主動配電網規劃理論與實踐方向探索

劉開俊，宋毅(國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

主動配電網規劃理論與實踐方向探索

劉開俊，宋毅
(國網北京經濟技術研究院，北京市102209)

主動配電網(active distribution network，ADN)是低碳經濟背景下分布式可再生能源大規模并網與高效利用的有效解決方案，對于促進我國能源結構的優化與調整具有重要的戰略意義。該文介紹了ADN的基本概念，剖析了ADN的主要特征與功能特點，并列舉了國內外典型ADN示范工程的建設目標、內容與應用效果;通過分析傳統配電網規劃方法存在的不足，指出ADN規劃面臨的關鍵技術問題，進而提出ADN規劃方法的理論框架以及關鍵要素，同時指出工程實踐應從網架結構、配電自動化、智能通信網、信息化平臺、智能用電等5個方面進行建設，并提出了建設思路與原則。

主動配電網;可再生能源;電網規劃;示范工程

0 引言

分布式能源(distribution energy resource，DER)以及新型用電負荷(如電動汽車等)的大量接入，給配電網規劃與運行帶來了新的挑戰［1-2］。為此，主動配電網(active distribution network，ADN)的概念應運而生。有別于傳統配電網，ADN具有協調控制分布式電源、儲能裝置、可控負荷等多種分布式資源的能力，可以有效提高配電網對可再生能源的接納能力［3-4］。

ADN涉及多種資源(上級網絡和分布式能源)的綜合利用、多種類型負荷(冷、熱、電)的相互協調、多種網絡(電力網絡、通訊網絡)的協調運行，其規劃是一個涉及多目標及眾多變量的復雜組合優化問題［5-6］。傳統的配電網規劃方法已無法適應未來ADN的發展要求。

本文結合ADN的功能特征以及國內外示范工程建設情況，分析了ADN規劃面臨的問題，提出ADN規劃的基本框架與關鍵要素，給出了工程實踐的相關建議。

1 主動配電網的內涵

1.1 基本概念與主要特征

國際上對ADN的內涵、特征與技術內容尚未取得一致性意見。公認的權威定義由國際大電網會議(CIGRE)C6．11工作組于2008年給出［7］:能夠對配電網中的分布式能源進行綜合控制和管理，通過靈活可變的網絡拓撲結構，改善配電網中的潮流分布，在合理的監控和接入標準支持下，使分布式能源對系統運行有一定支撐作用。

ADN依托高可靠性的保護設備、高效電力電子控制器、雙向高速的通信網絡、靈活的拓撲結構、完善的智能量測系統等基礎設施設備，對其管轄范圍內的各類型DER進行主動調節與控制，使其主動參與系統響應過程之中，實現配電網乃至整個電力系統的優化運行［8］。ADN的典型構成模式如圖1所示［9］。

圖1 主動配電網的典型構成模式Fig.1 Typical structure mode of the active distribution network

ADN具有如下主要特征:

(1)ADN是容納各種DER的多能源聯合運行系統，不同能源系統之間耦合性強;

(2)DER的接入位置分散但可控性強，終端用戶行為模式豐富且與系統交互性高;

(3)具有多重信息源融合、大數據、高并發、強互動、快變化等特征;

(4)系統運行狀態具備極強的可觀性、可測性和可控性。

1.2 主要功能

(1)通過DER、負荷與網絡的協調控制，實現網絡饋線潮流的均衡化管理，提高配電網對可再生能源的消納能力;

(2)促使DER積極參與系統調頻與電壓無功控制，提高配電網的供電品質;

(3)實現需求側可響應負荷在系統功率平衡控制及“削峰填谷”中的作用，增強配電網運行的安全性;

(4)具有豐富的可調資源與完善的調節、控制手段，通過資源優化管理減少配電網對主網的容量需求，提高配電設備利用率，降低電網投資成本;

(5)提升配電網運行狀態的可觀性，感知未來運行狀態的發展態勢，改善供電可靠性。

2 國內外主動配電網示范工程

2.1 國外

2.1.1 歐盟

歐盟是最早提出并開展ADN建設的地區，其目的主要是實現可再生能源的集成利用與節能減排。歐盟已在英國、西班牙、丹麥等地開展了ADN相關技術的研究和示范工程建設。比較著名的有:ADINE(active distribution network)項目［10］，建設目標是利用自動化、信息、通信、電力電子等新技術，實現對大規模接入DER的主動管理，示范工程已實現了接入大量DG的能量協調控制;ADDRESS(active distribution networks with full integration of demand and distributed energy RESourceS)項目，建設目標是實現以“主動需求”為核心的用戶側需求響應功能，示范工程建立了用于實時數據處理的大型、開放式電力通信網絡，驗證了實時激勵等需求側技術對電網效益的積極作用。

