CN106356812B - 智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镜相虚拟分级递减自愈恢复系统。领域：智能电网自愈系统控制技术。技术问题：采用计算机系统实现智能电网中的自愈恢复控制技术。方案要点：1.镜相虚拟建模技术先对电网所有断路器进行模块化归类处理，并在计算机中进行状态数据的内存建模，包括断路器状态和继电保护的信号等。2.分级递减事故判断技术理论依据是事故函数，步骤是四个原则。3.自愈恢复送电技术理论依据是可函复函数以及自愈函数，步骤是四个原则，通过分级递减恢复实现电气事故之后的自愈恢复送电。当所对应的断路器自愈函数值为“1”时自动恢复送电，为“0”时不动作。自愈函数由断路器的事故状态、保护动作状态、电压恢复状态以及分级递减定时器的状态逻辑组合构成。

Description

智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统

技术领域

谁都希望能安全、平稳地供用电，不希望有任何停电事故的发生。但是，理想与现实总是有差距的。当电网真地发生了大面积的停电事故之后，电网系统自己能快速、自动地恢复送电吗？只能说，完全有可能。但是，目前还不行。

本发明提出的“智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统”就是要依托电网系统运行的大数据，来研究如何利用计算机管理系统对智能电网中所发生的电气事故进行分析、判断、控制以及恢复送电的自动化处理技术，以求达到使整个处理过程不需要任何的人工干预，完全由计算机自己自行进行处理。本发明就是为“智能电网中自愈恢复体系”提出整体的技术解决方案。

本发明属于智能电网自愈系统的控制领域，所提出的“智能电网中自愈恢复体系”的整体技术解决方案，完全是以往从未有过的一种全新的技术创新。创新点主要包括首次提出的镜相虚拟技术、分级递减技术、自愈恢复技术；还包括了分级递减分析、判断、处理电气事故的四个原则；也包括了首次提出的事故函数、可恢复函数、自愈函数以及自愈率指标等理论新技术。

“智能电网”就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，以实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全为目标，其主要特征包括自愈、激励、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。

从“智能电网”的概念中可知，自愈是智能电网最主要的特征之一，它有两个重要功能，一是对电气事故的预防功能，二是对电气事故的恢复功能，也称为自愈恢复功能。任何一个电网，不论其规模大小，既要做好电气事故的预防工作，又要做好发生了电气事故之后快速有效地恢复送电工作。应该说，这两项工作都很重要。但是，相比而言，后者的难度更大、更重要，也更有意义。

电是一种非常重要的二次能源，它与社会的政治、经济、军事、文化和生活等各个领域息息相关。没有电，高铁、动车不能行驶，轨道交通就会瘫痪；没有电，工厂会停产、企业会停工；没有电，军事防御就会失去眼睛和耳朵；没有电，人们会感到酷暑难熬、严冬刺骨；没有电，人们的一日三餐也会受到不同程度的影响。总之，一切的一切离开了电，都会感到非常的不便。

电从发电厂到达电力用户，要经过复杂的发电、变电、输电、配电以及用电等五大环节才能实现，而每个环节都包扩众多的电力设备，并由数量不一、规模不同、且含有多种电压等级的变电站组成。一个大型电网它的纵向跨距可以长达数千公里，即使小的电网其跨距至少也要十几公里，而与电网相关的高压输电线路往往都要穿越人烟稀少、绵延起伏的崇山峻岭，它们与大自然尤为亲密。

目前，我国交流电压的最高等级已达110万伏，直流电压的最高等级也已达到80万伏，而50万伏的交、直流输电网已成为常态。电压等级越高电网就越复杂，整个电网的安全、稳定运行难度也就越大。因为，电网最容易受到大自然的袭扰以及某些人为因素的影响，或多或少、或大或小地引发各类停电事故，这些电气事故无疑会影响到电网系统的安全、稳定运行，甚至还会给国民经济和社会稳定带来严重的影响。国内外的许多电气事故案例都说明了这一点。

2011年7月23日，我国发生的甬温线动车追尾事故就是因雷击电网导致停电事故而引发的；而在国内某些炼化企业以往所发生的火灾与爆炸事故中，其起因也是由电气事故引发的。国外的停电事故更是让人惊叹！2003年8月14日下午，美国纽约、俄亥俄州以及加拿大的多伦多等多个大城市发生了罕见的大面积停电事故，时间长达29个小时。据美国的有关部门统计，每天的经济损失高达300多亿美元。2003年8月28日晚上，英国首都伦敦以及英格兰东部部分地区也发生了大面积停电事故，2/3的地区地铁停运，50多万乘客不同程度地受到了影响。停电40分钟后才逐步恢复了供电。在此之后，澳大利亚、法国和意大利等国家也都相继发生了大面积的停电事故。

国内外所发生的这些重大电气事故说明，电网发生电气事故是一种普遍现象，是一种客观存在，而每一起电气事故所造成的损失也是相当大的。虽然这些电气事故发生在不同的国家和地区，但是，它们都有一个共同的特点，那就是电气事故发生之后都不能在最短的时间内使电网系统快速地恢复正常的供电，由此又引发了其他更大的连锁事故，相当于使电气事故进一步扩大，致使停电事故所造成的间接经济损失都在数百亿美元之上。

