主动配电网的6个主动与技术实现

刘广一，张凯，舒彬(．中国电力科学研究院，北京市009;．北京市电力经济技术研究院，北京市00055)

主动配电网的6个主动与技术实现

刘广一1，张凯2，舒彬2
(1．中国电力科学研究院，北京市100192;2．北京市电力经济技术研究院，北京市100055)

提出了主动配电网(active distribution networks，ADN)的6个主动，即电网公司侧的主动规划、主动管理、主动控制与主动服务及用户侧的主动响应和分布式可再生能源发电侧的主动参与。在电网公司侧，强调对分布式可再生能源进行主动规划、对分布式发电进行主动管理和控制、对上级电网和用户提供主动服务。电网公司的主动规划、主动管理和主动控制可以在确保电网安全稳定运行的条件下，增强对分布式可再生能源发电的消纳能力;主动服务可以为配电网创新商业模式、扩展业务领域提供新的机遇。在用户侧，强调广大用户在力所能及的范围内，承担节能减排的责任，积极响应各种不同形式的需求侧激励措施。在分布式可再生能源发电侧，应充分考虑分布式发电机组对电网的影响，强调发电机组应积极采用有功功率控制和无功电压调节技术，主动参与电网的调度运行。基于上述分析讨论了主动配电网的技术实现，包括规划运行一体化的规划技术、充分考虑高渗透率光伏发电接入的运行控制技术、鼓励用户积极参与节能减排的需求侧响应技术和分布式可再生能源的功率控制技术。

主动配电网(ADN);配电网规划;配电网运行控制

0 引言

面对全球节能减排和能源可持续发展的巨大挑战，大力发展分布式可再生能源发电已经成为必然选择。最近发布了一系列鼓励分布式可再生能源发电发展的优惠政策，这必将促进我国分布式可再生能源发电的大发展。大规模分布式电源连接到10 kV及以下的配电网中，在提高节能减排效果，改善环境的同时，其随机、间歇、波动、难以控制等特点，使配电网成为功率双向流动的有源网络，如果协调不当，将导致电压波动加大、供电质量下降，电网消纳分布式发电的能力受到限制，因此传统的规划设计手段、保护控制和运行管理方式需要做出根本性的改变［1］。

如何处理数以万计的分布式电源接入电网，同时确保电网安全、可靠运行，迫切需要吸取国内外风电发展的经验教训，深入分析配电网中“发、输、配、用”各个环节所发挥的作用，研究新的配电网规划与运行控制理论与方法，提高电网对分布式可再生能源发电的消纳率。近年来提出的主动配电网(active distribution networks，ADN)技术为解决这一问题提供了一种新的思路。主动配电网强调对现代配电网中的各种可控资源，特别是分布式可再生能源发电资源从被动消纳到主动引导与主动利用［2］。通过这一技术可以把配电网从传统的被动型用电网转变成可以根据电网的实际运行状态进行主动管理与控制，并提供主动服务的主动配电网。从传统用电网、被动配电网向主动配电网过渡是配电网发展的必然趋势。利用主动配电网的核心建设理念，可以实现与电网客户之间的互动互惠，这也正是智能电网的发展目标。

依据主动配电网的特性，发展适应于主动配电网的规划与运行控制关键技术，具有重要的理论意义和实际意义。本文将在回顾与探讨主动配电网定义的基础上，提出主动配电网的核心理念，论述主动配电网的关键技术，最后对主动配电网的应用前景做出展望。

1 主动配电网的核心理念

国际大电网会议(conference international des grands reseaux electriques，CIGRE)C6．11工作组报告对主动配电网的定义:主动配电网是将包括发电机、负载和储能装置在内的分布式资源进行组合控制的系统;配电运行人员能够应用灵活的网络拓扑调整潮流的分布;分布式资源可以根据适当的监管政策以及用户接入协议，向系统提供一定程度的辅助服务支撑［3］。

