主動配電網與需求側管理

董振斌，高　山

（1.國網江蘇省電力公司，南京　210024；2.東南大學 電氣工程學院，南京　210096）

◆本刊專稿◆

主動配電網與需求側管理

董振斌1，高山2

（1.國網江蘇省電力公司，南京210024；2.東南大學 電氣工程學院，南京210096）

隨著全球經濟的發展，能源需求的不斷增長，為應對傳統能源緊缺以及氣候變化、環境污染等問題，以風能、太陽能、生物質能為代表的可再生能源和以電動汽車為代表的清潔能源汽車得到快速發展。

傳統的配電網依靠規劃的網絡結構和較大的容量裕度來應對負荷的不確定性，但是隨著分布式能源滲透率和未來電動汽車使用量的不斷提高，傳統配電網簡單的控制方法已經不再適應［1］。為應對這一電力需求現狀，主動配電網（active distribution networks，ADN）及其技術研究應運而生，以達到加大對可再生能源的接納能力、提升配電網資源的利用率和提高供電可靠性等目的。從供應側看，可再生能源的滲透率提高給配電網帶來了新的挑戰和問題；而從需求側看，不斷發展和成熟的需求側響應機制能促使用戶根據實時供用電情況來改變電量消費行為，因此在配電網中引入需求響應機制能夠顯著提高配電網的靈活性。本文梳理主動配電網相關研究成果，介紹需求側技術在主動配電網管理中的應用和發展要求。

1　主動配電網的基本概念

2006年，國際大電網會議（international council on large electric systems conference international des granel reseaux electriques，CIGRE）配電及分布式發電研究委員會（C6）成立了C6.11工作組，2008年該工作組在“主動配電網的發展與運行”研究報告中首次提出了ADN的概念［2］。

CIGREC6對主動配電網的基本定義是：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］。

CIGREC6.19工作組2012年在“主動配電系統規劃與優化方法”的研究報告中將主動配電網的概念擴展為主動配電系統（active distribution system，ADS），強調未來配電網是具備對由分布式發電、儲能、可控負荷組成的分布式能源進行主動控制和優化運行的有機整體，更全面地反映由具備主動響應和主動控制能力的新型“源—網—荷”構成的未來配電系統的特征。圖1顯示了分布式能源的基本構成。

圖1　分布式能源的基本構成

由圖1可知，分布式能源（distributed energy resources，DERs）主要包括：分布式電源（distributed generator，DG）、分布式儲能系統、可控負荷等。其中DG主要為可再生能源，包括光伏發電、風力發電、潮汐發電、地熱發電等；可控負荷主要為電動汽車（electric vehicle，EV）、響應負荷（responsive load，RL）等。響應負荷由于可以根據電價和互動信息等調節自身負荷需求，具備了參與配電網有功、無功協調的能力，即響應負荷可以看成是具有發電和消費雙重身份的生產性負荷，也成為一種分布式能源。

2　主動配電網的現實意義

面對資源環境與節能減排的雙重壓力，電力工業亟待低碳轉型。主動配電網利用先進的信息與通信技術、大數據處理技術以及電力電子技術對規模化接入分布式能源的配電網進行主動管理和控制，并且能夠主動的自主協調控制各種DG單元及需求側資源（demand side resource，DSR），在確保配電網的安全經濟運行情況下最大可能地利用現有資產和電網設備，滿足負荷的變化和分布式能源接入的需求，為實現分布式可再生能源大規模并網與高效利用提供了一種有效解決方案，對支撐低碳經濟發展具有重要戰略意義。

對分布式能源供應商來說，主動配電網的投運，可解決可再生能源的消納問題，提高可再生能源滲透率，可以較好提高節能減排水平。

對用戶和消費者來說，靈活接入主動配電網，意味著更高的供電可靠性和供電質量，享受高品質電能質量服務、電動汽車充電服務、能效服務和智能家居服務。主動參與需求響應和電網運行，不僅能大大提高用電的自主性，也能直接節約電費支出。

