[b]1　電力系統的各種運行狀態和安全控制 [/b]　　電力系統是在兩組約束條件下運行。即：等式約束條件和不等式約束條件。 　　（1）等式約束條件[img=101,24]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9907/image7/148.gif[/img] 　　式中　P為功率；G為發電；L為負荷（含網損）。 　　（2）不等式約束條件 　　Vmin≤V≤Vmax 　　fmin≤f≤fmax 　　PG≤PG.max 　　PL≤PL.max 　　式中　V為電壓；f為頻率。 　　因此，由于兩組約束條件的不同組合，構成了表1中的3種運行狀態。 　　表1　等式約束和不等式約束構成的運行狀態 　　Tab.1　The operafion sfates formed by equality 　　and ineguality constraints 　　[table][tr][td]序　　號 [/td][td]等式約束 [/td][td]不等式約束 [/td][td]運行狀態 [/td][/tr][tr][td]1 [/td][td]1 [/td][td]1 [/td][td]正常狀態 [/td][/tr][tr][td][size=3]2 [/size][/td][td][size=3]1 0[/size] [/td][td][size=3]0 0[/size] [/td][td][size=3]緊急狀態 （不穩定）[/size] [/td][/tr][tr][td]3 [/td][td]0 [/td][td]1 [/td][td]恢復狀態[/td][/tr][/table]　　注：1為滿足；0為不滿足。 　　與上述3種運行狀態對應的3種安全控制，即正常狀態下的預防性控制、緊急狀態下的緊急控制和恢復狀態下的恢復控制之間的關系如圖1所示。 　　 圖1　電力系統的運行狀態和安全控制 　　 Fig.1　Operation state & security control of power system 　　輸電與配電系統為保證正常運行和安全控制所采用的調度自動化系統和安全裝置，如表2所示。 　　配電系統與輸電系統的調度自動化和安全裝置，主要有以下幾點不同： 　　（1）控制功能　輸電系統控制發電，配電系統控制負荷。 　　（2）地理信息　對配電系統至關重要，輸電系統可有可無。 　　表2　輸配電系統安全運行配置 　　Tab.2　The transmission and distribution 　　power system controls 　　[table][tr][td]安全控制 [/td][td]輸電系統 [/td][td]配電系統 [/td][/tr][tr][td][size=3]正常運行和 預防性控制[/size] [/td][td][size=3]·SCADA/AGC/EMS ·MIS/AMR[/size][sup]＊[/sup] [/td][td][size=3]·SCADA/LM/DMS ·MIS/GIS/AMR/DSM/DA[/size] [/td][/tr][tr][td][size=3]緊急控制 [/size][/td][td][size=3]·繼電保護 ·在線穩定[/size] [/td][td][size=3]·故障識別（瞬時/永久） ·故障定位、隔離[/size] [/td][/tr][tr][td][size=3]恢復控制 [/size][/td][td][size=3]·恢復控制 [/size][/td][td][size=3]·自動恢復供電 ·故障測距[/size] [/td][/tr][/table]　　注：SCADA—監視控制和數據采集；EMS—能量管理系統；DMS—配電管理系統；AGC—自動發電控制；LM—負荷管理系統；MIS—管理信息系統；GIS—地理信息系統；DSM—需方用電管理；AMR＊—面向發輸電的電量計費系統；AMR—面向配電的電量計費系統；DA—配電自動化。 　　