含海量資源的高彈性配電網形態演化與關鍵技術研究

（河海大學 能源與電氣學院，南京 211100）

0 引言

面對能源供需格局新變化、國際能源發展新趨勢，習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上提出了“四個革命，一個合作”的能源戰略重要思想，會議指出為了保障國家能源安全，必須推動能源生產和消費革命。在此基礎上，為了更加適應分布式能源發展、用戶多元化需求，提高電網與發電側、需求側交互響應能力，國家能源局拉開了能源互聯網建設的序幕。在2019 年7月10 日的“泛在電力物聯網智能感知技術論壇”上，國家能源局相關負責人表示下一步將加快制定能源互聯網相關的配套政策，推進能源互聯網建設。為了落實“四個革命，一個合作”的重要能源戰略，2019 年底國網發布《中國能源發展展望2019》，報告指出為了適應我國經濟高質量發展的需要，我國能源產業亟需以“四個革命，一個合作”能源安全新戰略為指引，加快向能源互聯網的轉型。同時，隨著清潔能源大規模發展、電能占終端能源消費比重不斷提高，預計2050 年非化石能源占一次能源的比重將超過50%，電能在終端能源消費中的比重將超過50%，以電為中心、電網為平臺的現代能源體系特征更為明顯，而電網是能源互聯網的核心部分，在能源智慧化的大背景下，解決如何讓電力系統符合新形勢下的發展需要的問題迫在眉睫。2020 年3 月37 日，國網召開“十四五”規劃工作領導小組會議，會上指出要“緊密圍繞建設‘具有中國特色國際領先的能源互聯網企業’的戰略目標，以高質量規劃推動公司和電網高質量發展”為目標。

為了實現這一目標，有學者提出了能源互聯網形態下多元融合高彈性電網的建設建議。多元融合高彈性電網是海量資源被喚醒、源網荷儲全交互、安全效率雙提升的新時期下的電網形態，其建設完全符合“四個革命，一個合作”的重要能源戰略思想的要求，是智能電網建設的延伸，在這一架構下，智能電網被賦予更系統化的構架、更新的要義、更新的發展特征。本文則基于這一框架，提出了高彈性配電網的構想，如圖1 所示：高彈性配電網應當包括高壓、中壓、低壓三層架構。高壓層主要與上層輸電網相連；中壓層則包含農業、工業負荷及集中式新能源發電裝置；低壓層則包含關鍵負荷、居民負荷和商業負荷以及分布式發電裝置。三層之間通過海量資源交互中心完成交互，實現海量資源的共享。

圖1 高彈性配電網架構

國內關于配電網彈性研究的文獻并不多，但電網彈性的研究對電網發展是至關重要的，文獻[1]就指出了智能電網背景下提升電網彈性的重要意義。在已有的文獻中，大多數文獻是從技術層面提出提升配網彈性的方法。例如從規劃層面，文獻[2]研究了充電站布點規劃階段對配電網彈性的提升，文獻[3]關注了冰雪災害背景下電網投資優化和彈性提升的關系。從運行層面，文獻[4-5]著眼于緊急狀態下配電網的資源調度和恢復策略提升配電網彈性。

本文從研究現狀、發展形態、關鍵技術、政策展望4 個方面研究了高彈性配電網，提出了高彈性配電網的評價體系、發展形態和關鍵技術。

1 高彈性配電網

1.1 配電網彈性及其相關研究

1.1.1 配電網彈性的概念和研究現狀

彈性的概念由生態學家Holling 最早引入生態學領域，后來的學者把彈性描述為一種衡量系統在出現嚴重擾動或故障情況下，是否可以改變自身狀態以減少故障過程系統損失，并在故障結束后盡快恢復到原有正常狀態的能力[6]。近年來，隨著極端自然災害造成大規模停電的日益頻繁，彈性在電力系統中得到了廣泛的關注。