對電網企業來說，主動配電網的投入將使運營成本大大降低。高效運行的主動配電網可以提高電能傳輸效率和電網資產利用效率，帶來節能效益和投資效益；綜合能源協同則可有效解決地區輸配電能力不足等問題，保證電網穩定可靠運行；需求響應調度還可以進行有效的移峰填谷和負荷控制，對各級電網可靠性起到支撐作用。

3　主動配電網的典型結構

（1）ADN的物理架構。ADN一次系統物理架構主要基于“源—網—荷”三元結構，“源”包括各類分布式電源，如：熱電聯供、風力發電、太陽能光伏發電、小水電和其他可再生能源、各種存儲設備及其附屬設施；“網”主要指高低壓配電柜、變壓器、電線電纜、開關等設施；“荷”主要指用戶側的用電設施。此外，“儲”主要指各種能存儲電能的用電設施，兼有“源”與“荷”的雙重特性。ADN二次系統物理架構包括信息通信系統、傳感監測系統、自動化系統、能量管理中心等設施。

（2）ADN的技術架構。ADN技術主要體現在主動規劃（active planning，AP）、主動控制（active control，AC）、主動管理（active management，AM）、主動服務（active service，AS）、主動響應（active response，AR）和主動參與（active join，AJ）6個層面［4］。

主動規劃：采用“源—網—荷”三元結構規劃，同時將一次規劃與二次規劃高度融合在一起進行協同規劃，基于概率性高效規劃方法，實現風險性與經濟性的優化統一，不僅提高配電網設備的投資回報率，延緩了配電網投資擴容周期，還大大提高配電網對分布式能源的消納能力。

主動控制：基于預測、狀態感知和優化協調的控制理念，在直接負荷控制和非直接負荷控制2種策略的前提下，綜合監測和集成各類分布式資源，包括用戶側可控、可調資源，電網側開關、調壓器、AVC、蓄能設施等，結合預測方法，實現對ADN“源—網—荷”的協調控制。

主動管理：體現在對各類分布式資源的主動實時監測和“源—網—荷”的主動控制，以及在靈活運營技術與需求側管理技術2個方面。靈活運營技術是積極發揮靈活電價的市場作用，實現用戶側方面的用電負荷自行調節；需求側管理技術是通過需求側各類分布式資源、負荷的有機協調集成，形成高效率的綜合單元（如：微網），由能量管理運營商對內實現協調控制，對外實現能量交換效率最大化，雙方共贏。

主動服務：根據客戶需要提供滿足其需求的定制電力服務、高品質電能服務；為客戶積極參與需求響應、改善能效提供技術支撐，以及實現“即插即用”服務；充分利用ADN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全面的互動互惠。

主動響應：開展需求側響應，使電動汽車、空調、電熱水器等可調負荷參與電網運行控制，達到移峰填谷、改善電網負荷特性，提高電網資產利用效率。

主動參與：激勵廣大分布式能源改善調節控制能力，實現分布式電源與電網的友好互動，提高可再生能源的消納率和滲透率。

（3）ADN的信息架構。ADN信息架構主要體現在3個方面，第一個方面是各類可控資源（包含源、網、荷、儲4個方面的控制資源）信息采集單元、控制單元與主動控制系統之間的通信與信息交互，實現主動控制；第二個方面是電網側與用戶側、分布式電源側三者間的信息交互平臺，實現需求側集成；第三個方面是電網側能量交易管理與用戶、能量管理運營商進行市場信息交互，實現交易。

4　需求側管理在主動配電網中的作用

在主動配電網“源—網—荷”的三元結構中，可控負荷是其中重要的一員，需求側管理已成為主動配電系統運行和管理的內在組成部分。良好的需求側響應實施技術是達到供需側資源的有效整合、實現主動配電網安全、高效、穩定運行的重要基礎。

需求響應的概念是美國在進行了電力市場化改革后，針對需求側管理如何在競爭市場中充分發揮作用以維護系統可靠性和提高系統運行效率而提出的，廣義上指電力市場中的用戶針對市場價格信號或者激勵機制做出的響應，并改變正常電力消費模式的市場參與行為。