据调查，到目前为止，电网发生电气事故之后的恢复送电处理过程都是由各级电力调度值班人员人工指挥来完成的，这种处理电气事故的方式最大的弊端就是一个字“慢”，花费的时间长，一般事故的处理时间按小时计，严重事故的处理可能需要几天。而且处理的正确性与调度员的心里素质、技术素质和工作经验密切相关。心里素质、技术素质好，经验丰富的调度员指挥处理会快一些，也很少出现指挥失误；而心里素质、技术素质差一些，经验不足的调度员指挥处理不仅要慢得多，而且还很可能会出现指挥失误，引起误操作，使事故进一步扩大。这说明，发生电气事故之后，恢复送电的处理过程在一定程度上会受到人为因素的影响。很显然，目前这种处理电气事故的方法与智能电网中所提出的“实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标”相距甚远，也与“智能电网中自愈恢复送电”的技术要求存在相当大的差距。

要想使智能电网具有自愈恢复送电的能力，说起来容易做起来难。因为，每个电网的大小规模不同，电压等级可能不同，设备的种类繁多，数量不同，所处的自然环境不同，继电保护的种类、配置不同，负载的容量大小不同，负荷的重要程度也不同；更重要的是每次发生的电气事故种类、细节各不相同，在以往所发生的电气事故中，从来就没有两种完全相同的事故。可以毫不夸张地讲：电气事故的种类和数量几乎多如牛毛，这一点无疑是采用计算机处理电气事故最大的难点。

如此看来，面对庞大复杂的电网系统，要想通过“智能电网的自愈功能”来实现对电气事故的自愈恢复送电处理就如同在大海里捞针，难度可想而知。难就难在怎样才能够全面地反映电网的实际运行状态？怎样才能够一个不漏地把电网中所有可能发生的电气事故都包含进来？怎样才能够快速、准确地确定发生事故的范围和事故点？电网一旦发生了大面积、大范围、多设备、多负载的停电事故，自愈恢复功能又怎样才能正确有序地恢复送电呢？即便是有了解决方案，又怎样才能把这些方案付诸实施、落实到位呢？要想实现自愈恢复技术，它究竟有没有相应的理论支撑呢？能不能取得实质性进展呢？可以说，这些问题都相当的难以回答、也难以解决。但是，不论有多难，在自愈恢复体系的技术方案中，都必须要逐一设法研究和解决它，这也就是本发明研究的初衷。

不难看出，本发明是实现智能电网自愈恢复体系的关键环节和核心技术，是在监测控制和数据采集系统SCADA技术或者类似的数据信息采集系统的基础上进行深化分析、判断和决策的重要技术，它为智能电网自愈恢复体系的具体实施提供了非常重要的理论支撑，是实现自愈恢复控制技术的计算机软件程序设计与开发的重要依据，并借助于智能电网中相关设备的继电保护以及自动装置真正实现智能电网的自愈恢复送电的功能。

自愈恢复体系的整体技术方案是研究开发自愈恢复体系计算机管理控制软件的一个标准和规范，有了它，不论电网大小，都可以据此开发出实用有效的自愈恢复软件系统。有了自愈恢复软件系统，并且将其运用于电网，就可以使电网的自愈恢复功能实现常态化。到那时，电网运行的可靠性将会得到稳步的提高，也将会产生质的飞跃。

背景技术

上个世纪八、九十年代，美国接连发生了多起严重的电网大停电事故，影响范围波及到多个国家，造成了重大的经济损失。为了实现电网的稳定运行，尽可能减少电气事故的发生以及对电网造成的影响，美国电力科学研究院从国家战略的高度出发，于2000年率先提出了“智能电网自愈系统”^[1]的概念，很快，世界上许多国家对这一课题作出了积极的响应，并开展了积极地探索和研究，发表的学术文献也不少。

经过查阅资料，从2000年至2015年3月期间的16年间，有关“智能电网自愈系统”的研究成果，在国内相关刊物上发表的质量较高的共有42篇，在国外刊物上发表的有6篇，其中，属于国外研究人员的成果仅有1篇。虽然该课题是由美国提出的，但是，美国的研究成果却很少看到，几乎是清一色国内人员的研究成果。从这一点讲，国内在该领域的研究目前尚处于领先的位置。国内的研究单位以高校居多，主要有哈尔滨工业大学、华北电力大学、浙江大学、天津大学、东南大学等，研究人员主要是硕士和博士。企业的研究单位主要有中国电力科学研究院、南方电网、北京四方公司等。在所有的成果中，研究者主要从自愈模型结构和自愈控制方法两个方面做了大量的研究工作。自愈模型结构的研究是自愈系统研究的基础和前提，自愈控制方法的研究是自愈恢复送电技术研究的核心和关键。

