主动配电网建设条件及运行关键技术分析

主动配电网通过分布式能源、可控负荷、DFACTS设备的组合控制和网架结构的灵活调整，实现优化运行与管理，其关键技术包括综合规划、协调控制、能量管理、效益分析等。文章对贵州地区开展主动配电网建设的示范条件进行了论述与分析，从分布式能源状况、改造难度和成本、工程效益等方面对示范工程建设条件进行了分析，并结合贵州清镇地区示范条件提出适合其推广应用的关键技术，所提出的内容对其他地区开展主动配电网建设具有参考价值。

0 引言

近年来，分布式间歇性电源发电渗透率的明显提高对配电网控制提出了新的挑战。针对这种高分布式发电渗透率、高控制要求的配电网发展趋势，国际大电网会议C6委员会提出了主动配电网(ADN)的基本定义。定义中指出：主动配电网通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，是能够对不同区域中的分布式能源设备(distributedenergyresource，DER)进行主动控制和主动管理的配电系统。其中，DER包括：分布式发电(distributedgeneration，DG)、储能系统(energystoragesystem，ESS)、可控负荷(controllableload，CL)等。其中DG主要为可再生能源，包括光伏发电、风能发电等;CL包括电动汽车(electricvehicle，EV)、响应负荷(responsiveload，RL)等。ADN的基本定义和组成构想目前已经得到了包括IEEE和CIRED在内的国际学术界组织的广泛认可。

主动配电网通过先进的信息、通信、电力电子以及自动控制技术对各种类型的分布式能源进行组合控制，满足绿色可再生能源的高度利用以及实现配电网双向潮流灵活控制的配电网络，是能从根本上解决配电网高度兼容分布式能源的有效技术手段，也是配电网未来的主要发展模式。我国政府、电网公司对于主动配电网中包含的各类分布式能源的发展始终持支持的态度。国家发展与改革委员会在2013年7月18日印发《分布式发电管理暂行办法》，为分布式发电的发展做出了有利的政策引导。同时，为了应对风电和光伏发电的间歇性和随机性，实现最大能力消纳间歇式能源、提高系统运行的经济性和可靠性、减少系统运行风险的技术手段等方面的研究仍在不断深入进行。国外方面，据统计，截至2013年，世界范围内共有包括美国、澳大利亚、日本、意大利、德国、英国等在内的11个国家和地区开展了24个具有创新性的ADN项目。其中，欧盟开展了ADINE、ADDERSS、GRID4EU等代表性的ADN示范项目：①ADINE项目主要以配电网络对高渗透率DG的开放兼容为目标，重点研究内容包括：智能配电自动化、ICT和ANM控制技术等，项目展示了可使DG接入更加方便的解决方案，提出了可适应大规模DG接入的系统保护配置、电压控制、故障穿越和防孤岛等策略。②ADDRESS项目于2008年开始实施，历时4年，11个国家参与，重点研究智能配电网理念下以“主动需求(AD)”为核心的用户侧需求响应技术。该项目建立了用于实时数据处理的大型、开放式电力通信网络，大规模实验并应用实时激励等需求侧管理技术，验证了AD对系统效益的积极作用。③GRID4EU项目由6家欧盟国家配电系统运营商共同参与，预计2015年结束，总资金约5000万欧元。项目主要涉及智能配电网的规划、运行及控制关键技术、标准制定，以及成本—效益分析等方面内容，相关成果要求在欧洲范围内具有可扩展性和可重复性。

国内方面，在密切跟踪主动配电网技术前沿的同时也在积极进行试点示范工程建设，2012年开展了863项目“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”研究，并在广东电网进行示范。2014年起，“多源协同的主动配电网运行关键技术研究及示范”分别在北京、福建、贵州开展研究与示范建设。

作为消纳上述分布式能源的主体，主动配电网具有主动控制特征，应在开展工程建设时提出因地制宜的技术解决方案，并且就建设条件进行详细的前期考察。本文首先对国内外主动配电网示范工程进行了概述，在此基础上结合贵州电网的实际现状，对贵州省推行主动配电网技术的必要性和建设条件进行了论述与展望。

1 示范地区选址原则分析

1.1在中压配电网范围选址分析

主动配电网是实现大规模间歇式新能源并网运行控制、电网与充放电设施、负荷互动、智能配用电等电网分析与运行关键技术的有效解决方案。主动配电网示范工程选址通常集中于10kV及以下配电网络，即中低压配电网范围，选择这一电压等级的主要原因如下：