（3）電量計費　輸電系統面向發電和聯絡線關口，配電系統面向大中小用戶。 　　（4）電網特點　輸電系統具有影響面大的穩定問題，配電系統則面臨各種用電質量問題。 　　（5）緊急控制　輸電系統依靠專用的繼電保護和自動裝置，配電系統由集成的配電自動化完成。 　　（6）恢復控制　輸電系統借助于含有專家系統的EMS恢復控制軟件，配電系統則由配電自動化與緊急控制一道統一完成。 　　應該注意的是：我國由高壓（220/110　kV）、中壓（35/10　kV）和低壓（380/220　V）所組成的城網中，配電系統主要是指中壓和低壓。至于高壓，如大部分地區或市級主網那樣，屬于不含發電的子輸電（sub-transmisson）系統范疇。 　　2　配電系統的正常運行 　　正常狀態下配電控制系統的任務主要是： 　　（1）通過SCADA進行數據采集和監視控制，保證配電系統的運行參數滿足正常狀態的兩個約束條件； 　　（2）LM和DSM用以改善正常狀態下的負荷曲線，避免峰值期間出現過負荷而導致違反不等式約束條件； 　　（3）在滿足正常狀態約束條件下，DMS通過負荷平衡和電壓/無功優化來降低網損，以實現配電系統的經濟運行； 　　（4）面向大中小用戶的AMR，與銀行結算系統相結合，實現配電系統的商業化運營。 　　（5）基于GIS的MIS，通過自動作圖（AM）/設備管理（FM），實現配電系統的變電、配電、用電、檢索、決策等離線管理。 　　這里，有幾個發展中的問題值得注意。 　　（1）系統集成 　　當前的配電系統自動化，正在遵循各種國際開放標準，從傳統的“多島自動化”走向系統集成。我國的配電系統自動化正處于起步建設階段，更應一步到位，以適應這一發展趨勢。 　　采用開放系統實現系統集成的主要好處是，數據和方法的有效使用及高度共享，使整個系統的“性能價格比”大為提高。這對單項自動化繁多的配電系統自動化尤為重要，如SCADA的實時信息和DMS的短期負荷預報可以支持LM編制并實施負荷管理方案。傳統上用于離線管理的GIS可以提供在線服務：在地理接線圖上顯示SCADA的實時信息，支持DMS的“投訴熱線處理”等。 　　（2）負荷管理 　　隨著我國電力工業的發展，過去長期缺電的局面已經基本改觀，并啟動了城網建設改造，提出了增加售電的指標要求。因此，過去對用戶限電拉閘實施計劃用電的負荷控制，應及時轉移到基于不感覺停電的負荷管理（LM）上來。 　　當代的負荷管理，主要按事先編制好的負荷管理方案，通過饋線降壓減載或按編組周期輪流短時啟停用戶的可控負荷（空調、熱水器等），來實現用戶不感到停電的負荷管理。 　　LM與需方用電管理（DSM）計劃的實施，必將改善配電系統正常狀態下的負荷曲線，并為隨后電力市場的開展奠定基礎。 　　（3）電力市場 　　當前，我國已進入啟動發電市場階段。雖然開放到面向大用戶的配電市場尚需相當長的時間，但是，建設具有一定使用年限（如10～15年）的配電系統自動化，就不能不通盤考慮使用周期內電力市場發展對在建的電量計費系統和信息系統可能提出的要求，以免造成今后重復建設，甚至推倒重來。 　　城網建設改造中，正在進行量大面廣的“一戶一表”建設，無論從當前的“商業化運營”或今后的“配電市場”來看，都應考慮計費信息的通信（大中用戶遠方讀表和中小用戶智能卡）以及和與銀行的聯系。 　　至于信息系統，傳統上以專用網、專用信道和圖形用戶界面為特征的管理信息系統（MIS），已不適應當代基于Intranet/Internet、以瀏覽器為特征的電子商務和網絡交易。這就提出了一個問題：是使傳統的管理信息系統和今后的交易信息系統并行發展，還是對現有的MIS進行改造，使之適應今后電力市場的發展。事實上，一些面臨發電市場壓力的網省級調度中心，已經按后者行事并改造就緒了。 　　（4）電力電子技術 　　缺電局面的改觀和電力市場的興起，必然導致用戶對供電質量要求的提高。城網建設改造中，對電壓合格率要求達到98%，這樣可以滿足絕大多數一般用戶的要求。但是，配網在正常狀態下仍然存在一些可能發生的瞬間擾動和波形畸變。