在模型结构的研究方面，文献[2]是最早提出的“2-3-6”自愈体系结构模型，文献[3]是最新提出的“分层递阶”自愈控制体系结构和控制模型。期间，还有许多文献从不同的侧面提出了自动机模型结构、状态估计模式、“基础层、支撑层、应用层”三层结构模型以及各层的构成和作用、分布式电网MAS网络化结构模型、“故障定位、智能开关控制、重构和DFACTS”等技术构成的智能配电网自愈框架体系、多代理分布式配电网自愈控制体系模型、自愈功能综合效益评价模型以及自愈控制的“三层七单元”架构模型等。这些结构模型的研究都是一些探索性的研究，而不是实质性的研究。因为，这些成果给人总体的感觉是主观意想的成分太多，客观实际的成分太少，很多模型和想法都是不符合实际的，缺乏实用价值。

在控制方法的研究方面，研究者分别提出了分层递阶控制理论和脆弱性评估方案，相量测量单元(PMU)的应用以及电网恢复搜索方法的研究，线路电流约束和系统电压稳定约束，电力免疫系统的电网自愈控制，智能分层多代理控制技术，专家处理系统等；还有研究者提出了神经网络法，鱼群效应法，退火法等控制方法；也有个别以实践性应用研究为主，分别以110kV变电站进线备自投、城市实际配电网、某一条故障线路等为自愈控制对象，研究了在局部范围内实现自愈控制的方法和效果。可以说，这些研究成果五花八门、异想天开。但是，研究者所提出的这些研究方法给人总体的感觉是针对性不强，理论性不足，可操作性差。

如今，自“智能电网自愈”概念的提出已经过去十多年了，从这些研究文献中不难看出，国内外所取得的研究成果都过于抽象，实用性差，实质性的研究成果很少，仅仅只是人们对智能电网自愈系统达成的共识。即：自愈系统是智能电网的重要特征，它包括事前的主动预防控制和事后的自愈恢复控制两个方面。从整个研究过程来看，这项课题的研究进展十分缓慢。只所以如此，一方面说明智能电网自愈系统的研究的确是电网技术发展中一个世界性的研究课题，另一方面也说明研究中还存在着许多令人费解的困境和问题。当然还有一个重要的原因是，研究者以硕士或博士居多，对电网系统的实际运行经验不足，尤其是缺乏对电气事故的临场指挥处理经验。所以，在研究过程中往往脱离实际、闭门造车的情形比较多。

本发明就是要打破这种沉闷的研究僵局，提出一种全新的研究方法。

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发明内容

本发明首次提出了智能电网自愈恢复体系的整体技术解决方案，即：智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统，该系统主要包括镜相虚拟模块，状态判断模块和分级递减自愈恢复系统模块等三大部分；在分级递减自愈恢复系统模块中，又包含了分级检测模块、事故分析模块以及自愈恢复模块等。该方案重点提出了分析、判断、处理电气事故的四个原则；并首次提出了事故函数f(b，r)、可恢复函数h(b，r)、自愈函数s(v，t，h)和自愈率指标p的新概念、运算规则以及方法等，它们是实现分级递减自愈恢复功能的主要理论依据，贯穿于分级递减自愈恢复功能的全过程。这些发明内容与国内外以往的研究成果完全不同。

本发明的主要内容如下：

1.镜相虚拟技术

镜相虚拟技术是智能电网自愈系统建模的重要依据和方法，也是整个系统设计、运行的基础。它是以电网中所有的断路器和继电保护动作状态作为自愈系统建模的对象，其创新点主要是包含了所管辖的智能电网中所有可能发生的电气事故，并且比人们所制订的一般电气事故预案的数量要多得多。但是，却比事故预案要简单、清楚得多，这就是镜相虚拟技术发明的主要特征。

电网不论大小，都是分地区、分区域进行管理的，每个管理区域都设有专门的电力调度管理部门，该部门是负责本区域电网的日常运行、电力维护，尤其是电气事故的处理指挥工作的。电力调度的指挥不是凭空喊话，而是离不开电网的一次系统图。一次系统图包含了电网的供、配电结构形式，包含了不同的电压等级，包含了不同地点的发电厂、变电站，也包含了从发电到用电五大环节中许许多多的电气设备，还包含了为数众多的断路器等控制设备等。

如果要对一个电网进行自愈体系建模，要把各种设备、各种结构都包含进来是不现实的，也是不科学的。尽管一个电网的结构可能很复杂，电压等级有很多种，变电站有很多座，电气设备有很多台；每台设备会正常送电运行，也可能会出现跳闸停电事故。但是，整个电网运行正不正常、所有设备运行正不正常都会集中体现在一个“点”上，这个“点”就是断路器。当某台断路器非正常跳闸时，它就代表了停电事故的发生；如果断路器合闸运行正常，就说明供、用电正常。由此可见，自愈体系建模最理想的模块就是断路器。所以，不论电网多复杂，只要将该电网中所有断路器的状态进行建模，就近似代表了将整个系统建模。断路器的状态只有两种，要么停电、要么送电，停电可以用数字“0”来表示，送电可以用数字“1”来表示。也就是采用数字“0”和“1”两个逻辑值对电网系统的所有断路器进行状态建模，这将使复杂的电网变得十分简单、清楚、明了。