2.1.2 北美

北美在ADN研究與示范工程領域同樣走在世界前列，較為著名的有美國BPA公司與西北太平洋實驗室建設的奧林匹克半島項目(Olympic Peninsula Project)、ConEdison主導的Demand Response Programs、Encorp主導的Virtual Power Plant、City of Fort Collins主導的Fort Collins示范工程。上述工程的建設目的是利用各種類型的可調控資源輔助配電網的優化運行。工程通過建設雙向通信系統、電價等激勵信息，實現了需求側各類可響應負荷、分布式能源與配電系統之間的協調互動，實現了系統削峰填谷，提升了電網運行安全性。

加拿大在Hydro-Quebec計劃的支持下，大力開展ADN高級配電自動化的研究與應用，包括ENMAX、BC Hydro、Toronto Hydro在內的電力企業均建設了各自的示范工程。加拿大ADN示范工程的建設目的是通過信息集成，改善配電網的供電質量，為此大力建設智能量測系統、遠程信息采集及控制系統、故障定位系統，通過在ADN運行中開展廣泛的集成應用，提升了用戶的供電品質。

2.1.3 日本

日本ADN示范工程主要是在其最大的研發組織NEDO的主導下完成的，如新電力系統示范工程(demonstrative project on new power systems)、大規模光伏接入示范工程(demonstrative project on gridinterconnection of clustered photovoltaic power generation systems)、區域新能源接入示范工程(demonstrative project of regional power grids withvarious new energies)等。日本ADN示范工程的建設目的是實現對各類分布式能源的大規模集成接入與消納，特別是對配電網電能質量的影響與平抑措施的示范應用。示范工程通過建設一種基于主從結構的能量管理系統，對ADN管轄內的分布式電源和儲能裝置進行調度管理，進一步提升配電網的供電品質。

2.2 國內

我國已將ADN作為國家高技術研究發展計劃(863計劃)的研究方向。2012年，啟動了“主動配電網的間歇式能源消納及優化技術研究與應用”課題，并在廣東電網進行示范。2014年，863項目“主動配電網運行關鍵技術研究及示范”將分別在北京、廈門、佛山、貴陽等地進行工程示范。

2.2.1 北京主動配電網示范工程

示范點選擇北京未來科技城，系統最大負荷不小于200 MW，220 kV變電站2座，110 kV變電站5座，10 kV配電室不少于30座;清潔能源種類不低于4類:冷熱電聯產機組不小于250 MW、垃圾焚燒發電不小于30 MW、垃圾填埋發電不小于54×1．25 MW、多點接入光伏發電總量不小于5．68 MW、風機不小于1．5 MW、電動汽車集中充放電站容量不小于10 MW、儲能規模不小于500 kW/(1 MW·h)。全網可再生能源裝機容量不低于總負荷20%。示范工程完成后可實現可再生能源100%全額消納，核心區供電可靠率不低于99．999%，具備提供無電壓暫降和短時中斷的高品質電力定制能力。

2.2.2 廈門主動配電網示范工程

示范點選擇福建海西廈門島，系統最大負荷不低于120 MW，清潔能源種類不少于3類:冷熱電聯產機組不低于150 MW、垃圾焚燒發電不低于2 MW、多點接入光伏發電總量不低于60 kW、電動汽車集中充放電站容量不低于5 MW、移動式儲能車規模不小于1 MW/ (2 MW·h)。示范工程完成后可實現可再生能源100%全額消納，核心區供電可靠率不低于99．99%。

3 主動配電網規劃面臨的問題

當前，絕大多數供電企業仍然采用傳統的配電網規劃設計方法，不考慮或極少考慮分布式電源和可調負荷的接入問題。傳統的配電網規劃主要是確定在規劃期內何時、何地投建何種類型的電力設施設備，以滿足規劃期內的電力負荷需求，在滿足線路載流能力、節點電壓水平、供電可靠性等基本技術指標的前提下，追求系統投資成本最小化［11］。因此，傳統的規劃方法無法適應未來ADN的“多源性”特征，對應的規劃模型無論在目標函數或是約束條件均存在局限性。總體來看，ADN規劃尚處于理論探索階段，面臨以下關鍵問題。

