主動配電網的負荷規劃與控制

黃新宇

【摘 要】 近年來，針對分布式可再生能源的接入和兼容的問題，主動配電網這一概念得到廣泛關注。本文介紹了主動配網的定義和特征，同時介紹分布式電源對負荷優化與控制的影響，配網規劃轉變為綜合資源規劃，運行模式由單電源轉為多模式，規劃與運行一體化。配網規劃需要考慮到多種電源、不同容量供電類型組合、可中斷負荷，最后介紹了主動配電系統負荷控制技術。

【關鍵詞】 主動配電 負荷優化與控制 分布式電源

伴隨著可再生能源發電的大規模發展，如何接入現有電網及電網兼容性問題變得日益突出，這一問題開始得到IEEE、IET等國際學術組織的足夠關注。

主動配電系統的概念在2012年CIGRE會議第一次被提出[1]，其內容主要是具備組合控制各種分布式能源（分布式電源（DG），可控負荷（CL），儲能（ES），需求側管理（DSM））能力的配電網絡，建設主動配電網的目的是不僅在于能夠加大配電網絡對可再生能源的接納能力，同時還可以提升配電網資產的利用率，延緩配電網的升級投資，另外還能提高用戶的用電質量和供電可靠性。

主動配電網有四個特征：①具備一定分布式可控資源；②具有較完善的可觀可控水平；③具有實現協調優化管理的管控中心；④具有可靈活調節的網絡拓撲結構。可觀性體現在主動配電網控制中心可以監測到主網、配電網和用戶側的負荷及分布式電源的運行情況，在此基礎上預測其發展狀態，提出優化協調控制策略。可控性體現在對分布式電源、儲能、負荷的靈活有效控制上，當優化協調控制策略制定后，通過控制中心能實現有效執行。

目前對電網的監測范圍只能到配電網，無法知道更多用戶實際使用信息，主動配網可以知道更多用戶信息，進而主動服務用戶，為用戶提供最優方案。供電企業可以先將網絡和負荷準備好，提醒用戶選擇用電，用戶可以隨時查詢實時電價，調整用電行為，可以查詢附近的分布式電源自主選用，實現區域內電力資源最優分配。

1 分布式電源對負荷優化與控制的影響

分布式電源（DG）的引入改變了配電網絡，使其從原來的輻射式網絡變為連接眾多電源和用戶的網絡，因而使得配電系統的控制和管理變得更加復雜。具體表現為：首先，徹底改變傳統的配電網絡規劃和運行（如無功補償，電壓控制等）；其次，需要重新考慮在配電網自動化和需求側管理方面的設計規劃；再次，需要考慮協調分布式電源之間的控制和調度。

隨著越來越多的分布式發電和需求側電力資源的配置、多種分布式電源入網，同時電動汽車、智能家電等新興用電領域的逐漸興起，新型用電設施和用電方式增多，原來的電力消費者也逐漸變成了電力供應者，國家電網也從單一的電能分配角色轉變為電能生產、儲存、輸送和分配的新型電力交換系統，能源互聯網正是順應這一變化的產物。主動配電網的建設給原有電力系統運行和控制帶來新的挑戰。具體表現如下：

1.1 配電網規劃轉變為綜合資源規劃

分布式電源對配電網規劃影響有以下幾方面：

（1）對負荷預測影響。分布式電源（DG）在負荷側能夠給自身負荷供電，同時還可以將多余負荷賣給電力公司，電力公司原有的負荷預測方式都因此大受影響；

（2）對規劃目標影響。原來的規劃僅僅考慮配網投資運行成本最低，加入DG后，要考慮DG投資與運行成本，對于可再生能源，還應考慮配網對可再生能源的接納能力、環保效益及可再生能源的波動性。同時由于負荷和可再生能源的隨機波動，增加了配網規劃的困難，需要進一步提高規劃方案的適應性；

（3）對規劃約束條件影響。配電網絡的規劃不僅要考慮滿足負荷的需要，還要考慮輸送DG功率的需要，另外要注意協調網架的建設與DG位置，以及協調DGY運行特性與負荷的運行特性；

