主動配電系統運行與控制關鍵技術

王守相，葛磊蛟(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

主動配電系統運行與控制關鍵技術

王守相，葛磊蛟
(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

主動配電系統(active distribution system，ADS)是在智能電網發展的大背景下提出的一個概念。該文在對主動配電系統的相關概念進行辨析的基礎上，按照預測層、控制層和服務層這3個層次，具體從主動配電系統的態勢感知與預警技術、主動配電系統的自適應分層分布式智能控制技術、主動配電系統的互動化服務技術等幾個方面，對主動配電系統運行與控制關鍵技術的發展進行總結和展望。

主動配電系統(ADS);智能配電網;智能電網;云計算;大數據

0 引言

為了綠色經濟、低碳經濟和循環經濟的發展需要，保證電網經濟、高效、可靠、安全運行，促進可再生能源的規模化高效利用，達到能源利用的經濟、環境和社會效益的最大化，發展智能電網已成為全社會的共識和關注的焦點。在我國《國家能源科技“十二五”規劃》中明確提出大力發展智能電網技術。配用電系統作為電力系統到用戶的最后一環，與用戶的聯系最為緊密，對用戶的影響也最為直接。智能配網技術的采用有助于充分利用各地的清潔能源和可再生能源，有助于向用戶提供高質量、高可靠性的電力，是實現我國“節能減排”目標的重要舉措。未來的配電系統將朝著具備靈活、可靠、高效的配電網網架結構、高可靠性和高安全性的通信網絡、高滲透率的分布式電源接入、配電系統的快速仿真與自愈控制的總體方向和總體目標發展。

主動配電系統是在智能配電網發展的大背景下提出的一個概念。本文在對主動配電系統的相關概念進行辨析的基礎上，主要從主動配電系統的態勢感知與預警技術、主動配電系統的分布式智能控制技術、主動配電系統的互動化技術等幾個方面，對主動配電系統運行與控制關鍵技術的發展作一總結和展望。

1 主動配電系統相關概念辨析

配電系統是由多種配電元件和配電設施所組成的用以交換電壓和直接向終端用戶分配電能的一個電力網絡系統。傳統的配電系統中，沒有或者很少存在用戶側的電源，電能主要來自上級電網，電力公司作為配電系統的所有者和運營方，向用戶配送電能并收取電費。一方面，用戶只能被動地接受電力公司的供電服務和用電管理，沒有選擇權和自主權。另一方面，電力公司往往也只是被動地響應和處理配電系統中出現的故障或其他狀況，并不斷通過改擴建來滿足用戶不斷增長的負荷需求。

隨著能源需求和環境保護的壓力日益增長，可再生能源發電受到國內外的廣泛重視。可再生能源發電的形式有2種，一種是集中式的大規模的可再生能源發電，如大型風電場等，其特點是集中接入、單點接入容量大;另一種是小型的分布式的可再生能源發電，簡稱分布式發電，是指利用各種分散存在的能源，包括可再生能源(太陽能、生物質能、小型風能、小型水能、波浪能等)和本地可方便獲取的化石類燃料(主要指天然氣)進行發電供能的方式，其特點是位于用戶負荷附近，發電容量小，通常在幾kW到幾十MW，通過10(35)kV及以下電壓等級接入配電網或獨立運行，多點接入、點多面廣。分布式電源通常直接接入配電系統，也可以與儲能等配合組成微網(或微電網)接入配電系統。微網是由分布式電源、儲能系統、能量轉換裝置、監控和保護裝置、負荷等匯集而成的小型發、配、用電系統，是一個能夠實現自我控制、保護和能量管理的自治系統。分布式發電和微網的接入對配電系統產生了深遠的影響。配電系統中大量分布式電源和微網的存在將改變電力系統在中、低壓層面的結構與運行方式，增加配電系統運行的復雜性，但同時也將有助于解決配電系統中大規模分布式可再生能源的有效接入問題［1］。

未來的配電系統將成為含分布式電源的集電能收集、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。于是有源配電網的概念應運而生。有源配電網是當前正在發展和未來電力公司和用戶所共同面對的網絡對象，是新形勢下區別于傳統配電網的提出了新的需求和挑戰的新型配電網。

