主動配電網的概念形成

CIGREC6專委會對含DER的配電網進行了一系列的詳細研究。2008年國際大電網會議(CIGRE)配電與分布式發電專委會(C6)的C6.11項目組在所發表的“主動配電網的運行與發展”研究報告中明確提出了ADN以及DER的概念。CIGREC6關于ADN和DER的基本定義和構成的設想目前已經得到國際學術組織CIRED和IEEE的廣泛認可。主動配電網(ADN)的基本定義是：通過使用靈活的網絡拓撲結構來管理潮流，以便對局部的DER進行主動控制和主動管理的配電系統。DER在一定程度上可承擔支持系統的責任，這將取決于適當的監管環境和接入協議。分布式能源(DER)的基本構成是：分布式發電(distributedgeneration，DG)、分布式儲能(electricalenergystorage，EES)、可控負荷(controllableload，CL)等。其中DG主要為可再生能源(renewableenergysource，RES)，包括光伏發電PV、風能發電等；CL包括電動汽車(electricvehicle，EV)、響應負荷(responsiveload，RL)等。由于具有發電和消費雙重身份的生產性負荷(pro-consumer)的出現，使得響應負荷也成為了DER。

2010年本文作者根據CIGREC6.11的定義將ADN翻譯為“主動配電網”。在世界范圍內由于目前對電網運營商和DER擁有者還缺乏必要的激勵機制以及適當的監管環境，使得ADN這一概念至今仍處于發展階段，還有許多尚待研究的新問題。需要指出的是，微網主要是一個能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，既可以與外部電網并網運行，也可以常態方式孤島運行。與“微網”不同的是，ADN是由電力企業管理的公共配電網，常態方式下不孤島運行，但在緊急情況下(由于DG的存在)通過合理配置解列點，可使得ADN的局部作為微網而以非常態方式孤島運行。

DER接入對傳統配電網的影響

傳統配電網是輸電網和用戶之間的重要中間環節，特別是中低壓配電網實際上被設計成電力系統的“被動”負荷。傳統配電網的運行模式和技術準則也相對簡單，網絡運行一般采取開環輻射模式，即使采用配電自動化措施，也主要用于故障后的快速處理，一般不會對穩態運行的配電網進行主動控制。因此傳統配電網可稱之為被動配電網(passivedistributionnetwork，PDN)。傳統配電網原本不是為高滲透率DER的接入而設計的。當前各國都在研究如何適應高滲透率DER的接入。例如，歐盟在2020年將要實現20-20-20計劃，其中包括可再生能源的滲透率將達到20%。雖然歐盟國家可再生能源的滲透率總體上將在一定的范圍(如20%)內，但是局部供電區域的滲透率有可能會更高，例如：德國目前可再生能源的裝機容量已約占總裝機容量的30%，可再生能源的發電量已約占總發電量的20%，2020年可再生能源的裝機容量將達到35%，2050年可再生能源的裝機容量將達到80%，其中德國中部電力公司(260萬客戶)的可再生能源發電在2020年有可能達到100%；意大利2012年的可再生能源裝機已達18.6GW，已經使輸電網向配電網的功率流減少了8GW多，即削減配電負荷約20%，而且未來還有20GW的接入申請，已經需要考慮傳統發電機組為可再生能源提供備用的問題。總體來說，DER滲透率的大小，取決于許多邊界條件，如外部電網及發電機組可提供的備用裕度以及DER的控制模式等。

配電網在DER大量接入后，有可能引起諸多問題，這些問題既有技術方面的，也有管理方面的。DER接入到配電網后甚至會影響到能源市場的運營，如DG注入的功率會改變傳統配電網上的負荷曲線，從而影響傳統發電機組的運行出力，并要求配電系統運營商(distributionsystemoperator，DSO)在與輸電系統運營商(transmissionsystemoperator，TSO)密切協調配合的條件下擔任管理能量流的新角色。總而言之，小規模DER的接入只會影響配電網的局部運行，而大規模(高滲透率)DER的接入卻會影響電力系統的全局運行，并對配電網的規劃、運行、短路水平和設備選型、故障處理過程和保護、非常態方式孤島運行等方面帶來不容忽視的影響。

