关于主动配电系统的可行技术分析

主动配电网的概念形成

CIGREC6专委会对含DER的配电网进行了一系列的详细研究。2008年国际大电网会议(CIGRE)配电与分布式发电专委会(C6)的C6.11项目组在所发表的“主动配电网的运行与发展”研究报告中明确提出了ADN以及DER的概念。CIGREC6关于ADN和DER的基本定义和构成的设想目前已经得到国际学术组织CIRED和IEEE的广泛认可。主动配电网(ADN)的基本定义是：通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，以便对局部的DER进行主动控制和主动管理的配电系统。DER在一定程度上可承担支持系统的责任，这将取决于适当的监管环境和接入协议。分布式能源(DER)的基本构成是：分布式发电(distributedgeneration，DG)、分布式储能(electricalenergystorage，EES)、可控负荷(controllableload，CL)等。其中DG主要为可再生能源(renewableenergysource，RES)，包括光伏发电PV、风能发电等；CL包括电动汽车(electricvehicle，EV)、响应负荷(responsiveload，RL)等。由于具有发电和消费双重身份的生产性负荷(pro-consumer)的出现，使得响应负荷也成为了DER。

2010年本文作者根据CIGREC6.11的定义将ADN翻译为“主动配电网”。在世界范围内由于目前对电网运营商和DER拥有者还缺乏必要的激励机制以及适当的监管环境，使得ADN这一概念至今仍处于发展阶段，还有许多尚待研究的新问题。需要指出的是，微网主要是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以常态方式孤岛运行。与“微网”不同的是，ADN是由电力企业管理的公共配电网，常态方式下不孤岛运行，但在紧急情况下(由于DG的存在)通过合理配置解列点，可使得ADN的局部作为微网而以非常态方式孤岛运行。

DER接入对传统配电网的影响

传统配电网是输电网和用户之间的重要中间环节，特别是中低压配电网实际上被设计成电力系统的“被动”负荷。传统配电网的运行模式和技术准则也相对简单，网络运行一般采取开环辐射模式，即使采用配电自动化措施，也主要用于故障后的快速处理，一般不会对稳态运行的配电网进行主动控制。因此传统配电网可称之为被动配电网(passivedistributionnetwork，PDN)。传统配电网原本不是为高渗透率DER的接入而设计的。当前各国都在研究如何适应高渗透率DER的接入。例如，欧盟在2020年将要实现20-20-20计划，其中包括可再生能源的渗透率将达到20%。虽然欧盟国家可再生能源的渗透率总体上将在一定的范围(如20%)内，但是局部供电区域的渗透率有可能会更高，例如：德国目前可再生能源的装机容量已约占总装机容量的30%，可再生能源的发电量已约占总发电量的20%，2020年可再生能源的装机容量将达到35%，2050年可再生能源的装机容量将达到80%，其中德国中部电力公司(260万客户)的可再生能源发电在2020年有可能达到100%；意大利2012年的可再生能源装机已达18.6GW，已经使输电网向配电网的功率流减少了8GW多，即削减配电负荷约20%，而且未来还有20GW的接入申请，已经需要考虑传统发电机组为可再生能源提供备用的问题。总体来说，DER渗透率的大小，取决于许多边界条件，如外部电网及发电机组可提供的备用裕度以及DER的控制模式等。

配电网在DER大量接入后，有可能引起诸多问题，这些问题既有技术方面的，也有管理方面的。DER接入到配电网后甚至会影响到能源市场的运营，如DG注入的功率会改变传统配电网上的负荷曲线，从而影响传统发电机组的运行出力，并要求配电系统运营商(distributionsystemoperator，DSO)在与输电系统运营商(transmissionsystemoperator，TSO)密切协调配合的条件下担任管理能量流的新角色。总而言之，小规模DER的接入只会影响配电网的局部运行，而大规模(高渗透率)DER的接入却会影响电力系统的全局运行，并对配电网的规划、运行、短路水平和设备选型、故障处理过程和保护、非常态方式孤岛运行等方面带来不容忽视的影响。

