Control issues of distribution system automation in smart grids

ABSTRACT :In recent years, the world has been exposed to many developments in different areas esp. computer technology, resulting in computers with high power of processing to be built. Among these devices, intelligent electronic devices (IEDs) have the capability to process considerable volume of data at high speed. Since, real time data processing is vital in distribution networks as the largest users during their operation, IEDs would be applicable in such systems. In addition to IEDS, communication systems have improved during recent decades, providing the desired conditions for a concept known as distribution system automation (DSA) which has been discussed in this paper. Furthermore, the application of distributed generation (DG) in the context of DSA is addressed. Then, different control schemes have been investigated for DG sources while power quality (PQ) issues with DSA in micro grids are proposed in this paper. Moreover, the global automation standard has been presented and a combined strategy is suggested for demand-side management (DSM).

Keywords: Distribution system automation, Power quality, Distributed generation, Demand-side management, Smart grid

1. Introduction

IEDs have been developed drastically these years, mainly because of enhancement in processing power of computers. It is worth-mentioning that IEDS are digital relays having the ability to monitor the real-time system values on the local part of the electric network while such devices can provide the electrical distribution system with extra functionality. Besides monitoring the standard values, such as volts, amps, MW and MVAr, these devices are able to get the data on fault event logs, metering values and oscillography (voltage, current, power waveforms and harmonics). Thus, it would be useful to replace any faulty protection or monitoring relay with IEDs to move towards DSA. The development of IEDs has led to processing a remarkable data quantity at high speed. One of the industries involving real-time data processing is electric distribution network during its operation. Consequently, a new concept has been introduced to the power industry as DSA which is highly based on recent improvements in intelligent devices and communication protocols. DSA has been defined by IEEE as online remotely monitoring, coordinating and operating distribution network by an electric utility [1]. The need for true automation of distribution network was first realised due to conventional control methods that are all out-of-date [2]. The main factors beyond DSA development would lie in deficits of the conventional system, new competitive market [2] and legislation [3]. In recent years, Australian distribution companies and specifically, New South Wales (NSW) distribution system companies have invested a remarkable cost to enhance the reliability and also to care for extra load growth occurring near the main load centres. Besides the investment programs, the electric distribution industry is moving towards automation of the system as well as ways of implementing DSA.

Many new devices and systems must be installed in the distribution network to thoroughly implement DSA that cause severe challenges for electric utilities in the case of moving from the old system towards the new automated one. In order to maximise the benefit, utilities have already started installing new equipment, e.g. new devices, communication system as well as modern softwares, and hardwares [4]. The system used to control distribution networks all across the world is known as Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA). This controlling structure involves a system operator to employ the available data in decisions of distribution network control [4].

An important item that has been recently added to distribution networks is DG. The concept of DG has been involved with local generation, i.e. energy conversion units that are located near the consumers [5]. DG esp. from renewable technologies can play a significant role to meet future energy demand while it has potential to decrease Greenhouse Gas (GHG) emission and enhance energy security and adding supply to meet rising energy demand, as well [6–9]. In general, a system consisting of DG to a large extent can be taken into consideration as an environmentally friendly alternative to conventional power supply systems [10]. However, installing DG has its own challenges and merits.

Generally, DG is defined as generation connected to the distribution system at lower voltage levels, i.e. 400 V to 11 kV levels. DG is normally has low capacity but it is able to relieve the distribution system during peak-load periods [11]. Typical distributed energy sources are solar, wind, wave and geothermal generation, etc. Ref. [12] provides a complete review on distributed multi-generation like Combined Heat and power [CHP] systems. Advantages of DG would be in reducing emission as the main merit as well as reducing power loss and increased reliability in power system [13,14], while comprehensive review on reliability models used to estimate Renewable Energy Sources (RESs) can be found in Ref. [15]. Many benefits may be obtained from using DG in distribution networks, such as supplying peak load which is taken into account as a severe challenge in conventional base load generation. The shortfall with conventional base load generation is in the case of providing additional capacity during peak-demand periods, although they usually provide large centralized generation capacity. DG technologies would be appropriate alternatives to serve the peak load on extreme weather like extremely hot or cold weather while providing the distribution system with RESs [11]

When DG is employed to smooth the peak load, it forms part of a concept known as DSM. It is worth-mentioning that, DSM refe