（4）對規劃策略影響。由于DG的投資主體多元化，存在技術要求與網架協調規劃在運營上存在競爭矛盾，利益主體多元化導致矛盾產生。

1.2 配電網運行由單電源模式變為多電源模式

分布式電源的引入對配電網運行產生較大影響如線路潮流、節點電壓、網絡損耗等，配網重構、變壓器經濟運行等配網優化運行的措施都要考慮到如何與分布式電源協調運行，配電網的控制管理將變得更加復雜。

1.3 配網規劃與運行一體化

電網規劃是對預期的負荷配置足夠的電源容量和網架，接入分布式電源后，配電網從原有的輸電網向用戶配送功率轉變為承載各種分布式電源，儲能設備和主動負荷的載體，協調多電源的輸送和運行。

隨著接入分布式電源后，配電網的潮流分布和網損發生變化，不僅電源總容量發生變化，也帶來了諧波問題，饋線各負荷節點電壓被抬高；同時由于故障發生時短路電流大小和方向都將改變。線路保護的靈敏度降低或者保護范圍縮小，這會引起線路保護誤動作，導致潛在危險。

大量分布式電源的出現使得最優規劃方案變的困難。故需綜合考慮資源的利用效率、電網的安全、環保運行，以提高電力系統運行的安全性，經濟性為目標的一體化考慮。

2 包含分布式電源的配電網規劃和控制

2.1 對多種分布式資源的規劃管理

ADS（active distribution system主動配電系統）中含有多種分布式資源DER（distributed energy resource）（包括DG，DSI（demand side integration 需求側集成），EV（electricity vehicle 電動汽車）等）的大量接入，配電網架構發生根本變化，即從傳統的單向供電變為雙向供電，隨著配電網復雜性增加，導致系統運行時出現有功功率不平衡現象，因此需要考慮協調優化各種電源與負荷，以保障配電網系統的安全經濟運行，同時必須采取有效檢測手段及合理的治理措施以解決分布式電源接入后的電能質量問題。

傳統的配電網規劃基于最大負荷考慮，雖然有利于識別系統負荷水平，但沒有考慮負荷時間的變化特性（季節性峰荷，瞬時負荷特性等），往往需要投入大量資金建設配電網架，供配電設備得不到充分利用，造成規劃結果與實際不符。通過配電網的主動管理，可以實現如下功能：

（1）資產管理：即通過充分利用目前配電網中配置的多源量測和綜合利用物聯網，傳感及大數據分析技術來實現。

（2）故障管理：對高可靠性用戶，推廣自愈技術；搶修管理系統與調度自動化和用戶管理系統的集成；分島運行（充分利用分布式電源）縮短故障停電時間。

（3）繼電保護管理：繼電保護定值的在線整定及適用于主動配電網的新型保護系統。

（4）供電質量管理：包括基于同步信息量測進行網絡等效的主動配網安全合環技術；基于高可靠性電源主動尋找的重點用戶運行風險預防管理技術；針對電壓暫降和短時中斷的有源快速切換管理技術；基于雙端同步信息量測的單相接地故障快速電網自愈技術。

2.2 不同類型供電容量最優組合規劃

為了實現最優組合規劃方案接近實際需求并提高資源利用率，同時實現配電營運投資成本最小，在滿足用戶用電需求的前提下，利用平均容量成本和年持續負荷曲線，給出可中斷負荷、分布式電源以及配網擴容的容量分配方法。

其中配電擴容成本是指增加變電站數量或變電站擴容以及架設新的配電線路。

分布電源成本包括設備投資運行及管理中產生的固定及變動成本；可中斷負荷成本取決于配電公司與用戶簽訂合同所制定的補償水平，與中斷電價，中斷提前通知時間，中斷持續時間有關。

不同類型供電電源間容量分配基于以下原則：1）在保障電網安全運行的前提下，總供電容量滿足負荷要求；2）將負荷需求分配給不同類型供電源，以實現系統總成本最低。

2.3 含分布式電源和可中斷負荷的配電網規劃

傳統規劃，側重一次電網架構的確定與變壓器容量的選擇。主動配電網規劃強調建設堅強可靠的一次電網架構，深度協調的二次自動化系統與功能強大的智能決策支持系統。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，掌握區域內可再生能源發電的資源分布，主動規劃接入點，評估消納能力，并在必要時對電網進行前瞻性改造。

