主動配電網關鍵技術分析與展望

程林，劉琛，康重慶，吳強(．電力系統國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市00084; ．江蘇省電力公司，南京市004)

主動配電網關鍵技術分析與展望

程林1，劉琛1，康重慶1，吳強2
(1．電力系統國家重點實驗室(清華大學電機系)，北京市100084; 2．江蘇省電力公司，南京市210024)

大量分散電源并網將使配電系統發生根本性變化，未來的配電網將從傳統的被動單向式供電逐步向多種能源形式供電的雙向供電方向發展，配電網將由原來單一電能分配的角色轉變為集電能匯集、電能傳輸、電能存儲和電能分配為一體的新型電力交換系統。圍繞建設主動配電網的關鍵技術這一問題，從保護、運行、規劃、信息技術以及能源政策6個方面，對世界范圍內現有研究成果進行了全面的綜述，并從中提煉出研究的發展方向，為電力科技工作者提供參考。

主動配電網;保護;運行控制;信息通信技術;低碳

0 引言

分布式、間歇性能源的接入在可預見的未來將成為配電網發展的趨勢，并為配電網保證供電可靠性、供電質量帶來了機遇與挑戰。直至今日，鑒于目前的配電網態勢仍是可以預測的，配電網在設計規劃、控制運行方面依然沿用“自上而下”的原則。然而，分布式電源大量接入，系統中有意識個體也將或主動或被動地參與配電網管理，使得系統態勢難以預測。未來配電系統必須積極應對傳統規劃運行方法不再適用的挑戰，否則將面對網絡越限頻繁、電能質量、供電可靠性不達標的不利后果，這與新能源接入配電網的初衷背道而馳。

主動配電網(active distribution network，ADN)概念2006年在CIGRE會議上被提出，與現有被動式配電網(passive distribution network，PDN)對分布式電源(distributed generation，DG)的被動接受不同，主動配電網可以自主協調地控制間歇式新能源與儲能裝置等DG單元的優化運行，運行人員可以通過改變網絡拓撲結構，控制網內潮流，在適當的監管和并網協議下為配電系統提供一定的電力支持，從而提高配電網的經濟優化運行，提高新能源的利用率，提高電能質量和可靠性，保證配電網絡的安全高效運行。即，大量分散電源并網將使配電系統發生根本性變化。未來的配電網將從傳統的被動單向式供電也將逐步向多種能源形式供電的雙向供電方向發展，配電網將由原來單一電能分配的角色轉變為集電能匯集、電能傳輸、電能存儲和電能分配為一體的新型電力交換系統。

從技術角度，主動配電網在保護、運行控制、規劃等多方面的技術正受到國內外研究者的廣泛關注;與此同時，主動配電網依賴于信息通信系統(information communication system，ICT)的正常工作，通信-物理系統將作為一個統一的整體構成主動配電網。從政策角度，鼓勵用戶積極參與，鼓勵配電網運營商提高技術水平，引導主動配電網由“運營商主導，用戶被動參與”向“用戶主導，運行商積極服務”平穩過渡的激勵政策同樣是亟待研究的問題。

本文從對配電網安全性有直接影響的保護系統出發，由微觀到宏觀，至影響可持續發展的配電網低碳化中的各個技術角度，對目前國內外研究成果進行全面的綜述，以此提煉各項技術的發展脈絡，便于拓寬思路，總結不足并引導后續研究，從理論角度協助主動配電網建設工作。

1 主動配電網保護

分布式能源接入后可能引起保護拒動、誤動或影響重合閘成功率問題。保護系統的異常工作將對配電網的安全運行造成最直接的威脅。

保護系統的性能取決于判據的準確性，國內外學者提出了如下的協調方式以取得保護判據:(1)延時協調，主動配電網中的多個保護裝置通過一定延時依次動作，間接判斷網絡狀態實現保護;(2)通信協調，采用通信手段匯總信息判斷故障是最為受到人們關注的方法;(3)多種保護手段進行配合，例如文獻［1］希望以盡可能少的通信方法實現保護配合，對于單相對地故障，故障上游區段通過電流差動保護，故障下游用零序電流保護，而相間故障采用負序電流保護。