CIGRE对于主动配电网的上述定义可以简单理解为:主动配电网是一个内部具有分布式能源，具有主动控制和运行能力的配电网。这里所说的分布式能源，包括连结到配电网中的各种形式的分布式发电、分布式储能、电动汽车充换电设施和需求侧响应资源，即可控负荷。“冷、热、电”三联供机组和微网都是其中重要的可控资源。

区别于传统的被动配电网，主动配电网具备下列特征:首先要具备一定比例的分布式可控资源;其次要有一个网络拓扑可灵活调节的、坚强的配电网络;再次要具备完善的调节、控制手段，即建有基于现代计算机技术与通信技术的量测、控制与保护系统，具有较高的可观可控水平;最后，也是最重要的一点，要建设一个可以实现协调优化管理的管控中心。

与传统配电网相比，对于电网公司而言，主动配电网规划与运行控制的核心理念是主动规划、主动控制、主动管理与主动服务，目的是充分利用分布式能源靠近客户的优势，变劣势为优势;对配电网的运行状态进行全面感知，实时掌握配电网的运行态势，对发电、负荷及网络结构进行主动控制、主动管理，做到消除隐患于未然;为上级电网和客户提供主动服务，建立上级电网与配电网、配电网与客户之间的良好互动关系;规划是实施的基础，一个考虑完善的规划可以起到事半功倍的作用，在主动配电网的建设过程中，迫切需要进行主动规划，以实现对分布式可再生能源发电的全额消纳。对于广大用户而言，应主动响应国家和电网公司为节能减排所制定的一系列需求侧激励措施，将其中相当一部分负荷变成“可调负荷”，在电网功率平衡控制及平滑电力系统负荷曲线方面发挥积极作用。对于分布式可再生能源发电而言，应积极、主动地参与系统调频与电压无功控制，实现配电网乃至整个电力系统的优化运行。

主动控制理论是主动配电网的理论基础。从控制理论上讲，传统的被动控制是出现问题，解决问题，缺乏预见性，没有全局优化的概念;与被动控制相反，主动控制预先分析目标偏离的可能性，并拟订和采取一系列的预防性控制措施，通过提前感知、系统控制，达到统筹优化的目的，最终实现计划目标。主动控制的理念最早由美国提出，首先应用于飞机设计，F-16是世界上第1架采用主动控制思想设计的飞机。常规飞机的设计过程是:根据任务要求，考虑气动力、结构强度和发动机三大因素，并在它们之间进行折衷以满足任务要求，这样为获得某一方面的性能就必须在其他方面作出让步或牺牲，例如为实现更好的气动稳定性就必须在尾翼的重量和阻力方面付出代价。折衷之后就确定了飞机的构形，再经过风洞吹风后，对飞机的各分系统(其中包括飞行控制系统)提出设计要求。这里飞行控制系统和其他分系统一样，处于被动地位，其基本功能是辅助驾驶员进行姿态航迹控制。这一点与传统的配电网规划设计方法十分相似，在配电网规划中，侧重于一次电网架构的确定与变压器容量的选择，很少考虑配电自动化系统、通信系统和配电网管理系统对电网运行可靠性的影响。而采用主动控制技术的设计方法则打破了这一格局，把飞行控制系统提高到和上述三大因素同等重要的地位，成为选型必须考虑的四大因素之一，并起积极作用。在飞机的初步设计阶段就考虑全时间、全权限的电传飞行控制系统的作用，综合选形，选形后再对飞行控制系统以外的其他分系统提出设计要求。这样就可以放宽对气动、结构和发动机方面的限制，依靠控制系统主动提供人工补偿，于是飞行控制由原来的被动地位变为主动地位，充分发挥了飞行控制的主动性和潜力，因而称这种技术为主动控制技术。