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毕业论文英文翻译

原文标题Control issues of distribution system automation in smart grids

译文标题智能电网中配电系统自动化的控制问题

智能电网中配电系统自动化的控制问题

摘要：近年来，世界已经暴露于不同领域的许多发展， 计算机技术，导致计算机处理能力大大增强。 在这些设备中，智能电子设备（IED）具有高速处理大量数据的能力。 由于实时数据处理在配电网络中作为其运行中的最大用户至关重要，因此IED将适用于此类系统。 除了IEDS之外，近几十年来通信系统已经得到改进，为本文讨论的称为配电系统自动化（DSA）的概念提供了理想的条件。 此外，分布式发电（DG）在DSA环境下的应用也得到了解决。 然后，针对DG源研究了不同的控制方案，而本文提出了DSA在微电网中的电能质量（PQ）问题。 此外，还提出了全球自动化标准，并提出了需求侧管理（DSM）的组合策略。

关键词：配电系统自动化，电能质量，分布式发电，需求侧管理，智能电网

内容

1.引言

这些年来，简易爆炸装置发展迅猛，主要是因为计算机处理能力的提高。 值得一提的是，IEDS是能够监测电网本地部分的实时系统值的数字继电器，而此类设备可以为配电系统提供额外的功能。 除了监测标准值（如电压，电流，MW和MVA）外，这些设备还可以获取故障事件日志，计量值和示波器（电压，电流，功率波形和谐波）的数据。 因此，用IED替换任何故障保护或监控继电器以转向DSA是有用的。 IED的发展导致高速处理显着的数据量。 涉及实时数据处理的行业之一是运营期间的配电网络。 因此，电力行业引入了一个新概念，即DSA，它基于最近对智能设备和通信协议的改进。 DSA已被IEEE定义为在线远程监控，由电力公司协调和运营分销网络[1]。 由于传统的控制方法已经过时，所以首先实现配电网真正自动化的需求[2]。 超越DSA发展的主要因素将在于传统系统，新的竞争市场[2]和立法[3]的赤字。 近年来，澳大利亚分销公司，特别是新南威尔士州（NSW）分销系统公司投入了大量成本来提高可靠性，并关注主要负荷中心附近发生的额外负荷增长。 除了投资计划之外，配电行业正朝着系统自动化以及实施DSA的方式迈进。

必须在配电网中安装许多新设备和系统才能彻底实施DSA，从旧系统向新自动系统迁移时，会对电力公用设施造成严重挑战。 为了使效益最大化，公用事业公司已经开始安装新设备，例如新设备，通信系统以及现代软件和硬件[4]。 用于控制全球分销网络的系统称为监控和数据采集（SCADA）。 这种控制结构涉及系统运营商在配电网控制决策中使用可用数据[4]。

DG最近添加到分销网络的一个重要项目。DG的概念涉及当地的一代，即位于消费者附近的能源转换单元[5]。 DG尤其如此。 来自可再生能源技术可以在满足未来能源需求方面发挥重要作用，同时它有潜力减少温室气体排放，增强能源安全并增加供应以满足日益增长的能源需求[6-9]。 总的来说，由DG组成的系统在很大程度上可以作为传统电源系统的环保替代方案来考虑[10]。 但是，安装DG有其自身的挑战和优点。

通常，DG定义为在较低电压水平（即400 V至11 kV水平）连接到配电系统的发电。 DG通常容量较低，但能够在高峰负荷期间缓解配电系统[11]。 典型的分布式能源是太阳能，风能，波能和地热能等。 [12]对分布式多代如热电联产[CHP]系统提供了完整的评论。 DG的优势在于减少排放作为主要优点，并减少电力系统中的功率损失和可靠性[13,14]，而用于估算可再生能源（RES）的可靠性模型的综合评估可参见参考文献。 [15]。 在分布式网络中使用DG可能会获得许多好处，例如提供峰值负载，在传统基本负载生成中将其考虑为一项严峻挑战。 传统的基本负荷产生的缺点是在峰值需求期间提供额外的容量，尽管它们通常提供大的集中式发电容量。 分布式发电技术将是适当的替代方案，可以在极端炎热或寒冷的天气为极端天气提供峰值负载，同时为配电系统提供RESs [11]

