主動配電網的6個主動與技術實現

劉廣一，張凱，舒彬(．中國電力科學研究院，北京市009;．北京市電力經濟技術研究院，北京市00055)

主動配電網的6個主動與技術實現

劉廣一1，張凱2，舒彬2
(1．中國電力科學研究院，北京市100192;2．北京市電力經濟技術研究院，北京市100055)

提出了主動配電網(active distribution networks，ADN)的6個主動，即電網公司側的主動規劃、主動管理、主動控制與主動服務及用戶側的主動響應和分布式可再生能源發電側的主動參與。在電網公司側，強調對分布式可再生能源進行主動規劃、對分布式發電進行主動管理和控制、對上級電網和用戶提供主動服務。電網公司的主動規劃、主動管理和主動控制可以在確保電網安全穩定運行的條件下，增強對分布式可再生能源發電的消納能力;主動服務可以為配電網創新商業模式、擴展業務領域提供新的機遇。在用戶側，強調廣大用戶在力所能及的范圍內，承擔節能減排的責任，積極響應各種不同形式的需求側激勵措施。在分布式可再生能源發電側，應充分考慮分布式發電機組對電網的影響，強調發電機組應積極采用有功功率控制和無功電壓調節技術，主動參與電網的調度運行。基于上述分析討論了主動配電網的技術實現，包括規劃運行一體化的規劃技術、充分考慮高滲透率光伏發電接入的運行控制技術、鼓勵用戶積極參與節能減排的需求側響應技術和分布式可再生能源的功率控制技術。

主動配電網(ADN);配電網規劃;配電網運行控制

0 引言

面對全球節能減排和能源可持續發展的巨大挑戰，大力發展分布式可再生能源發電已經成為必然選擇。最近發布了一系列鼓勵分布式可再生能源發電發展的優惠政策，這必將促進我國分布式可再生能源發電的大發展。大規模分布式電源連接到10 kV及以下的配電網中，在提高節能減排效果，改善環境的同時，其隨機、間歇、波動、難以控制等特點，使配電網成為功率雙向流動的有源網絡，如果協調不當，將導致電壓波動加大、供電質量下降，電網消納分布式發電的能力受到限制，因此傳統的規劃設計手段、保護控制和運行管理方式需要做出根本性的改變［1］。

如何處理數以萬計的分布式電源接入電網，同時確保電網安全、可靠運行，迫切需要吸取國內外風電發展的經驗教訓，深入分析配電網中“發、輸、配、用”各個環節所發揮的作用，研究新的配電網規劃與運行控制理論與方法，提高電網對分布式可再生能源發電的消納率。近年來提出的主動配電網(active distribution networks，ADN)技術為解決這一問題提供了一種新的思路。主動配電網強調對現代配電網中的各種可控資源，特別是分布式可再生能源發電資源從被動消納到主動引導與主動利用［2］。通過這一技術可以把配電網從傳統的被動型用電網轉變成可以根據電網的實際運行狀態進行主動管理與控制，并提供主動服務的主動配電網。從傳統用電網、被動配電網向主動配電網過渡是配電網發展的必然趨勢。利用主動配電網的核心建設理念，可以實現與電網客戶之間的互動互惠，這也正是智能電網的發展目標。

依據主動配電網的特性，發展適應于主動配電網的規劃與運行控制關鍵技術，具有重要的理論意義和實際意義。本文將在回顧與探討主動配電網定義的基礎上，提出主動配電網的核心理念，論述主動配電網的關鍵技術，最后對主動配電網的應用前景做出展望。

1 主動配電網的核心理念

國際大電網會議(conference international des grands reseaux electriques，CIGRE)C6．11工作組報告對主動配電網的定義:主動配電網是將包括發電機、負載和儲能裝置在內的分布式資源進行組合控制的系統;配電運行人員能夠應用靈活的網絡拓撲調整潮流的分布;分布式資源可以根據適當的監管政策以及用戶接入協議，向系統提供一定程度的輔助服務支撐［3］。