另有一類研究旨在定量分析在不調整保護策略的情況下分布式電源的準入容量，例如文獻［2］十分詳細地分析了如何確定在目前三段保護策略下接入分布式電源，即根據保護裝置的整定原則，反算能夠接入的分布式電源容量。選擇較好的接入點，可以將分布式電源對配電網保護的影響降低至最小，獲得較為滿意的分布式電源準入容量。在原有保護方案不變條件下，配電網可以在經過優化計算后的特定的多個位置分別接入分布式電源，而其原有的電流保護仍能正確可靠動作。

2013年后，在主動配電網保護領域在實用性方面取得了一些進步。文獻［3］考慮到目前提出的解決方案大多需要引入電壓信息，而配電網一般不具備此條件，出于此考慮研究了適用于主動配電網的保護技術，設計了不需電壓信息的方向元件，并基于此設計了保護機制。文獻［4］提出了一種新型的含分布式電源配電網的充分式保護策略，其有別于傳統保護思想要求保護方案對任何理論上可能出現的故障均有絕對的選擇性，只針對那些在絕大多數情況下更有可能發生的故障，提取具有充分代表性的故障特征。文獻［5］提出了“保護配合指數”用于衡量保護系統的性能，并分析了不同類型分布式電源，分布式電源接入不同位置時該指數的有效性。文獻［6］利用真實系統案例分析阻抗保護有效性。對于交直流混聯特殊配電網，故障特征隨系統的運行方式和控制方式而變化。而故障產生的諧波和暫態分量，其幅值和頻率也會隨著不同的故障元件和故障位置而變化。文獻［7］對柔性直流系統的不同故障進行了建模仿真，分析電壓、電流變化趨勢及其原因，進而為設計交直流混聯配電網的保護策略提供了依據。

目前大部分保護研究結果尚未進行工程驗證，因此各類方法在實際系統的中的實際效能為未可知。從理論角度，目前工作的不足有:(1)電流差動保護。差動保護系統要面對通信系統故障的風險，因此需要考慮后備保護系統，同時建立快速通信網的成本同樣不可忽視;對于不平衡系統以及不平衡負載，性能可能會受到影響;切入/投入分布式電源的暫態過程可能會造成誤動。(2)自適應保護。需要安裝、或者升級現有保護裝置;網絡拓撲必須已知，靈活性不足，不支持“即插即用”;需要快速通信系統支持。(3)阻抗保護。在受到諧波及暫態過程干擾時，準確性可能受到影響;性能受短路過渡電阻影響;不適用于線路較短的情況。(4)對于交直流混聯配電網，現有研究主要是從仿真現象分析故障特征，缺少故障理論推導和機理分析。

考慮到配電系統“量大面廣”的特點，針對主動配電網保護系統的首要工作是判斷當前保護系統的有效性以及在發展過程中的有效期限，并進一步進行保護系統升級決策，不得已時需限制分布式電源接入的類型和容量。還應對不同保護方式進行工程驗證。對于交直流混聯系統，應進行故障理論推導和機理分析。

2 主動配電網運行控制

2.1 主動配電網的正常狀態運行控制

分布式電源的大量接入改變了配網潮流的分布，間歇性一次能源的快速波動將引起配網電壓的快速波動，若不加以對應將導致過電壓、低電壓現象。電動汽車是未來城市交通的一個重要發展方向，電動汽車的不受控充電容易造成配網局部阻塞，同時嚴重影響三相負荷平衡性。

國內外研究人員已對分布式電源以及電動汽車(作為可控設備同樣可視為配電網資源)的控制方法進行了大量研究，并取得了豐厚的研究成果，研究人員主要提出了集中式控制、多代理控制、分布式控制3類控制方法以消除分布式電源、電動汽車接入后造成的電壓、阻塞(典型阻塞問題如分布式電源倒送功率過高、電動汽車充電負荷過度集中)問題并提高配電網運行經濟性。