(1)配電網規劃與運行強耦合。

ADN擁有對DER及需求側資源的協調控制能力，從而影響ADN的負荷水平和資源優化配置［12］。傳統的配電網規劃大多是針對單一運行狀態或場景進行規劃，未考慮DER之間協調配合對配電網運行狀態以及負荷需求所產生的影響，導致規劃方案具有保守性［11］，難以適應規劃與運行強耦合下的ADN規劃需要。

(2)規劃目標更趨多樣性與動態性。

對可再生能源主動兼容的特征使ADN規劃目標變得更加多元化［13］，為此，需要全面分析配電系統在生產運行各階段、各環節中存在的影響可再生能源利用效率的阻滯因素。在此基礎上，研究相關因素的作用機理，提出與之相適應的多目標動態規劃方法，克服傳統配電網規劃僅面向系統最大負荷水平場景的缺陷才能滿足未來ADN多維度復雜規劃的要求。

(3)信息及通信系統依賴度高。

信息及通信系統是實現海量運行特征信息存儲、提取與分析的關鍵手段，是實現ADN多能源協同控制、需求側響應等基本功能的保證［14］。傳統配電網規劃方法不考慮信息與通信系統，無法適應ADN的發展要求，目前仍缺乏適用于ADN信息與通信系統的規劃設計方法。

(4)重新界定投資成本與效益。

智能化設備及控制手段的投入，使得ADN的成本效益構成顯著變化，運行、維護及報廢等成本與傳統配電網有著較大區別［15-17］。因此，ADN規劃需要引入新的成本與效益分析方法。

(5)健全建模與仿真工具。

當前配電系統計算分析軟件一般集成了DER建模工具，但模型庫并不完善，仿真分析技術也無法適應ADN規劃需要，亟需可綜合考慮DER運行特征的建模與仿真工具［18-19］，并對系統可能遇到的各種不確定性場景進行精細化運行模擬。

4 主動配電網規劃方法與工程實踐

4.1 規劃方法

ADN規劃的對象是大量分布式電源、控制設備、通信網絡與配電網絡的集合體，可從建模、仿真、多目標規劃、評估與后校驗等層面構建全新的ADN規劃方法理論框架，如圖2所示。

(1)ADN網絡及單元綜合建模方法。

ADN網絡及單元建模是ADN規劃的基礎，通過數學模型表達ADN各組成部分的運行特性。為此，需從DER、網絡以及系統級3個層級進行綜合建模: 1)對各種類型DER、需求側可響應資源等進行綜合建模;2)對ADN網絡層的單元設備、控制系統、通信系統等進行綜合建模;3)在系統級，研究各類模型之間的數據接口技術，實現不同時間尺度下，各類模型之間信息交互的無縫銜接，完成ADN的集成建模。ADN網絡及單元綜合建模的目的是構建各級電源、設備、通信網絡與配電網運行狀態之間的映射關系，從而在ADN規劃中計及配電系統各單元的運行狀態及約束條件。

(2)面向ADN規劃的多場景模擬仿真技術。

結合前述建模技術，研究ADN多能源協同的負荷預測技術，重點關注DER及需求側可響應負荷的影響;研究ADN未來運行場景的提取、估計與分析技術，形成支撐ADN規劃決策的模擬場景庫，通過對規劃方案所處運行環境的精確模擬，充分計及DER的不確定性與負荷的時變復雜性;從可靠性、充裕度、綜合能效、經濟效益等角度，建立ADN多維度、多時間尺度的仿真模型及算法，對規劃方案進行驗證與評估。該內容應反映ADN規劃與運行的強耦合特性。

(3)ADN多目標動態規劃方法。

ADN規劃是多元系統一體化規劃，規劃的目標選取、約束因素的綜合考慮至關重要，需研究適用于ADN的多目標規劃方法以及高效智能求解算法。考慮到ADN的運行狀態具有明顯階段性特征，在規劃過程中還應開展動態規劃，結合系統運行特性對規劃方案進行實時優化調整，保證規劃方案滿足預定的規劃目標。

