自愈控制关键技术

三、自愈控制示范与验证

四、结语

目录

配电网自愈控制关键技术

自愈控制

关键技术

1.分布式

电源建模

2.配电

网快速

仿真

3.状态

估计

4.在线

风险评

估

5.故障

自愈控

制保护

6.分布

式电源

保障关

键负荷

配电网自愈控制系统集成

自愈控制技术支撑体系

建立一套完整的自愈控制技术发展路线与技术支撑体系

自我感知 自我诊断 自我决策 自我恢复

技术体系

核心装备体系

实施策略

主站 智能终端

分层分区 因地制宜 可靠性与经济性

总体体系架构

总体目标 实现原则 技术模式与架构

信息采集与通

信技术体系

信息采集 通信 信息安全

智能配电网自愈控制技术体系

建立了含分布式电源的智能配电网自愈控制技术体系，包括自愈

控制技术的总体目标、实现原则、技术路线、运行模式及总体技

术架构

智能终端

1

智能终端

2

智能终端

n

自我感知 自我诊断 自我决策 自我恢复

正常

警戒

故障

变电站故障

馈线故障

智能配电网分析

分布式电源监控

配电网运行监控

风险评估

脆弱点评估

预警分析

信息集成

故障性重构

孤岛划分

黑启动

预防性重构

经济性重构主站集中控制策略

通讯网络

分布式终端自愈控制层

。。。。。。。

自愈控制主站层

DMS

EMS

GIS

MIS

AMR

基于SOA跨安全区的信息交换总线

状态划分

故障定位

终端就地控制策略

PQMS

智能配电网建模仿真分析研究

仿真试验平台设计与开发

多时间尺度建模理论与方法

大规模系统模型化简技术

智能配电网建模技术

多时间尺度仿真计算方法

稳定性快速仿真算法

FPGA实时仿真设计方法

智能配电网仿真技术

三相状态估计方法

标准算例

分析技术 试验技术 综合评价技术

基于RTDS的硬件在环

仿真试验技术

宏观指标综合评价

微观指标综合评价

多层次综合评价

研究并实现支持自愈控制的建模、仿真、分析、试验与综合

评价技术

多时间尺度综合建模方法

智 能 配 电 网 模 型 库

风力发电系统

微燃机发电系统

光伏发电系统

燃料电池发电系统

蓄电池储能系统

超级电容器储能系统

飞轮储能系统

传统配电网系统模型

传统模型

新模型

t

线路模型

变压器模型

负荷模型（静止负荷、电动机负荷）

电力电子装置及其控制系统

蓄电池模型

原动系统模型（双馈、永磁直驱）

光伏电池模型、MPPT控制模型

电化学动态模型 热力学动态模型

超级电容器模型

飞轮转子动态模型

微秒级 毫秒级 分钟级、小时级

原动系统模型 温度、燃料控制

研究了各种分布式电源以及储能元件的暂态和稳态模型，并

建立了智能配电网多时间尺度元件模型库

仿真理论研究与软件开发

1ms 1min 1h 1day 1year

电磁暂态仿真分析 随机潮流分析

年潮流分析

短期潮流分析 稳定性仿真分析

1us

智能配电网多时间尺度仿真分析方法

超短期潮流分析

研究提出了面向不同应用需求的多时间尺度仿真分析方法，

涵盖稳态仿真、稳定性仿真、电磁暂态仿真等

集成了潮流计算、稳定性仿真、电磁暂态仿真等算法，开发了一套

智能配电网仿真分析软件，为自愈控制理论研究、系统开发等提供

了平台支撑

电磁暂态仿真 潮流计算 稳定性分仿真

绘图区域 导航视图 结果展示

传统模型

电机 变压器

组件目录

界 面

模 型 库

算 法

新模型

负荷 线路 开关 燃料电池 蓄电池 风机 光伏

… …

统一图形界面支撑平台

仿真理论研究与软件开发

为配电网研究与分析提供了基础和依据

15

PV

BES

MT

WT

MG

1

2

3

4

5

6

7

59

58

57

18 14

19 15

20 16

17

40 39 38 21