1）對配電網規劃方法的影響。傳統的配電網規劃方法只是針對某個負荷預測值采用最大容量裕度(給定網絡結構)來應對最嚴重工況的運行條件(即使最嚴重工況為小概率事件)，從而在規劃階段就可以找到處理所有運行問題的最優解，因此傳統規劃方法相對簡單。ADN的負荷預測結果會受需求側響應和DG的雙重影響，同時在進行系統設計時會受DER主動管理模式的影響。因此ADN的規劃方法相對傳統配電網的規劃方法要復雜得多。解決方案：ADN的規劃方法需在規劃階段就考慮其運行時可能遇到的各種不確定性工況。例如，在面對雙向潮流時甚至有可能考慮將配電網從開環輻射狀向閉環網狀拓撲結構過渡，并以合理的費用集成信息通訊與電力電子換流技術，而不只是簡單地考慮接入新的能源形式和儲能設備。隨著DER滲透率的提高，ADN規劃還需考慮所有電源的協調優化問題，如與主網電源的協調問題。

2）對配電網運行的影響。現有電力設備必須在其額定電壓附近的給定電壓范圍內運行，配電網的電壓質量與無功電壓控制密切相關。傳統配電網運行時是無源的，無功電壓控制模式相對簡單。當DER接入配電網后，由于DER設備具有間歇性、隨機性、非線性特征，這不但使得配電網運行時的無功電壓控制模式相對復雜，而且還有可能導致配電網出現有功潮流反向和無功潮流的不確定性。DER接入或退出時還有可能導致暫態電壓變化、風電機組的接入和退出還有可能引起閃變、電壓畸變、保護誤動等問題，使得配電網的電能質量及供電可靠性受到一定的影響。解決方案：依賴信息及通信技術(informationandcommunicationtechnology，ICT)和先進的計量設施(advancedmeteringinfrastructure，AMI)技術，采用適用于配電網的監控和保護模式，提高系統的可觀測性，變被動控制方式為主動控制方式，更多地依靠主動式的電網管理，網架運行也逐步從開環輻射運行向閉環運行過渡，并采用各種新型電力電子設備，如主動無功補償裝置、主動有功移相調節器、有載調壓變壓器等對配電網的有功和無功潮流進行協調控制。

3）對短路電流及設備選型的影響。任何一個電源接入系統，都會給系統提供短路電流，因此，為了使DG接入后開關設備的遮斷容量依然不超標，就有可能需要更換原有的開關設備，從而增加接入的費用；另外，對于同一變電站有多點接入DG的情況，最后接入的DG有可能會造成接入點及其附近同一電壓層級節點的短路電流超標，因而需要更換設備，而且大量的持續的DG接入請求在有些供電區域增加了網絡飽和的可能性，這使得后來的DG接入者的申請受到限制。

4）對保護裝置運行和故障處理的影響。DG接入后，會對故障條件下的短路電流產生影響，從而有可能使保護誤動。現有中壓配電網的故障清除過程一般是在沒有DG接入的情況下設計的，主要涉及自動重合閘、負荷轉移、以及故障段自動隔離等3個基本操作。DG接入后會對這些操作產生較大的影響。在饋線故障且具有DG的情況下，非同步的自動重合可能會對DG產生損害。在瞬時故障后DG未斷開的情況下，重合閘操作有可能導致大電流以及逆變器跳閘。在負荷轉移時，DG的接入有可能使轉供饋線的短路電流水平超過限值。解決方案：協調配置和重新整定保護裝置，必要時采用專用饋線接入DG，采用不同原理的保護配置及進行保護整定。

5）對非常態方式孤島運行的影響。在當前的技術條件下，配電網一般不具備常態方式孤島運行的條件。一般情況下，非常態孤島運行會對孤島后的配電網電壓和頻率產生影響。公共配電網一般只有在非常態的應急情況下才有孤島運行的必要，且需要有良好定義的規則，以及DSO和TSO的協調配合，才能保證非常態方式孤島運行后DER的正常運行。此外，配電網的非常態方式孤島運行必須有明確的利益協調機制，以便對配電企業的網絡投資和DER提供的配套服務進行回報。解決方案：研究DG的反孤島措施，制定對DER的監管條例，完善DER的自動退出機制，提高DSO對DER的主動管理和主動控制能力。

主動配電網的基本特性

配電系統中ICT技術的發展為各種DER的協調配合與控制提供了可能性。全球的利益相關者，如配電企業、設備制造商、電氣工程顧問公司、科研機構以及監管機構，都在積極研究和探討高滲透率DER接入后現代配電網所面臨的問題。在這些研究構想下，傳統配電網將逐步從PDN向ADN過渡。由于配電網有可能逐步接入大量的DER，現代配電網已經不再等同于僅僅將電力能源從輸電系統配送到中低壓終端用戶的傳統配電網，如前所述，現代配電網應該改稱為配電系統。