主動配電網是為了應對新形勢下配電網(即有源配電網)的挑戰，由電力公司主導的積極的技術和管理手段。而主動配電系統所涵蓋的內容則更廣些，既包括電力公司的主動配電網措施，也包括微網及其他用戶積極參與的需求側響應的內容［2-4］。

智能配電網是比主動配電系統涵義更廣的概念。主動配電系統只是重點反映了智能配電網的一個重要特征，即主動性。智能配電網是體現了高度的靈活性、經濟性、安全性和智能化的高級配電系統。主動性只是智能化的其中一種表現形式。智能配電網是配電網發展的一個終極目標，智能配電網的建設不是一蹴而就的，而是一個動態的不斷發展和完善的過程。

綜上所述，主動配電系統相關的概念關系，如圖1所示。

主動配電系統所涉及的范圍廣泛，包括內容也非常多，國內外已開展了較多的研究［5-10］。本文重點按照預測層、控制層和服務層這3層遞進關系，對主動配電系統相關的幾個關鍵技術進行重點闡述，其各個內容之間的關系如圖2所示，下文將展開詳細敘述。

圖1 主動配電系統相關概念關系圖Fig.1 Diagram of the relationship among the related concepts of active distribution system

圖2 主動配電系統關鍵技術關系圖Fig.2 Diagram of the relationship among the key technologies of active distribution system

2 主動配電系統的態勢感知與預警技術

2.1 主動配電系統的不確定性建模與分析技術

雖然從可再生能源和清潔能源利用的角度來看，分布式電源優勢明顯，需要大力提倡和發展。但從電網的角度來看，由于風力發電、光伏發電等屬于間歇式電源，這些分布式電源的隨機性和間歇性特點，使得含分布式電源和微網的電力網絡的規劃、分析和優化運行都不同于傳統的電力網絡。未來需要在思路上有所創新，要求在傳統確定性分析方法的基礎上考慮更多不確定因素的影響。尤其在配電網絡之中，存在更多的不確定性因素。配電系統的負荷種類繁多、變化頻繁，時常發生的故障或檢修等原因會導致網絡的連結方式發生改變，所有這些不確定性因素的影響，使得配電系統中經常得到的是不確定性的信息。另外，在未來實施配電側電力市場條件下，受電價尤其是實時電價調節作用的影響，電力用戶會以小型儲能、分布式電源或戶內用電負荷調整的方式參與電能調節，使得系統規劃和運行中的不確定因素大大增加。傳統的優化分析方法需要各物理量的準確的點值信息，而分布式電源發出的電能、用戶消費的負荷功率時刻都會發生較大的波動變化，難以預知其準確的數值。同時，傳統優化分析方法得到的優化結果往往依賴于所給的具體點值，受參數變化的影響較大，優化結果的適應性和可信度差，難以適應系統結構和狀態的變化，一旦條件改變，其優化的效果和性能會大大降低，有時甚至適得相反。因此，研究考慮不確定性的建模和分析方法十分必要。

2.2 主動配電系統的大數據分析技術

近年來，大數據(Big Data)技術已經在全球學術界、工業界和各國政府得到高度關注和重視。2012年3月，美國政府發布了“大數據研究發展創新計劃”，并投資2億美元啟動大數據技術研發。緊跟全球大數據技術發展的浪潮，我國政府、學術界和工業界對大數據也予以了高度的關注。目前，大數據技術在全球的工業界、學術界和各行業領域迅猛發展。在信息技術應用較早、數據積累較多的行業，如互聯網、電信、金融等領域，大數據技術已經初步顯示出對行業的顛覆性影響。近年電力行業的數據資源開始急劇增長并形成了一定的規模，對大數據技術也產生強烈的需求。具體表現為:數據量由TB級向PB級發展，面臨數據高性能存儲和高可擴展性挑戰;公司業務向智能化精細化方向發展，對復雜數據處理和實時性提出更高要求;跨業務、跨平臺的數據處理和分析能力需要進一步提升。然而目前仍鮮有研究的是關于利用大數據技術解決電力系統，特別是配用電系統的上述問題。