3736 35 34 22 23 24 25

26

27

31

32

33

28

29

30

8 9 10

13

11

12

50

41 42

51

52

43 44 45

53 54 55 56

60 61 62

46 47 48 49

T66

T64

T65

T63

电源 电源

电 源

微电网

LJ-70 15m

LJ-70 20m

LJ-70 30m

LJ-70 30m

LJ-70 15m

Load 1

Load 2

Load 3

Load 4

Load 5Load 7

S1

S2

微电网A

微电网B

＋－

光伏2

蓄电池2

ASM

ASM

＋－ 蓄电池1

光伏1

燃料电池

L13

L16

L17

L18 L19

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

L9

L10

L11

L12

L15

LJ-70 30m

Load 6

M5

L14

LJ-70 20m

异步风机1

异步风机2

算例参数设置

62节点智能配电网标准算例

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时序潮流方法测试

基于储能装置和小水电的协调控制策略，控制联络线功率限制在给定范围内

G

小水电

10

W S

风电 储能 负荷

小水电辅助调节

各分布式电源功率变化曲线

系统节点10电压变化情况

通过运行潮流仿真与模拟，可以实现含分布式

电源以及储能装置的智能配电网运行情况的再

现和预测，并可以验证各种运行控制策略

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配电网状态估计技术

分布式电源类型

P恒定，Q恒定的PQ节点

P恒定，U恒定的PV节点（在无功越限时转变为P、Q实时量测）

P恒定，电流幅值I恒定的PI节点

P恒定，U不定，Q受P、U限定的P-Q（V）节点

1

1

( ) 2

cos sin

g Cp p p p s s ps

e e e ie e i ie

i s A

fp p p p p p

e ei e ei e ei

i g

P jQ V I V V j B

V I j

以PQ型分布式电源为例，选

择有功和无功出力作为量测

量，计算量测函数和雅克比

矩阵，实现分布式电源的处

理

PQ类型DG的单线模式图

量测函数

雅克比矩阵 cos ( )

0 ( )

p p ppe e iee

q

ie

V p qP

I p q

三相状态估计是智能配电网高级应用的基础，目的是不良数据检测与辨识，提高数据

精度，补充量测配置的不足，建立较完整而准确的实时数据库，提高配电网的可观性。

智能配电网试验技术研究与平台开发

建立了基于RTDS的硬件在环智能配电网自愈仿真、分析、试验平台

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自愈控制

自我感知 自我诊断

自我决策自我恢复

智能配电网自愈控制主站系统功

能测试与验证

保护测控一体化终端功能测试与

验证

分布式电源接入对智能配电网的

影响研究

实验平台实现功能

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RTDS

仿真系统

工作站

信号

放大器

智能终端

设备

录波器

（分析保护性能）

输出开关动作

输出PT,CT

模拟量设置故障

改变参数

RTDS可以模拟各种配网接线（包括“花瓣型”等）、可以模拟各类型的分布式电源、可以模拟传统配电网和含分布式电源的智能配电网的故障特性、可以产生各类信号源，因此可以满足传统配电终端和新型智能终端的研发、测试需求。