美國于2005年發布的《能源政策法案》，明確規定將大力支持DR的實施與發展。美國能源部和聯邦能源監管委員會基于美國國會2007年頒布的《能源獨立和安全法案》對DR開展了大量的研究工作。美國多個獨立系統運營商ISO以及電力公司都展開了基于市場的DR運作項目。美國在DR實施初期已取得一定成效，2013年美國全年的需求側響應資源滿足了7.2%（7 200 MW）的高峰負荷需求，較2010年提高了22%［6］。

歐盟ADDRESS示范工程2008年開始實施，歷時4年，11個國家參與，重點研究了智能電網理念下以“主動需求（active demand，AD）”為核心的用戶側需求主動響應技術。該示范工程項目建立了用于實時數據處理的大型、開放式電力通信網絡，大規模實驗并應用實時激勵等需求側主動管理技術，驗證了AD對系統效益的積極作用。

CIGRE C6.19工作組的工作目標之一是研究需求側集成對于主動配網規劃的必要性和有益性［7］。文獻［8］從降低成本、市場效益、用戶服務、市場能源調整、風險管理、環境保護、系統安全性和可靠性、可中斷負荷以及產銷合一消費者等方面對需求側集成所面臨的挑戰以及對各參與者的影響進行了全面的分析。文獻［9］探討了怎樣使靈活需求（需求響應、需求側管理）和分布式發電、儲能技術和未來智能電網更好的結合，還指出一體化將提升需求響應、需求側管理和分布式發電的價值，減少可再生能源的間歇性在實際電網和電力市場中帶來的問題。與現存的技術和網絡結構相比，一體化之后的網絡引入DSM，并將配電網絡與傳輸網絡集合，采用分布控制降低了網絡總的容量和排放量。

我國當前的電力需求響應工作主要體現在緩解用電缺口方面，以有序用電為主要措施，同時峰谷分時電價和階梯電價在全國也已經大規模應用，但是基于價格和激勵的需求響應措施實施仍有待深入研究。隨著我國轉變經濟增長方式的進一步推進，逐步推廣以可中斷負荷、尖峰電價為代表的多種形式的需求響應措施已成為政府與公眾的共識。

需求側響應措施的有效實施需要相關的技術作支撐［11］。需求側響應市場容量的增長將主要取決于其基礎設施的成本、功能和自動化程度。為了促進主動配電網的雙向互動運行，需求側響應需要獲得進一步的技術支持，包括：具有雙向通信功能的分段式電能表；多層次的顧客友好型通信途徑；能提供近乎實時的分段負荷數據，分析相對于基準情景的負荷削減績效，以及為用戶側管理人員提供能源診斷從而提供可能的負荷削減目標等能源信息工具；滿足在高電價或電力系統緊急情形下的最優需求削減策略；在終端消費層面能方便實施最優化自動負荷削減功能的植入式能源管理控制系統；滿足緊急負荷備用或用作主電源供應的現場發電設備。主動配電網中分布式電源及大規模可再生能源并網以后，造成的波動往往需要電網調度部門在短時間內利用供應側和需求側資源對系統運行狀態進行調整。對于需求側響應資源來說，需要構建需求側響應技術支持系統，實時監控供用電情況、整合供需雙方數據信息、建立雙向信息流、實現客戶數據智能分析決策，使得需求側資源能夠在短時間內對系統波動做出反應。

需求側響應技術支持系統需要一個具有信息共享、功能相連的整體結構。通過制定需求側響應通信協議，使各相互聯系的系統之間按照特定的傳輸協議保持數據通信及信息共享，實現數據雙向交換功能，為需求側響應整體的實施和開展提供一個公用的、開放式的、標準化的技術接口。同時，在功能上，需求側響應技術支持系統能夠對需求側響應信號作出自動響應，安全、可靠、連續地實現信息雙向流通；將需求側響應事件信息自動轉化為互聯網信號，在控制設備、照明設備中實現互操作性；當接收外部信號時，預先設置好的需求側響應策略實現自動化啟動；通過已構建的數據模型和體系結構傳達價格、負荷特性、系統運行狀態等其他需求側響應活動信號。