ADN可以說是“智能電網”的重要組成部分之一。ADN將是一種基礎設施，使得電力用戶能夠參與電力市場互動，可將他們的需求與ADN所提供的功能相匹配，并允許DSO在配電系統運行中集成DER，從而優化使用配電系統的資產，并可提高能源的利用效率和改善配電網的性能。與注重客戶端電網的微網不同，ADN注重處理公用配電網接入DER的問題。對于電網企業而言，從PDN過渡到更積極的ADN的一般驅動力/激勵機制如下：

1）提高客戶服務質量。能夠更快、更經濟有效地接入客戶(包括發電客戶和負荷客戶)。2）提高管理性能指標。通過提高配電系統的可靠性，減少客戶的供電中斷以及顧客的停電分鐘損失，即客戶停電的分鐘/小時/天數。3）減少運行風險。通過提高配電系統的監控能力，降低配電系統的運行風險。4）優化利用現有的配電網絡。通過加強對配電網的控制，提高配電設備的利用率，避免或推遲對饋線和變壓器的改造。圖1表示了對DER進行主動控制和管理的效果圖，該圖從電力系統的裝機容量出發，將DER與配電網集成并實施分散控制，展示了滿足尖峰負荷所需的3種裝機容量，方式1）為在當前被動控制(DG為連續控制的)條件下的總裝機容量，方式2）為采用被動控制模式條件下(DG大部分為RES)條件下的裝機容量；方式3）為主動控制模式條件下的總裝機容量。因為RES的年額定出力利用小時數只有1000~2000h，所以方式2）的總裝機容量要遠高于方式1）；由于可處理大量的DER，使集中發電只帶基荷，故集中發電容量可大量降低，使DG和DSM所承擔的負荷大量增加，從而使方式3）的總裝機容量要低于方式2）。

以下討論實施ADN所帶來的優點、缺點、機會以及風險(即進行SWOT分析)。SWOT分析方法是一種戰略分析方法。其中：S(strength)表示自身優勢；W(weakness)表示自身弱勢；O(opportunity)表示外部提供的機會；T(threat)表示面臨的外部風險。1）優勢。ADN提供了加強網絡改造的經濟替代方案，提高了運行可靠性，減少了損耗，通過自動化與控制，提高了網絡接入客戶DER的能力。2）弱勢。目前配電企業還缺乏維護ADN的經驗，還沒有承擔風險的驅動力，現有的通信基礎設施還不足以承擔主動控制和主動管理的功能。3）機會。通過將老化資產替換為具有主動管理能力的設備、開發和實施智能計量技術、發展通信基礎設施，提供了提高分布式可再生能源的滲透率而邁向低碳經濟的機會。4）風險。技術方面，RES滲透率較高后有可能對傳統發電機組和輸電網的運行產生影響，所依賴的ICT技術本身的安全性問題值得關注；管理方面，現有的規程和規范與ADN的發展可能存在不相適應的地方，向ADN發展的過渡期較長，有可能增加管理的難度。

主動配電網研究的相關動態

CIGREC6在提出ADN研究框架和方向的基礎上，通過開展新的研究項目，從中提取各國均適用的可行技術和可行方法，CIGREC6的研究無論從深度和廣度上都給中國的相關研究提供了一定的啟示。以下介紹CIGREC6以及作者多年的相關成果。