1)从配电网调度层面来看，目前配电网主要管理范围是110kV和35kV的高压配电网，其管理技术、设备都相对较为完善。与此相对的，中低压配电网各种控制技术发展较为滞后，这主要由于两方面原因导致，一方面是因为中压配电网分布非常广泛，虽然呈辐射状分布，但总体线路数量庞大难以选择合理的管理方式;另一方面目前中压配电网的自动化水平不高，三遥比例较低，可观测性较差。主动配电网控制技术可以有效填补这一空白，实现中低压配电网的有效管理。

2)从配电网现状来看，由于主动配电网的核心目标之一是实现电网与充放电设施、负荷之间的互动，目前配电网负荷完全集中于10kV及以下的中低压配电网，10kV及以下电压等级已经可以充分满足电源—负荷之间的互动需求。

3)从主动配电网定义来看，主动配电网需满足：“可以综合控制分布式能源(分布式电源、柔性负载和储能)的配电网，可以使用灵活的网络技术实现潮流的有效管理，分布式能源在其合理的监管环境和接入准则基础上承担对系统一定的支撑作用。”分布式能源是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，分布式能源距离电力用户近，输电损耗小，可以实现高效利用;同时利用分布式能源可以有效减缓电网压力，实现有功功率的就近提供和无功功率的就近补偿。主动配电网中的分布式电源通常容量较小，为了实现分布式能源的有效监管，如果选择35kV电压等级以上配电网，其负荷远大于分布式电源出力，难以实现分布式电源和负荷的互动，从而不能有效反映出主动配电网对分布式电源的控制能力。

因此，选取10kV及以下配电网络具有更好的示范效果。在前述电压等级选取基础上，为了实现主动配电网分布式电源监控、分布式电源调度、分布式电源消纳、全网组合优化等控制目标，主动配电网示范地区选取需要从源、网、荷3个方面进行具体的考虑。

1)从电源的角度来看，不同于传统配电网对分布式电源“即插即忘”(fit-and-forget)的控制方式，主动配电网强调“主动管理(activenetworkmanagement)”这一概念，即通过对分布式发电、无功补偿等多类型可控设备的有效利用，实现分布式电源的高度兼容与资产的高效利用。因此示范区域应具备大量分布式电源多点接入，其渗透率需提高到能够影响传统配电网的运行管理的程度。同时由于主动配电网需要对电源进行主动管理，所以分布式电源需要具有可控性，可响应控制设备的调节指令(可能包含有功功率值、无功功率值、控制模式等)。

2)从电网的角度来看，主动配电网需具备灵活的运行方式，以实现配电网多种优化目标及控制策略下的灵活组网。因此示范区选取的线路之间需要有适当的联络，便于根据运行情况灵活调整线路拓扑。

除上述一次网架结构要求以外，配电线路应尽量具有较高的自动化水平，或具备较好的改造条件，保证正常与故障两种状态下的主动配电网运行管理，示范区域内断路器及负荷开关需具有三遥配置。与此同时，主动配电网为了实现数据采集、数据处理、监测与报警等功能还需要较为可靠的通信系统，以保证配电自动化系统和主动配电网控制系统的正常运行。

3)从负荷角度来看，主动配电网间歇式能源的功率波动严重限制了分布式能源渗透率的提高，负荷主动管理为主动配电网提供了一种潜在高效的可调资源，以抑制电网功率波动、削峰填谷。因此示范区域内应尽量具有可控负荷(包括直接负荷控制、响应定价信号等)。在此基础上，多样化的负荷类型与良好的可调节特性可以为主动配电网示范提供更有利的条件。

1.2选址约束条件分析

主动配电网示范地区主要选址条件及其约束总结见表1。

1.3典型示范地区示范条件比较及其示范区域选择

为了研究贵州省示范条件，本文分散选择了位于贵州省的多个典型地区进行示范条件分析，包括位于东部地区的都匀市的独山县与龙里县，位于中部地区的贵阳市清镇地区、贵安新区、开阳县以及位于西部地区的六盘水市盘县，兴义市以及兴义地区兴仁县，调研分析结果见表2。