很多电网系统都已经配备了变电站综合自动化系统，或者是SCADA系统，或者是类似的其他信息采集系统等，这样以来，在自愈恢复体系建模时，电网中每台断路器的状态就可以从SCADA系统来获得，使得建模变得更容易一些。

当然，要全面掌握一个电网的运行状态，仅有断路器的状态建模是不够的，还需要对每台断路器的继电保护状态也进行详细的建模。每台断路器所控制的电气设备或者供配电环节，它们的继电保护种类可能不同，动作原理和整定方案也不同，动作要求也可能不同；但是，它们的共同点就是遇到相对应的故障时，其对应的继电保护都会动作；若没有故障时，继电保护就不会动作。这样，我们就可以用“0”来表示继电保护不动作，用“1”来表示继电保护动作。所以，我们可以将所有的继电保护动作状态以“0”和“1”的方式进行全面的建模。有了电网所有断路器的状态建模和所有继电保护动作状态的建模之后，系统的事故状态建模就容易多了，这些模型的建立将会为自愈恢复体系的技术研究创造良好的运作基础。我们把这些建模的方法称作为“镜相虚拟”的建模方法，这也是本发明需要保护的重要内容之一。2.分级递减自愈恢复系统

任何一个电网系统都有可能发生停电事故，这是一个不容争辩的客观事实。但是，什么时候发生停电事故完全是随机的；停电事故是发生在发电机上、还是发生在变压器上，或者是发生在输电线路上，还是发生在配电电缆上，拟或是发生在不同的负载上？究竟是发生在哪里？其地点也完全是随机的。对于这样一种发生事故的随机状态，自愈恢复体系要想把所有可能发生的事故都一个不漏地包含进来，必须要有严密的控制体系。而要想达到这样的要求，就必须制订严密的控制规则和步骤，否则，就会打乱仗。

分级递减自愈恢复系统把对智能电网系统的分级检测技术、事故分析技术和自愈恢复技术紧密地结合在一起，它的创新点主要是可以快速、准确地确定出智能电网中所发生的电气事故的影响范围、事故点所在的相对位置以及所发生的电气事故的类型，并能准确地发出自愈恢复送电的操作指令。这就是分级递减自愈恢复系统发明的主要特征，也是本发明需要保护的重要内容之一。其中：

分级递减技术是分析和判断整个电网事故的主要途径和方法。一个智能电网系统都是由众多不同规模的变电站组成，一般都有多个不同的电压等级，电网结构都比较复杂；每个电源的重要程度也不同；电网中带有为数众多的发电机、输电线路、变电站进线、变压器、配出负载等，负荷的重要程度也不大相同。一旦出现复杂的、大范围的电气事故，应该怎样分析、怎样判断、怎样处理是相当难的一件事，难就难在不知道从何处入手。事实上，不论是企业，还是社会、民生，对于一个复杂的电网系统，当发生大范围的停电事故时，在几秒钟之内，可能有几十台断路器跳闸停电，片刻之间，电力调度可能会遇到几十个停电事故的报警电话打进来，如果没有一定的临场指挥经验，没有正确处理电气事故的战略战术，面对突如其来、如此众多的事故报警电话，当班调度人员一时之间必将会感到束手无策，不知道应该先接哪一个？加上神情紧张，很容易乱了方寸，还有可能出现指挥失误，引起误操作使事故扩大。所以，对于大范围电气事故的处理，必须要有一个明确的战略战术，这就是分级递减的关键技术，即分级递减分析、判断、处理电气事故的四个原则，这也是本发明需要保护的重要内容。具体如下：

原则一：按照电压等级从高到低分析判断的原则；

原则二：按照电源负荷从重要到次要再到一般分析判断的原则；

原则三：按照从变电站电源进线到变压器再到配出负载分析判断的原则；

原则四：按照从重要负载到次要负载再到一般负载分析判断的原则，这也是生产工艺的需要。

四个原则并不是孤立的，它们既可以单独使用，也可以综合使用。

判断智能电网系统运行状态的依据就是事故函数f(b，r)。事故函数是由断路器的状态与继电保护的动作状态逻辑组合构成。当事故函数f(b，r)的值“≥1”时，说明有事故发生，可立即启动分级递减分析判断程序；当事故函数f(b，r)的值为“0”时说明电网系统运行正常。通过事故函数可以快速地确定发生电气事故的范围和区域，并可进一步确定事故点的相对位置，这是处理电气事故的首要任务，也是处理电气事故的切入点。

在智能电网自愈系统中，分级递减贯串于分级检测、事故分析以及自愈恢复的全过程。

分级检测是分析电气事故的入口，是确定电气事故范围的重要方法。

事故分析是确定事故点相对位置和事故类型的重要途径和方法。

自愈恢复是实现电气事故自动化处理的重要环节和最终目标。

3.三个重要函数式与自愈率指标公式

自愈恢复送电是本发明研究的终极目标，也就是对停电事故后可以恢复送电的断路器直接发出送电操作指令，从而使自愈恢复体系真正满足可操作性的要求。那么，怎样才能达到这一终极目标呢？这就要求自愈恢复体系必须要有必要而且充分的操作条件。什么是必要条件？什么又是充分条件？这些条件是什么？怎样满足这些条件？这就是本发明研究的自愈恢复体系的关键技术，即：事故函数、可恢复函数、自愈函数以及自愈率的理论公式，也是本发明需要保护的重要内容。

