DQZHAN訊：主動配電網建設條件及運行關鍵技術分析

主動配電網通過分布式能源、可控負荷、DFACTS設備的組合控制和網架結構的靈活調整，實現優(yōu)化運行與管理，其關鍵技術包括綜合規(guī)劃、協調控制、能量管理、效益分析等。文章對貴州地區(qū)開展主動配電網建設的示范條件進行了論述與分析，從分布式能源狀況、改造難度和成本、工程效益等方面對示范工程建設條件進行了分析，并結合貴州清鎮(zhèn)地區(qū)示范條件提出適合其推廣應用的關鍵技術，所提出的內容對其他地區(qū)開展主動配電網建設具有參考價值。

0引言

近年來，分布式間歇性電源發(fā)電滲透率的明顯提高對配電網控制提出了新的挑戰(zhàn)。針對這種高分布式發(fā)電滲透率、高控制要求的配電網發(fā)展趨勢，國際大電網會議C6委員會提出了主動配電網(ADN)的基本定義。定義中指出：主動配電網通過使用靈活的網絡拓撲結構來管理潮流，是能夠對不同區(qū)域中的分布式能源設備(distributed energy resource，DER)進行主動控制和主動管理的配電系統。其中，DER包括：分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、儲能系統(energy storage system，ESS)、可控負荷(controllable load，CL)等。其中DG主要為可再生能源，包括光伏發(fā)電、風能發(fā)電等;CL包括電動汽車(electric vehicle，EV)、響應負荷(responsive load，RL)等。ADN的基本定義和組成構想目前已經得到了包括IEEE和CIRED在內的國際學術界組織的廣泛認可。

主動配電網通過先進的信息、通信、電力電子以及自動控制技術對各種類型的分布式能源進行組合控制，滿足綠色可再生能源的高度利用以及實現配電網雙向潮流靈活控制的配電網絡，是能從根本上解決配電網高度兼容分布式能源的有效技術手段，也是配電網未來的主要發(fā)展模式。我國政府、電網公司對于主動配電網中包含的各類分布式能源的發(fā)展始終持支持的態(tài)度。國家發(fā)展與改革委員會在2013年7月18日印發(fā)《分布式發(fā)電管理暫行辦法》，為分布式發(fā)電的發(fā)展做出了有利的政策引導。同時，為了應對風電和光伏發(fā)電的間歇性和隨機性，實現*大能力消納間歇式能源、提高系統運行的經濟性和可靠性、減少系統運行風險的技術手段等方面的研究仍在不斷深入進行。國外方面，據統計，截至2013年，世界范圍內共有包括美國、澳大利亞、日本、意大利、德國、英國等在內的11個國家和地區(qū)開展了24個具有**性的ADN項目。其中，歐盟開展了ADINE、ADDERSS、GRID4EU等代表性的ADN示范項目：①ADINE項目主要以配電網絡對高滲透率DG的開放兼容為目標，重點研究內容包括：智能配電自動化、ICT和ANM控制技術等，項目展示了可使DG接入更加方便的解決方案，提出了可適應大規(guī)模DG接入的系統保護配置、電壓控制、故障穿越和防孤島等策略。②ADDRESS項目于2008年開始實施，歷時4年，11個國家參與，重點研究智能配電網理念下以“主動需求(AD)”為核心的用戶側需求響應技術。該項目建立了用于實時數據處理的大型、開放式電力通信網絡，大規(guī)模實驗并應用實時激勵等需求側管理技術，驗證了AD對系統效益的積極作用。③GRID4EU項目由6家歐盟國家配電系統運營商共同參與，預計2015年結束，總資金約5000萬歐元。項目主要涉及智能配電網的規(guī)劃、運行及控制關鍵技術、標準制定，以及成本—效益分析等方面內容，相關成果要求在歐洲范圍內具有可擴展性和可重復性。

國內方面，在密切跟蹤主動配電網技術前沿的同時也在積極進行試點示范工程建設，2012年開展了863項目“主動配電網的間歇式能源消納及優(yōu)化技術研究與應用”研究，并在廣東電網進行示范。2014年起，“多源協同的主動配電網運行關鍵技術研究及示范”分別在北京、福建、貴州開展研究與示范建設。