如瞬時故障時重合閘動作產生的瞬時失電、鄰線故障或沖擊負荷產生的瞬時欠壓、異相故障時產生的瞬時過壓、雷電或電容投切操作時產生的瞬變過程，以及非線性負載所產生的諧波污染等。這對某些對供電質量要求較高的重要用戶，如銀行、醫院、機場、數據處理中心等，都是不能容忍的。特別是隨著信息技術的日益發展和普及，這些擾動的影響面和所帶來的危害將愈來愈大。這時，這就要求助于電力電子技術中面向供用電的“用戶電力”技術。 　　配網供電中的擾動問題，既可由用戶側、也可由供電側來解決。當前，主要根據需要針對性地在用戶側分別安裝不停電電源（UPS）、電壓調整器、避雷器、濾波器、靜止補償器等來解決問題。但分析和實踐表明，隨著這類用戶的不斷增加，總的投資和損耗將大幅度上升，質量的改善也有限，遠不如由供方統一解決為好。因此，1988年由美國電力科學研究院N.G.Hingorani博士所提出的“用戶電力”（custom power），近年來越來越引起人們的關注。 　　所謂“用戶電力”，是指供電部門通過技術手段向用戶提供可靠性更高、質量更好的電力，以增加電力的附加值（如電力市場中的論質電價）。當前，國外著手研究開發的有：基于儲能逆變的配網靜止同步補償器（DSTATCOM）和動態電壓恢復器（DVR）、固態斷路器（SSCB）、故障電流限制器（FCL），以及集濾波、調壓和浪涌保護為一體的有源電力調整器（APLC）等。國內已有供電部門正在和大學合作，開展這方面的研究開發工作。 　　由于配網設備既要求可靠性高，又要求費用低廉，這正是當前研究開發用戶電力設備所面臨的一大難題。但是，隨著電子元件性能價格比的提高和電力用戶設備需求的增長，應該說用戶電力的應用和普及只是個時間問題。 　　 [b]3　配電系統的安全控制 [/b]　　城網供電的可靠性，包括高、中、低三個電壓層次。高壓屬于子輸電系統范疇，其安全控制將由地、市級主網所配備的SCADA/EMS和繼電保護等自動裝置來處理。配電系統的安全控制，主要是指包括直接向大中用戶饋電的中壓系統而言。至于低壓部分，由于涉及為數眾多的中小用戶而不可能全部自動化，只能通過“投訴熱線”，來處理變臺以下、中小用戶物業管理以前的約束條件違反（停電、電壓低等）問題。 　　配電中壓系統的安全控制，包括正常狀態下的預防性控制、緊急狀態下的緊急控制和恢復狀態下的恢復控制。 　　由于配電系統主要是處理穩態情況下的安全控制，不象輸電系統那樣存在“穩定”“頻率”之類問題。因此，如圖2所示，配電系統自動化能和繼電保護重合閘等自動裝置綜合在一起，統一實現正常狀態下的預防性控制、緊急狀態下的緊急控制和恢復狀態下的恢復控制。 [img=279,252]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9907/image7/150.gif[/img] 　　圖2　配電系統的運行狀態和安全控制 　　Fig.2　Operation state & security control 　　of distribution system 　　3.1　預防性控制 　　主要由DMS應用軟件來實現配網正常狀態下的預防性控制。這里，主要用到的應用軟件有： 　　（1）負荷預報　配網負荷預報分為地區負荷預報和母線負荷預報。地區負荷預報是配網一日至一周逐小時的總負荷預報或某一區域的負荷預報，主要用于購電計劃和供電計劃。母線負荷預報是配網總的或是某一區域各負荷點（母線）的負荷預報，主要用于狀態估計或潮流計算。 　　（2）潮流計算　根據母線負荷預報進行配網潮流計算，用以檢驗配網在負荷預計的情況下是否滿足正常狀態下的約束條件。 　　（3）安全分析　有時稱為“事故預想”或“what if”。安全分析按“N－1”原則或事先排定的“開斷表”進行配網潮流計算，用以檢驗配網在事故預想情況下，是否導致線路過負荷或電壓不正常。 　　（4）安全對策　根據潮流計算或安全分析所得出的違反約束條件的事件，提出預防過負荷或電壓不正常的措施。 　　（5）短路計算　這是一個在線三相短路程序，用以在開關頻繁操作的配電系統中，確定可能出現的斷路器失靈。 　　