当DG用于平滑峰值负荷时，它构成了一个被称为DSM的概念的一部分。 值得一提的是，帝斯曼指的是旨在管理或减少能源消耗的电能表需求方面的技术，行动和计划，以降低系统总成本或甚至用于其他目的，如减少排放[16] ，以及平衡供求关系[17]。 换句话说，帝斯曼已被提出为实现可持续发展的有效计划[18,19]。 另一方面，尽管具有DG的所有优点，但由于将附加发电机连接到电网，可能给配电网带来严峻挑战。 在将DG连接到电网所导致的问题中，DG源的频率，DG波形与电网同步以及DG电源与电网的电压分布是最重要的[20]。 此外，促成这种连接所需的电力电子设备将成为另一个问题。 由多种类型的DG产生的电力具有DC形式，而电力电子设备转换该波形，从而可以连接到配电网络。 值得一提的是，这些设备本身在运行过程中会对配电网造成不必要的干扰[11]。 然而，将DG集成到DSA中来控制DG的这些负面结果非常重要。

2.DG的DSA控制

DSM的实施主要基于实时数据，并且一旦适合于实现分销网络的最大利益，就可以快速启用DSM程序。 当这些数据通过已安装的通信系统传输时，IED负责提供实时数据。 在配电系统中使用IED时，从这些设备获得的输入是监控，保护和控制链路。 值得一提的是，IED通过卫星连接同步进行实时分析。 从IEDS获得的所有数据都由变电站服务器存储，而调制解调器用于同时将数据发送给其他IED或集中式命令进行分析。

请注意，自动化系统决定使用DSM进行服务切换或退出。 涟波控制方法和广播将是做这种行动的两种选择[21]。

2.1分销网络中的控制问题

纹波控制及其技术的概念在配电网络中广为人知。 在这方面，非高峰热水系统被认为是公用事业公司用来控制家用电热水系统的波纹控制系统。 这个动作是使用高频信号进行的，通常是在区域变电站级别注入电压波形，该电压波形由负责切换热水系统的继电器检测到，该继电器在最大需求时段期间有效地管理热负荷[22]。 当电力需求最小时，上述系统在时间基础上发起。 因此，切换额外负载会对配电网造成一点压力。 相反，DSA使用纹波控制系统在高负载期间切换进入或退出DG源，同时根据IED完成的需求读数工作。 由于最大需求时间对于每一天和网络的每个部分都是未知的，因此仅通过时间初始化的波纹控制系统可能不适合[22]。所提出的DSM控制系统中采用的纹波控制系统是通过收集和分析实时数据来初始化的。根据这些数据，如果配电网过载，需要采取某些措施来减轻系统压力。 然而，为了实现期望的DG源切换，DSA计算DG源输入的最优解，并初始化纹波控制系统。 值得注意的是，实施DG电源切入和切断服务可能会导致电网出现若干问题。 主要关注的是信号传播的延迟。 当需要快速响应来保护配电网络设备以及保证服务的连续性时，不可能出现延迟。 尽管这种纹波控制系统存在这个问题，但通过使用该系统仍然可以获得一些主要的好处，例如控制信号的安全性和较低的建立成本。 纹波控制系统最显着的优势是控制信号安全[22]。

2.2用于DSM的DG源的广播控制

有人建议使用广播信号来增强控制系统的响应时间，以减少配电网络中的过载情况。 可以采用与电力线载波（PLC）相同的方式进行广播控制，其中通信系统的类型不同，即通过广播技术传播信号，例如无线网络，下一代网络或无线电信号，所有它们在DG控制信号传输上更快，但它们在信号方面存在安全问题。

2.3 DSA和DG的多智能体控制系统

试图控制嵌入在配电系统中的DG供电时，需要考虑许多方面。 实现全球目标同时实现本地目标的一代协调是一个很好的平衡，因为每个DG源连接起来更加复杂。 一个关键特征是，即使是最复杂的DG嵌入式配电网，也可以结合IED使用多智能体方法来有效控制DG连接/断开[23]。

每个独立的DG源都配有一个本地控制代理（LCA），用于监控和控制当地的DG环境。 LCA向其他LCA和全球控制代理（GCA）提供其他信息，以监督所有控制输入和输出。 GCA还可以中断任何执行对全球系统稳定性有害的控制措施的LCA。 图 下面的图1和图2展示了多智能体DG控制系统的图形表示[23]。 请注意，本地紧急信号（LES）被传送到系统的其余部分，而GES是全球紧急信号，这两者都被报告给协调和学习部分。

2.3.1控制过程算法

参考文献中建议的控制算法有几个步骤 [23]。概述了多主体DG控制系统的操作如下：

图1. LCA [24]

图2 GCA [ 24 ]

图3 信息的LCA和GCA流[24]