作為消納上述分布式能源的主體，主動配電網具有主動控制特征，應在開展工程建設時提出因地制宜的技術解決方案，并且就建設條件進行詳細的前期考察。本文首先對國內外主動配電網示范工程進行了概述，在此基礎上結合貴州電網的實際現狀，對貴州省推行主動配電網技術的必要性和建設條件進行了論述與展望。

1示范地區(qū)選址原則分析

1.1在中壓配電網范圍選址分析

主動配電網是實現大規(guī)模間歇式新能源并網運行控制、電網與充放電設施、負荷互動、智能配用電等電網分析與運行關鍵技術的有效解決方案。主動配電網示范工程選址通常集中于10kV及以下配電網絡，即中低壓配電網范圍，選擇這一電壓等級的主要原因如下：

1)從配電網調度層面來看，目前配電網主要管理范圍是110kV和35kV的高壓配電網，其管理技術、設備都相對較為完善。與此相對的，中低壓配電網各種控制技術發(fā)展較為滯后，這主要由于兩方面原因導致，一方面是因為中壓配電網分布非常廣泛，雖然呈輻射狀分布，但總體線路數量龐大難以選擇合理的管理方式;另一方面目前中壓配電網的自動化水平不高，三遙比例較低，可觀測性較差。主動配電網控制技術可以有效填補這一空白，實現中低壓配電網的有效管理。

2)從配電網現狀來看，由于主動配電網的核心目標之一是實現電網與充放電設施、負荷之間的互動，目前配電網負荷完全集中于10kV及以下的中低壓配電網，10kV及以下電壓等級已經可以充分滿足電源—負荷之間的互動需求。

3)從主動配電網定義來看，主動配電網需滿足：“可以綜合控制分布式能源(分布式電源、柔性負載和儲能)的配電網，可以使用靈活的網絡技術實現潮流的有效管理，分布式能源在其合理的監(jiān)管環(huán)境和接入準則基礎上承擔對系統一定的支撐作用?！狈植际侥茉词侵钢苯硬贾迷谂潆娋W或分布在負荷附近的發(fā)電設施，分布式能源距離電力用戶近，輸電損耗小，可以實現高效利用;同時利用分布式能源可以有效減緩電網壓力，實現有功功率的就近提供和無功功率的就近補償。主動配電網中的分布式電源通常容量較小，為了實現分布式能源的有效監(jiān)管，如果選擇35kV電壓等級以上配電網，其負荷遠大于分布式電源出力，難以實現分布式電源和負荷的互動，從而不能有效反映出主動配電網對分布式電源的控制能力。

因此，選取10kV及以下配電網絡具有更好的示范效果。在前述電壓等級選取基礎上，為了實現主動配電網分布式電源監(jiān)控、分布式電源調度、分布式電源消納、全網組合優(yōu)化等控制目標，主動配電網示范地區(qū)選取需要從源、網、荷3個方面進行具體的考慮。

1)從電源的角度來看，不同于傳統配電網對分布式電源“即插即忘”(fit-and-forget)的控制方式，主動配電網強調“主動管理(active network management)” 這一概念，即通過對分布式發(fā)電、無功補償等多類型可控設備的有效利用，實現分布式電源的高度兼容與資產的高效利用。因此示范區(qū)域應具備大量分布式電源多點接入，其滲透率需提高到能夠影響傳統配電網的運行管理的程度。同時由于主動配電網需要對電源進行主動管理，所以分布式電源需要具有可控性，可響應控制設備的調節(jié)指令(可能包含有功功率值、無功功率值、控制模式等)。

2)從電網的角度來看，主動配電網需具備靈活的運行方式，以實現配電網多種優(yōu)化目標及控制策略下的靈活組網。因此示范區(qū)選取的線路之間需要有適當的聯絡，便于根據運行情況靈活調整線路拓撲。