事故函数主要用来描述电网的事故状态，它就是电网发生电气事故状态后自愈恢复体系应急响应的入口；可恢复函数主要用来分析具备自愈恢复能力的断路器的状态，也就是可以自愈恢复送电的必要条件；而自愈函数就是实现自愈恢复送电的充分条件，满足了充分条件的断路器就可以直接恢复送电。自愈率是反映自愈恢复系统自愈能力大小的指标。

事故函数、可恢复函数和自愈函数可以从自愈模型中通过大量的数据逻辑运算而获得，这些数据主要有断路器的运行状态和继电保护的动作状态，而这些状态数据都是“0”和“1”的逻辑值，所以，事故函数、可恢复函数和自愈函数的值主要也是逻辑值。这些函数的具体的形态如何，这就是本发明所包含的重要内容之一。

①事故函数

事故函数如公式(1)、(2)、(3)所示，该函数是判断电网系统发生电气事故的重要依据。

f_i(b，r)＝b′_i(r₁+r₂+r₃+...+r_m) (2)

式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作信号，其中r₁表示低电压保护的动作信号，r₂、r₃、…r_m表示其他保护的动作信号，n代表电网自愈系统断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数。参数b、r以及函数fi(b，r)都是“1”和“0”的布尔型逻辑值。

公式(1)表示电网中所有断路器可能发生电气跳闸事故的情况，公式(2)fi(b，r)表示的是编号为i的断路器的事故函数，其中b_i’和r_j的不同组合反映了不同的电气事故类型。公式(3)f(b，r)表示的是电网中所有的断路器可能发生电气事故的汇总函数，它是公式(1)的归纳简化表示方式。当公式(3)f(b，r)＝0时，说明整个电网系统运行正常；当公式f(b，r)≥1时，说明电网系统有事故发生，也说明，只要系统中有任意一台断路器发生跳闸事故，就表示该电网系统发生了电气事故。

事故函数公式(1)～(3)说明，只要有任意一种保护r_j动作，同时出现了断路器跳闸，就可以确认该断路器的控制单元发生了停电事故。

②可恢复函数

可恢复函数如公式(4)、(5)、(6)所示，该函数是判断断路器能否实现自愈恢复送电的必要条件。

h_i(b，r)＝b′_i(r₁r′₂r′₃...r′_m) (5)

式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作状态，r’表示保护的不动作状态。其中r₁表示低电压保护的动作状态，r₂’、r₃’、…r_m’表示其他保护的不动作状态。n代表系统断路器的总台数，k代表系统可自愈恢复送电断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数。参数b、r以及函数hi(b，r)都是“1”和“0”的布尔型逻辑值；而函数h(b，r)是≥0的整数值。

公式(4)表示电网中所有已具备可以恢复送电的断路器情况，公式(5)hi(b，r)表示的是编号为i的断路器的可恢复函数，它表示该断路器具备了可以恢复送电的必要条件。只有低电压保护r₁动作、且其他的保护都不动作，同时出现了断路器跳闸，这时就可以确认该断路器是可以自动恢复送电的。但要记住：仅仅表示是可以恢复送电，并不是说马上可以送电，这就是可恢复函数的含义。当hi(b，r)的值为“1”时说明可以自愈恢复送电，为“0”时禁止自愈恢复送电。

如果公式(5)可恢复函数hi(b，r)的值为“1”，在没有实现自愈恢复送电之前，必须先将其值“1”暂时锁定，待其执行完自愈恢复送电之后，再将其解锁并置“0”位。

公式(6)h(b，r)表示的是电网中具备可以恢复送电必要条件的断路器总台数，它是公式(4)的归纳简化表示方式。当公式(6)h(b，r)的值为0时，表示电网中所有的断路器都不具备恢复送电的条件；当h(b，r)的值为1时，表示电网中只有一台断路器具备恢复送电的条件；当h(b，r)的值为k时(k≤n)，表示电网中总共有k台断路器具备了恢复送电的条件。函数h(b，r)的值就是计算智能电网自愈系统中断路器自愈率的分母基数。

注意：可恢复函数h _i(b，r)的值为“1”时只是说明了编号为i的断路器具备了自愈恢复送电的条件，并不一定能够送电；能不能送电要看断路器所属的系统电压有没有恢复正常，还要根据分级递减的四个原则来决定恢复送电的时间顺序，也就是要由一定时差的定时器来决定。

如果没有分级递减四个原则和时差定时器的约束与限制，当系统电压正常后，就会出现满足可恢复函数的所有断路器同时送电、所有负荷同时启动的局面，一旦出现这种情况，必然会产生强大的“多负载机群”启动冲击电流，也必将会对稍时平息的电网系统再次造成严重的冲击，甚至可能引起整个电网的瘫痪，其结果不亚于一场严重的电气事故。所以，务必要避免这种情况的发生。