現有研究大多關注較為狹義的電力系統彈性概念，即極端自然災害下電網的應對情況。具體到配電網中，彈性主要指配電網在嚴重自然災害及其他極端情況下對關鍵負荷的恢復和支撐能力，現有研究亦把配電網彈性定義為配電網采取主動措施保證極端情況下關鍵負荷不斷電，斷電負荷迅速恢復供電的能力[7-8]。整個電力系統不斷發展導致配電網中負荷密度日益增大，負荷斷電帶來的損失和影響也越來越嚴重，所以研究配電網彈性，對于從總體上評估配電網受自然災害的影響程度及其應對能力意義重大。

配電網中既有電源側大量接入的新能源發電和儲能裝置，又有輸電側和用戶側預留的大冗余度負荷，在其發展過程中這些海量資源會被相繼喚醒，如表1 所示，因此高彈性配電網的建設不應該僅僅考慮極端情況下電網保證關鍵負荷供電的能力，對于如何實現多能源互連，挖掘現有設備潛力，在保證安全可靠性的前提下提升效率等，都是高彈性配電網建設中所要解決的問題。

1.1.2 配電網彈性的特征體系

針對配電網彈性，如何從形象化的角度對其特性進行研究，現有文獻提出了一套可行的針對配電網彈性的評價方法，對整個配電公司的韌性管理進行評估和分析，它不僅包括配電網本身的韌性，還包括公司組織、人員分配等對配電網災害應對的支持作用[29]。

本文從4 個維度，即技術、社會、組織和經濟對某一配電網特征進行分析，每個維度又包括魯棒性、迅速性、廣域性、靈活性、互補性5 個方面，可以較為清晰地描述配電網的特征，這一評價體系可以反映配電網的規劃運行、電網公司的應急管理、停電造成的用戶經濟損失等多個指標。其中，魯棒性描述系統在維持自身功能的情況下，承受外界壓力或擾動的能力；迅速性描述系統快速恢復關鍵功能、減小停電損失的能力；廣域性描述系統中資源分布的地理廣度和對其在關鍵負荷周圍的密度；靈活性描述系統中海量資源時間和容量上易于調度的能力；互補性描述系統中海量資源空間和時間上形成互補的能力。在配電網動態響應曲線中，魯棒性和迅速性能夠反映5 個方面對系統的共同影響。

表1 配電網中的海量資源

高彈性配電網的響應過程如圖2 所示。

1.2 高彈性配電網的發展驅動力

1.2.1 經濟發展驅動

隨著社會經濟的發展，用電需求不斷增長，配電網的規模不斷擴大，網絡結構越來越復雜，對供電質量、供電可靠性提出了更高的要求。傳統的配電網技術和管理方法已經無法適應當前社會經濟的發展要求，根據發展趨勢升級現有配電網已經成了當務之急，而在當下適時把配電網彈性的概念引入配電網，無疑是符合發展潮流的。

1.2.2 技術革新驅動

隨著智能電網的不斷發展，云計算、大數據、物聯網、移動互聯網和區塊鏈等新技術的不斷出現無疑給配電網的升級提供了無限可能，從評估體系的角度來說，新技術的應用對于配電網彈性的提升是明顯的，例如配電網自動化技術就能夠有效提升配電網迅速性。就當下來說，PGCPS（電網信息物理系統）也給如何提升配電網彈性提供了很好的參考方向，PGCPS 能夠將能源生產、運輸、儲存的信息聯動，例如在發電側通過智能感知技術，不斷獲取環境變化信息，并做出相應的調整，增強電網對環境波動的抗性；在傳輸側根據各區域負荷變化，優化傳輸路徑減小網損；在儲能側，控制中心能根據負荷預測，對儲能裝置進行智能充放電，這些措施能夠很好地提升系統的魯棒性。