除上述一次網架結構要求以外，配電線路應盡量具有較高的自動化水平，或具備較好的改造條件，保證正常與故障兩種狀態(tài)下的主動配電網運行管理，示范區(qū)域內斷路器及負荷開關需具有三遙配置。與此同時，主動配電網為了實現數據采集、數據處理、監(jiān)測與報警等功能還需要較為可靠的通信系統，以保證配電自動化系統和主動配電網控制系統的正常運行。

3)從負荷角度來看，主動配電網間歇式能源的功率波動嚴重限制了分布式能源滲透率的提高，負荷主動管理為主動配電網提供了一種潛在高效的可調資源，以抑制電網功率波動、削峰填谷。因此示范區(qū)域內應盡量具有可控負荷(包括直接負荷控制、響應定價信號等)。在此基礎上，多樣化的負荷類型與良好的可調節(jié)特性可以為主動配電網示范提供更有利的條件。

1.2選址約束條件分析

主動配電網示范地區(qū)主要選址條件及其約束總結見表1。

1.3典型示范地區(qū)示范條件比較及其示范區(qū)域選擇

為了研究貴州省示范條件，本文分散選擇了位于貴州省的多個典型地區(qū)進行示范條件分析，包括位于東部地區(qū)的都勻市的獨山縣與龍里縣，位于中部地區(qū)的貴陽市清鎮(zhèn)地區(qū)、貴安新區(qū)、開陽縣以及位于西部地區(qū)的六盤水市盤縣，興義市以及興義地區(qū)興仁縣，調研分析結果見表2。

從表2中可以看出，貴州清鎮(zhèn)地區(qū)和貴安新區(qū)具有較好的基礎示范條件，進一步對比如下：

1)清鎮(zhèn)地區(qū)。

在清鎮(zhèn)地區(qū)開展示范工程建設的優(yōu)勢包括：①網架拓撲結構變化豐富，可以較好地體現主動配電網技術特點;②就近消納紅楓水電站電源，網絡中分布式電源滲透率高;③涉及線路容量較高，分布式電源就地消納的能力強，線路改造任務量較小;④示范工程建設在南方電網紅楓培訓基地內，有多種類型負荷可供控制，具備良好的改造條件;⑤三聯供系統所需燃氣的供給運輸成本較低;⑥選址為省會貴陽市，符合貴陽市“低碳城市”建設理念;交通便利，便于成果集中展示，具有突出的示范、推廣意義。

主要劣勢包括：①涉及的配電線路自動化程度較低，存在改造升級的必要性;②目前已有新能源種類較少，但建設條件較好。

2)貴安新區(qū)。

在貴安新區(qū)開展示范工程建設的優(yōu)勢包括：①已有風電、水電接入，分布式電源種類較為豐富;②網架拓撲結構變化豐富，可以較好地體現主動配電網技術特點;③貴安新區(qū)目前正在規(guī)劃建設中，示范工程內線路多為新建線路，部分主動配電網一、二次改造可納入貴安新區(qū)規(guī)劃內，線路改造任務量較小。

主要劣勢：①水電裝機容量較小，難以對周邊負荷產生較大影響;②風電場距離示范區(qū)域較遠，風電能源接入示范工程所需線路較長;③示范區(qū)域內均采用電纜線路，一、二次系統建設費用較高;④儲能系統無法與接入風機容量匹配，可能需要增加儲能容量。

綜合上述分析，貴州在主動配電網示范方面具有良好的條件基礎，其中清鎮(zhèn)地區(qū)和貴安新區(qū)均具備較好的示范條件與改造可能性，綜合考慮到驗證主動配電網關鍵技術的覆蓋程度與經濟性相平衡，可以選擇清鎮(zhèn)地區(qū)作為優(yōu)選示范區(qū)域。