③自愈函数

自愈函数如公式(7)、(8)、(9)所示，该函数是实现断路器自愈恢复送电的充分条件，也是最重要的目标执行环节。

s_i(v，t，h)＝s_i(v，t，b，r)＝v_it_ib′_i(r₁r′₂r′₃...r′_m) (8)

自愈函数与事故函数以及可恢复函数的参数含义基本类似，式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作状态，r’表示保护的不动作状态。其中r₁表示低电压保护的动作状态，r₂’、r₃’、…r_m’表示其他保护的不动作状态。g代表系统自愈送电的断路器的总台数，k代表系统可自愈恢复送电断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数。不同的是，自愈函数中多了两个参数，一个是v，另一个是t，其中v代表的是断路器所属系统的电压逻辑状态，t代表的是根据四个原则确定的分级递减定时器的动作状态，递减时间由自愈负荷的大小以及系统可允许自愈的容量来决定。参数v、t、b、r以及函数s _i(v，t，h)等都是“1”和“0”的布尔型逻辑值。

公式(7)表示电网中所有能够自愈送电的断路器情况，式中v₁～v_g如果属于同一段母线电压恢复时，其逻辑值应该相同，且均为“1”；若非同一段母线电压时，则不同。t₁～t_g如果属于同一系统递减恢复级别时，其逻辑值应该相同，且均为“1”；若非同一级别时，则不同。

公式(8)s _i(v，t，h)表示的是编号为i的断路器的自愈函数，当可恢复函数h _i(b，r)具备条件时，如果断路器所属的系统电压恢复正常，且分级递减定时器的时间已到，那么，就可以向该断路器发出自动合闸送电的自愈操作指令。即当公式(8)s _i(v，t，h)的值为“1”时说明所属的断路器可自动执行送电操作指令，为“0”时禁止发出送电操作指令。

公式(9)s(v，t，h)表示的是在电网所有断路器中能够实现自愈送电的断路器的总台数。当s(v，t，h)的值为0时，表示电网中没有一台断路器能够自愈送电；当s(v，t，h)的值为1时，表示电网中只有一台断路器能够自愈送电；当s(v，t，h)的值为g时，表示电网中总共有g台断路器能够自愈送电。函数s(v，t，h)的值就是计算电网断路器自愈率的分子数。

④自愈率指标

自愈率如公式(10)所示，它是衡量一个智能电网自愈系统中自愈能力大小的重要指标。

p＝s(v，t，h)/h(b，r)＝100g/k(％) (10)

式中p表示自愈率，它是由自愈函数s(v，t，h)与可恢复函数h(b，r)的比值来确定，g是系统自愈送电的断路器总台数，k是系统可自愈恢复送电断路器的总台数，其值用百分比来表示。

前三个函数相当重要，它们是分析判断电网事故以及实现电网自愈恢复的关键技术，它们把电网事故的分析和处理，由原来的定性化转变成了定量化，使电网事故的分析处理由可能变成了现实，使电气事故之后的自愈恢复送电由模糊、迷茫变成了清晰、准确，完全达到了质的飞跃。这是本发明的关键技术和理论依据。自愈率指标主要用于对智能电网自愈系统的自愈能力进行评价。

本发明不仅可以适用于独立的变电站，而且可以适用于大小不同的供电网络，电网越大其优势越明显。

附图说明

本发明包含四个附图：

图1独立变电站的镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的结构框图；

图2复杂电网系统的镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的结构框图；

图3大型或超大型供电网络镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的多级结构框图。

在图1到图3的结构框图中，要求保护的内容如下：

1.三种镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的结构框图与构成形式。

2.三种框图的名称等。

图4镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的逻辑结构框图。

在图4中要求保护的内容如下：

1.镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的逻辑结构框图。

2.镜相虚拟模块的名称、构成、以及功能等。

3.分级递减自愈恢复系统的构成逻辑、分级检测模块、事故分析模块、自愈恢复模块。

4.分级递减自愈恢复系统的四原则。

5.事故函数、可恢复函数、自愈函数以及自愈率的定义、参数与运算规则和方法等。

任何一座变电站都是由不同的电气设备组合而成的，不论是什么电气设备都会归结到断路器的控制上，每台设备又都配置有完善的继电保护，变电站还配有一定数量的自动控制装置等，这些配置都为SCADA系统或者类似的信息采集和监视系统提供了变电站重要的运行数据信息。镜相虚拟分级递减自愈恢复系统可以将SCADA系统采集到的大量数据信息进行更深入的分析和处理，再经过镜相虚拟建模，然后通过分级递减自愈恢复体系的分级检测、事故分析以及自愈恢复等三个重要阶段的逻辑分析和处理，最后向SCADA或类似的系统发出自愈恢复送电的操作指令，通过变电站的自动装置作用于需要自愈的设备控制上，从而实现自愈恢复送电的功能。