1.2.3 能源轉型驅動

由于資源、環境和氣候的多重壓力，我國能源體系轉型升級已提升為能源革命的國家戰略。一方面，由于化石燃料的逐漸耗盡，清潔能源在一次能源中所占比重越來越高；另一方面，由于人類對化石能源的大量開采和使用嚴重污染了環境，同時也帶來了全球變暖等氣候問題，所以在今后的發展中對于能源的要求也會越來越高。電能作為一種使用最為廣泛的清潔能源，從生產到使用的各個環節也必須達到清潔高效的要求。

圖2 高彈性配電網動態響應過程

2 高彈性配電網發展形態

2.1 互聯化

互聯化是高彈性配電網發展的初級形態，可描述為：以交直流混合配電網為載體，實現海量一次能源耦合入網，形成彈性的物理連接[30]；大力發展分布式能源微網，集中配置與分布消納并舉，實現各種海量一次能源和電能的轉換流通；基于智能配電技術，電網運行安全可靠性和對關鍵負荷的支撐能力得到充分提升，基本避免極端事件下大規模停電事件的發生，并實現事故后的快速恢復供電。

具體來看，實現互聯化階段的關鍵在于推進海量一次能源綜合轉換和存儲技術在現有配電網中的應用。在能源的生產側，基于大數據技術，整合氣象、地理、環境、能源等多維度信息，可實現海量一次能源功率精準預測和能源高效利用，冗余一次能源通過轉換和儲能裝置就地存儲，為后續電網的潮流優化提供支持。

2.2 信息化

信息化是高彈性配電網發展的中級形態，可描述為：通過先進的物聯網技術，實現對配電網中能源的生產、傳輸、轉換、存儲與使用等全環節各設備信息的獲取、傳輸和處理，達到全設備動態在線挖潛的要求，全面提升設備的可靠性及運行效率；以大數據為基礎，對整個配電網中的可再生能源發電裝置、儲能裝置和用戶側海量柔性負荷形成高度模塊化的精準優化控制體系，全面提升配電網彈性。

具體來看，實現信息化階段的關鍵在于海量資源分層控制聚合技術在互聯化形態上的進一步應用，實現高彈性配電網的對能源“生產——消費鏈”上全類型的海量資源科學合理控制和全環節的信息共享，構建配電網的物理信息融合系統。整個高彈性配電網中網絡運行狀態高度數據化與透明化，并且，具有高度自我學習和決策能力的綜合態勢感知系統的應用會使整個配電網狀態變得高度可視、高度可控、高度優化[31]。

2.3 統一化

統一化是高彈性配電網發展的高級形態，可描述為：基于區塊鏈等各種新興技術和能源市場的價格響應機制，海量分布式能源的生產、傳輸、轉換、消費及交易趨向零邊際成本，提升能源價值；用戶側海量資源全面激活，從被動用電角色轉向主動參與配網優化，提升用戶價值；能源安全性和利用率大大升高，對環境的影響降到最低，提升社會價值。

具體來看，實現統一化階段的關鍵在于充分發展海量用戶側資源互動技術。通過政策和技術手段激勵配電網中各個角色主動參與能量流的優化，實現能量流、信息流和價值流的統一，高彈性配電網與海量資源充分融合，源網荷儲深度互動，形成智能化、深優化、高彈性、能源觸手可及的以電網為骨架的泛在能源系統。

3 高彈性配電網的關鍵技術

3.1 規劃技術

3.1.1 基于柔性組網技術的網架規劃

隨著新能源發電裝置和分布式發電裝置在配電網中的比例越來越高、配電網的負荷密度越來越大及用戶對用電可靠性和安全性要求的不斷升高，建立起一套靈活、堅強、高適應性的網架結構能夠充分提升系統魯棒性，從源頭上提高配電網彈性。在新背景下，充分利用柔性直流輸電技術，構建交直流混合的新配電網網架，并通過電力電子變壓器聯絡交流配電網和直流配電網[32]，能夠有效的提升配電網彈性、緩解負荷高密度地區運行壓力、充分提高運行效率及解決海量分布式多類型資源的耦合并網帶來的問題。