2清滇地區(qū)主動配電網示范運行的關鍵技術

高滲透率分布式能源的消納與電網架構、區(qū)域負荷水平、地區(qū)經濟發(fā)展狀況、配電網的自動化水平與運行方式等多種要素密切相關，為了充分發(fā)揮貴州省西部能源基地的特點，實現從被動消納到對分布式能源的主動引導，迫切要求研究與主動配電網規(guī)劃和運行特點相匹配的技術，并開發(fā)相應的應用支持控制系統?；谏鲜鲑F州省清鎮(zhèn)地區(qū)的示范條件，貴州省開展主動配電網建設的關鍵技術要點見圖1。

2.1主動配電網規(guī)劃—運行聯合優(yōu)化技術

貴州清鎮(zhèn)地區(qū)雖然原始示范條件較好，但為了保證電力網絡改造的合理性以及運行的經濟性和**性，提高配電網的供電質量，需要對其進行科學地優(yōu)化規(guī)劃。主動配電網的規(guī)劃需要在傳統配電網規(guī)劃的基礎上充分考慮幾個規(guī)劃步驟之間的相互交叉與影響，以及規(guī)劃—運行狀況的聯合優(yōu)化。此外，為了實現適應于主動配電網的靈活控制和主動管理，需要多種二次智能設備及通信網絡的支撐，所以主動配電網規(guī)劃應該將一次側規(guī)劃與二次側的自動化規(guī)劃及通信規(guī)劃一并統籌考慮。具體研究問題主要包括以下3個方面。

2.1.1 主動配電網規(guī)劃的多目標優(yōu)化方法

主動配電網的多目標優(yōu)化需要考慮主動配電網不同類型網架結構及其性能評估，在此基礎上研究冷熱電聯供單元、分布式發(fā)電、新型負荷等新要素接入主動配電網多目標規(guī)劃優(yōu)化方法。同時兼顧不同運行環(huán)境下的不同*優(yōu)目標，建立多目標優(yōu)化模型，分析不同優(yōu)化算法的特點，提出適用于主動配電**點的優(yōu)化算法。

2.1.2 電源—用戶互動模式下的主動配電網規(guī)劃

由于示范現場具有可控負荷這一元素，從需求側角度來看，主動配電網由于其本身的主動性和靈活性的特點，更需要注重與用戶的互動，充分發(fā)揮需求側管理的作用。所以在主動配電網的規(guī)劃中需要考慮到上述特點，研究多源協同與終端用戶之間的互動關聯模型，建立計及多源協同與終端用戶互動的主動配電網規(guī)劃方案評估，與仿真分析環(huán)境提供互動決策支撐。

2.1.3 主動配電網的一、二次統籌規(guī)劃

為了實現主動配電網的主動、靈活控制以及快速合理的需求側響應，除了需要一次設備的合理配置以及安裝之外，還需要完備的配電自動化二次系統支撐，尤其是與配電終端、協調控制器以及通信網絡相協調。因此主動配電網的一次規(guī)劃要與自動化以及通信等二次規(guī)劃統籌考慮，探討計及一次設備的配置，一次系統與二次系統的協調關系，配電終端、協調控制器以及通信網絡對規(guī)劃的影響等主動配電網的一、二次統籌規(guī)劃，考慮規(guī)劃與實際運行相結合 。

2.2主動配電網多能源協同交互控制技術

考慮到清鎮(zhèn)地區(qū)能源種類多樣，具有分布式能源建設條件和負荷可控性較好的特點，該地區(qū)主動配電網控制需要對多種類型能源及柔性負荷進行優(yōu)化控制，研究主動配電網為中心的多能源協同交互控制技術，以實現分布式電源的高度兼容與資產的高效利用。以主動配電網為中心的多能源協同交互控制技術具體研究問題可以分為以下4個方面。