将主动控制的思想用于配电网的规划设计，就形成了主动配电网的第1个核心理念，即主动规划。将这一思想应用于配电网的设计、建设与运行，强调规划、建设和运行的完整性、统一性，强调在规划设计阶段，就充分考虑配电网自动化、通信和配电管理系统对改善配电网运行性能所发挥的重大作用，强调协调统一地规划建设坚强可靠的一次电网架构、深度协同的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统，实现三位一体的协同规划，这是主动规划的第1层涵义。

主动规划的第2层涵义体现在对分布式能源的态度上，对于电网公司而言，分布式发电由于其随机性、波动性、不可控性常常被认为是“垃圾”电。更重要的是，由于其大多建在用户侧，采用“自发自用、余电上网”的分布式电源鼓励政策，分布式发电享受零售端的上网电价，外加可再生能源附加鼓励，严重影响了电网公司的售电收益。对于分布式可再生能源发电，在传统配电网中，通常采取“接入即忘”的态度，认为分布式可再生能源发电渗透率较低，对电网运行影响不大，体现在规划阶段，只对其进行简单的接入评价，在系统运行阶段，把这些分布式可再生能源发电看作是正常的扰动，作为负荷处理，不采取任何特别措施。国内外研究表明，这种被动型的配电网对分布式可再生能源发电的接纳能力不会大于10%。当分布式可再生能源发电大于这一比例时，为了克服分布式发电间歇性、随机性所带来的功率双向流动、电压波动加大、电能质量问题突出等负面影响，需要在规划设计阶段就对配电网中的电源和负荷进行主动规划。主动规划强调由配电网规划设计单位主动对区域内的分布式可再生能源发电能力进行主动评估，掌握区域内分布式可再生能源发电资源，主动规划设计分布式可再生电源的接入点，主动评估配电网在消纳不同渗透率下的接纳能力，在消纳能力不足时，对配电网行必要的、前瞻性的改造，确保所有的分布式可再生能源发电都可以安全、经济地并网。

主动配电网的第2个核心理念是对电网运行状态进行主动控制。在配电网实时运行控制过程中，调控中心必须实时掌握电网的实际运行信息，了解电网中每条线路的负载情况，当电网中出现阻塞时，可以通过主动控制网络结构和网络中的可控设备、各种可控的发电与需求侧响应负荷，疏解电网中线路的负载情况，达到既保证电网经济运行，又确保电网安全稳定运行的目的。

主动配电网的第3个核心理念是作为区域能源管理中心实现对区域内所有发电资源有功功率和无功电压的主动管理。在配电网运行过程中，充分利用主动配电网中的“冷、热、电”三联供、分布式储能、电压调节负荷、需求侧响应负荷、生物质发电平抑光伏发电的随机性、波动性，通过与电网运行态势的密切互动，达到全额消纳可再生能源发电的目标。在主动配电网中，由于分布式电源的大量接入，传统的从主变到负荷，电压依次降低的格局将被打破，电压波动加剧，因而无功电压控制在主动配电网中尤为重要。需要充分利用各种电网无功控制设备和分布式发电的无功控制能力，进行协调控制。配电网中存在大量的恒阻抗、恒电流负荷，这些负荷对电压的幅值变化分别呈平方和正比变化，如何能够实现对配电网中母线电压平滑快速调节，可以充分利用这些负荷对电压变化的敏感性，平滑分布式可再生能源的随机波动，参与需求侧响应，实现对用户无感的有功功率控制，也称为柔性负荷控制。

主动配电网的第4个核心理念是主动服务。主动服务包括，可以为客户提供定制电力服务，根据客户需要提供满足其需求的、可以选择的高品质电能服务;为客户积极参与需求侧响应，改善能效提供技术支撑平台，例如通过提供协调控制手段和公平公正的利润分配机制，将数以百万计的广大用户组织起来，对其空调、热水器等负荷进行集群需求侧响应控制;充分利用主动配电网中的可控资源，为上级电网提供电能、在线备用等服务，从而实现配电网与客户、配电网与上级电网之间的全面互动互惠。