1）对配电网规划方法的影响。传统的配电网规划方法只是针对某个负荷预测值采用最大容量裕度(给定网络结构)来应对最严重工况的运行条件(即使最严重工况为小概率事件)，从而在规划阶段就可以找到处理所有运行问题的最优解，因此传统规划方法相对简单。ADN的负荷预测结果会受需求侧响应和DG的双重影响，同时在进行系统设计时会受DER主动管理模式的影响。因此ADN的规划方法相对传统配电网的规划方法要复杂得多。解决方案：ADN的规划方法需在规划阶段就考虑其运行时可能遇到的各种不确定性工况。例如，在面对双向潮流时甚至有可能考虑将配电网从开环辐射状向闭环网状拓扑结构过渡，并以合理的费用集成信息通讯与电力电子换流技术，而不只是简单地考虑接入新的能源形式和储能设备。随着DER渗透率的提高，ADN规划还需考虑所有电源的协调优化问题，如与主网电源的协调问题。

2）对配电网运行的影响。现有电力设备必须在其额定电压附近的给定电压范围内运行，配电网的电压质量与无功电压控制密切相关。传统配电网运行时是无源的，无功电压控制模式相对简单。当DER接入配电网后，由于DER设备具有间歇性、随机性、非线性特征，这不但使得配电网运行时的无功电压控制模式相对复杂，而且还有可能导致配电网出现有功潮流反向和无功潮流的不确定性。DER接入或退出时还有可能导致暂态电压变化、风电机组的接入和退出还有可能引起闪变、电压畸变、保护误动等问题，使得配电网的电能质量及供电可靠性受到一定的影响。解决方案：依赖信息及通信技术(informationandcommunicationtechnology，ICT)和先进的计量设施(advancedmeteringinfrastructure，AMI)技术，采用适用于配电网的监控和保护模式，提高系统的可观测性，变被动控制方式为主动控制方式，更多地依靠主动式的电网管理，网架运行也逐步从开环辐射运行向闭环运行过渡，并采用各种新型电力电子设备，如主动无功补偿装置、主动有功移相调节器、有载调压变压器等对配电网的有功和无功潮流进行协调控制。

3）对短路电流及设备选型的影响。任何一个电源接入系统，都会给系统提供短路电流，因此，为了使DG接入后开关设备的遮断容量依然不超标，就有可能需要更换原有的开关设备，从而增加接入的费用；另外，对于同一变电站有多点接入DG的情况，最后接入的DG有可能会造成接入点及其附近同一电压层级节点的短路电流超标，因而需要更换设备，而且大量的持续的DG接入请求在有些供电区域增加了网络饱和的可能性，这使得后来的DG接入者的申请受到限制。

4）对保护装置运行和故障处理的影响。DG接入后，会对故障条件下的短路电流产生影响，从而有可能使保护误动。现有中压配电网的故障清除过程一般是在没有DG接入的情况下设计的，主要涉及自动重合闸、负荷转移、以及故障段自动隔离等3个基本操作。DG接入后会对这些操作产生较大的影响。在馈线故障且具有DG的情况下，非同步的自动重合可能会对DG产生损害。在瞬时故障后DG未断开的情况下，重合闸操作有可能导致大电流以及逆变器跳闸。在负荷转移时，DG的接入有可能使转供馈线的短路电流水平超过限值。解决方案：协调配置和重新整定保护装置，必要时采用专用馈线接入DG，采用不同原理的保护配置及进行保护整定。

5）对非常态方式孤岛运行的影响。在当前的技术条件下，配电网一般不具备常态方式孤岛运行的条件。一般情况下，非常态孤岛运行会对孤岛后的配电网电压和频率产生影响。公共配电网一般只有在非常态的应急情况下才有孤岛运行的必要，且需要有良好定义的规则，以及DSO和TSO的协调配合，才能保证非常态方式孤岛运行后DER的正常运行。此外，配电网的非常态方式孤岛运行必须有明确的利益协调机制，以便对配电企业的网络投资和DER提供的配套服务进行回报。解决方案：研究DG的反孤岛措施，制定对DER的监管条例，完善DER的自动退出机制，提高DSO对DER的主动管理和主动控制能力。

主动配电网的基本特性

配电系统中ICT技术的发展为各种DER的协调配合与控制提供了可能性。全球的利益相关者，如配电企业、设备制造商、电气工程顾问公司、科研机构以及监管机构，都在积极研究和探讨高渗透率DER接入后现代配电网所面临的问题。在这些研究构想下，传统配电网将逐步从PDN向ADN过渡。由于配电网有可能逐步接入大量的DER，现代配电网已经不再等同于仅仅将电力能源从输电系统配送到中低压终端用户的传统配电网，如前所述，现代配电网应该改称为配电系统。