实验平台实现功能

配电网非故障状态下的自愈控制

研究并实现了智能配电网非故障状态下的自愈控制与运行优

化

智能配电网在线风险评估、安全预警与预防控制策略研究

在线风险评估模型与方法

在线风险评估 在线安全预警 多目标预防控制

运行状态划分 预想事故集与故障恢复

方案匹配

节点电压与线路负载率控制

网络重构

研究了基于运行状态划分的在线安全预警方法，建立了以馈线联络组为

最小单元的评估模型，为运行状态的相互转换提供决策依据

智能配电网在线安全预警

优化 安全 警戒 紧急 孤岛

恢复优化控制

正常状态

预防控制

警戒状态

恢复控制

孤岛划分

故障失电状态

并网控制

故障隔离

故障检测越限网损越限

正常状态 警戒状态 故障失电状态

装备研制-保护测控一体化终端

研发了基于网络式保护的保护测控一体化终端

高级应用

网络式保护 备自投

精确定位

分布式智能 线路保护

电能质量监测

自组网故障指示装置

集成接地故障和短路故障指示、功率方向判断和自组网通信

配合智能终端实现故障分支的快速精确定位

故障指示器 中继器

单相接地故障 信号 波形图

自愈控制系统研发

研发智能配电网自愈控制统一支撑平台和自愈控制系统，实

现多源异构信息融合和自愈控制技术的集成应用

自愈控制系统研发

分层组件化架构和平台封装 智能配电网CIM扩展 基于标准的信息交互与集成

自愈控制统一支撑平台

自愈控制核心需求分析 应用架构与实现 人机交互设计与实现

自愈控制系统

对操作系统和数据管理、网络通讯等进行统一的接口封装，为自

愈控制系统的开发和软硬件配置提供灵活支持

自愈控制统一支撑平台

操作系统 二次开发接口

数据库管理

实现不同操作系统

的统一进程管理接

口、网络通讯接口、

定时器接口、信号

灯接口等

实时库读写接口、

事件驱动接口、

图形插件接口、

报警服务接口等 实现不同数据库管

理的统一访问接口，

实现分布式实时数

据库管理系统

基于图形窗口动态分区的人机交互设计技术，实现了包括地理图、

单线图、联络图在内的多场景、多维度、多层次的配电网运行调度

可视化

研发了自愈控制系统，实现了自愈控制技术的综合集成应用

自愈控制系统

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一、配电网自愈控制定义

二、自愈控制关键技术

三、自愈控制示范与验证

四、结语

目录

智能配电网自愈控制技术集成示范

通过示范工程建设，实现自愈控制系统的实际应用和

功能验证

降低故障率 降低网损停电范围

最小

故障精确定位

停电时间大幅缩短

保障关键负荷供电

示范工程

供电可靠性99.999%

技术集成应用

硬件核心装置

软件平台

自愈控制正确率98%

示范工程概况

广东金融高新技术服务区：

• 11.41km2

• 辐射亚太的金融服务中心和数据处理中心

• 中压用户：306

• 低压用户：11082

• 配变容量：297.5MVA

部分重要客户

美国友邦保险公司亚太区后台服务中心 日本富士通数据中心

中国人保集团南方信息中心 汇丰银行数据中心

广东发展银行南中国金融中心 联通3G基地

香港新鸿基国际金融中心 万国数据

广东移动3G数据处理中心佛山呼叫中心 … …

示范工程概况

冷电联供系统 光储一体化系统

示范工程概况

佛山电力调度监控中心

自愈控制系统已集成到佛山供电局电力调度中心，于2014年1月20日

投入试运行，2014年9月18日通过示范工程验收

故障指示器 一体化终端装置

自愈控制系统现场测试

现场模拟故障测试

目的：检验自愈控制系统故障定位、隔离和非故障区域自动复电的功能

测试内容：网络式保护、主站与就地协调控制、网络通信、KPI指标自动统计等

CB2

桂华村配电房

601 602

海四路开关站

603 601

801

ABC

10kV电缆线路

成套式智能开关设备

二次控制回路

ABC

10kV桂华村W91公用配电站602柜

10kV海四路公用开关站G03柜

引出电缆

引出电缆

测试故障位置

故障测试类型——AC相间短路

自愈控制系统现场测试

光储一体化系统

目的：在自愈控制系统的协调

控制下，通过分布式电源/微

网的主动孤岛、被动孤岛、孤

岛并网和黑启动等功能，实现

保障关键负荷供电的功能验证

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一、配电网自愈控制定义

二、自愈控制关键技术

三、自愈控制示范与验证

四、结语

目录

总结

完成了研究任务，达到技术指标要求

自愈控制系统投运以来，各项功能运行正常，通过了现场

试验验证，满足课题预期目标和现场实际运行要求

课题成果应用

配电系统自愈控制

相关理论成果已编入《中国电力百科全书—电力系统卷》（第

三版）

课题成果应用——社会效益

促进智能配电网自愈控

制理论研究与技术创新

提高配电网智能化设备研

发和创新能力，促进配电

自动化产业升级

自愈控制技术工程化应用

大幅提高智能配电网供电

可靠性

保障关键负荷减少社会停

电损失，提高客户满意度

谢谢！