（1）连接到每个DG源的LCA的最终目标是维持本地负载的发电并控制当地情况。 它只有在满足当地条件之后，才会试图超越以本地和全球信息为基础的全球情景。

（2）对于在运行期间发生故障的任何DG电源，它立即断开与电网的连接，并向所有其他代理发送紧急信号，通知断开连接。 DG电源的故障可能是由于与DG电源，LCA相关的硬件或软件出现任何故障，或者执行导致配电系统不稳定的控制序列。

（3）剩余的危险废物源将重新评估当地和全球的投入，并就新的运行条件确定适当的行动。

（4）为了将发生故障的DG电源恢复供电，GCA尝试通过离线计算找到最佳控制设置的解决方案。 一旦解决方案收敛到最佳解决方案，就会尝试返回DG服务。这个过程被称为“自我修复”，这是多代理系统的一个关键优势。

（5）如果GCA没有收敛到最佳解决方案，并且全球目标恶化，则所有的DG电源断开连接，恢复为传统电源。

（6）GCA然后尝试计算离线最优解，并根据情况自动或手动恢复所有DG源。

该系统最吸引人的方面是自学习能力强，控制能力强，能够适应未来场景中的附加功能。 系统的额外扩展支持未来的控制功能，增加了系统的吸引力[23]。 由于能够扩展功能和控制能力，实施多代理系统的公用事业将安装具有长保质期的系统，从而有效地消除冗余诅咒。 这些方面使该系统成为公用事业公司控制嵌入在配电网中的DG电源的真正合适考虑因素。 本地和全球代理之间的交互可以如图3所示。

3. DSA用于智能电网下的PQ监测和修正

PQ是指配电系统内电压和电流波形的纯度。 电压波形的标称测量在分布电平为400 V RMS，频率为50 Hz。 由于负载通常设计为在特定电压范围内工作，因此大多数连接的负载对PQ事件的容忍度较低，例如电压骤升和下降。 任何高于或低于此范围的测量偏差都将导致负载失效或启动设备保护[3]。

随着高功率电子设备与配电系统的连接，监测这些电子设备产生的PQ干扰已经成为一种固有的需求[3]。 此外，与电网连接的客户将转向使用对电力质量扰动日益敏感的电子设备，而不是以前的技术。 由于客户希望提高PQ并且连接的负载产生更多的PQ事件，因此监控PQ已成为分销系统的重要组成部分，DSA为确保PQ标准提供了可能的解决方案[24]。

3.1 智能电表

先进电表基础设施（AMI）的广泛推广，也称为智能电表对DSA概念至关重要，特别是在改善配电系统中的PQ的情况下。 AMI有能力缩短停电管理程序的响应时间，监测和预测谐波情况，避免PQ干扰和停电，避免PQ干扰和停电，监测电流和电压波形，提供DSM措施，还能够向消费者提供更多的能源消耗信息反过来可能导致消费者能源账单的节约[25]。 智能电表具有双向通信功能，可为安装的客户和公用事业部门提高运营效率提供许多益处[26]。

3.1.1帝斯曼和智能电表

最终用户的客户可以对配电系统的需求情况产生重大影响，而智能电表使客户能够在最大需求时间内降低配电系统的压力[25]。 智能电表有助于推出更符合实际电力市场条件的改进计费系统。

图4.智能电表作为DSM战略[27]

与智能电表相关的使用时间（ToU）计费系统允许客户将非必要能耗推迟至对能源需求较低的时间。ToU鼓励通过基于时间的关税将货物推迟到配电系统需求较低的时段。在能源需求最高的时期，电力公司收取更高的价格，反映当时的实际能源价格。 当需求低时，情况正好相反。公用事业公司对低需求期间使用的能源的收费较低，以鼓励将非必要负荷推迟到这些时段[26]。

智能电表可提供额外的功能，有助于配电公司提供DSM措施。 智能电表的双向通信使电力公司可以控制房屋内的特定负载。 控制特定的负载可以超越单纯的负载切换或者负载切换，并且可以扩展以改变诸如智能空调之类的器具的恒温器值，以便降低器具的能量消耗并且在最大程度上减少负载需求期似乎是必要的[26]。 图4说明了智能电器，智能电表和能源供应商之间的交互。

智能电表是客户和能源供应商之间的接口，可以通过直接控制，本地负载控制和分布式控制来提供DSM措施。 公用事业公司可以通过智能电表和任何智能电器远程切换负载或停止服务，从而在能源网络压力期间降低需求[23]。 通过智能仪表进行切换是通过从公用事业公司向智能仪表发送一个控制信号来实现的，智能仪表随后将作用于该控制信号。 这被称为客户负载的直接控制，可以通过使用波纹控

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