图1是最简单的镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的应用，它是由独立变电站、SCADA系统和镜相虚拟分级递减自愈恢复系统三部分构成。其工作原理为：SCADA系统将独立变电站的断路器运行状态、继电保护动作状态采集后传送到镜相虚拟分级递减自愈恢复系统，经过分级检测、事故分析和自愈恢复三个阶段的处理，再通过SCADA系统反馈到变电站的自动控制装置，以便实现自愈控制的操作。

图2是复杂电网系统的镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的应用，它是由众多个变电站、SCADA子系统和镜相虚拟分级递减自愈恢复系统组合构成。工作原理与独立变电站的类似：由SCADA子系统将各个变电站的断路器运行状态、继电保护动作状态采集后传送到镜相虚拟分级递减自愈恢复系统，经过分级检测、事故分析和自愈恢复三个阶段的处理，再通过SCADA子系统反馈到相应变电站的自动控制装置，以便实现自愈控制的操作。

图3是大型或超大型供电网络镜相虚拟分级递减自愈恢复系统多级结构的应用，通过采用镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的多极结构形式，从高到低逐次分级实现整个电网的自愈恢复控制功能。

图4是镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的逻辑结构框图，它是本发明的核心结构框图。主要由镜相虚拟模块、状态判断模块、分级检测模块、事故分析模块以及自愈恢复模块组成。其中镜相虚拟模块的功能主要是用于智能电网的自愈系统建模，存储全电网断路器的工作状态以及各设备、各环节的继电保护配置与动作状态；状态判断模块的功能主要是判断全电网的工作运行状态，有没有事故发生？分级检测模块的功能主要是判断电网发生事故的范围；事故分析模块的功能主要是判断电网发生事故的具体位置以及事故的类型；自愈恢复模块的功能主要是为可以实现自愈恢复送电的断路器发出自动合闸送电的操作指令。

具体实施方式

“智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统”的发明是在监测控制和数据采集系统SCADA技术基础上进行深化分析、判断和决策的重要技术。假如SCADA系统获得的数据信息是完全真实、准确的，就可以进入智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的运行；如果数据不准确，就必须先提高SCADA系统数据的可靠性，或者研究开发新的数据采集系统，为智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统提供必要的数据基础。

进入智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统之后，首先从SCADA系统中获取电网的数据信息，内容包括电网所有断路器的运行状态、所有设备配置的继电保护的动作状态等，然后通过镜相虚拟技术建立电网中所有断路器的状态虚拟模型，并建立所有继电保护的状态虚拟模型，根据这两个数据模型，运用事故函数进行分析计算系统的运行状态，并建立系统的事故状态模型。

当系统进入状态模型后，先判断系统的运行状态，如果事故函数f(b，r)的值为0，状态判断为“N”，说明没有事故发生，系统返回去继续进行状态监测判断，并不断地循环。

如果事故函数值f(b，r)的值≥1，状态判断为“Y”，说明有事故发生，整个系统运行进入分级递减自愈恢复系统。

首先进入分级检测模块，按照分级递减的四个原则和步骤，分析确定事故发生后的影响范围；然后进入事故分析模块，同样按照分级递减的四个原则和步骤，分析确定事故发生的相对位置以及事故的类型；最后进入自愈恢复模块，也要按照分级递减的四个原则和步骤，通过可恢复函数以及自愈函数的判断和确认，为能够实现自愈恢复送电的断路器发出自动合闸的执行操作指令。

当事故后的自愈恢复执行完毕之后，也就是事故处理完成之后，整个系统再次返回到“状态判断模块”，重新开始对电网进行新一轮的运行状态检测。

该发明是研究开发智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统的重要技术方案，也是实现该系统计算机软件开发的重要理论支撑，具有非常重要的指导意义。

成果效益分析

电力是社会发展的主要能源，但是，或多或少的总会有一些电气事故对电网的稳定运行造成不同程度的影响。电压等级低发生事故时影响面会小一些，电压等级越高发生事故造成的影响面就越大。如果单一设备发生电气事故影响是很有限的，如果是电网的高压、超高压输电线路或者变电站的电源进线发生事故，其影响将是大范围的，甚至是区域性的。如果事故造成的影响只是停停电倒不要紧，但是，如果因电气事故引发了次生灾害，比如着火、爆炸、人身伤亡、环境污染等连锁事故，这不仅会造成严重的经济损失，而且会造成严重的社会损失，甚至会引起社会的动乱。所以，“智能电网自愈系统的研究”是一个惠及社会和民生的系统工程，如果研究成功，必将会为电力能源的安全稳定运行保驾护航。

处理电气事故不仅是电力调度的技术问题，也是一个重大的责任问题。据了解，到目前为止，一旦电网发生电气事故，都是由各级电力调度进行临场指挥处理，顺利的话几十分钟处理完毕，不顺利的话需要几个小时，甚至需要几天时间才能将电网恢复正常。如果电网长时间不能恢复送电，工厂、企业就会减产或者停产，交通秩序就会混乱，人们的出行就会受阻，各种社会和经济损失就会增加，甚至引发社会的不稳定因素。假如自愈系统能够研究成功，那么，处理电气事故的时间就会大幅度地缩短到分钟级甚至是秒级，由此所产生的经济效益和社会效益将是不可估量的。

Claims (2)