1）CIGREC6的相關研究。CIGREC6的項目組目前已經完成以下多項相關研究報告：①可再生及分布式能源接入的示例系統(C6.04)；②大規模間歇性能源的并網(C6.08)；③需求側集成(C6.09)；④低壓分布式發電設備的技術規范(C6.10)；⑤主動配電網的發展與運行(C6.11)；⑥電能儲能系統的研究(C6.15)等。以此為基礎，CIGREC6已經啟動而且還將啟動多個與ADN相關的研究項目組，主要包括：①主動配電網的規劃與優化(C6.19)；②電動汽車接入(C6.20)；③智能測量(前沿、規范、標準以及未來需求(C6.21)；④微電網發展路線圖(C6.22)；⑤饋線接入DER的最大容量評估(C6.23)；⑥電池儲能系統的技術規范指導意見(C6.24)；⑦未來配電系統的控制與自動化(C6.25)；⑧帶有分布式能源的配電系統的保護(C6.26)；⑨針對具有高滲透率分布式能源的配電網的資產管理(C6.27)。CIGREC6的項目一般由各國主要研究單位的專業人員負責，作者作為中國的代表參與了C6.19、C6.23和C6.27的研究工作，概要介紹如下：主動配電網的規劃與優化(C6.19)工作組共包括5個研究內容：①電網企業ADN現狀調研；②傳統規劃方法的現狀；③適用于ADN的新規劃方法；④ADN的可靠性評估；⑤新的規劃模型。饋線接入DER的最大容量評估(C6.23)工作組共包括6個研究內容：①DER的接入在配電層級所造成的問題；②審查各國的經驗及進行案例研究；③審查各國應用的DER接入標準和準則；④根據現行實踐經驗推導簡單的指導方針；⑤DER、DSM、電動汽車以及網絡控制對增加接入容量的影響；⑥判斷在中低壓層級采用DER控制所帶來的技術和商業方面的局限性和差異。主動配電網的規劃與優化(C6.19)工作組的研究人員發表了一些階段性研究成果，如ADN的可靠性評估[3]、ADN中DG集成的多目標規劃[4]、基于多目標規劃的ADN的成本/效益分析[5]、兩階段的在線主動管理的能源資源協調優化[6]、主動網絡的優化規劃[7]、管理ADN網絡的先進DMS[8]等。

2）作者及合作者的相關研究。本文作者也發表了一些與ADN的規劃與優化相關的研究成果，主要包括以下幾方面的內容：①計算平臺與評估流程方面。針對ADN的特性和需求，并考慮了DG接入的特殊需求，提出了ADN的規劃流程[9]，建立了一個ADN規劃的案例研究平臺[10]，提出了具有DG的配電網可靠性評估流程[11]。②在儲能系統應用方面。針對高滲透率DG接入的需求，提出了儲能在不同電壓等級配電網應用的策略[12]，提出了配電系統中用于負荷平衡的儲能優化配置[13]的算法并進行了微電網中復合儲能的優化配置研究[14]。③在優化方法方面。為了考慮ADN的可持續發展，提出了配電網集成DER的成本效益分析方法[15]，提出了邊遠地區應用微電網的配電系統優化規劃方法。這些研究成果從計算平臺、優化算法、評估流程、成本效益評估、信息需求和技術準則的調整等方面深入開展了針對ADN的全方位研究。在今年6月召開的CIRED2013及相關會議上，作者探討了為接入DER嘗試改變技術準則的可能性[17]及ADN規劃所需的信息需求[18]，作者與CIGREC6的研究人員還探討了ADN規劃中需求側集成的問題[19]等。這些研究內容應引起國內相關部門的關注。

主動配電網的可行技術

目前，ADN項目在世界各地的電力系統研究中仍處于起步階段。為了使研究成果能夠真正成為實用工具，一般應該注重的是“可行技術(EnablingTechnology)”的研究。許多領先的電力企業率先進行了一些ADN的試點項目和示范實施，CIGREC6的研究報告C6.11《主動配電網的運行和發展》，對這些項目所開發的可行技術進行了總結。本節對世界范圍內ADN項目的實施狀況進行評估和分析，并對當前ADN研究的可行技術進行了歸納和研究。目前世界范圍內共有11個國家和地區開展了24個具有創新性的ADN項目，這11個國家和地區包括美國、澳大利亞、意大利、希臘、德國、英國、歐盟、荷蘭、丹麥、西班牙、日本。現將項目中所應用的通信技術以及ADN的可行技術介紹如下。

1）通信技術。表2列出了目前所使用的通信技術。各公司所使用的通信手段差別很大，只有少數公司提到了使用DER的遙控通訊手段，且只有很少的一部分提到將把控制延伸到低壓網絡。對配電系統進行主動管理和控制，需要采用信息和通訊技術設備(ICT)技術作支撐，也就是說，ICT技術對于提高配電系統的穩定性、可靠性及效率，保持系統頻率、控制潮流和調節電壓是必不可少的可行技術；主動控制既可以進行集中控制，也可以進行點對點控制，或者進行組合控制(自治控制或優化控制)。智能電子設備(intelligentelectronicdevice，IED)可用于對DG和RL進行控制，同時也可監測系統的運行參數并能夠提供獨立的保護行為；控制中心(DMS/EMS)可通過各種通信系統與終端設備IEDs通信，以光纖通信為主；而智能電表可采用光纖、無線或載波進行信息傳遞。互聯網協議(IP)可與這些不同的通信技術配合，從而形成互聯網通信，這也將是ADN主動管理的重要組成部分。

