主动配电系统规划的主要影响因素分析

范明天，惠慧，张祖平(中国电力科学研究院，北京市100192)

主动配电系统规划的主要影响因素分析

范明天，惠慧，张祖平
(中国电力科学研究院，北京市100192)

传统配电系统为了满足负荷增长和分布式电源接入的需要，其规模和结构在规划时都有可能进行相应的增加与改变，为此有必要增加相应的投资。而主动配电系统规划通过采取主动控制与主动管理技术，在保障供电可靠性的基础上最大可能地利用现有资产，从而有可能延缓配电系统的投资，增加配电网的投资效益。本文探讨主动配电系统规划需考虑的主要因素，首先给出主动配电系统和被动配电系统的主要区别，定性分析控制模式与数据模型对主动配电系统规划的影响，然后说明外部条件对主动配电系统规划的影响，最后给出绿地电网和棕色电网对主动配电系统规划的不同要求，以期为我国开展主动配电系统规划研究，形成较清晰的主动配电网规划技术路线提供参考借鉴。

主动配电系统;主动配电系统规划;边界条件

0 引言

传统配电网的规划设计一般只针对最大的需求情况，不考虑或很少考虑运行中设备的调节能力，传统的配电网通常依靠改变网络结构和较大的容量裕度来应对负荷的不确定性，以保证电力系统的安全可靠性，其运行控制方法相对简单。随着分布式电源(distributed generation，DG)的渗透率在电力系统各层级上的不断提高，电力系统尤其是配电网的规划和运行方式也变得相对复杂，同时对配电网的经济性和监管方式也产生了较大的影响。经典规划方法对于传统配电网较为有效，而对于主动配电系统(active distribution system，ADS)来说，则无法充分地发挥分布式电源可调负荷的作用，达不到最优的技术经济效果。

面对负荷增长缓慢、配电网发展空间资源有限、网络规模较难扩展的现状，发达国家为应对高渗透率分布式电源的接入，从电网侧提出了主动配电网(active distribution network，ADN)，通过对分布式能源(distributed energy resource，DER)进行控制的各种系统组合。分布式能源的定义为发电机，负载和存储的结合。所述的主动配电网就变为主动配电系统。

对于负荷发展和分布式能源的接入，有2种解决方案:网络解和非网络解。网络解为调整电网或增加电网设备的解决方案(电网改造，变压器变更等)。非网络解为调整现有资源(发电调度、需求侧集成、变压器抽头、无功功率管理的控制以及网络重构)的解决方案，还包括创新的分布式电源运行、需求侧集成，分布式储能设备的集成，信息通讯技术(information communication technology，ICT)，分布式能源等。

主动配电系统规划就是改变传统的规划目标，最大可能地利用现有资产和基础设施，使设备在更接近其物理极限条件下工作。通过对网络解(网络扩展)和非网络解(主动控制)之间进行权衡，基于成本效益模式充分利用现有资源以及分布式能源，以满足负荷的发展和分布式能源接入的需要。

我国的配电网还处于不断扩展之中，为了可持续发展的需要，配电网也将面临分布式能源渗透率越来越高的局面，如何在满足负荷快速增长的同时还满足分布式能源接入，就必须在网络解和非网络解中进行平衡的问题，因此也有必要开展相关研究。

主动配电系统规划要成为现代主动配电系统规划工具必备的应用手段，需要为规划模型探讨边界条件。因此，本文主要探讨主动配电系统规划的主要影响因素，从主动配电系统和被动配电网(passive distribution network，PDN)的区别、控制模式与数据模型对规划的影响、国内外发展主动配电系统的条件这3个方面进行分析。(1)给出主动配电系统与传统被动配电网的区别，详细论述了技术标准、管理模式、网络结构、运行与控制以及模拟计算方面的区别，给出不同的限制条件等;(2)主要讨论了控制策略和数据模型对主动配电系统规划的影响;(3)给出了中外配电网发展阶段内外部条件对主动配电系统规划的影响;(4)提出了不同的边界条件和运行模式对主动配电系统规划的要求等。

本文的研究结果将为配电网规划解决方案提供良好的研究思路，在此基础上可进一步量化主动配电系统规划所需要的数据之间的逻辑关系和研究主动配电系统规划特性。

1 主动配电系统与传统被动配电网的区别

传统配电网规划方法处理分布式能源的基本原则是“即装即忘”(fit and forget)，由于传统的运行模式和控制策略相对简单，只要出现任何的电压越限情况，分布式能源就必须离网运行，这样就大大降低了分布式能源接入的渗透率。因此，传统规划和运行方法难以经济地处理高渗透率下的分布式能源接入配电网的问题。