近2年來國內外針對上述研究的問題依然活躍，但研究趨勢向務實方面發展，典型成果如下。在電壓控制方面:針對目前配電網運行規章要求分布式電源采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)運行策略的現狀，大量工作集中于如何利用現有配電網電壓控制設備應對分布式電源接入的電壓問題。文獻［8］為有載調壓調節器、無功補償裝置設計了一種新的分布式控制策略，以針對分布式電源出力同時大幅變化可能造成電壓控制設備(有載調壓、無功補償等)同時動作過調節的問題，并通過時域仿真方法驗證了有效性。文獻［9］認為光伏的接入會造成配網電壓調節器(voltage regulator)頻繁動作，并進一步基于光照強度的有限預測設計了新的控制邏輯。類似地，文獻［10］研究了有載調壓變壓器和靜止無功補償裝置(static var compensator，SVC)的集中式聯合控制邏輯。容量阻塞問題。文獻［11-12］均提出利用需求側響應消納過剩的分布式電源出力，以抑制過剩的倒送功率。文獻［13-14］提出新的市場激勵制度調節電動汽車的充電功率以抑制局部負荷過高。

可見，目前有關主動配電網的運行控制目前的發展趨勢是兼顧“務實”(遵守現有配電網運行規程，利用現有調控設備以及少量需求側響應實現對分布式電源的安全接納)以及“理想”(認為分布式電源的P/Q控制以及需求側響應勢在必行)，積極研究分布式電源與需求側響應的控制手段。我國在主動配電網建設過程中，應積極實踐上述2類控制方案，為分布式電源的接入提供充足的技術支援。

2.2 主動配電網中的故障狀態控制策略與可靠性

可靠性是電力系統性能的考核要素之一，同時提高配電網可靠性是發展分布式電源的驅動因素之一。大量文獻提出在配電系統發生故障時，由分布式電源和負荷構成主動孤島直至故障恢復，可以顯著減少應用停電時間，提高可靠性，進而衍生出配電網故障情況下的緊急需求側響應機制以及分布式電源控制策略。

在提高主動配電網可靠性的故障狀態控制策略方面，國內外學者提出了一些理想化的控制方案，大致可以分為:(1)認為在配電網發生故障后，配電網內部可以以中壓分段開關為界形成若干個主動孤島，在每個孤島中，如果發電容量高于負荷容量，則該孤島內的負荷可以恢復供電，可靠性得以提升［15］;(2)認為存在需求側響應機制，在上述的每個孤島中，若發電容量不足，則負荷可以根據一定優先級關系進行切負荷以保全重要負荷的可靠性［16-17］;(3)認為主動孤島可以在低壓系統形成，這將進一步降低配電網故障造成的停電范圍［18-19］。

然而，目前這些研究仍僅停留在理論層面，實際配電系統中可靠性能夠提升亟待檢驗。這是由于:一方面受到IEC 61727標準、IEEE 929、IEEE 1547標準的限制，分布式電源將采取反孤島運行策略;另一方面主動孤島中打成電源—負荷的精確匹配難度較大。兌現分布式電源對主動配電網的可靠性提升承諾是未來重要的工作之一。

3 主動配電網的規劃問題

目前配電網規劃的基本思想是構造優化模型，通過優化分布式電源接入點、容量、類型，變電站/饋線改擴建，無功電源位置、容量等要素，實現如下目標: (1)降低線損;(2)改善低電壓情況;(3)提高設備利用率(4)避免容量阻塞(5)延緩配電網投資(6)降低電能購置費用(7)降低環境污染。此外，大量文獻設想在配電系統發生故障時，由分布式電源和負荷構成主動孤島直至故障恢復，可以顯著減少應用停電時間，提高可靠性，進而衍生出出于優化可靠性考慮的分布式電源規劃與重構。

近2年來，主動配電網的規劃問題繼續吸引著中外學者的目光，研究成果在模型和算法上繼續深入。規劃問題的內涵也越來越豐富，例如需求側響應［20］，有功/無功的協調規劃［21］，電動汽車的出行、交通網絡［22］，局部孤島［23］。有研究為配電網規劃設計了新的指標體系，以體現“主動”配電網的特點［24］。