主动配电网的第5个核心理念是用户的主动响应。根据美国纽约市电力部门对其2011年负荷的分析，发现其峰值负荷为13 189 MW，从12 000到13 189 MW的负荷范围，其持续时间只有36 h。近年来，我国的空调负荷、洗衣机、电热水器快速增长，大多数城市的峰值负荷是由这些家用电器产生的。从用电性质上看，这些负荷属于功率可调或者用电时间可平移的负荷，称为可调负荷。这些可调负荷对于移峰填谷，改善电网的负荷特性，提高电网的资产利用率意义重大，是主动配电网中的重要资源。节能减排是全社会的共同责任，在电网公司提供主动服务的同时，迫切需要广大电力用户的主动响应，需要广大用户积极主动地选择适合于自身特点的需求侧响应项目。

主动配电网的第6个核心理念是分布式可再生电源的主动参与。以光伏发电和风能发电为主的分布式可再生能源发电受天气影响很大，呈现出随机性、波动性的特点。当这类分布式电源的比例较大时(例如，德国已经高达37%)，这些特点不仅对配电网的控制运行造成影响，甚至会影响输电网的运行。消纳可再生能源发电不仅是电网公司的责任，可再生能源发电的厂商也应尽到自己的责任。随着电力电子技术和储能技术的发展，对目前的可再生能源发电机组进行一定改造，就可以实现对其有功功率在一定范围内的调节，这样，当天气变化时，其输出功率可以缓慢地变化，避免剧烈波动，这一技术称为功率平滑技术，对于提高电网对分布式可再生能源的容纳能力效果十分显著;利用电力电子技术，也可以使其具备一定程度的无功电压控制能力，有效地改善电压质量。电网公司和监管机构需要制定相应的鼓励政策，激励分布式可再生能源发电厂商通过安装先进的电力电子控制设备和储能装置，主动地改善其机组的控制能力，使分布式电源与电网实现主动友好互动，与电网公司共同努力，提高电网对可再生能源发电的容纳能力。

为了实现对配电网的主动控制、主动管理与主动服务，便于广大用户的主动响应，分布式可再生能源发电厂商的主动参与，必须实现对配电网更大范围的全面感知。采用更加经济、可靠、先进的传感、通信和控制终端技术，实现对配电网运行状态、分布式发电设备状态、资产设备状态和供电可靠状况实时、全面地监视，实现配电网的可观测性。在传统的配电网中，量测监视范围是从110 kV的变电站到10 kV的网络，对于10 kV以下基本不需考虑。对于主动配电网，由于大量的分布式能源联结到10 kV及其以下的母线上，而且需求侧响应资源也大多联结在这些低电压母线上，因而必须对这些低电压供电网络进行全面地监视;为了实现对配电网可控资源的全面控制，必须了解上级电网的运行状态，从而要求将量测范围向下扩大到400 V母线，向上扩大到220 kV。智能电网的建设和智能电表的大规模安装应用为扩大量测范围奠定了坚实的基础。

2 主动配电网的技术实现

为了实现上述主动配电网的6个核心理念，实现对主动配电网的高效经济控制，必须充分考虑主动配电网网络规模大且结构复杂、分布式电源的接入点分散且可控性弱、终端用户的行为模式丰富但与系统的交互随机性强等特点，开发主动配电网规划运行一体化的规划技术、充分考虑高渗透率光伏发电接入的运行控制技术、鼓励用户积极参与节能减排的需求侧响应技术和分布式可再生能源的功率控制技术。