CIGRE對于主動配電網的上述定義可以簡單理解為:主動配電網是一個內部具有分布式能源，具有主動控制和運行能力的配電網。這里所說的分布式能源，包括連結到配電網中的各種形式的分布式發電、分布式儲能、電動汽車充換電設施和需求側響應資源，即可控負荷。“冷、熱、電”三聯供機組和微網都是其中重要的可控資源。

區別于傳統的被動配電網，主動配電網具備下列特征:首先要具備一定比例的分布式可控資源;其次要有一個網絡拓撲可靈活調節的、堅強的配電網絡;再次要具備完善的調節、控制手段，即建有基于現代計算機技術與通信技術的量測、控制與保護系統，具有較高的可觀可控水平;最后，也是最重要的一點，要建設一個可以實現協調優化管理的管控中心。

與傳統配電網相比，對于電網公司而言，主動配電網規劃與運行控制的核心理念是主動規劃、主動控制、主動管理與主動服務，目的是充分利用分布式能源靠近客戶的優勢，變劣勢為優勢;對配電網的運行狀態進行全面感知，實時掌握配電網的運行態勢，對發電、負荷及網絡結構進行主動控制、主動管理，做到消除隱患于未然;為上級電網和客戶提供主動服務，建立上級電網與配電網、配電網與客戶之間的良好互動關系;規劃是實施的基礎，一個考慮完善的規劃可以起到事半功倍的作用，在主動配電網的建設過程中，迫切需要進行主動規劃，以實現對分布式可再生能源發電的全額消納。對于廣大用戶而言，應主動響應國家和電網公司為節能減排所制定的一系列需求側激勵措施，將其中相當一部分負荷變成“可調負荷”，在電網功率平衡控制及平滑電力系統負荷曲線方面發揮積極作用。對于分布式可再生能源發電而言，應積極、主動地參與系統調頻與電壓無功控制，實現配電網乃至整個電力系統的優化運行。

主動控制理論是主動配電網的理論基礎。從控制理論上講，傳統的被動控制是出現問題，解決問題，缺乏預見性，沒有全局優化的概念;與被動控制相反，主動控制預先分析目標偏離的可能性，并擬訂和采取一系列的預防性控制措施，通過提前感知、系統控制，達到統籌優化的目的，最終實現計劃目標。主動控制的理念最早由美國提出，首先應用于飛機設計，F-16是世界上第1架采用主動控制思想設計的飛機。常規飛機的設計過程是:根據任務要求，考慮氣動力、結構強度和發動機三大因素，并在它們之間進行折衷以滿足任務要求，這樣為獲得某一方面的性能就必須在其他方面作出讓步或犧牲，例如為實現更好的氣動穩定性就必須在尾翼的重量和阻力方面付出代價。折衷之后就確定了飛機的構形，再經過風洞吹風后，對飛機的各分系統(其中包括飛行控制系統)提出設計要求。這里飛行控制系統和其他分系統一樣，處于被動地位，其基本功能是輔助駕駛員進行姿態航跡控制。這一點與傳統的配電網規劃設計方法十分相似，在配電網規劃中，側重于一次電網架構的確定與變壓器容量的選擇，很少考慮配電自動化系統、通信系統和配電網管理系統對電網運行可靠性的影響。而采用主動控制技術的設計方法則打破了這一格局，把飛行控制系統提高到和上述三大因素同等重要的地位，成為選型必須考慮的四大因素之一，并起積極作用。在飛機的初步設計階段就考慮全時間、全權限的電傳飛行控制系統的作用，綜合選形，選形后再對飛行控制系統以外的其他分系統提出設計要求。這樣就可以放寬對氣動、結構和發動機方面的限制，依靠控制系統主動提供人工補償，于是飛行控制由原來的被動地位變為主動地位，充分發揮了飛行控制的主動性和潛力，因而稱這種技術為主動控制技術。