規劃問題是主動配電網的熱點問題，中外研究者在模型、算法方面水平相當。在未來的研究中，該領域主要有以下幾個研究方向:(1)綜合考慮源-網-荷的規劃模型以使得規劃模型盡可能完備;(2)動態優化與隨機優化。配電網發展過程中的不確定性決定了決策者需要及時修正規劃決策，因此需要在規劃模型中引入動態規劃和隨機規劃方法;(3)規劃方案是否需要加入新的指標體系以體現“主動”配電網的特點，例如波動性、自給率等指標，以及指標之間的區別與聯系，同樣是需要討論的問題。

值得注意的是，歐洲Euroelectric機構指出未來主動配電網的管理應打破規劃與運行之間的隔閡，即“規劃運行一體化技術”。合理的運行控制策略可以使網絡中設備的效能充分發揮，在規劃模型中嵌入主動配電網運行過程，能夠使決策者對決策結果的性能有更準確的把握，進而避免過度投資以及投資不足。該思想對于改善規劃投資精度有重要借鑒意義。

4 主動配電網的信息通信技術

信息通信系統是實現主動配電網功能不可或缺的必備構成，其技術水平及性能直接影響到系統的性能。本節將對主動配電網中有關信息通信系統的量測、通信以及可靠性問題進行討論。

4.1 主動配電網的量測與數據處理

運行控制的基礎是系統的可觀。智能電表、通信網絡、量測數據管理系統和用戶室內網絡將構成高級量測系統(advanced metering infrastructure，AMI)，不僅能提供現有遠程終端裝置(remote terminal unit，RTU)所采集的實時量測量，還能滲透進入用戶室內，提供配網末端用戶側的實時功率量測數據，這是與現有配網量測系統最大的不同。其應用將會在許多方面改善配電網的運行與控制，包括故障診斷與定位、電能質量、改善狀態估計性能等。目前國內外均有學者提出在配電系統中加入同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)以實現配電網可觀性的提高，并提出了相應的數據處理算法［25-28］。除電氣量測外，AMI測量依然具有很強的擴展空間。丹麥學者Pinson P已利用X-Band雷達實現了對風速波動的實時快速預測，并通過圖像處理技術提高了該技術的魯棒性。這一方法對于提高可再生資源的預測精度，提高主動配電網運行安全性、經濟性無疑具有積極的作用。可以想見，先進的量測與數據處理技術將成為未來主動配電網AMI系統的重要構成。

4.2 主動配電網中的通信手段

主動配電網中的高級量測、能量管理、需求側響應、配電系統自動化均依賴于信息通信系統的支持。通信系統的設計、管理因此被認為是主動配電網必須認真考慮的重要環節。

由于配電網中設備繁多，分散性強，無線通信網絡憑借其成本相對低廉、容易布置的特點取得了主動配電網研究人員的青睞。根據通信覆蓋面積的不同，無線通信網絡可以分為家庭局域網(home area network，HAN)和城市局域網(neighborhood area network，NAN)。IEEE提出了5種標準專門用于HAN通信，包括Zigbee，Wifi，Bluetooth，6LoWPAN與Z-Wave，以及5種用于NAN通信的方式，包括WiMax，GSM，GPRS，CDMA以及LTE。在有線通信方面，配電網的通信介質可采用光纖、電力載波、通信電纜等種類，目前比較常用的是光纖網絡通信(傳輸速率1～10 Gb/s)和電力載波通信(傳輸速率1× 10-3～100 Mb/s)。

近2年來研究人員對未來主動配電網的通信要求進行了展望，并取得了一些具有借鑒意義的研究成果。文獻［29］介紹了FREEDM主動配電網示范工程中關于通信部分的設計思路。對智能變電站內部保護、變電站間的保護通信、需求側響應調度指令、AMI讀數等各個應用的通信時間提出了要求。作者認為主動配電網通信系統的首要任務是:(1)統一的數據模型已進行通信，(2)選用合適的通信方式以滿足通信速率要求。文獻［30］則更為全面總結了主動配電網中控制功能的通信要求，在消費者層包括AMI，家庭能量管理系統，負荷控制，需求側響應;在網絡層包括饋線自動化、偷電檢測、故障檢測等;在電源側包括對分布式電源發電、儲能的電動汽車V2G控制。國內對此探討較少，近2年只有文獻［31］對通信系統進行了構想。

