DQZHAN訊：主動配電網(wǎng)建設條件及運行關(guān)鍵技術(shù)分析

主動配電網(wǎng)通過分布式能源、可控負荷、DFACTS設備的組合控制和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靈活調(diào)整，實現(xiàn)優(yōu)化運行與管理，其關(guān)鍵技術(shù)包括綜合規(guī)劃、協(xié)調(diào)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(wǎng)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(jié)合貴州清鎮(zhèn)地區(qū)示范條件提出適合其推廣應用的關(guān)鍵技術(shù)，所提出的內(nèi)容對其他地區(qū)開展主動配電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)發(fā)展趨勢，國際大電網(wǎng)會議C6委員會提出了主動配電網(wǎng)(ADN)的基本定義。定義中指出：主動配電網(wǎng)通過使用靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)來管理潮流，是能夠?qū)Σ煌瑓^(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(tǒng)。其中，DER包括：分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、儲能系統(tǒng)(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(gòu)想目前已經(jīng)得到了包括IEEE和CIRED在內(nèi)的國際學術(shù)界組織的廣泛認可。

主動配電網(wǎng)通過先進的信息、通信、電力電子以及自動控制技術(shù)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(xiàn)配電網(wǎng)雙向潮流靈活控制的配電網(wǎng)絡，是能從根本上解決配電網(wǎng)高度兼容分布式能源的有效技術(shù)手段，也是配電網(wǎng)未來的主要發(fā)展模式。我國政府、電網(wǎng)公司對于主動配電網(wǎng)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(xiàn)*大能力消納間歇式能源、提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性、減少系統(tǒng)運行風險的技術(shù)手段等方面的研究仍在不斷深入進行。國外方面，據(jù)統(tǒng)計，截至2013年，世界范圍內(nèi)共有包括美國、澳大利亞、日本、意大利、德國、英國等在內(nèi)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(wǎng)絡對高滲透率DG的開放兼容為目標，重點研究內(nèi)容包括：智能配電自動化、ICT和ANM控制技術(shù)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(tǒng)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(wǎng)理念下以“主動需求(AD)”為核心的用戶側(cè)需求響應技術(shù)。該項目建立了用于實時數(shù)據(jù)處理的大型、開放式電力通信網(wǎng)絡，大規(guī)模實驗并應用實時激勵等需求側(cè)管理技術(shù)，驗證了AD對系統(tǒng)效益的積極作用。③GRID4EU項目由6家歐盟國家配電系統(tǒng)運營商共同參與，預計2015年結(jié)束，總資金約5000萬歐元。項目主要涉及智能配電網(wǎng)的規(guī)劃、運行及控制關(guān)鍵技術(shù)、標準制定，以及成本—效益分析等方面內(nèi)容，相關(guān)成果要求在歐洲范圍內(nèi)具有可擴展性和可重復性。

國內(nèi)方面，在密切跟蹤主動配電網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應用”研究，并在廣東電網(wǎng)進行示范。2014年起，“多源協(xié)同的主動配電網(wǎng)運行關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)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(shù)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(nèi)外主動配電網(wǎng)示范工程進行了概述，在此基礎上結(jié)合貴州電網(wǎng)的實際現(xiàn)狀，對貴州省推行主動配電網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)范圍選址分析

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

1)從配電網(wǎng)調(diào)度層面來看，目前配電網(wǎng)主要管理范圍是110kV和35kV的高壓配電網(wǎng)，其管理技術(shù)、設備都相對較為完善。與此相對的，中低壓配電網(wǎng)各種控制技術(shù)發(fā)展較為滯后，這主要由于兩方面原因?qū)е?，一方面是因為中壓配電網(wǎng)分布非常廣泛，雖然呈輻射狀分布，但總體線路數(shù)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(wǎng)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(wǎng)控制技術(shù)可以有效填補這一空白，實現(xiàn)中低壓配電網(wǎng)的有效管理。

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

3)從主動配電網(wǎng)定義來看，主動配電網(wǎng)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(wǎng)，可以使用靈活的網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)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(tǒng)一定的支撐作用?！狈植际侥茉词侵钢苯硬贾迷谂潆娋W(wǎng)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(xiàn)高效利用;同時利用分布式能源可以有效減緩電網(wǎng)壓力，實現(xiàn)有功功率的就近提供和無功功率的就近補償。主動配電網(wǎng)中的分布式電源通常容量較小，為了實現(xiàn)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(wǎng)，其負荷遠大于分布式電源出力，難以實現(xiàn)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(wǎng)對分布式電源的控制能力。