与传统被动配电网对分布式能源接入“即装即忘”的方式相比，主动配电系统的网络拓扑较为灵活，可以通过主动控制和管理的方式，充分利用网络中的调节能力。表1给出了主动配电系统的应用范围，表2给出了被动配电网与主动配电系统的主要区别，表3给出了技术标准方面的区别，表4给出了主动配电系统与被动配电网管理模式方面的主要区别，表5给出了主动配电系统与被动配电网网络结构方面的主要区别。

表1 主动配电系统的主要特点Table 1 Main features of ADN

表2 主动配电系统与被动配电网的主要区别Table 2 Main differences of ADS and PDN

表3 主动配电系统与被动配电网技术标准方面的主要区别Table 3 Main differences on technical criterion of ADS and PDN

表4 主动配电系统与被动配电网管理模式方面的主要区别Table 4 Main differences on management mode of ADS and PDN

表5 主动配电系统与被动配电网网络结构方面的主要区别Table 5 Main Differences on network structure of ADS and PDN

2 控制策略及数据模拟方式对主动配电系统规划的影响

传统配电网的规划设计针对最大的用电需求情况，不考虑或很少考虑运行中的调节问题。这种方法对于传统配电网是比较经济有效的，但是无法充分地发挥分布式电源与可调负荷的作用，达不到最优的技术经济效果。

主动配电系统的规划，不再仅仅考虑一个简单的配电网运行状态断面(Snapshot)，而是要全面地考虑分布式电源与负荷的变化周期、识别出功率变化的“日模式”，可在规划阶段处理分布式能源的运行问题，要对主动控制管理方法进行技术经济分析，以解决配电网规划中的不确定性问题，从而确定最佳解决方案。

因此，主动配电系统的控制策略和数据模拟都必须采用不同于传统配电网的方法。主动配电系统与被动配电网在运行、控制方面存在显著区别见表6，数据模拟方式对规划计算的影响见表7，其中包括开发配电网规划工具时处理数据模型、概率性方法等。

表6 主动配电系统与被动配电网运行、控制方面的主要区别Table 6 Main differences on operation and control of ADS and PDN

表7 主动配电系统与被动配电网模拟计算方面的主要区别Table 7 Main differences on simulation of ADS and PDN

3 内外部条件对主动配电系统规划的影响

主动配电系统是未来智能配电网中的重要组成部分。当前各国都在研究如何适应高渗透率分布式能源的接入，例如在欧洲20-20-20计划中，未来新增负荷由可再生能源负责。欧盟在2020年将要实现20-20-20计划，其中包括可再生能源的渗透率将达到20%。虽然欧盟国家可再生能源的渗透率总体上将在一定的范围(如20%)内，但是局部供电区域的渗透率有可能会更高，例如:德国目前可再生能源的装机容量已约占总装机容量的30%，可再生能源的发电量已约占总发电量的20%，2020年可再生能源的装机容量将达到35%，2050年可再生能源的装机容量将达到80%，已经需要考虑传统发电机组为可再生能源提供备用的问题，而且也要考虑可再生能源机组为传统发电提供辅助服务的问题。

总体来说，分布式能源渗透率的大小，取决于许多边界条件，如外部电网及发电机组可提供的备用裕度以及分布式的控制模式等，中外配电网计算的边界条件对比如表8所示。

欧洲发展主动配电网的主要驱动力为:

(1)可再生能源/分布式发电的并网需求;

(2)大规模电动汽车的接入;

(3)储能单元的建设需求;

(4)提高能源利用效率;

(5)建立能源市场或需求侧管理的需求;

(6)提高供电可靠性和供电质量的需求;

(7)降低运行和投资成本的需求;

(8)优化运行费用和投资费用的需求。

表8 我国与欧洲的配电网计算边界条件对比Table 8 Boundary conditions comparisons in distribution network calculations for home and abroad

主动配电系统规划需要考虑以上需求，更重要的是，即使在没有任何分布式电源接入的情况下，通过调节负荷，也可以实现部分主动控制和管理的功能，此时就要考虑负荷特性和满足网络运行的技术规范，我国现有的配电网需要满足的边界条件具有如表9所示的特征。