4.3 ICT系統的故障影響

近年來，一系列報道與研究指出了ICT故障有可能對電力系統運行造成不利影響，指出通信系統的性能將成為衡量電力系統性能的重要構成。國外研究人員對ICT系統故障對電力系統可靠性的影響進行了大量探索和案例分析，其中有關配電系統的典型成果如表1所示。

表1 ICT系統故障對電氣系統的影響Table 1 The impact of ICT failures to electrical systems

以上研究均僅針對具體案例，缺乏統一的理論框架。文獻［37-38］則率先對ICT故障影響進行了理論性的描述。其中提出的主要觀點是將ICT系統故障影響分為4類:(1)ICT元件故障直接造成電力系統元件故障;(2)ICT系統故障直接造成電力系統元件故障;(3)ICT元件故障間接造成電力系統元件故障; (4)ICT系統故障間接造成電力系統元件故障。文章中針對這4類情況利用可靠性理論對故障的影響進行了描述，并分別給出了具體的案例。

此外有研究人員對有線光纜通信、無線GPRS和WIMAX通信的可用率進行了統計，指出有線通信手段可用率較好，可以達到99．99%以上，而無線通信手段受天氣因素影響嚴重，天氣惡劣時可用率低于90%，這將影響電氣系統的正常工作［35］。

針對ICT系統對電氣系統的影響這一問題，目前研究尚處于起步階段。如ICT系統故障的成因機理，通信系統傳輸帶寬、時延、數據丟失等事件對電力部分的影響等深層次問題尚需進一步探索。

5 主動配電網能源政策問題

與技術問題同樣重要的，是主動配電網的能源政策問題。能源政策需要考慮如下3個方面的問題:

(1)分布式電源持有者激勵。目前分布式電源的主要盈利來自于降低購電費用，然而對于光伏、燃料電池、大規模儲能等發電形式，現有制造水平經濟效益尚未達到滿意水平，造成購置費用過高，收益不足的情況。一些研究以微電網為例，論證了建設投入遠遠高于收益回報的情況。分布式電源持有者激勵機制的不足將導致分布式電源接入率的停滯。

(2)電力運營商激勵。配電網中電力服務運營商的主要收益來自于售電、報裝容量費以及輔助服務費(例如諧波補償費等)。分布式電源的接入使得售電收入減少，將間接影響到運營商提高服務水平的生產積極性。IEEE報道指出按照現有的北美能源政策，分布式電源的大量接入可能使得北美電力系統收支難抵進而難以維持現有的服務水平，這需要引起決策人員的注意。

(3)需求側響應服務激勵。主動配電網的輔助服務提供者將不再是傳統電力系統的專業人員，而是生活其中的普通百姓與企業，鼓勵其參與建設維護是主動配電網安全經濟運行的重要渠道。目前報道指出與非專業人員通暢溝通是主動配電網建設的重要工作之一。

6 主動配電網的低碳化發展

主動配電網中將引入各類新型的分布式電源、電動汽車、可控儲能等，如此的結構使得主動配電網可以用靈活、智能的運行方式減少碳排放，從而推動形成整體的低碳配電網絡。揭示低碳特征，發掘其低碳效益，是實現配電網低碳發展的關鍵。

(1)研究在低碳發展模式下主動配電網的低碳化特征，提出全面合理的分析方法。識別、篩選并歸納主動配電網的特征效益集，考慮系統的自身技術特性、不同的運行模式及其外部影響，建立涵蓋所有核心效益點、包容不同系統運行方式評估體系，研究科學、完整的低碳排放評估框架;剖析主動配電網潛在的低碳能力，建立完備的數學模型來描述從低碳能力到低碳效益的映射關系，形成“體系完備、層次清晰”的主動配電網低碳效益指標體系。