2.2.1 主動配電網的全局運行決策優(yōu)化管理技術

主動配電網運行決策優(yōu)化管理技術是整個主動配電網的核心，也是實施配電網主動管理的關鍵技術手段。結合清鎮(zhèn)地區(qū)示范條件來講，其分布式能源種類可能涉及水、風、光、儲、冷熱電三聯供等多種類型?？紤]到分布式電源出力會受到當前天氣和周圍環(huán)境的限制，同時分布式儲能系統的充放電也會受到儲能系統與當前電網運行狀態(tài)的限制，主動配電網運行決策系統的運行優(yōu)化管理是一種變約束的優(yōu)化問題。主動配電網運行決策系統為了獲得*佳的用戶經濟效益，需要對分布式電源和儲能系統進行綜合調度，考慮其接入后產生的峰谷電價差與降低線路損耗兩方面所帶來的經濟效益，同時兼顧多分布式能源接入環(huán)境下的配電網網絡重構，通過分布式電源、儲能系統、需求側響應三者綜合協同，安排合理的配電網運行方案，獲得*佳經濟收益，保證配電網長期穩(wěn)定、可靠運行。

2.2.2 主動配電網的協同交互控制技術

清鎮(zhèn)地區(qū)由于含有大量的分布式電源、儲能系統，同時需要將電源和用戶需求有效連接起來，允許雙方共同決定如何*好地實時運行，所以主動配電網的控制元素相較于傳統配電網會有大幅度增加。考慮到間歇性能源出力波動大的特點，主動配電網運行決策系統很難針對每個時刻實時進行優(yōu)化計算，區(qū)域內自治—區(qū)域間交互—全局協調的協同交互控制技術是解決主動配電網多分布式電源、多儲能、多控制設備協調運行的有效手段。主動配電網協同交互控制示意圖見圖2。

2.2.3 主動配電網的負荷主動管理技術

主動配電網間歇式能源的功率波動嚴重限制了分布式能源在配電網中滲透率的提高。應用于主動配電網中的AMI技術給需求側響應尤其是直接負荷控制(DLC)提供了更為便利的條件，使主動負荷管理成為可能，以抑制電網功率波動、削峰填谷。主動負荷控制需要基于不同類型可控負荷響應特性研究區(qū)域范圍負荷主動管理方法，在此基礎上通過用戶本地負荷信息管理與運行系統遠程控制，以及負荷主動管理與全局優(yōu)化運行策略協調實現負荷的優(yōu)化管理和控制，達到主動配電網的源—網—荷協同優(yōu)化的目的。

2.2.4 主動配電網快速供電恢復技術

快速供電恢復技術主要基于配電自動化技術實現故障失電狀態(tài)下通過對故障線路聯絡開關及斷路器動作來選擇*優(yōu)供電恢復路徑。清鎮(zhèn)地區(qū)分布式電源大量接入配電網，形成雙向供電的主動配電網，電流型的智能分布式饋線自動化由于其不依賴于配電主站的特點，在應對主動配電網環(huán)境下大規(guī)模的分布式電源接入所導致的故障判據及自愈邏輯的復雜化問題上，能通過就地解決的方式，避免全局大量冗余的數據信息降低通信造成的效率低下及系統邏輯復雜度的上升造成的可靠性下降?；谒⒌闹悄芊植际焦收咸幚磉壿嫞收咸幚磉壿嫽趯Φ韧ㄐ欧绞?，通過配電開關設備或配電站配置的配電終端之間的相鄰通信，確定自身的動作邏輯，實現故障的隔離和非故障區(qū)域恢復供電功能。

3結語

主動配電網具有主動控制分布式能源的特性，從主動配電網概念與特性、國內外已有示范工程建設的情況出發(fā)，結合貴州電網富含多種分布式能源的特點及西部能源基地的區(qū)域定位，貴州地區(qū)開展主動配電網建設具有重大意義。貴州多地區(qū)示范條件對比分析表明，貴州清鎮(zhèn)地區(qū)示范工程建設從現有網架結構的利用、示范工程社會效益、示范效益、培訓效益等多個方面都有著不可替代的優(yōu)勢。其示范工程可以有效支持主動配電網規(guī)劃—運行聯合優(yōu)化技術和多能源協同交互控制技術等多種主動配電網技術研究工作，具有重要的推廣意義。此外，在開展主動配電網工程建設時，應先行從分布式能源狀況、改造難度和成本、工程效益等方面開展調研與分析，選取*適宜的地區(qū)首先開展示范工程建設。本文所提出的內容對于其他地區(qū)開展主動配電網建設具有一定參考價值。