ADN可以说是“智能电网”的重要组成部分之一。ADN将是一种基础设施，使得电力用户能够参与电力市场互动，可将他们的需求与ADN所提供的功能相匹配，并允许DSO在配电系统运行中集成DER，从而优化使用配电系统的资产，并可提高能源的利用效率和改善配电网的性能。与注重客户端电网的微网不同，ADN注重处理公用配电网接入DER的问题。对于电网企业而言，从PDN过渡到更积极的ADN的一般驱动力/激励机制如下：

1）提高客户服务质量。能够更快、更经济有效地接入客户(包括发电客户和负荷客户)。2）提高管理性能指标。通过提高配电系统的可靠性，减少客户的供电中断以及顾客的停电分钟损失，即客户停电的分钟/小时/天数。3）减少运行风险。通过提高配电系统的监控能力，降低配电系统的运行风险。4）优化利用现有的配电网络。通过加强对配电网的控制，提高配电设备的利用率，避免或推迟对馈线和变压器的改造。图1表示了对DER进行主动控制和管理的效果图，该图从电力系统的装机容量出发，将DER与配电网集成并实施分散控制，展示了满足尖峰负荷所需的3种装机容量，方式1）为在当前被动控制(DG为连续控制的)条件下的总装机容量，方式2）为采用被动控制模式条件下(DG大部分为RES)条件下的装机容量；方式3）为主动控制模式条件下的总装机容量。因为RES的年额定出力利用小时数只有1000~2000h，所以方式2）的总装机容量要远高于方式1）；由于可处理大量的DER，使集中发电只带基荷，故集中发电容量可大量降低，使DG和DSM所承担的负荷大量增加，从而使方式3）的总装机容量要低于方式2）。

以下讨论实施ADN所带来的优点、缺点、机会以及风险(即进行SWOT分析)。SWOT分析方法是一种战略分析方法。其中：S(strength)表示自身优势；W(weakness)表示自身弱势；O(opportunity)表示外部提供的机会；T(threat)表示面临的外部风险。1）优势。ADN提供了加强网络改造的经济替代方案，提高了运行可靠性，减少了损耗，通过自动化与控制，提高了网络接入客户DER的能力。2）弱势。目前配电企业还缺乏维护ADN的经验，还没有承担风险的驱动力，现有的通信基础设施还不足以承担主动控制和主动管理的功能。3）机会。通过将老化资产替换为具有主动管理能力的设备、开发和实施智能计量技术、发展通信基础设施，提供了提高分布式可再生能源的渗透率而迈向低碳经济的机会。4）风险。技术方面，RES渗透率较高后有可能对传统发电机组和输电网的运行产生影响，所依赖的ICT技术本身的安全性问题值得关注；管理方面，现有的规程和规范与ADN的发展可能存在不相适应的地方，向ADN发展的过渡期较长，有可能增加管理的难度。

主动配电网研究的相关动态

CIGREC6在提出ADN研究框架和方向的基础上，通过开展新的研究项目，从中提取各国均适用的可行技术和可行方法，CIGREC6的研究无论从深度和广度上都给中国的相关研究提供了一定的启示。以下介绍CIGREC6以及作者多年的相关成果。