3.1.2 基于大數據的海量資源分布優化技術

為了使高彈性配電網高效應用，配電網的規劃是關鍵環節，需要考慮的因素也是方方面面的，比如配電網的運行可靠性、配電網的運行目標以及地理環境因素。對配電網中現有的資源進行優化，系統的魯棒性和其中海量資源的廣域性同樣會隨之上升。基于大數據技術的前期規劃，能夠綜合考慮配電區域內盡可能多的影響因素：對區域內現有資源，如高密度居民和商業符合、關鍵負荷等，通過大數據分析，對區域內潮流進行優化，充分提高現有設備運行效率和安全性，使區域潮流分布最優化；對區域內將要出現的新型柔性負荷，如智能家居模塊和智慧樓宇模塊、電動汽車充電樁模塊等，進行地理位置分布優化，保證新型負荷科學合理分布，并對區域內的關鍵負荷起到有效支撐作用。

3.1.3 智能配電技術

在規劃過程中，通過對信息和自動化技術的合理利用，保證配電網的信息可以做到快速傳輸和反饋。相應設備能夠快速自動完成對信息的響應，并且建立起一套完善的“信息傳輸——指令執行”的主從體系，讓配電網的規劃工作得到有序的進行。配電網的智能化是提高配電效率的有效路徑，也是提高配電安全穩定性的必然之舉。并且，完善的自動配電系統能夠快速完成對系統中海量資源的調度，能夠充分提高系統的迅速性，為配電網運行時的潮流優化打下基礎。

3.1.4 基于物聯網的設備挖潛技術

高效、可用的設備在線挖潛技術能夠有效減少高彈性配電網的投資，并且對配電網的魯棒性提升也有幫助，在規劃中同樣不可或缺。利用多元感知技術隨時、全面獲取配電網設備運行信息數據，利用精準傳遞技術實時可靠傳遞信息數據，利用智能數據云計算技術對海量信息數據進行分析和處理，實現設備動態實時增容、潮流實時柔性控制、配電網運行狀態實時評估，充分挖掘現有設備潛力，提升電網動態運行極限。

3.2 運行技術

3.2.1 海量一次能源綜合轉換和存儲技術

由于配電網中廣泛分布的大量一次能源不能實現大規模傳輸和利用，高彈性配電網建設的重要一環就是通過電網和能源轉換裝置實現電能和分布式能源的互相轉換，提升海量一次能源的互補性。在這一過程中，解決能源存儲問題是關鍵，對于分布式能源發電裝置，如果產生的電能不能及時消費，就會造成浪費，如果能實現電能的就地存儲，使其在系統需要時釋放，就能大大提高能源利用效率和電網彈性。另外，由于高彈性配電網中電源和負荷種類多樣，存在形式也不盡相同，多能源建模和負荷預測技術對實現綜合能源互聯也至關重要。

3.2.2 海量資源分層控制聚合

隨著并入電網中的分布式電源和儲能裝置增多、負荷側的海量資源被喚醒，傳統的集中控制技術面臨瓶頸，中央控制器一旦故障或發生錯誤就會造成系統大面積癱瘓。在這種情況下，高彈性配電網應當圍繞不同的能源中心構建可以分層控制的模塊，通過模塊互聯實現對資源的智能優化管理調度，提高配電網中海量資源的靈活性。例如針對電動汽車構建專門的充放電模塊，并以“街道——小區——充電樁”的分層實現子模塊細分，精確控制某街道上每個充電樁的充放電行為，并在需要時作為較大的柔性負荷參與配電網的優化調節。

3.2.3 海量資源實時調節潛力感知

高彈性配電網的態勢感知除了涵蓋傳統的數據采集處理技術，更多情況下則是聚焦于電網發展產生的更多不確定因素帶來的影響，利用態勢覺察技術、態勢理解技術、態勢呈現技術和態勢預測技術對配電網進行實時狀態評估和可能故障預測，并根據評測結果對電網運行狀態實現優化。同時，把態勢感知與自愈控制結合，通過先進算法和自我學習能力，系統正常運行時實時檢測運行狀態，優化系統運行和資源分配，提高資源靈活性和互補性；故障時實現對關鍵負荷的供電和整個系統的快速恢復；外部系統停運時實現孤島運行。