大數據軟件體系結構可分為數據采集與預處理、數據存儲和管理、數據分析和挖掘等幾個方面。在數據采集和預處理方面，針對管理信息系統中的異構數據集成、Web系統中的實體識別和DeepWeb集成、傳感網絡數據融合技術已有很多研究工作，如Data Flux、Data Stage等。在大數據存儲和管理方面，當前普遍采用的是分布式文件系統和分布式數據庫。分布式文件系統涉及高效元數據管理技術、存儲可擴展技術、針對負載的存儲優化技術、基于存儲器件的優化技術等;分布式數據庫包括事務型數據庫、NoSql數據庫和分析型數據庫。當前大數據處理的典型技術包括HBase和Hive等查詢分析系統，MapReduce和Hadoop等批處理系統，S4和Storm等流處理系統，Pregel等圖計算系統。由于大數據處理的多樣性和復雜性，學術界和工業界不斷研究和推出新的大數據計算模式和平臺，重要的發展趨勢包括Hadoop平臺與其他計算模式的融合、多樣性混合計算模式、基于內存的大數據處理技術。數據分析和挖掘技術方面，針對Hadoop分析功能薄弱的特點，IBM將R語言與Hadoop進行集成，Apache推出了基于Hadoop的算法庫Mahout，能夠完成的頻繁項集、分類、聚類等傳統機器學習和數據挖掘任務。雖然大數據處理技術得到了很大的發展，但是還需要進一步研究原先由于軟硬件限制而無法實現的數據分析和挖掘方法，如大規模的關系和時序數據的分析處理。另外，配用電大數據應用存在各種類型的混雜數據、不同特性的分析任務以及嚴格的服務響應需求，這對大數據體系架構和處理技術提出了新的要求。

主動配電系統采集的數據包括輸、配、用以及用戶側的分布式電源、微電網、電動汽車等，具有海量、數據更新速度快等大數據的固有特性，合理利用大數據技術為主動配電網做支撐，是一個較好的應用范例。

2.3 主動配電系統的云計算技術與云平臺構建

云計算技術是Google公司于2007年提出的一種基于網絡的計算模式，在各行各業得到了迅猛發展。Google、Microsoft、IBM、亞馬遜、阿里巴巴、甲骨文、騰訊等國際國內各大IT公司相繼結合各自原有產品的特性推出了相關的公有云、私有云和混合云系列產品及服務。云計算作為一種新興的計算模式，是分布式處理、并行處理和網格計算技術的深入發展，可以認為是基于網絡的超級計算模式。云計算技術通過互聯網將各種廣域異構計算資源整合，形成一個抽象的、虛擬的和可動態擴展的計算資源池，再通過互聯網向用戶提供計算能力、存儲能力、軟件平臺和應用軟件功能。云計算技術能夠提供安全可靠的信息存儲，方便快捷的互聯網服務和強大的數據處理能力，是下一代網絡技術平臺的核心技術。與傳統計算模式相比，云計算技術主要優勢有:能夠整合大規模異構計算資源，易于動態擴展，虛擬化服務，以互聯網為基礎的通信平臺，有很強的規模經濟效益。

隨著智能電網的發展建設，我國電力行業也正在將云計算技術應用于電力系統的調度、生產、管理、系統仿真、新能源的監控等各個相關方面，涉及到了潮流分析、不良數據辨識、電力調度綜合監控、繼電保護整定、設備管理、數據災備、電力仿真等諸多方面，并取得了一些研究成果。

傳統的配電系統計算分析平臺存在一定局限性。隨著智能配電網的建設，高級量測系統、相角測量單元(PMU)、智能電表，甚至各種智能家電的嵌入式系統都可能向配網調度中心提供大量的實時運行信息，其數據量驚人，以系統現有處理平臺的信息處理能力將不足以完成對海量數據流的存儲和分析功能。云平臺可以有效解決大量信息存儲的問題。

云計算技術在主動配電系統分析中具有廣泛的應用前景。云計算技術能夠全方位地應用于配電網的規劃、建設、運行管理、實時監測、海量數據存儲、智能分析等方面并發揮巨大作用。以云計算技術在主動配電選題快速建模分析與仿真方面的應用為例。一方面，可以將云計算技術借鑒應用到主動配電系統的建模分析和仿真算法中去，以實現主動配電系統的快速仿真分析;另一方面，可以按照主動配電系統的特點和要求開發適合主動配電系統仿真的云計算平臺。為主動配電系統的快速分析和仿真提供一個可靠高效的計算平臺。云計算與智能電網一樣，不單單是一個概念，更重要的是一種應用與實踐。一個好的理念需要付諸實踐才能發揮其巨大的效益。因此，開展云計算這一新興技術在主動配電系統方面的應用研究工作，具有重要的理論意義和工程應用價值。