主動配電網規劃必須綜合考慮多種因素的影響，例如傳統的一次網絡設備、新型智能保護開斷設備、分布式能源、新型配電設備和用于構成環網的新增配電線路的綜合影響，從而實現主動配電網的安全、經濟、智能化的發展。

含分布式電源的主動配電網規劃是從配電運營角度出發，基于系統負荷增長的情況，在系統達到容量限制時，在滿足各約束條件前提下，規劃出滿足負荷增長需求的最佳增容方案，方案需要考慮到可中斷負荷管理調節因素后的線路架設位置，以及在適當位置安裝適當容量的分布式電源。在已知可中斷負荷，分布式電源和電網擴建這三種方式所承擔的負荷功率確定后，規劃配電網建設方案使安裝分布式電源和擴建電網總費用最小。

2.4 主動配電系統負荷控制技術[2]

主動配電系統中，電力公司由于能夠掌握負荷的變化規律和響應特性，以及分布式能源的出力特性，所以能夠通過主動控制及優化運行方式，從而實現電網的安全運行，同時能夠實現對能源的綜合優化利用以及為用戶提供優質服務。

主動配電系統的運行控制系統將配電網絡分層分區，從而形成不同電壓等級、不同地區分布的控制區域。在合理考慮臨近控制區影響條件下，主動配電系統對每個控制區主要實施區域局部控制。

主動配網的運行控制模式分以下3種：

（1）網側運行控制模式。主動配電管理系統在電網側使用的控制模式，即僅依靠直接對中壓并網點開關，聯絡開關，儲能裝置，電能質量治理裝置等電網側可控設備進行控制。

（2）源-網雙側協調運行控制模式。主動配電系同在電網側運行控制模式失效的情況下，通過用戶側微網管理系統間接地，或通過協議直接對用戶側的分布式發電系統進行有效控制，即從網端和發電端共同協調抑制其對配電網的影響。

（3）源側運行控制模式。對于一定滲透率并網用戶側而言，應用微網管理系統（或分布式發電控制系統），對于多個零散小規模發電系統的并網，原則上應實現自發自用及少量上網，電網側僅監測并網點狀態。

僅當以上兩種情況在發生影響電網穩定運行或電能質量超標時，電網側應用ADMS直接通過并網點開關設備進行切除；

主動配電系統的核心優勢在于能夠對系統（系統內多種可控資源與分布式電源）實現主動管理，提高已有資產的利用率。系統可控資源是指電網側可控資源包括柔性負載，無功補償以及需求側管理等，主動配電系統實時監測配電網絡各關鍵設備運行狀態，包括分布式電源運行工況，儲能單元荷電狀態，柔性負荷運行參數及可中斷負荷的啟停狀態等，在滿足系統各單元的約束分析條件下，實現系統能量流的全局優化管理。（主動配電系統的能量管理系統運行方式如圖1）

2.5 多能源系統聯合運行優化控制

針對主動配網中多種能源時空特性的互補特征，對分布式發電，冷熱電三聯供機組，電壓敏感負荷，需求側響應（激勵響應負荷），電力儲能（含電動汽車），蓄熱蓄冷設備進行協調優化，實現多能源系統的聯合優化運行與風險平抑。（多能源系統聯合運行優化控制構架如圖2所示）

3 結語

面對國內嚴峻的能源緊缺形勢與日益增長的用電需求矛盾，尋求能夠大量，友好的接入主動式能源的解決方案具有重大意義，解決當前供電可靠性不足和提高電能質量是配電網未來發展的重點。隨著分布式電源的接入，電動汽車和充電站在未來環境改善扮演更加重要的角色，現有的配電網控制變得更加復雜，其控制保護早已區別于傳統配電網，配電網發展向主動電網邁進，發展主動配電系統，具有現實的迫切性！

參考文獻：

[1]羅莎.主動配電系統協調運行與負荷終端管理研究[D].長沙理工大學，2013.

[2]余南華.主動配電網技術體系設計[J].供用電，2014（5）.