2）相關技術及研發需求。現有的ADN項目主要涉及硬件設備、監測控制和網絡運行三個方面的技術，綜合考慮發展ADN未來發展需求，所需解決的可行技術主要有：①可行技術1(電力電子設備)。智能設備和通信媒介設備、AMI、ESS和電池能量管理、DG的接入和控制接口；采用電力電子設備進行網絡重構、無功補償、電壓調節、諧波補償，進行接入DER的轉換；采用可控的DER和負荷進行優化運行以使回報最大化，采用可控儲能以使負荷和發電平衡。②可行技術2(ICT技術)。采用ICT技術可以進行計算、存儲、處理和分配信息，在可控設備和控制單元之間傳送信息(發電和負荷控制、網絡重構、主動補償、監測、負荷、發電和電價的預測等)。③可行技術3(監測和預測)。測量網絡參數、估計實際運行條件、保證系統安全所需的負荷、發電和電價的預測。④可行技術4(運行與控制)。配電管理系統(distributionmanagementsystem，DMS)、DER的分布式控制、需求側管理(demandsidemanagement，DSM)、微電網/饋線(孤島運行)；進行潮流管理、自動電壓控制(automaticvoltagecontrol，AVC)、動態的線路載荷水平(dynamiclinerating，DLR)等。⑤適用可行技術5(規劃與設計)。摒棄傳統的與運行無關的方法，在規劃階段就考慮其運行時可能遇到的各種不確定性工況的方法，應對高滲透率的DER的接入，不能簡單地將接入新的能源形式和儲能設備的規劃視為ADN規劃。

通過對以上各種可行技術的分析，可確定其相應的應用范圍、預期收益以及未來的研發需求。應用范圍包括有功和無功控制、需求側管理(采用可變電價結構)、ADN管理、孤島運行、削峰和間歇性發電、網絡的最優管理等。預期收益包括提高配電網的穩定性和轉供能力、提高配電網的主動管理水平、提高配電網新舊元件的協調和控制能力以及對網絡信息的采集能力、提高集成可再生能源的能力、延緩配電網絡改造時間、提高削峰和孤島運行的能力、提高DG的接入能力、提高SCADA的能力、對潮流進行優化等。研發需求包括進一步降低費用、提高可靠性、制定接入標準、提高集成能力、制定新的監管條例、降低儲能費用、與主網的再同步、新的保護配置方案等。隨著上述可行技術的進步，為使PDN向著ADN的方向逐步發展，作者認為配電系統的各個方面均會有很大的變化，例如技術標準逐步柔性化、管理模式逐步分散化、網路結構日趨靈活、模擬計算更加精確、控制與保護模式更加主動等[20]。在2012年的CIGRE年會上，鑒于大量DER接入配電網，CIGREC6決定將主動配電網(ADN)改稱為主動配電系統(activedistributionsystem，ADS)。雖然國際上ADS的發展已經完成了頂層概念設計、項目實施驗證、模型算法研發方面的初步研究，但C6.19工作組對全世界5大洲20多個電力企業(包括中國的電力企業)進行的ADS規劃方面的有關調研結果表明[21]：鑒于核心計算工具的缺乏，除歐洲一些國家外，在大多數國家ADS還未成為配電網規劃和運行中的一個必要內容；而且主動管理和主動控制現在仍處于初始階段。中國也開始關注ADS方面的研究[22]，還處于概念探討階段。

結論

由于高滲透率DER的接入，未來輸配電網之間產生了雙向功率流，負荷與電源具有了雙重不確定性，客戶具有了消費者和生產者的雙重身份。由此為確保電力系統的安全性和穩定性，必須投入必要的資金對現有配電網進行加強或對現有技術進行改進，ADS是未來電力系統解決這些問題的發展模式之一。盡管DER滲透率還將進一步提高，隨著相關可行技術的進步，ADS不僅可起著配電層級的功率平衡作用，還起著與上級電網之間的雙向功率交換通道的作用，因此ADS將成為局部區域各種能源的交換中心。中國在進行ADS的相關研究工作中還應該考慮其配電網的具體需求，例如在應對高滲透率DER的接入和提高設備智能化水平等問題的同時還要研究可行的配電網絡擴展模式。

本文作者：范明天 張祖平 蘇傲雪 蘇劍 單位：中國電力科學研究院 北京師范大學數學科學學院