主動配電系統運行和控制兼顧輸、配、用以及用戶側的分布式電源、微電網等電力系統的多個方面，所涉及的IT設備也將包括大型服務器、小型機、刀片服務器、普通PC機等多種異構的設施，合理融合這些設備，高效利用其作用是主動配電系統的建設目標，于是，云計算技術成為整合傳統配電網的基礎設備層，為系統的快速可靠控制提供實施平臺的一種有效方式。

3 主動配電系統的自適應分層分布式智能控制技術

主動配電系統的自適應分層分布式智能控制是旨在適應分布式電源、微電網、電動汽車、柔性負荷等具有主動特性的元件接入傳統配電網后的運行和控制。

由于主動配電系統的監管范圍遍布輸-配-用電各個環節，所涉及的計量表計、通信傳輸設備、二次保護設備等設備類型多樣;所采用的通信方式兼顧光纖、以太網、GPRS、RS485、RS422等多種形式，其數據傳輸的速度和響應時間也各不相同，因此，在實際的運行和控制過程中，將面臨時滯、通信阻塞、設備故障、事件響應延緩等諸多運行和控制的協調問題。追究其產生如此多控制協調問題的實際原因，一方面是當前配電網的實際現狀，無法即時滿足新技術的快速推廣應用，由于電網的發展一直具有延續性，新老設備和技術并存是一個無法回避的實際問題，各種不同類型和層次的設備、技術在配電網運行和控制會交錯存在;另一方面是配電網運行和控制目標(可靠性、經濟性和安全性等)太多，并且其等式和不等式的約束條件參數獲取范圍太廣，而控制中心的終端與控制中心的直接對接的通信網絡速度太慢，存在高速公路與鄉間小路的對接問題。

自適應分層分布式智能控制技術，是一種自上而下的控制策略架構，最高級的控制中心僅僅控制最主要目標因素并對下一級的控制效果進行合理歸類和合并，同時，每一級控制中心僅僅關注各自的一個或者幾個重要的控制目標，如此依次按照以實現最主要目標的控制策略運行，直至最終目標由系統最終端的控制單元設備進行具體實現。

終端控制單元，具有較強大的功能，一方面采集系統現場運行一次、二次設備的運行參數，并根據預先設定運行目標進行就地就近控制，以保障現場穩定運行;另一方面自適應優先響應上一級下發的控制指令，并結合當前現場設備的運行狀態，采用啟發式的高級尋優算法，進行自適應的現場響應。

采用如此的層級分明、目標明確的自適應分層分布式智能控制架構，可以有效解決通信鏈路阻塞、信息不流通等所致的控制目標無法實現的主動配電網運行與控制問題。

多智能體技術是實現自適應分層分布式智能控制的一個有效手段。智能體是一種具有獨立求解問題能力并能適應環境，與環境中的其他智能體相互通信協作共同完成其特定任務的自治實體。多智能體系統就是由這樣一組智能體組成的聯盟。聯盟中的智能體之間可以為了各自的目標進行協作和競爭，每個智能體都具有獨立的運行能力。多智能體的這些特點非常適合主動配電系統這樣復雜的、多維的、系統的分布式智能控制。

4 主動配電系統的互動化服務技術

4.1 多微網協同調度技術

在電網側方面，主動配電系統的互動化特性主要體現在分布式電源、微網及區域多微電網參與配電網的協同調度。

分布式電源、10 kV中壓微電網和0．4 kV低壓微電網、多類型負荷等通過不同的電壓等級相互連接，從而形成了一個具備能量流、信息流和業務流而融合為一體的中低壓嵌套式的區域多微電網，其接入配電網一方面將對配電網的調度運行帶來逆功率、PCC電壓越界、頻率波動等諸多問題，也給配電網帶來了活力，使傳統配電網轉化為具有互動化操作平臺和基礎的主動配電網;另一方面區域多微電網內部的多類型分布式能源、多類型儲能與多類型負荷等，彼此之間的嵌套、并列、分散多點接入等運行方式，也使為保持其穩定運行的協同調度技術面臨很多新挑戰。