3.2.4 用戶側海量資源互動技術

配電網中的用戶具有和配網進行互動的潛力，激勵用戶參與自動需求響應，既能提升配電網的魯棒性和運行經濟性，又能使用戶自身獲得更好的經濟效益。為了方便資源調度，用戶既可以以個體形式參與這一過程，也能集群參與系統調節，例如通過智能家居系統實現以家庭為最小單位的耗能裝置互聯，在保證居民生活舒適度的情況下主動參與能源系統的管理和服務，再如針對樓宇這一配電網中最典型的單位，建立智慧樓宇能源管理系統，利用先進的大數據、物聯網和云計算等技術，充分實現源網荷互動，提升柔性負荷的靈活性以提升電網彈性。

4 高彈性配電網政策制定展望

4.1 以試點運行、鼓勵推廣為原則的發展政策

把建設能源互聯網形態下多元融合高彈性電網上升到國家戰略，以省為單位作為高彈性配電網的建設實踐試點，推廣成功經驗，鼓勵其他省份結合自身實際情況完成能源轉型。

省級政策的制定發布，要著眼于鼓勵技術突破、挖掘沉睡資源、建立示范項目、保證預算充足，同時也要注重體制機制革新、推進資源增量開發、及時推廣成功經驗、拓展資金來源渠道。以改善電網輔助服務能力、提高電網的安全抗擾能力、提升社會綜合能效水平為目標制定高彈性配電網相關政策。

4.2 以協調配合、科學經濟為原則的規劃政策

高彈性配電網的規劃應當做到全面規劃、綜合改造、結合實際、注重效益。

在政策的制定上，首先充分考慮高彈性配電網的建設與總體發展路徑相適應，對配電網的規劃改造進行分期統籌，分別制定短期規劃政策、中期規劃政策和長期規劃政策，充分協調不同時期的發展需求。其次要保證配電網升級改造的經濟性，在現有配電網的基礎上，深入貫徹“節約的能源是最清潔的能源、節省的投資是最高效的投資、喚醒的資源是最優質的資源”的理念，應用大數據、物聯網等新興技術手段全面挖掘現有配電網潛力、提高運行效率、提升供電安全性，減少設備升級投資；科學地對多能源負荷進行預測、對區域潮流進行優化、對網架結構進行改造，實現配電網高效運行；合理地建立分布式可再生能源消費鏈，保證效能提升紅利實現全環節共享。

4.3 以深度互動、安全高效為原則的運行政策

以海量資源被喚醒、源網荷儲全交互、安全效率雙提升為目標，通過出臺完善的市場政策，建立各類電源、可中斷負荷、儲能參與現貨和輔助服務市場的框架體系、準入規則、交易策略、價格機制，鼓勵各環節角色主動參與網絡互動。分布式能源側，出臺補貼性政策鼓勵用戶進行投資建設，提高配電網中的海量一次能源利用率；用戶負荷側，出臺激勵性政策刺激用戶利用柔性負荷深度參與能量流優化，改善電能供電質量、提升配電網能源消納能力；儲能側，出臺針對性政策推進全網儲能裝置的密度提高，提高配電網的抗擾能力，優化配網潮流。

5 結語

新形勢下能源互聯網的建設和配電網的發展要求相結合，促成了高彈性配電網的發展。

未來高彈性配電網應當是在能源互聯網連接之下的，滿足分布式可再生能源大規模接入，用戶側海量資源被喚醒，設備高度互聯互通的智能配電網，在此目標下本文希望為國內高彈性配電網建設提供相關發展經驗，明確未來發展路線，尋找有效的發展途徑與技術手段，從而有利于高彈性配電網的盡快建成。