从表2中可以看出，贵州清镇地区和贵安新区具有较好的基础示范条件，进一步对比如下：

1)清镇地区。

在清镇地区开展示范工程建设的优势包括：①网架拓扑结构变化丰富，可以较好地体现主动配电网技术特点;②就近消纳红枫水电站电源，网络中分布式电源渗透率高;③涉及线路容量较高，分布式电源就地消纳的能力强，线路改造任务量较小;④示范工程建设在南方电网红枫培训基地内，有多种类型负荷可供控制，具备良好的改造条件;⑤三联供系统所需燃气的供给运输成本较低;⑥选址为省会贵阳市，符合贵阳市“低碳城市”建设理念;交通便利，便于成果集中展示，具有突出的示范、推广意义。

主要劣势包括：①涉及的配电线路自动化程度较低，存在改造升级的必要性;②目前已有新能源种类较少，但建设条件较好。

2)贵安新区。

在贵安新区开展示范工程建设的优势包括：①已有风电、水电接入，分布式电源种类较为丰富;②网架拓扑结构变化丰富，可以较好地体现主动配电网技术特点;③贵安新区目前正在规划建设中，示范工程内线路多为新建线路，部分主动配电网一、二次改造可纳入贵安新区规划内，线路改造任务量较小。

主要劣势：①水电装机容量较小，难以对周边负荷产生较大影响;②风电场距离示范区域较远，风电能源接入示范工程所需线路较长;③示范区域内均采用电缆线路，一、二次系统建设费用较高;④储能系统无法与接入风机容量匹配，可能需要增加储能容量。

综合上述分析，贵州在主动配电网示范方面具有良好的条件基础，其中清镇地区和贵安新区均具备较好的示范条件与改造可能性，综合考虑到验证主动配电网关键技术的覆盖程度与经济性相平衡，可以选择清镇地区作为首选示范区域。

2 清滇地区主动配电网示范运行的关键技术

高渗透率分布式能源的消纳与电网架构、区域负荷水平、地区经济发展状况、配电网的自动化水平与运行方式等多种要素密切相关，为了充分发挥贵州省西部能源基地的特点，实现从被动消纳到对分布式能源的主动引导，迫切要求研究与主动配电网规划和运行特点相匹配的技术，并开发相应的应用支持控制系统。基于上述贵州省清镇地区的示范条件，贵州省开展主动配电网建设的关键技术要点见图1。

2.1主动配电网规划—运行联合优化技术

贵州清镇地区虽然原始示范条件较好，但为了保证电力网络改造的合理性以及运行的经济性和安全性，提高配电网的供电质量，需要对其进行科学地优化规划。主动配电网的规划需要在传统配电网规划的基础上充分考虑几个规划步骤之间的相互交叉与影响，以及规划—运行状况的联合优化。此外，为了实现适应于主动配电网的灵活控制和主动管理，需要多种二次智能设备及通信网络的支撑，所以主动配电网规划应该将一次侧规划与二次侧的自动化规划及通信规划一并统筹考虑。具体研究问题主要包括以下3个方面。

2.1.1主动配电网规划的多目标优化方法

主动配电网的多目标优化需要考虑主动配电网不同类型网架结构及其性能评估，在此基础上研究冷热电联供单元、分布式发电、新型负荷等新要素接入主动配电网多目标规划优化方法。同时兼顾不同运行环境下的不同最优目标，建立多目标优化模型，分析不同优化算法的特点，提出适用于主动配电网特点的优化算法。

2.1.2电源—用户互动模式下的主动配电网规划

由于示范现场具有可控负荷这一元素，从需求侧角度来看，主动配电网由于其本身的主动性和灵活性的特点，更需要注重与用户的互动，充分发挥需求侧管理的作用。所以在主动配电网的规划中需要考虑到上述特点，研究多源协同与终端用户之间的互动关联模型，建立计及多源协同与终端用户互动的主动配电网规划方案评估，与仿真分析环境提供互动决策支撑。

2.1.3主动配电网的一、二次统筹规划

为了实现主动配电网的主动、灵活控制以及快速合理的需求侧响应，除了需要一次设备的合理配置以及安装之外，还需要完备的配电自动化二次系统支撑，尤其是与配电终端、协调控制器以及通信网络相协调。因此主动配电网的一次规划要与自动化以及通信等二次规划统筹考虑，探讨计及一次设备的配置，一次系统与二次系统的协调关系，配电终端、协调控制器以及通信网络对规划的影响等主动配电网的一、二次统筹规划，考虑规划与实际运行相结合。