1.智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统，其特征在于，包括：

镜像虚拟模块，所述镜相虚拟模块运用事故函数进行智能电网的系统建模，存储全电网断路器的工作状态以及各设备、各环节的继电保护装置的动作状态；

状态判断模块，所述状态判断模块用于判断全电网的工作运行状态；判断智能电网系统运行状态的依据就是事故函数f(b，r)；事故函数是由断路器的状态与继电保护的动作状态逻辑组合构成；当事故函数f(b，r)的值≥1时，说明有事故发生，可立即启动分级递减分析判断程序；当事故函数f(b，r)的值为0时说明电网系统运行正常；以及

分级递减自愈恢复模块，所述分级递减自愈恢复模块运用自愈函数为能够实现自愈恢复送电的断路器发出自动合闸的执行操作指令；

所述分级递减自愈恢复模块，包括：分级检测模块、事故分析模块和自愈恢复模块；

所述分级检测模块的功能是判断电网发生事故的范围；所述事故分析模块的功能是判断电网发生事故的具体位置以及事故的类型；所述自愈恢复模块的功能是为实现自愈恢复送电的断路器发出自动合闸送电的操作指令；

所述事故函数为：

f_i(b，r)＝b′_i(r₁+r₂+r₃+...+r_m) (2)

式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作信号，其中r₁表示低电压保护的动作信号，r₂、r₃、…r_m表示其他保护的动作信号，n代表电网自愈系统断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数；参数b、r以及函数f_i(b，r)都是“1”和“0”的布尔型逻辑值；

公式(1)表示电网中所有断路器可能发生电气跳闸事故的情况，公式(2)f_i(b，r)表示的是编号为i的断路器的事故函数，其中b′_i和r_j的不同组合反映了不同的电气事故类型；公式(3)f(b，r)表示的是电网中所有的断路器可能发生电气事故的汇总函数，它是公式(1)的归纳简化表示方式；

可恢复函数为：

h_i(b，r)＝b′i(r₁ r′₂ r′₃...r′_m) (5)

式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作状态，r’表示保护的不动作状态；其中r₁表示低电压保护的动作状态，r₂’、r₃’、…r_m’表示其他保护的不动作状态，n代表系统断路器的总台数，k代表系统可自愈恢复送电断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数；参数b、r以及函数h_i(b，r)都是“1”和“0”的布尔型逻辑值，函数h(b，r)是≥0的整数值；

公式(4)表示电网中所有已具备可以恢复送电的断路器情况，公式(5)h_i(b，r)表示的是编号为i的断路器的可恢复函数，公式(6)h(b，r)表示的是电网中具备可以恢复送电的断路器总台数；

所述自愈函数为：

s_i(v，t，h)＝s_i(v，t，b，r)＝v_it_ib′_i(r₁ r′₂ r′₃...r′_m) (8)

式中b表示断路器的合闸状态，b’表示断路器的跳闸状态，r表示断路器的保护动作状态，r’表示保护的不动作状态，其中r₁表示低电压保护的动作状态，r₂’、r₃’、…r_m’表示其他保护的不动作状态，g代表系统自愈送电的断路器的总台数，k代表系统可自愈恢复送电断路器的总台数，m代表电气设备所属断路器配置最多的继电保护的类别总数，v代表的是断路器所属系统的电压逻辑状态，t代表的是根据四个原则确定的分级递减定时器的动作状态，递减时间由自愈负荷的大小以及系统可允许自愈的容量来决定；参数v、t、b、r以及函数s_i(v，t，h)都是“1”和“0”的布尔型逻辑值；

公式(7)表示电网中所有能够自愈送电的断路器情况，式中v₁～v_g属于同一段母线电压恢复时，其逻辑值相同且均为“1”，若非同一段母线电压时则不同；t₁～t_g属于同一系统递减恢复级别时，其逻辑值相同且均为“1”，若非同一级别时，则不同；

公式(8)s_i(v，t，h)表示的是编号为i的断路器的自愈函数，即当公式(8)s_i(v，t，h)的值为“1”时说明所属的断路器可自动执行送电操作指令，为“0”时禁止发出送电操作指令；

公式(9)s(v，t，h)表示的是在电网所有断路器中能够实现自愈送电的断路器的总台数；当s(v，t，h)的值为0时，表示电网中没有一台断路器能够自愈送电；当s(v，t，h)的值为g时，表示电网中总共有g台断路器能够自愈送电；

还包括自愈率指标公式：p＝s(v，t，h)/h(b，r)＝100g/k(％) (10)

式中p表示自愈率，它是由自愈函数s(v，t，h)与可恢复函数h(b，r)的比值来确定，g是系统自愈送电的断路器总台数，k是系统可自愈恢复送电断路器的总台数。

2.根据权利要求1所述的智能电网中镜相虚拟分级递减自愈恢复系统，其特征在于，还包括：分级检测模块，所述分级检测模块根据电压等级由高到低、电源负荷从重要到次要再到一般、变电站电源进线到变压器再到配出负载以及从重要负载到次要负载再到一般负载分析判断的原则对可合闸的断路器按重要程度顺序合闸送电。