1）CIGREC6的相关研究。CIGREC6的项目组目前已经完成以下多项相关研究报告：①可再生及分布式能源接入的示例系统(C6.04)；②大规模间歇性能源的并网(C6.08)；③需求侧集成(C6.09)；④低压分布式发电设备的技术规范(C6.10)；⑤主动配电网的发展与运行(C6.11)；⑥电能储能系统的研究(C6.15)等。以此为基础，CIGREC6已经启动而且还将启动多个与ADN相关的研究项目组，主要包括：①主动配电网的规划与优化(C6.19)；②电动汽车接入(C6.20)；③智能测量(前沿、规范、标准以及未来需求(C6.21)；④微电网发展路线图(C6.22)；⑤馈线接入DER的最大容量评估(C6.23)；⑥电池储能系统的技术规范指导意见(C6.24)；⑦未来配电系统的控制与自动化(C6.25)；⑧带有分布式能源的配电系统的保护(C6.26)；⑨针对具有高渗透率分布式能源的配电网的资产管理(C6.27)。CIGREC6的项目一般由各国主要研究单位的专业人员负责，作者作为中国的代表参与了C6.19、C6.23和C6.27的研究工作，概要介绍如下：主动配电网的规划与优化(C6.19)工作组共包括5个研究内容：①电网企业ADN现状调研；②传统规划方法的现状；③适用于ADN的新规划方法；④ADN的可靠性评估；⑤新的规划模型。馈线接入DER的最大容量评估(C6.23)工作组共包括6个研究内容：①DER的接入在配电层级所造成的问题；②审查各国的经验及进行案例研究；③审查各国应用的DER接入标准和准则；④根据现行实践经验推导简单的指导方针；⑤DER、DSM、电动汽车以及网络控制对增加接入容量的影响；⑥判断在中低压层级采用DER控制所带来的技术和商业方面的局限性和差异。主动配电网的规划与优化(C6.19)工作组的研究人员发表了一些阶段性研究成果，如ADN的可靠性评估[3]、ADN中DG集成的多目标规划[4]、基于多目标规划的ADN的成本/效益分析[5]、两阶段的在线主动管理的能源资源协调优化[6]、主动网络的优化规划[7]、管理ADN网络的先进DMS[8]等。

2）作者及合作者的相关研究。本文作者也发表了一些与ADN的规划与优化相关的研究成果，主要包括以下几方面的内容：①计算平台与评估流程方面。针对ADN的特性和需求，并考虑了DG接入的特殊需求，提出了ADN的规划流程[9]，建立了一个ADN规划的案例研究平台[10]，提出了具有DG的配电网可靠性评估流程[11]。②在储能系统应用方面。针对高渗透率DG接入的需求，提出了储能在不同电压等级配电网应用的策略[12]，提出了配电系统中用于负荷平衡的储能优化配置[13]的算法并进行了微电网中复合储能的优化配置研究[14]。③在优化方法方面。为了考虑ADN的可持续发展，提出了配电网集成DER的成本效益分析方法[15]，提出了边远地区应用微电网的配电系统优化规划方法。这些研究成果从计算平台、优化算法、评估流程、成本效益评估、信息需求和技术准则的调整等方面深入开展了针对ADN的全方位研究。在今年6月召开的CIRED2013及相关会议上，作者探讨了为接入DER尝试改变技术准则的可能性[17]及ADN规划所需的信息需求[18]，作者与CIGREC6的研究人员还探讨了ADN规划中需求侧集成的问题[19]等。这些研究内容应引起国内相关部门的关注。

主动配电网的可行技术

目前，ADN项目在世界各地的电力系统研究中仍处于起步阶段。为了使研究成果能够真正成为实用工具，一般应该注重的是“可行技术(EnablingTechnology)”的研究。许多领先的电力企业率先进行了一些ADN的试点项目和示范实施，CIGREC6的研究报告C6.11《主动配电网的运行和发展》，对这些项目所开发的可行技术进行了总结。本节对世界范围内ADN项目的实施状况进行评估和分析，并对当前ADN研究的可行技术进行了归纳和研究。目前世界范围内共有11个国家和地区开展了24个具有创新性的ADN项目，这11个国家和地区包括美国、澳大利亚、意大利、希腊、德国、英国、欧盟、荷兰、丹麦、西班牙、日本。现将项目中所应用的通信技术以及ADN的可行技术介绍如下。

1）通信技术。表2列出了目前所使用的通信技术。各公司所使用的通信手段差别很大，只有少数公司提到了使用DER的遥控通讯手段，且只有很少的一部分提到将把控制延伸到低压网络。对配电系统进行主动管理和控制，需要采用信息和通讯技术设备(ICT)技术作支撑，也就是说，ICT技术对于提高配电系统的稳定性、可靠性及效率，保持系统频率、控制潮流和调节电压是必不可少的可行技术；主动控制既可以进行集中控制，也可以进行点对点控制，或者进行组合控制(自治控制或优化控制)。智能电子设备(intelligentelectronicdevice，IED)可用于对DG和RL进行控制，同时也可监测系统的运行参数并能够提供独立的保护行为；控制中心(DMS/EMS)可通过各种通信系统与终端设备IEDs通信，以光纤通信为主；而智能电表可采用光纤、无线或载波进行信息传递。互联网协议(IP)可与这些不同的通信技术配合，从而形成互联网通信，这也将是ADN主动管理的重要组成部分。