2.2主动配电网多能源协同交互控制技术

考虑到清镇地区能源种类多样，具有分布式能源建设条件和负荷可控性较好的特点，该地区主动配电网控制需要对多种类型能源及柔性负荷进行优化控制，研究主动配电网为中心的多能源协同交互控制技术，以实现分布式电源的高度兼容与资产的高效利用。以主动配电网为中心的多能源协同交互控制技术具体研究问题可以分为以下4个方面。

2.2.1主动配电网的全局运行决策优化管理技术

主动配电网运行决策优化管理技术是整个主动配电网的核心，也是实施配电网主动管理的关键技术手段。结合清镇地区示范条件来讲，其分布式能源种类可能涉及水、风、光、储、冷热电三联供等多种类型。考虑到分布式电源出力会受到当前天气和周围环境的限制，同时分布式储能系统的充放电也会受到储能系统与当前电网运行状态的限制，主动配电网运行决策系统的运行优化管理是一种变约束的优化问题。主动配电网运行决策系统为了获得最佳的用户经济效益，需要对分布式电源和储能系统进行综合调度，考虑其接入后产生的峰谷电价差与降低线路损耗两方面所带来的经济效益，同时兼顾多分布式能源接入环境下的配电网网络重构，通过分布式电源、储能系统、需求侧响应三者综合协同，安排合理的配电网运行方案，获得最佳经济收益，保证配电网长期稳定、可靠运行。

2.2.2主动配电网的协同交互控制技术

清镇地区由于含有大量的分布式电源、储能系统，同时需要将电源和用户需求有效连接起来，允许双方共同决定如何最好地实时运行，所以主动配电网的控制元素相较于传统配电网会有大幅度增加。考虑到间歇性能源出力波动大的特点，主动配电网运行决策系统很难针对每个时刻实时进行优化计算，区域内自治—区域间交互—全局协调的协同交互控制技术是解决主动配电网多分布式电源、多储能、多控制设备协调运行的有效手段。主动配电网协同交互控制示意图见图2。

2.2.3主动配电网的负荷主动管理技术

主动配电网间歇式能源的功率波动严重限制了分布式能源在配电网中渗透率的提高。应用于主动配电网中的AMI技术给需求侧响应尤其是直接负荷控制(DLC)提供了更为便利的条件，使主动负荷管理成为可能，以抑制电网功率波动、削峰填谷。主动负荷控制需要基于不同类型可控负荷响应特性研究区域范围负荷主动管理方法，在此基础上通过用户本地负荷信息管理与运行系统远程控制，以及负荷主动管理与全局优化运行策略协调实现负荷的优化管理和控制，达到主动配电网的源—网—荷协同优化的目的。

2.2.4主动配电网快速供电恢复技术

快速供电恢复技术主要基于配电自动化技术实现故障失电状态下通过对故障线路联络开关及断路器动作来选择最优供电恢复路径。清镇地区分布式电源大量接入配电网，形成双向供电的主动配电网，电流型的智能分布式馈线自动化由于其不依赖于配电主站的特点，在应对主动配电网环境下大规模的分布式电源接入所导致的故障判据及自愈逻辑的复杂化问题上，能通过就地解决的方式，避免全局大量冗余的数据信息降低通信造成的效率低下及系统逻辑复杂度的上升造成的可靠性下降。基于所建立的智能分布式故障处理逻辑，故障处理逻辑基于对等通信方式，通过配电开关设备或配电站配置的配电终端之间的相邻通信，确定自身的动作逻辑，实现故障的隔离和非故障区域恢复供电功能。

3 结语

主动配电网具有主动控制分布式能源的特性，从主动配电网概念与特性、国内外已有示范工程建设的情况出发，结合贵州电网富含多种分布式能源的特点及西部能源基地的区域定位，贵州地区开展主动配电网建设具有重大意义。贵州多地区示范条件对比分析表明，贵州清镇地区示范工程建设从现有网架结构的利用、示范工程社会效益、示范效益、培训效益等多个方面都有着不可替代的优势。其示范工程可以有效支持主动配电网规划—运行联合优化技术和多能源协同交互控制技术等多种主动配电网技术研究工作，具有重要的推广意义。此外，在开展主动配电网工程建设时，应先行从分布式能源状况、改造难度和成本、工程效益等方面开展调研与分析，选取最适宜的地区首先开展示范工程建设。本文所提出的内容对于其他地区开展主动配电网建设具有一定参考价值。