主动配电网规划技术的研究目标是为配电网的规划人员提供一套使用方便、能充分考虑主动配电网特点的规划运行互动决策系统，以实现对主动配电网的主动规划与监控装置和系统的优化配置。首先要研究充分考虑主动配电网特点的规划技术，研究主动配电网规划的多目标优化方法，研究电源-用户互动模式下的主动配电网规划以及主动配电网的一、二次侧统筹规划，研究混合储能系统(hybrid energy storage system，ESS)接入配电网的互补优化配置方法与指导原则，为主动配电网的网络架构确定、监控设备配置、通信和信息规划等提供技术手段;其次是为规划人员实现可视化推演与互动展示，研发灵活的人机界面;再次是研究对规划方案进行全面仿真校核的时序场景模拟仿真技术，以充分考虑具有随机、间歇等特点的分布式发电、需求侧响应、各种控制设备动作顺序对规划方案的影响;最后是研究规划与运行的滚动校验评估技术，将在配电网运行过程中发现的网络结构问题和薄弱环节及时反馈到规划系统中，实现对规划方案的滚动修编。这里的技术难点是如何模拟主动配电网中新出现的资源间的强相互作用，及其对规划的影响;需要研究的新理论与新方法包括:(1)建立全面的主动配电网混合整数规划模型;(2)运用多代理机制模拟研究对象之间、时序场景之间的相互影响。

主动配电网运行控制技术的研究目标是为配电网的调度运行控制人员提供一套可以对主动配电网运行状态进行全面监视、对配电网中的所有可控资源进行主动控制、主动管理与主动服务的运行控制系统。由4层构成:(1)由配电网络、充电汽车、分布式发电、储能设备和“冷、热、电”联产构成的主动配电网能量流层和由通信传感系统、数值天气预报系统和智慧城市信息系统构成的信息流层;(2)适应主动配电网特点的服务平台层，包括云平台、大数据处理技术和智能电网服务总线;(3)为满足主动配电网各种运行与控制功能而配备的智能应用层，主要有电网运行态势感知、全电压等级无功电压控制、自适应综合能源优化、分布式发电预测、馈线负荷预报、故障诊断隔离与恢复、合环冲击电流在线评估与调控、风险评估与状态检修等;(4)集成调控-运检-营销于一体的智能决策支持系统。

综合利用多类型时空尺度观测信息的态势感知，由状态估计、预想故障快速仿真和风险评估与预警等一序列软件构成，是评估配电网运行状态，制定电网控制和综合能源优化策略的基础，其特点是要考虑全电压三相网络，并融合智能电表系统、综合信息单元以及最近提出的配电同步量测等多种信息资源。

分布式发电的大量接入使无功电压控制面临严峻挑战，主动配电网中的无功电压控制必须考虑无功资源的协调配合，以同时实现降压节能和保证电压质量2个目标;同时，需要基于短期、超短期和分布式发电的变化趋势，发展时序递进的无功电压优化策略。

分布式可再生能源发电的随机性对配电网的灵活性提出了更高的要求。消纳大量分布式可再生能源发电的有效途径是综合能源优化。综合能源优化充分利用以天然气为原料的“冷、热、电“联产、电动汽车充放电设施、储能装置和需求侧响应等资源在时空上的互补性和可控性，提高整个能源系统的整体利用效率。为充分利用需求侧响应这样一种有效的负荷控制资源，需要重点发展集群需求响应的控制策略与利润分配机制。

将电网调控、检修和营销系统集成起来，可以实现信息、资源和业务功能的高度集成，充分发挥系统的资源调控能力，提高电力资产利用率，缩短故障停运时间，为用户提供高品质、高可靠、高互动的电能服务。

鼓励用户积极参与节能减排的需求侧响应技术的研究目标，是为广大用户提供一系列方便安装、操作简单、经济效益明显的用户侧负荷管理与控制装置和系统，智能家居系统是其中的典型代表。这些装置和系统首先可以实时监视家庭内各种家用电器的电能使用情况，在必要时还可以通过互联网或移动通信，将这些信息实时传送到主人的电脑、手机等移动装备上，主人可以远程对家庭中的电能使用情况进行实时监视，必要时还可以实现远程控制;其次，这些装置和系统，可以实时接收来自电网控制中心的实时电价信号，并根据实时电价的高低动态调整家用电器的用能策略;最后，当家庭中安装了分布式光伏发电或者储能装置时，这些装置和系统就承担了家庭能源综合管理中心的决策，根据电网的实时电价、光伏的发电量、家用电器的负荷以及储能装置的充放电状态进行动态的能源优化。