基于主動配電網的特征，需求側響應技術支持系統應包含實時監控、實時發布、雙向信息交流以及緊急處理等功能。依托以上設施功能，電網調度部門能夠實現電力用戶與電網企業的互動與操作，對需求側響應資源實時控制，及時協調配合電網側資源，更好地應對由于主動配電網中可再生能源并網造成的系統短時間波動，或者緊急情況的出現，保證主動配電網安全、經濟、穩定運行。

5　結束語

主動配電網是實現高滲透率可再生能源接入、供需側資源有效整合的有效手段，以可控負荷、需求響應為代表的需求側管理措施已成為主動配電網運行管理的有機組成部分，是主動配電網主動規劃、主動控制和主動管理等主要技術措施實現的重要基礎。

為了滿足主動配電網的有效推進和順利運行，要進一步推動我國需求側響應項目的實施和推廣，加強需求側響應實施技術保障，研究適應主動配電網的需求響應激勵措施、需求響應模式、用戶需求響應潛力評估、需求響應效益評估、靈活負荷優化策略等關鍵技術，為實現主動配電網互動和主動控制奠定基礎。D

［1］ 范明天，張祖平，蘇傲雪，等.主動配電系統可行技術的研究［J］.中國電機工程學報，2013，33（22）：12-18.

［2］ 馬釗，梁惠施，蘇劍.主動配電系統規劃和運行中的重要問題［J］.電網技術，2015，39（6）：1 499-1 503.

［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.

［4］ 劉廣一，張凱，舒彬.主動配電網的6個主動與技術實現［J］.電力建設，2015，36（1）：33-37.

［5］ 尤毅，劉東，于文鵬，等.主動配電網技術及其進展［J］.電力系統自動化.2012，36（18）：10-16.

［6］ 曾鳴，韓旭，李博.促進主動配電網運行的需求側響應保障機制［J］.電力建設，2015，36（1）：110-114.

［7］ 謝珍建，于樂，歸三榮，等.國外需求響應技術在主動配電網中的應用［J］.電力需求側管理，2015，17（2）：59-60.

［8］Silvestro F，Baitch A，Pilo F，et al.Demand side integration aspects in active distribution planning［C］∥ 22nd InternationalConferenceonElectricityDistribution，CIRED，2013：1-4.

［9］ Farmad H S，Biglar S.Integration of demand side management，distributed generation，renewable energy sources and energy storages［C］∥Integration of Renewables into the Distribution Grid，CIRED 2012 Workshop，2012：1-4.

［10］ 王冬容.激勵型需求側響應在美國的應用［J］.電力需求側管理，2010，13（1）：74-77.

［11］ 王蓓蓓，李揚.面向智能電網的電力需求側管理規劃及實施機制［J］.電力自動化設備，2010，30（12）：19-24.

（本欄責任編輯徐文紅管永麗）

The active distribution network and the demand side management

DONG Zhen?bin1，GAO Shan2
（1.State Grid Corporation DSM Instruction Center，Nanjing 210024，China；2.Southeast University，Nanjing 210096，China）

介紹主動配電網的基本概念、現實意義及其基本架構，闡述電力需求側管理在主動配電網中的作用，提出主動配電網是實現可再生能源高滲透率接入、整合供需側資源的有效手段。

主動配電網；“源—網—荷”三元結構；需求響應

The article introduced the basic concept，practical significance and the basic framework of the active distribution net?work，illustrated the roles of DSM in the active distribution net?work，put forward that the active distribution network is an effec?tive means to realize the high permeability access of renewable en?ergy and to integrate the supply and demand side resources.

active distribution network；“source?network?load”tri?structure；demand response

TK019；TM727

B

2015-10-29