3.2　緊急控制和恢復控制 　　配電系統的緊急控制和恢復控制，主要由安裝在環網上的集成化的故障定位、隔離和自動恢復供電系統來統一完成。不象輸電系統那樣，分別由繼電保護和重合閘等自動裝置進行緊急控制，而由EMS報警分析、故障診斷和恢復控制軟件來實現恢復控制。 　　開關、控制、遠動、保護和通信集成在一起的架空線路環網故障定位、隔離及自動恢復供電系統的典型配置，如圖3所示。 [img=311,124]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9907/image7/151.gif[/img] 　　圖3　故障定位、隔離和自動恢復供電系統 　　Fig.3　Fault positioning isolating & service restoration 　　圖3中，重合器具有開斷短路電流和重合閘功能，其FTU除遠動通信外，還附有按安時曲線動作的保護功能；當第Ⅱ/Ⅲ段上發生故障時，可以和變電站的饋線保護配合，有選擇地進行跳閘，并自動重合以排除架空線上70%的瞬時性故障，退回到正常狀態。當第Ⅰ段上發生瞬時故障時，則由變電站的饋線保護、重合閘動作，斷開饋線斷路器來排除。 　　負荷開關僅能開斷負荷電流、關合故障電流，無重合功能，無壓時可延時釋放，以躲開排除瞬時故障的重合閘時間；其FTU亦僅有遠動通信功能，不帶保護，但整體價格較重合器便宜，適于大量使用。 　　同樣起到分段作用的重合器和負荷開關，通過遠動通信由變電站RTU或配網主站控制，與變電站保護和RTU控制的饋線斷路器一起，來實現環網永久性故障的一次性定位、隔離和自動恢復非故障段供電。 　　永久性故障時，重合閘失敗，斷路器（Ⅰ段故障）或重合器（其他段故障）跳閘，線路失電。重合器（Ⅰ段故障）和負荷開關失電延遲后釋放，故障隔離。 　　與此同時，根據遙測數據按分段線路兩側電流不等程度確定故障段，完成故障定位，并據此通過遙控（包括常開的開環負荷開關）自動恢復非故障段供電。 　　關于配網的安全控制，還有兩個值得注意的問題： 　　（1）故障測距問題 　　必須注意，圖3所示的架空線路環網故障定位、隔離和自動恢復供電系統，僅恢復非故障段的供電。因此，只有查明并排除故障段的故障而全部恢復供電后，配網的等式約束才得到滿足而進入正常狀態。 　　不能低估排除這段故障的時間對配網可靠性水平的影響，這最好用數字來說明。 　　圖4所示的輻射型饋線（實線），平均3年發生1次永久性故障，排除故障恢復供電的時間為4h。即1600戶中每戶每年停電1.33h（未計重合閘瞬時失電），供電可靠性為99.985%。采用雙電源環網分4段運行后，每段400戶（虛線），仍按平均3年發生1次永久性故障，排除故障恢復供電的時間為4h計算。此時，1600戶中每戶每年停電為1.33/4＝0.33h,供電可靠性上升到99.996%。 [img=271,52]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/dwjs9907/image7/152.gif[/img] 　　圖4　幅射型饋線的實例 　　Fig.4　An example of redial distribution 　　顯然，如果排除故障恢復供電的時間拖延為16h，則改用雙電源環網分4段運行的效益將等于零。反過來說，如果排除故障恢復供電的時間加快到1h，原輻射型饋線就可以同樣達到99.996%的高供電可靠性水平。這就是為什么配網的故障測距問題一直受到重視的原因。 　　當然，通過增加分段數量縮小分段距離的辦法也可加快故障排除和恢復故障段供電的時間。顯然這樣付出的代價太大，實際上并不可取。但由此卻派生出一種“段中分段、只測不控”的故障小段定位遙測裝置，用以加快排除故障恢復供電的時間。在小電流接地的中壓系統中，開發這種故障小段定位裝置時，還可考慮把接地選線的故障小段定位功能一并包括進去。 　　如果圖3所示的系統是電纜環網系統，故障測距的問題就不那么緊迫了。因為用于地下電纜系統的環網故障定位、隔離和自動恢復供電系統，一般采用分段開關與負荷出線組合在一起的多單元環網柜接線，能夠作到一次性的故障定位、隔離和自動恢復供電，立即進入正常狀態。