多微網協同調度技術是一個多目標多約束的非線性實踐問題，其目標包括分布式電源、微電網及區域多微電網的能源利用率、供電可靠性、通信可靠性、電能質量、經濟效益、節能減排、可再生能源利用率等，其約束條件有潮流約束、電壓約束、頻率約束等多方面;同時，還有兼顧系統的通信時滯、設備的響應時滯、不同時間響應常數設備的同步控制等諸多問題;以及分布式電源、柔性負荷的非線性特性等。因此，多微網協同調度技術將會使主動配電網的互動化功能具有了智慧的大腦，能夠為主動配電網互動化功能在電網側的實施，提供有效的支撐。

4.2 用戶互動技術

在用戶側方面，“靈活、互動”是主動配電系統的重要特征。其中，靈活包括兩層含義，其一為快速響應市場變化和客戶需求，包括滿足客戶多元化、個性化需求，充分利用電網資源為客戶提供增值服務。其二為支持新能源新設備接入，實現各種不同容量的分布式電源、電動汽車、儲能裝置等新能源新設備的“即插即用式”接入。互動同樣包含兩層含義:其一是用電信息的互動，是指采用現代通信與信息技術，實現用電及電網信息在供電企業與用戶之間即時交換;其二是電能的互動，是指用戶根據各種激勵措施調整用電方式，并應用自備分布式電源的市場參與行為。

用戶互動技術的具體實現的設備層面，主要是通過將供電側到用戶側的重要設備，通過靈活的電力網絡和信息網絡相連，形成高效完整的用電和信息服務體系，通過互動化策略，調動用戶參與需求響應或直接進行遠程優化控制，實現電力負荷的柔性化，指導用戶或直接進行用電方式優化，支撐供電側的可靠、經濟運行。因此，主動配電網系統在用戶層的互動化，將重點在于用戶側的設備層面的互動化技術的支撐。

4.3 滿足用戶差異化需求的主動調度技術

主動配電系統在服務層面的互動化，主要體現在能夠針對用戶對供電可靠性和電能質量的差異化需求，對用戶現狀進行即時評估，采取主動的調度措施，滿足用戶的合同要求。

電網的發展，勢必導致不同的設備組成、不同的用戶構成和不同的服務訴求，用戶主動參與電網，以及電網主動的響應用戶，將形成主動配電系統面臨的主調旋律。深入開展針對不同的差異化用戶，所供選擇的區別化的主動調度技術研究，將成為主動配電網服務層面的一個關鍵問題。

5 結論

本文按照預測層、控制層和服務層這3個層次，具體分別對應主動配電系統的態勢感知與預警技術、主動配電系統的自適應分層分布式智能技術和主動配電系統的互動化服務技術對主動配電系統的相關關鍵技術進行了詳細闡述，為主動配電系統的發展提供了一種思路。另外，對于主動配電系統中涉及的系統信息安全、用戶信息隱私等信息安全方面也是將來主動配電系統在運行和維護過程中面臨的實際難題，也是有待深入研究和探討的課題。

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Key Technology of Operation and Control of Active Distribution System

WANG Shouxiang，GE Leijiao
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Active distribution system is a concept proposed under the background of smart grid．Based on the clarification of relevant concepts of active distribution system，this paper summaries and outlooks the developmentof the key technology of operation and control of active distribution system from three levels of anticipate level，control level and service level．They mainly include the situational awareness and early warning technology，the adaptive hierarchical distributed intelligent control technology，and interactive technology for active distribution system．

active distribution system(ADS);smart distribution grid;smart grid;cloud computing;big data

TM 727

A

1000-7229(2015)01-0085-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.013

2014-12-10

2014-12-18

王守相(1973)，男，工學博士，教授，博士生導師，研究方向為分布式發電、微網與智能配電網;

(編輯:張媛媛)

國家高技術研究發展計劃項目(863計劃) (2014AA052003);國家自然科學基金項目(51361135704，51377115)。

葛磊蛟(1984)，男，博士研究生，研究方向為智能配電網與不確定性仿真。