分布式可再生能源的功率控制技术的研究目标是为分布式可再生能源发电机组提供一套可以动态感知电网的运行情况、预测分布式发电和负荷状况、主动支持参与电网运行的先进并网逆变器。这种逆变器可以动态地确定在什么条件下发出多大的有功功率，在什么条件下为电网提供无功功率和电压支撑。随着电力电子技术和储能技术的迅猛发展，这类先进逆变器的功能将越来越强大。与主动配电网的运行控制系统的主动互动，将极大增强配电网对分布式可再生能源发电的容纳能力。

3 结语

本文在分析高渗透率分布式可再生能源发电对配电网规划与运行影响基础上，指出建立主动配电网是有效消纳大规模分布式电源和实现节能减排的有效手段，提出了主动配电网的核心理念是电网侧的主动规划、主动管理、主动控制与主动服务，用户侧的主动响应及分布式可再生能源发电侧的主动参与。展望了为实现这一核心理念所需要研究的技术手段，探讨了主动配电网规划、运行控制系统的构成，用户需求响应和分布式可再生能源发电的功率控制所涉及的主要技术。

［1］EURELECTRIC．Active distribution system management，a key tool for the smooth integration of distributed generation［R］．Bruxelles: EURELECTRIC，2013．

［2］刘广一，黄仁乐．主动配电网的运行控制技术［J］．供用电，2014 (1):30-32．

［3］徐丙垠，李天友，薛永瑞．主动配电网还是有源配电网?［J］．供用电，2014(1):18-21．

(编辑:张小飞)

Six Actives and Key Technologies of Active Distribution Network

LIU Guangyi1，ZHANG Kai2，SHU Bin2
(1．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China; 2．Beijing Economic Technology Research Institute，Beijing 100055，China)

This paper proposed six actives and key technologies of active distribution network，which are active planning，active management，active control and active service from the distribution grid side，active response from the customer side and active participation from the distributed generation side．On the side of grid companies，the active planning of distributed renewable energy，the organic coordination of planning and operation，the active management and control of distributed generation，the active service for superior power grid and users are emphasized．Under the conditions of ensuring the safe and stable operation of power grid，the active planning，managementand controlcan increase the hosting capacity for the distributed renewable energy power generation．The active service can provide new opportunities for innovation of distribution network business model and expanding business areas．On the side of users，the responsibility of energy conservation and emissions reduction is emphasized．On the side of renewable generation，the effect of distribution generation sets on the network is emphasized，and the technologies of active power control and reactive power voltage regulation should be deployed to participate in the power grid dispatching operation．Finally，the technology of active distribution network is discussed based on the above analysis，including integrated planning technology，operation and control technology，technology of response of demand and technology of power control of renewable energy．

active distribution network(ADN);distribution network planning;distribution system operation and control

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0033-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.005

2014-11-25

2014-12-22

刘广一(1963)男，博士，教授级高级工程师，中央千人计划国家特聘专家，从事智能电网、能量管理系统(EMS)、配电管理系统、电力市场的研究工作;

张凯(1969)男，硕士，高级工程师，国网专家人才，北京市电力公司调度专业首席专家，从事智能电网、能量管理系统(EMS)、配电管理系统、电网规划的研究工作;

舒彬(1964)男，高级工程师，从事一体化能量管理系统(EMS)设计建设与运行，从事智能电网、新技术应用、配电管理系统、电网规划的研究工作。

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA051901)。