將主動控制的思想用于配電網的規劃設計，就形成了主動配電網的第1個核心理念，即主動規劃。將這一思想應用于配電網的設計、建設與運行，強調規劃、建設和運行的完整性、統一性，強調在規劃設計階段，就充分考慮配電網自動化、通信和配電管理系統對改善配電網運行性能所發揮的重大作用，強調協調統一地規劃建設堅強可靠的一次電網架構、深度協同的二次自動化系統與功能強大的智能決策支持系統，實現三位一體的協同規劃，這是主動規劃的第1層涵義。

主動規劃的第2層涵義體現在對分布式能源的態度上，對于電網公司而言，分布式發電由于其隨機性、波動性、不可控性常常被認為是“垃圾”電。更重要的是，由于其大多建在用戶側，采用“自發自用、余電上網”的分布式電源鼓勵政策，分布式發電享受零售端的上網電價，外加可再生能源附加鼓勵，嚴重影響了電網公司的售電收益。對于分布式可再生能源發電，在傳統配電網中，通常采取“接入即忘”的態度，認為分布式可再生能源發電滲透率較低，對電網運行影響不大，體現在規劃階段，只對其進行簡單的接入評價，在系統運行階段，把這些分布式可再生能源發電看作是正常的擾動，作為負荷處理，不采取任何特別措施。國內外研究表明，這種被動型的配電網對分布式可再生能源發電的接納能力不會大于10%。當分布式可再生能源發電大于這一比例時，為了克服分布式發電間歇性、隨機性所帶來的功率雙向流動、電壓波動加大、電能質量問題突出等負面影響，需要在規劃設計階段就對配電網中的電源和負荷進行主動規劃。主動規劃強調由配電網規劃設計單位主動對區域內的分布式可再生能源發電能力進行主動評估，掌握區域內分布式可再生能源發電資源，主動規劃設計分布式可再生電源的接入點，主動評估配電網在消納不同滲透率下的接納能力，在消納能力不足時，對配電網行必要的、前瞻性的改造，確保所有的分布式可再生能源發電都可以安全、經濟地并網。

主動配電網的第2個核心理念是對電網運行狀態進行主動控制。在配電網實時運行控制過程中，調控中心必須實時掌握電網的實際運行信息，了解電網中每條線路的負載情況，當電網中出現阻塞時，可以通過主動控制網絡結構和網絡中的可控設備、各種可控的發電與需求側響應負荷，疏解電網中線路的負載情況，達到既保證電網經濟運行，又確保電網安全穩定運行的目的。

主動配電網的第3個核心理念是作為區域能源管理中心實現對區域內所有發電資源有功功率和無功電壓的主動管理。在配電網運行過程中，充分利用主動配電網中的“冷、熱、電”三聯供、分布式儲能、電壓調節負荷、需求側響應負荷、生物質發電平抑光伏發電的隨機性、波動性，通過與電網運行態勢的密切互動，達到全額消納可再生能源發電的目標。在主動配電網中，由于分布式電源的大量接入，傳統的從主變到負荷，電壓依次降低的格局將被打破，電壓波動加劇，因而無功電壓控制在主動配電網中尤為重要。需要充分利用各種電網無功控制設備和分布式發電的無功控制能力，進行協調控制。配電網中存在大量的恒阻抗、恒電流負荷，這些負荷對電壓的幅值變化分別呈平方和正比變化，如何能夠實現對配電網中母線電壓平滑快速調節，可以充分利用這些負荷對電壓變化的敏感性，平滑分布式可再生能源的隨機波動，參與需求側響應，實現對用戶無感的有功功率控制，也稱為柔性負荷控制。

主動配電網的第4個核心理念是主動服務。主動服務包括，可以為客戶提供定制電力服務，根據客戶需要提供滿足其需求的、可以選擇的高品質電能服務;為客戶積極參與需求側響應，改善能效提供技術支撐平臺，例如通過提供協調控制手段和公平公正的利潤分配機制，將數以百萬計的廣大用戶組織起來，對其空調、熱水器等負荷進行集群需求側響應控制;充分利用主動配電網中的可控資源，為上級電網提供電能、在線備用等服務，從而實現配電網與客戶、配電網與上級電網之間的全面互動互惠。