(4)ADN規劃方案評估與后校驗。

規劃方案的評估與后校驗，是確定規劃方案的最后環節。ADN的運行涉及不同能源的綜合利用，以及不同的利益主體，需構建全新的評價指標體系，不僅要涵蓋配電網運行的可靠性、經濟性、綜合能效等傳統指標，還應兼顧利益相關方的不同利益，從全壽命周期角度研究其成本效益。

圖2 ADN規劃方法理論框架Fig.2 Theoretical framework of the active distribution network planning method

4.2 下一步工程實踐方向

為適應ADN的發展趨勢，未來配電網應著重在網架結構、配電自動化、智能通信網、信息化平臺、智能用電等方面進行建設。

(1)建設堅強靈活的網架結構。

堅強靈活的網架結構是實現ADN的基礎。配電網應以目標網架為目標，按照“適度超前”、“差異化”原則建設，形成結構相對簡單的110、35 kV電網和“高度互聯、結構清晰”的10 kV電網。其中，10 kV電網建設與改造應著重解決部分線路聯絡率低的問題，滿足負荷轉移需要;同時優化形成清晰的電網結構，解決部分線路之間重復聯絡、無效聯絡等結構過于復雜的問題。

(2)配電自動化差異化建設。

配電自動化是實現ADN網絡重構、多能源協調優化控制、故障定位等基礎功能的重要手段。配電自動化建設應以滿足供電服務和調控業務需求為目標，依托網架結構，按照不同區域的定位確定配電自動化建設與改造原則。新建電網，按照配電自動化建設原則建設一步到位;改造電網，結合電網工程和實際情況，逐步完成配電自動化改造。

(3)建設安全高效的通信網。

配電通信系統為配電自動化系統、用電信息采集系統提供安全、可靠的傳輸通道，實現配電站點信息的有效上傳，并為智能用電發展奠定基礎。通信網建設應因地制宜選擇組網方式，滿足配電自動化、用電信息采集等業務需求，堅持與電網工程同步規劃、同步建設、同步投運。

(4)搭建共維共享的信息平臺。

信息平臺是主動配電網能量優化管理的“大腦”。打通不同信息系統之間的壁壘，整合配電網規劃、調度、運檢、營銷等基礎數據，建立統一的配電網信息平臺，通過數據的集中管理，保證數據的“及時性、準確性、完整性”，實現配電網規劃、建設、運行、維護的全過程優化管理。

(5)實現互動友好的智能用電。

智能用電是ADN實現需求側響應的重要手段。應用互聯網、高級量測與控制體系等技術，豐富電網與用戶的互動渠道，提高互動用戶比例，為用戶提供優質、智能、人性化的用電服務，推動電動汽車等新型用電業務，擴大電能占終端能源消費的比例。

5 結語

ADN是未來配電網發展的必然趨勢。突破ADN規劃關鍵技術，對于實現低碳經濟背景下高滲透率可再生能源接入與高效利用，提高配電網資產利用率，實現配電網安全、可靠、經濟運行具有重要意義。本文分析了ADN的功能特征，剖析了ADN規劃所面臨的主要問題，進而提出了ADN規劃方法理論框架與關鍵要素，指出了工程建設重點，對于推動我國ADN的建設與發展具有重要的指導意義。

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(編輯:張媛媛)

Exploration of Active Distribution Network Planning Theory and Practice Direction

LIU Kaijun，SONG Yi
(State Power Econom ic Research Institute，Beijing 102209，China)

The active distribution network(ADN)provides an effective solution for large-scale integration and highefficient utilization of renewable energy sources under the background of low-carbon economy，which is strategic significant to promote the optim ization and adjustment of energy structure in China．The functional characteristics of ADN was analyzed，then the development objective，contents and effect of both domestic and oversea demonstration projects were introduced．After analysis the insufficientof traditional ADN planning，key technical issue of ADN planning was explored in this paper．Furthermore framework and critical factors of ADN planning method were proposed．It is pointed thatengineering practice should develop from frame structure，distribution automation，intelligent communication network，information platform and intelligent power utilization，development direction and principle are put forward as well．

active distribution network(ADN);renewable energy sources;network planning;demonstration project

TM 715

A

1000-7229(2015)01-0003-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.001

2014-12-08

2014-12-22

劉開俊(1959)，男，教授級高級工程師，長期從事電網規劃研究與管理工作，參與多項電網建設重大決策;

宋毅(1977)，男，高級工程師，從事配電網規劃設計研究工作。