(2)研究建立主動配電網低碳仿真模型與優化算法，實現含有分布式電源主動配電網的低碳電力調度。需要考慮分布式電源與儲能裝置等多時段協調運行，其本質上是1個大規模非線性混合整數規劃問題。需要研究如何深入挖掘主動配電網仿真評價的內在運行規律，設計針對性強、求解效率高的算法，以確保求解的精度和速度。

(3)需要研究建立主動配電網仿真平臺，揭示主動配電網的低碳效益與低碳潛力。利用該仿真模型與優化算法可以對主動配電網1年中各天的運行狀況進行模擬，通過逐日的累計值可以得到其1年乃至多年的低碳效益;同時，仿真系統應可以輸出在給定日期范圍內主動配電網的總碳排放量、各種要素導致的低碳效益等仿真結果，使得該仿真平臺亦可用于對主動配電網的不同規劃方案潛在的低碳效益進行評估，此評估結果可輔助決策者制定相應的主動配電網的發展路線與技術實施步驟。

(4)需要研究建立主動配電網低碳效益可視化展現技術。面對廣泛分布的分布式電源、儲能裝置、配電網形態與能量利用方式，如何準確、直觀的呈現仿真結果，從中提取出反映配電網運行特征的關鍵信息，實現對配電網運行狀態的迅速把握。與此同時，設計合理的數據結構進行高效的存儲，保證仿真平臺的高效運行。

(5)此外，碳排放流理論對于計算分布式電源以及電動汽車、儲能等新型負荷的低碳效益有著積極重要的作用。基于碳流理論，可以對分布式電源、電動汽車導致的碳減排量進行明確的定義和計算。

7 結論

(1)在保護方面，未來主動配電網的保護系統設計需要統籌經濟性和功能，可能出現多重保護混用的情況，需要對保護效果以及布置經濟性、簡便性進行進一步論證。而實際系統中的主要工作論證是保護系統的適用性并論證現有系統的有效期限，此外還應論證現有理論研究所提出的保護策略在實際系統中的適用性，并制定升級換代時間表。

(2)在運行控制方面，正常運行狀態下的研究較為豐富。而在緊急、故障狀態下的運行控制的研究比較欠缺。

(3)在規劃方面，目前研究主要集中于如果快速求解規劃優化模型，同時規劃運行一體化研究已經初見端倪，還需進一步探索。

(4)在ICT系統方面，目前研究尚處起步方面，先進量測技術的測量范圍應不僅限于電氣量，因此還有進一步擴展的空間;如何選取滿足特定功能的通信技術還需要進一步論證并合理選取;此外ICT作為未來主動配電網的必備環節，其功能異常對系統的影響同樣需要深入的定量分析。

(5)在能源政策方面，利用合理的機制進行引導可使主動配電網建設工作事半功倍，因此需要從多個角度設計機制保證多利益主體的健康發展。

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(編輯:蔣毅恒)

Analysis of Development of Key Technologies in Active Distribution Network

CHENG Lin1，LIU Chen1，KANG Chongqing1，WU Qiang2
(1．State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2．Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China)

The large scale penetration of distributed generation will reshape electric distribution systems from a passive energy receiver to an active bi-directional energy network with flexible generation，transmission，storage and distribution．The evolution of a passive distribution system to an active distribution cannot be realized without advanced technologies．Therefore this paper provide a thorough review towards existing literatures from 6 aspects，i．e．protection，operation and control，system planning，integration of information communication systems and energy policy．Suggestions of future work are proposed based on the review，which can act as important reference to related scholars and engineers．

active distribution system;protection;operation and control;information communication system; low carbon

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0026-07

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.004

2014-11-12

2014-12-12

程林(1973)，男，副教授，博士生導師，主要從事電力系統可靠性、主動配電網與電力系統規劃方向的研究工作;

劉琛(1992)，男，碩士研究生，主要從事配電網可靠性和規劃方向的研究工作;

康重慶(1969)，男，教授，主要研究方向為電力系統規劃、電力系統優化運行、可再生能源、低碳電力技術、負荷預測、電力市場;

吳強(1978)，男，高級工程師，主要從事配電網規劃和新能源接入領域的研究和管理工作。

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2014AA051901);國家電網公司科技項目(J2014012)。