主動配電網的第5個核心理念是用戶的主動響應。根據美國紐約市電力部門對其2011年負荷的分析，發現其峰值負荷為13 189 MW，從12 000到13 189 MW的負荷范圍，其持續時間只有36 h。近年來，我國的空調負荷、洗衣機、電熱水器快速增長，大多數城市的峰值負荷是由這些家用電器產生的。從用電性質上看，這些負荷屬于功率可調或者用電時間可平移的負荷，稱為可調負荷。這些可調負荷對于移峰填谷，改善電網的負荷特性，提高電網的資產利用率意義重大，是主動配電網中的重要資源。節能減排是全社會的共同責任，在電網公司提供主動服務的同時，迫切需要廣大電力用戶的主動響應，需要廣大用戶積極主動地選擇適合于自身特點的需求側響應項目。

主動配電網的第6個核心理念是分布式可再生電源的主動參與。以光伏發電和風能發電為主的分布式可再生能源發電受天氣影響很大，呈現出隨機性、波動性的特點。當這類分布式電源的比例較大時(例如，德國已經高達37%)，這些特點不僅對配電網的控制運行造成影響，甚至會影響輸電網的運行。消納可再生能源發電不僅是電網公司的責任，可再生能源發電的廠商也應盡到自己的責任。隨著電力電子技術和儲能技術的發展，對目前的可再生能源發電機組進行一定改造，就可以實現對其有功功率在一定范圍內的調節，這樣，當天氣變化時，其輸出功率可以緩慢地變化，避免劇烈波動，這一技術稱為功率平滑技術，對于提高電網對分布式可再生能源的容納能力效果十分顯著;利用電力電子技術，也可以使其具備一定程度的無功電壓控制能力，有效地改善電壓質量。電網公司和監管機構需要制定相應的鼓勵政策，激勵分布式可再生能源發電廠商通過安裝先進的電力電子控制設備和儲能裝置，主動地改善其機組的控制能力，使分布式電源與電網實現主動友好互動，與電網公司共同努力，提高電網對可再生能源發電的容納能力。

為了實現對配電網的主動控制、主動管理與主動服務，便于廣大用戶的主動響應，分布式可再生能源發電廠商的主動參與，必須實現對配電網更大范圍的全面感知。采用更加經濟、可靠、先進的傳感、通信和控制終端技術，實現對配電網運行狀態、分布式發電設備狀態、資產設備狀態和供電可靠狀況實時、全面地監視，實現配電網的可觀測性。在傳統的配電網中，量測監視范圍是從110 kV的變電站到10 kV的網絡，對于10 kV以下基本不需考慮。對于主動配電網，由于大量的分布式能源聯結到10 kV及其以下的母線上，而且需求側響應資源也大多聯結在這些低電壓母線上，因而必須對這些低電壓供電網絡進行全面地監視;為了實現對配電網可控資源的全面控制，必須了解上級電網的運行狀態，從而要求將量測范圍向下擴大到400 V母線，向上擴大到220 kV。智能電網的建設和智能電表的大規模安裝應用為擴大量測范圍奠定了堅實的基礎。

2 主動配電網的技術實現

為了實現上述主動配電網的6個核心理念，實現對主動配電網的高效經濟控制，必須充分考慮主動配電網網絡規模大且結構復雜、分布式電源的接入點分散且可控性弱、終端用戶的行為模式豐富但與系統的交互隨機性強等特點，開發主動配電網規劃運行一體化的規劃技術、充分考慮高滲透率光伏發電接入的運行控制技術、鼓勵用戶積極參與節能減排的需求側響應技術和分布式可再生能源的功率控制技術。