表9 我国各级配电网的基本特征Table 9 Basic features of distribution network in China

4 对主动配电系统规划工具的要求

在对主动配电系统进行规划时，一般将配电网分为棕色电网(brown distribution network)和绿地电网(green distribution network)。棕色电网指的是已建成的配电网区域;绿地电网是指新开发的配电网区域，需要对高压至低压层级配电网进行统一规划。绿地电网在考虑电网扩展(网络解)的同时要考虑非网络解，如冷热电联供单元，分布式发电，储能单元，上级高压输电网的输送能力、发电机的装机容量以及发电机运行情况(如启停等)，负荷特性(包括可控负荷和不可控负荷)等。

主动配电系统规划方法有许多优点，如提高了电网的可靠性，对现有设备的优化利用，从而减少或延缓上级电网的投资，降低了配电网运行风险等。主动配电系统规划具有多目标、不确定性、非线性、动态和一体化的特性，因此，主动配电系统规划是一个复杂的优化组合问题，其中规划的总费用为投资费用、运行费用、维护费用、停电损失费用与环境影响费用之和。

由于主动配电系统规划方案中可以综合考虑运行问题，如变压器抽头的优化配置、需求侧集成、无功管理等，可以协调网络解与非网络解，未来主动配电系统规划方案的总投资额相对较低。主动配电系统规划时段方面要考虑长、中、短期规划三者之间的协调，并要考虑运行规划(更短的时间周期)。在进行主动配电网规划时，需要的输入数据如表10所示，输出数据如表11所示。

表10 主动配电系统规划的输入数据Table 10 Input data of ADS planning

表11 主动配电系统规划的输出数据Table 11 Output data of ADS planning

5 结论

本文分析了影响主动配电系统规划的主要因素，其中确定了主动配电系统的应用范围、分析了被动配电网与主动配电系统的主要区别、给出了技术标准、管理模式、网络结构等方面的主要区别。重点分析了控制策略及数据模拟方式对主动配电系统规划的影响，内外部条件对主动配电系统规划的影响，对比分析了中外配电网的边界条件，在以上研究的基础上提出了对主动配电系统规划工具的要求。为使主动配电系统规划工具成为规划工作中必备的应用手段，还需要在理论和实践应用上开展进一步深入的研究。本文的研究结果将为我国主动配电系统规划研究提供良好的基础，为主动配电系统的优化发展起到一定的促进作用。

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(编辑:蒋毅恒)

Main Impacts on Active Distribution System Planning

FAN Mingtian，HUI Hui，ZHANG Zuping
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Traditional distribution network needs to pay more investment costs but with less economic returns in order to meet the requirements of load growth and the high penetration of distributed energy resources．The initiative of active distribution system is to change the traditional distribution system planning for its planning objectives，to maximum the possible use of existing assets，which can greatly improve the cost-effectiveness of the investments．This paper discusses the main factors affecting the distribution system planning，such as the main difference between active and passive distribution network distribution network，the impact of the qualitative data analysis and control mode as well as the active distribution system planning model，and then explains the impact of the external conditions on distribution network planning，finally，green and brown networks with different requirements for active distribution system planning is provided，which could provide a good foundation for active distribution system planning studies in China．

active distribution system;active distribution system planning;limitations

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0060-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.009

2014-11-28

2014-12-18

范明天(1954)，女，博士，教授级高级工程师，中国电机工程学会高级会员，中国电机工程学会城市供电专委会委员，国际大电网会议(CIGRE)配电与分布式发电(C6)中方委员(2008—2014)，主要研究方向为电力优化规划和运行、配电系统规划、配电网自动化规划、可靠性评估、城市供电应急管理、主动配电系统规划;

惠慧(1986)，女，硕士，中国电力科学研究院配电研究所，工程师，主要研究方向为配电系统规划、配电系统仿真与建模、配电网自动化规划、可靠性评估、主动配电系统规划等;

张祖平(1950)，男，硕士，教授级高级工程师，原中国电科院配用电与农电研究所总工程师、电力系统研究所总工程师、中国电科院科技部总工程师，长期从事电力系统规划运行分析、电力系统分析数学模型及计算方法的研究、特高压大电网关键技术研究、城市电网规划方法研究等工程咨询和研究工作。

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA051901)。