待故障段電纜隔離后（含接地選線時人為的故障隔離），再使用專用的儀器去排除故障，恢復環網運行。 　　（2）投訴熱線處理 　　投訴熱線處理（TC，Trouble Call）有的稱為停電管理系統（OMS，Outage Management System），主要是通過電話熱線，建立供電部門和廣大中小用戶之間的雙向聯系，收集和處理違反配網低壓系統約束條件的問題。 　　如美國含發、輸、配在內的南加州愛迪生電力公司（SCE）下屬有4個配電控制中心（DCC），分管420萬個用戶（一戶一表）。共設150條熱線電話供TC用，白天150個人值班，晚上30～40人值班。每個DCC均裝有停電管理系統（OMS），且能互為備用。每個OMS裝有大屏幕顯示和3個控制臺，白天2～3人值班，晚上1人值班。從接到投訴電話算起，4　h內要向用戶回答何時恢復供電，即使在4　h內不能恢復供電，至少也要弄清問題，估算出恢復供電的時間，否則將按章罰款。 　　該系統投訴熱線電話的處理程序如下： 　　——TC值班員接到投訴電話后，隨即在終端的事件表上登錄投訴信息，并通過Intranet傳送給分管的配電控制中心； 　　——配電控制中心收到一起或多起事件表后，由停電管理系統自動生成一張事件匯總表，實現故障定位，并在畫面上顯示出停電區域和故障源頭的開斷點； 　　——DCC值班人員根據畫面上顯示的故障信息，用無線電話指揮維修人員（1～2人）去故障地點進行檢修。檢修車上裝有全球定位系統（GPS），在DDC的地理接線圖畫面上顯示其行動位置，便于雙方配合，加快故障處理速度，并通過聲音合成自動回復用戶。 4　結語 　　（1）供電的安全和質量是配電系統運行的兩個主要指標，電力系統運行的等式約束反映安全供電，不等式約束反映供電質量。 　　（2）保證配電系統在不違反兩個約束條件下運行的前提是發、輸、配電的能力要能滿足用電負荷的需要。顯然，在長期缺電的情況下，必然給配電系統帶來違反等式約束的經常停電和違反不等式約束的供電質量差。此外，即使發電能力大于用電需求很多，如輸配電能力不匹配，同樣會對配電系統的有關電壓等級或有關地區帶來缺電的局面。 　　（3）輸電系統的正常運行和安全控制，由單一的SCADA/AGC/EMS能量管理系統來監視控制。而城網的正常運行和安全控制問題，涉及子輸電與配電兩個系統和高中低三個電壓等級，將分別由主網的SCADA/EMS、配網的SCADA/LM/DMS和“投訴熱線處理”來監視、控制與處理。 　　（4）當前我國的配電系統自動化建設，應從傳統的“多島自動化”走向系統集成；由缺電時期限電拉閘的負荷控制轉向基于不感覺停電的負荷管理；從壟斷經營的用戶繳費轉為雙向聯系的電量計費系統，并考慮MIS（管理信息系統）的Intranet/Internet化，以便與今后的配電市場相接軌；在解決重要用戶的供電質量問題時，應充分注意“用戶電力”技術的發展。 　　（5）與輸電系統不同，配電中壓系統中監視、控制與保護集成在一起的環網故障定位、隔離和自動恢復供電系統，統一解決緊急狀態下的緊急控制和恢復狀態下的恢復控制問題。對于地下電纜系統來說，真正能作到“自動恢復供電”，但對于架空線路系統，還存在一個與可靠性水平攸關的故障測距、排除故障、恢復故障段供電的時間問題。在這方面，含接地選線功能的故障小段定位遙測裝置的開發值得注意。 　　（6）“投訴熱線處理”說起來容易，實現起來涉及市場發展、電力法規、運行機制和技術裝備等問題，并不僅僅是裝幾部電話去和配網的地理信息溝通，而要根據國情逐步完善才能取得實效。 [b]參考文獻 [/b]　　1　王明俊，于爾鏗，劉廣一.配電系統自動化及其發展.北京：中國電力出版社，1998 　　2　于爾鏗，韓放，謝開 et al.電力市場.北京：中國電力出版社，1998 　　3　Hingoran N G.Introducing custom power.IEEE Spectrum June,1995 　　4　傅書逖.訪美報告.電力部電力科學研究院，1998