主動配電網規劃技術的研究目標是為配電網的規劃人員提供一套使用方便、能充分考慮主動配電網特點的規劃運行互動決策系統，以實現對主動配電網的主動規劃與監控裝置和系統的優化配置。首先要研究充分考慮主動配電網特點的規劃技術，研究主動配電網規劃的多目標優化方法，研究電源-用戶互動模式下的主動配電網規劃以及主動配電網的一、二次側統籌規劃，研究混合儲能系統(hybrid energy storage system，ESS)接入配電網的互補優化配置方法與指導原則，為主動配電網的網絡架構確定、監控設備配置、通信和信息規劃等提供技術手段;其次是為規劃人員實現可視化推演與互動展示，研發靈活的人機界面;再次是研究對規劃方案進行全面仿真校核的時序場景模擬仿真技術，以充分考慮具有隨機、間歇等特點的分布式發電、需求側響應、各種控制設備動作順序對規劃方案的影響;最后是研究規劃與運行的滾動校驗評估技術，將在配電網運行過程中發現的網絡結構問題和薄弱環節及時反饋到規劃系統中，實現對規劃方案的滾動修編。這里的技術難點是如何模擬主動配電網中新出現的資源間的強相互作用，及其對規劃的影響;需要研究的新理論與新方法包括:(1)建立全面的主動配電網混合整數規劃模型;(2)運用多代理機制模擬研究對象之間、時序場景之間的相互影響。

主動配電網運行控制技術的研究目標是為配電網的調度運行控制人員提供一套可以對主動配電網運行狀態進行全面監視、對配電網中的所有可控資源進行主動控制、主動管理與主動服務的運行控制系統。由4層構成:(1)由配電網絡、充電汽車、分布式發電、儲能設備和“冷、熱、電”聯產構成的主動配電網能量流層和由通信傳感系統、數值天氣預報系統和智慧城市信息系統構成的信息流層;(2)適應主動配電網特點的服務平臺層，包括云平臺、大數據處理技術和智能電網服務總線;(3)為滿足主動配電網各種運行與控制功能而配備的智能應用層，主要有電網運行態勢感知、全電壓等級無功電壓控制、自適應綜合能源優化、分布式發電預測、饋線負荷預報、故障診斷隔離與恢復、合環沖擊電流在線評估與調控、風險評估與狀態檢修等;(4)集成調控-運檢-營銷于一體的智能決策支持系統。

綜合利用多類型時空尺度觀測信息的態勢感知，由狀態估計、預想故障快速仿真和風險評估與預警等一序列軟件構成，是評估配電網運行狀態，制定電網控制和綜合能源優化策略的基礎，其特點是要考慮全電壓三相網絡，并融合智能電表系統、綜合信息單元以及最近提出的配電同步量測等多種信息資源。

分布式發電的大量接入使無功電壓控制面臨嚴峻挑戰，主動配電網中的無功電壓控制必須考慮無功資源的協調配合，以同時實現降壓節能和保證電壓質量2個目標;同時，需要基于短期、超短期和分布式發電的變化趨勢，發展時序遞進的無功電壓優化策略。

分布式可再生能源發電的隨機性對配電網的靈活性提出了更高的要求。消納大量分布式可再生能源發電的有效途徑是綜合能源優化。綜合能源優化充分利用以天然氣為原料的“冷、熱、電“聯產、電動汽車充放電設施、儲能裝置和需求側響應等資源在時空上的互補性和可控性，提高整個能源系統的整體利用效率。為充分利用需求側響應這樣一種有效的負荷控制資源，需要重點發展集群需求響應的控制策略與利潤分配機制。

將電網調控、檢修和營銷系統集成起來，可以實現信息、資源和業務功能的高度集成，充分發揮系統的資源調控能力，提高電力資產利用率，縮短故障停運時間，為用戶提供高品質、高可靠、高互動的電能服務。