因此，選取10kV及以下配電網(wǎng)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(xiàn)主動配電網(wǎng)分布式電源監(jiān)控、分布式電源調(diào)度、分布式電源消納、全網(wǎng)組合優(yōu)化等控制目標，主動配電網(wǎng)示范地區(qū)選取需要從源、網(wǎng)、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(tǒng)配電網(wǎng)對分布式電源“即插即忘”(fit-and-forget)的控制方式，主動配電網(wǎng)強調(diào)“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?shù)榷囝愋涂煽卦O備的有效利用，實現(xiàn)分布式電源的高度兼容與資產(chǎn)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(tǒng)配電網(wǎng)的運行管理的程度。同時由于主動配電網(wǎng)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(diào)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(wǎng)的角度來看，主動配電網(wǎng)需具備靈活的運行方式，以實現(xiàn)配電網(wǎng)多種優(yōu)化目標及控制策略下的靈活組網(wǎng)。因此示范區(qū)選取的線路之間需要有適當?shù)穆?lián)絡，便于根據(jù)運行情況靈活調(diào)整線路拓撲。

除上述一次網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)運行管理，示范區(qū)域內(nèi)斷路器及負荷開關(guān)需具有三遙配置。與此同時，主動配電網(wǎng)為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測與報警等功能還需要較為可靠的通信系統(tǒng)，以保證配電自動化系統(tǒng)和主動配電網(wǎng)控制系統(tǒng)的正常運行。

3)從負荷角度來看，主動配電網(wǎng)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(wǎng)提供了一種潛在高效的可調(diào)資源，以抑制電網(wǎng)功率波動、削峰填谷。因此示范區(qū)域內(nèi)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(diào)節(jié)特性可以為主動配電網(wǎng)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(wǎng)示范地區(qū)主要選址條件及其約束總結(jié)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(diào)研分析結(jié)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(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)變化豐富，可以較好地體現(xiàn)主動配電網(wǎng)技術(shù)特點;②就近消納紅楓水電站電源，網(wǎng)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(wǎng)紅楓培訓基地內(nèi)，有多種類型負荷可供控制，具備良好的改造條件;⑤三聯(lián)供系統(tǒng)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(wǎng)架拓撲結(jié)構(gòu)變化豐富，可以較好地體現(xiàn)主動配電網(wǎng)技術(shù)特點;③貴安新區(qū)目前正在規(guī)劃建設中，示范工程內(nèi)線路多為新建線路，部分主動配電網(wǎng)一、二次改造可納入貴安新區(qū)規(guī)劃內(nèi)，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(chǎn)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(nèi)均采用電纜線路，一、二次系統(tǒng)建設費用較高;④儲能系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的覆蓋程度與經(jīng)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(wǎng)示范運行的關(guān)鍵技術(shù)

高滲透率分布式能源的消納與電網(wǎng)架構(gòu)、區(qū)域負荷水平、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況、配電網(wǎng)的自動化水平與運行方式等多種要素密切相關(guān)，為了充分發(fā)揮貴州省西部能源基地的特點，實現(xiàn)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(wǎng)規(guī)劃和運行特點相匹配的技術(shù)，并開發(fā)相應的應用支持控制系統(tǒng)?；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(wǎng)建設的關(guān)鍵技術(shù)要點見圖1。

2.1主動配電網(wǎng)規(guī)劃—運行聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)

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(wǎng)絡改造的合理性以及運行的經(jīng)濟性和**性，提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，需要對其進行科學地優(yōu)化規(guī)劃。主動配電網(wǎng)的規(guī)劃需要在傳統(tǒng)配電網(wǎng)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(lián)合優(yōu)化。此外，為了實現(xiàn)適應于主動配電網(wǎng)的靈活控制和主動管理，需要多種二次智能設備及通信網(wǎng)絡的支撐，所以主動配電網(wǎng)規(guī)劃應該將一次側(cè)規(guī)劃與二次側(cè)的自動化規(guī)劃及通信規(guī)劃一并統(tǒng)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(wǎng)規(guī)劃的多目標優(yōu)化方法

主動配電網(wǎng)的多目標優(yōu)化需要考慮主動配電網(wǎng)不同類型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其性能評估，在此基礎上研究冷熱電聯(lián)供單元、分布式發(fā)電、新型負荷等新要素接入主動配電網(wǎng)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(wǎng)規(guī)劃

由于示范現(xiàn)場具有可控負荷這一元素，從需求側(cè)角度來看，主動配電網(wǎng)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(cè)管理的作用。所以在主動配電網(wǎng)的規(guī)劃中需要考慮到上述特點，研究多源協(xié)同與終端用戶之間的互動關(guān)聯(lián)模型，建立計及多源協(xié)同與終端用戶互動的主動配電網(wǎng)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(wǎng)的一、二次統(tǒng)籌規(guī)劃