2）相关技术及研发需求。现有的ADN项目主要涉及硬件设备、监测控制和网络运行三个方面的技术，综合考虑发展ADN未来发展需求，所需解决的可行技术主要有：①可行技术1(电力电子设备)。智能设备和通信媒介设备、AMI、ESS和电池能量管理、DG的接入和控制接口；采用电力电子设备进行网络重构、无功补偿、电压调节、谐波补偿，进行接入DER的转换；采用可控的DER和负荷进行优化运行以使回报最大化，采用可控储能以使负荷和发电平衡。②可行技术2(ICT技术)。采用ICT技术可以进行计算、存储、处理和分配信息，在可控设备和控制单元之间传送信息(发电和负荷控制、网络重构、主动补偿、监测、负荷、发电和电价的预测等)。③可行技术3(监测和预测)。测量网络参数、估计实际运行条件、保证系统安全所需的负荷、发电和电价的预测。④可行技术4(运行与控制)。配电管理系统(distributionmanagementsystem，DMS)、DER的分布式控制、需求侧管理(demandsidemanagement，DSM)、微电网/馈线(孤岛运行)；进行潮流管理、自动电压控制(automaticvoltagecontrol，AVC)、动态的线路载荷水平(dynamiclinerating，DLR)等。⑤适用可行技术5(规划与设计)。摒弃传统的与运行无关的方法，在规划阶段就考虑其运行时可能遇到的各种不确定性工况的方法，应对高渗透率的DER的接入，不能简单地将接入新的能源形式和储能设备的规划视为ADN规划。

通过对以上各种可行技术的分析，可确定其相应的应用范围、预期收益以及未来的研发需求。应用范围包括有功和无功控制、需求侧管理(采用可变电价结构)、ADN管理、孤岛运行、削峰和间歇性发电、网络的最优管理等。预期收益包括提高配电网的稳定性和转供能力、提高配电网的主动管理水平、提高配电网新旧元件的协调和控制能力以及对网络信息的采集能力、提高集成可再生能源的能力、延缓配电网络改造时间、提高削峰和孤岛运行的能力、提高DG的接入能力、提高SCADA的能力、对潮流进行优化等。研发需求包括进一步降低费用、提高可靠性、制定接入标准、提高集成能力、制定新的监管条例、降低储能费用、与主网的再同步、新的保护配置方案等。随着上述可行技术的进步，为使PDN向着ADN的方向逐步发展，作者认为配电系统的各个方面均会有很大的变化，例如技术标准逐步柔性化、管理模式逐步分散化、网路结构日趋灵活、模拟计算更加精确、控制与保护模式更加主动等[20]。在2012年的CIGRE年会上，鉴于大量DER接入配电网，CIGREC6决定将主动配电网(ADN)改称为主动配电系统(activedistributionsystem，ADS)。虽然国际上ADS的发展已经完成了顶层概念设计、项目实施验证、模型算法研发方面的初步研究，但C6.19工作组对全世界5大洲20多个电力企业(包括中国的电力企业)进行的ADS规划方面的有关调研结果表明[21]：鉴于核心计算工具的缺乏，除欧洲一些国家外，在大多数国家ADS还未成为配电网规划和运行中的一个必要内容；而且主动管理和主动控制现在仍处于初始阶段。中国也开始关注ADS方面的研究[22]，还处于概念探讨阶段。

结论

由于高渗透率DER的接入，未来输配电网之间产生了双向功率流，负荷与电源具有了双重不确定性，客户具有了消费者和生产者的双重身份。由此为确保电力系统的安全性和稳定性，必须投入必要的资金对现有配电网进行加强或对现有技术进行改进，ADS是未来电力系统解决这些问题的发展模式之一。尽管DER渗透率还将进一步提高，随着相关可行技术的进步，ADS不仅可起着配电层级的功率平衡作用，还起着与上级电网之间的双向功率交换通道的作用，因此ADS将成为局部区域各种能源的交换中心。中国在进行ADS的相关研究工作中还应该考虑其配电网的具体需求，例如在应对高渗透率DER的接入和提高设备智能化水平等问题的同时还要研究可行的配电网络扩展模式。

本文作者：范明天 张祖平 苏傲雪 苏剑 单位：中国电力科学研究院 北京师范大学数学科学学院