鼓勵用戶積極參與節能減排的需求側響應技術的研究目標，是為廣大用戶提供一系列方便安裝、操作簡單、經濟效益明顯的用戶側負荷管理與控制裝置和系統，智能家居系統是其中的典型代表。這些裝置和系統首先可以實時監視家庭內各種家用電器的電能使用情況，在必要時還可以通過互聯網或移動通信，將這些信息實時傳送到主人的電腦、手機等移動裝備上，主人可以遠程對家庭中的電能使用情況進行實時監視，必要時還可以實現遠程控制;其次，這些裝置和系統，可以實時接收來自電網控制中心的實時電價信號，并根據實時電價的高低動態調整家用電器的用能策略;最后，當家庭中安裝了分布式光伏發電或者儲能裝置時，這些裝置和系統就承擔了家庭能源綜合管理中心的決策，根據電網的實時電價、光伏的發電量、家用電器的負荷以及儲能裝置的充放電狀態進行動態的能源優化。

分布式可再生能源的功率控制技術的研究目標是為分布式可再生能源發電機組提供一套可以動態感知電網的運行情況、預測分布式發電和負荷狀況、主動支持參與電網運行的先進并網逆變器。這種逆變器可以動態地確定在什么條件下發出多大的有功功率，在什么條件下為電網提供無功功率和電壓支撐。隨著電力電子技術和儲能技術的迅猛發展，這類先進逆變器的功能將越來越強大。與主動配電網的運行控制系統的主動互動，將極大增強配電網對分布式可再生能源發電的容納能力。

3 結語

本文在分析高滲透率分布式可再生能源發電對配電網規劃與運行影響基礎上，指出建立主動配電網是有效消納大規模分布式電源和實現節能減排的有效手段，提出了主動配電網的核心理念是電網側的主動規劃、主動管理、主動控制與主動服務，用戶側的主動響應及分布式可再生能源發電側的主動參與。展望了為實現這一核心理念所需要研究的技術手段，探討了主動配電網規劃、運行控制系統的構成，用戶需求響應和分布式可再生能源發電的功率控制所涉及的主要技術。

［1］EURELECTRIC．Active distribution system management，a key tool for the smooth integration of distributed generation［R］．Bruxelles: EURELECTRIC，2013．

［2］劉廣一，黃仁樂．主動配電網的運行控制技術［J］．供用電，2014 (1):30-32．

［3］徐丙垠，李天友，薛永瑞．主動配電網還是有源配電網?［J］．供用電，2014(1):18-21．

(編輯:張小飛)

Six Actives and Key Technologies of Active Distribution Network

LIU Guangyi1，ZHANG Kai2，SHU Bin2
(1．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 2．Beijing Economic Technology Research Institute，Beijing 100055，China)

This paper proposed six actives and key technologies of active distribution network，which are active planning，active management，active control and active service from the distribution grid side，active response from the customer side and active participation from the distributed generation side．On the side of grid companies，the active planning of distributed renewable energy，the organic coordination of planning and operation，the active management and control of distributed generation，the active service for superior power grid and users are emphasized．Under the conditions of ensuring the safe and stable operation of power grid，the active planning，managementand controlcan increase the hosting capacity for the distributed renewable energy power generation．The active service can provide new opportunities for innovation of distribution network business model and expanding business areas．On the side of users，the responsibility of energy conservation and emissions reduction is emphasized．On the side of renewable generation，the effect of distribution generation sets on the network is emphasized，and the technologies of active power control and reactive power voltage regulation should be deployed to participate in the power grid dispatching operation．Finally，the technology of active distribution network is discussed based on the above analysis，including integrated planning technology，operation and control technology，technology of response of demand and technology of power control of renewable energy．

active distribution network(ADN);distribution network planning;distribution system operation and control

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0033-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.005

2014-11-25

2014-12-22

劉廣一(1963)男，博士，教授級高級工程師，中央千人計劃國家特聘專家，從事智能電網、能量管理系統(EMS)、配電管理系統、電力市場的研究工作;

張凱(1969)男，碩士，高級工程師，國網專家人才，北京市電力公司調度專業首席專家，從事智能電網、能量管理系統(EMS)、配電管理系統、電網規劃的研究工作;

舒彬(1964)男，高級工程師，從事一體化能量管理系統(EMS)設計建設與運行，從事智能電網、新技術應用、配電管理系統、電網規劃的研究工作。

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2014AA051901)。