為了實現(xiàn)主動配電網(wǎng)的主動、靈活控制以及快速合理的需求側(cè)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(tǒng)支撐，尤其是與配電終端、協(xié)調(diào)控制器以及通信網(wǎng)絡相協(xié)調(diào)。因此主動配電網(wǎng)的一次規(guī)劃要與自動化以及通信等二次規(guī)劃統(tǒng)籌考慮，探討計及一次設備的配置，一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)的協(xié)調(diào)關(guān)系，配電終端、協(xié)調(diào)控制器以及通信網(wǎng)絡對規(guī)劃的影響等主動配電網(wǎng)的一、二次統(tǒng)籌規(guī)劃，考慮規(guī)劃與實際運行相結(jié)合 。

2.2主動配電網(wǎng)多能源協(xié)同交互控制技術(shù)

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(wǎng)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(wǎng)為中心的多能源協(xié)同交互控制技術(shù)，以實現(xiàn)分布式電源的高度兼容與資產(chǎn)的高效利用。以主動配電網(wǎng)為中心的多能源協(xié)同交互控制技術(shù)具體研究問題可以分為以下4個方面。

2.2.1 主動配電網(wǎng)的全局運行決策優(yōu)化管理技術(shù)

主動配電網(wǎng)運行決策優(yōu)化管理技術(shù)是整個主動配電網(wǎng)的核心，也是實施配電網(wǎng)主動管理的關(guān)鍵技術(shù)手段。結(jié)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(lián)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(tǒng)的充放電也會受到儲能系統(tǒng)與當前電網(wǎng)運行狀態(tài)的限制，主動配電網(wǎng)運行決策系統(tǒng)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(wǎng)運行決策系統(tǒng)為了獲得*佳的用戶經(jīng)濟效益，需要對分布式電源和儲能系統(tǒng)進行綜合調(diào)度，考慮其接入后產(chǎn)生的峰谷電價差與降低線路損耗兩方面所帶來的經(jīng)濟效益，同時兼顧多分布式能源接入環(huán)境下的配電網(wǎng)網(wǎng)絡重構(gòu)，通過分布式電源、儲能系統(tǒng)、需求側(cè)響應三者綜合協(xié)同，安排合理的配電網(wǎng)運行方案，獲得*佳經(jīng)濟收益，保證配電網(wǎng)長期穩(wěn)定、可靠運行。

2.2.2 主動配電網(wǎng)的協(xié)同交互控制技術(shù)

清鎮(zhèn)地區(qū)由于含有大量的分布式電源、儲能系統(tǒng)，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(wǎng)的控制元素相較于傳統(tǒng)配電網(wǎng)會有大幅度增加?？紤]到間歇性能源出力波動大的特點，主動配電網(wǎng)運行決策系統(tǒng)很難針對每個時刻實時進行優(yōu)化計算，區(qū)域內(nèi)自治—區(qū)域間交互—全局協(xié)調(diào)的協(xié)同交互控制技術(shù)是解決主動配電網(wǎng)多分布式電源、多儲能、多控制設備協(xié)調(diào)運行的有效手段。主動配電網(wǎng)協(xié)同交互控制示意圖見圖2。

2.2.3 主動配電網(wǎng)的負荷主動管理技術(shù)

主動配電網(wǎng)間歇式能源的功率波動嚴重限制了分布式能源在配電網(wǎng)中滲透率的提高。應用于主動配電網(wǎng)中的AMI技術(shù)給需求側(cè)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(wǎng)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(tǒng)遠程控制，以及負荷主動管理與全局優(yōu)化運行策略協(xié)調(diào)實現(xiàn)負荷的優(yōu)化管理和控制，達到主動配電網(wǎng)的源—網(wǎng)—荷協(xié)同優(yōu)化的目的。

2.2.4 主動配電網(wǎng)快速供電恢復技術(shù)

快速供電恢復技術(shù)主要基于配電自動化技術(shù)實現(xiàn)故障失電狀態(tài)下通過對故障線路聯(lián)絡開關(guān)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(wǎng)，形成雙向供電的主動配電網(wǎng)，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(wǎng)環(huán)境下大規(guī)模的分布式電源接入所導致的故障判據(jù)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(shù)據(jù)信息降低通信造成的效率低下及系統(tǒng)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(guān)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(xiàn)故障的隔離和非故障區(qū)域恢復供電功能。

3結(jié)語

主動配電網(wǎng)具有主動控制分布式能源的特性，從主動配電網(wǎng)概念與特性、國內(nèi)外已有示范工程建設的情況出發(fā)，結(jié)合貴州電網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)規(guī)劃—運行聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)和多能源協(xié)同交互控制技術(shù)等多種主動配電網(wǎng)技術(shù)研究工作，具有重要的推廣意義。此外，在開展主動配電網(wǎng)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(diào)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(nèi)容對于其他地區(qū)開展主動配電網(wǎng)建設具有一定參考價值。