主动配电系统运行与控制关键技术

王守相，葛磊蛟(智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072)

主动配电系统运行与控制关键技术

王守相，葛磊蛟
(智能电网教育部重点实验室(天津大学)，天津市300072)

主动配电系统(active distribution system，ADS)是在智能电网发展的大背景下提出的一个概念。该文在对主动配电系统的相关概念进行辨析的基础上，按照预测层、控制层和服务层这3个层次，具体从主动配电系统的态势感知与预警技术、主动配电系统的自适应分层分布式智能控制技术、主动配电系统的互动化服务技术等几个方面，对主动配电系统运行与控制关键技术的发展进行总结和展望。

主动配电系统(ADS);智能配电网;智能电网;云计算;大数据

0 引言

为了绿色经济、低碳经济和循环经济的发展需要，保证电网经济、高效、可靠、安全运行，促进可再生能源的规模化高效利用，达到能源利用的经济、环境和社会效益的最大化，发展智能电网已成为全社会的共识和关注的焦点。在我国《国家能源科技“十二五”规划》中明确提出大力发展智能电网技术。配用电系统作为电力系统到用户的最后一环，与用户的联系最为紧密，对用户的影响也最为直接。智能配网技术的采用有助于充分利用各地的清洁能源和可再生能源，有助于向用户提供高质量、高可靠性的电力，是实现我国“节能减排”目标的重要举措。未来的配电系统将朝着具备灵活、可靠、高效的配电网网架结构、高可靠性和高安全性的通信网络、高渗透率的分布式电源接入、配电系统的快速仿真与自愈控制的总体方向和总体目标发展。

主动配电系统是在智能配电网发展的大背景下提出的一个概念。本文在对主动配电系统的相关概念进行辨析的基础上，主要从主动配电系统的态势感知与预警技术、主动配电系统的分布式智能控制技术、主动配电系统的互动化技术等几个方面，对主动配电系统运行与控制关键技术的发展作一总结和展望。

1 主动配电系统相关概念辨析

配电系统是由多种配电元件和配电设施所组成的用以交换电压和直接向终端用户分配电能的一个电力网络系统。传统的配电系统中，没有或者很少存在用户侧的电源，电能主要来自上级电网，电力公司作为配电系统的所有者和运营方，向用户配送电能并收取电费。一方面，用户只能被动地接受电力公司的供电服务和用电管理，没有选择权和自主权。另一方面，电力公司往往也只是被动地响应和处理配电系统中出现的故障或其他状况，并不断通过改扩建来满足用户不断增长的负荷需求。

随着能源需求和环境保护的压力日益增长，可再生能源发电受到国内外的广泛重视。可再生能源发电的形式有2种，一种是集中式的大规模的可再生能源发电，如大型风电场等，其特点是集中接入、单点接入容量大;另一种是小型的分布式的可再生能源发电，简称分布式发电，是指利用各种分散存在的能源，包括可再生能源(太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等)和本地可方便获取的化石类燃料(主要指天然气)进行发电供能的方式，其特点是位于用户负荷附近，发电容量小，通常在几kW到几十MW，通过10(35)kV及以下电压等级接入配电网或独立运行，多点接入、点多面广。分布式电源通常直接接入配电系统，也可以与储能等配合组成微网(或微电网)接入配电系统。微网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的小型发、配、用电系统，是一个能够实现自我控制、保护和能量管理的自治系统。分布式发电和微网的接入对配电系统产生了深远的影响。配电系统中大量分布式电源和微网的存在将改变电力系统在中、低压层面的结构与运行方式，增加配电系统运行的复杂性，但同时也将有助于解决配电系统中大规模分布式可再生能源的有效接入问题［1］。

未来的配电系统将成为含分布式电源的集电能收集、电能传输、电能存储和电能分配为一体的新型电力交换系统。于是有源配电网的概念应运而生。有源配电网是当前正在发展和未来电力公司和用户所共同面对的网络对象，是新形势下区别于传统配电网的提出了新的需求和挑战的新型配电网。

主动配电网是为了应对新形势下配电网(即有源配电网)的挑战，由电力公司主导的积极的技术和管理手段。而主动配电系统所涵盖的内容则更广些，既包括电力公司的主动配电网措施，也包括微网及其他用户积极参与的需求侧响应的内容［2-4］。

智能配电网是比主动配电系统涵义更广的概念。主动配电系统只是重点反映了智能配电网的一个重要特征，即主动性。智能配电网是体现了高度的灵活性、经济性、安全性和智能化的高级配电系统。主动性只是智能化的其中一种表现形式。智能配电网是配电网发展的一个终极目标，智能配电网的建设不是一蹴而就的，而是一个动态的不断发展和完善的过程。

综上所述，主动配电系统相关的概念关系，如图1所示。

主动配电系统所涉及的范围广泛，包括内容也非常多，国内外已开展了较多的研究［5-10］。本文重点按照预测层、控制层和服务层这3层递进关系，对主动配电系统相关的几个关键技术进行重点阐述，其各个内容之间的关系如图2所示，下文将展开详细叙述。

图1 主动配电系统相关概念关系图Fig.1 Diagram of the relationship among the related concepts of active distribution system

图2 主动配电系统关键技术关系图Fig.2 Diagram of the relationship among the key technologies of active distribution system

2 主动配电系统的态势感知与预警技术

2.1 主动配电系统的不确定性建模与分析技术

虽然从可再生能源和清洁能源利用的角度来看，分布式电源优势明显，需要大力提倡和发展。但从电网的角度来看，由于风力发电、光伏发电等属于间歇式电源，这些分布式电源的随机性和间歇性特点，使得含分布式电源和微网的电力网络的规划、分析和优化运行都不同于传统的电力网络。未来需要在思路上有所创新，要求在传统确定性分析方法的基础上考虑更多不确定因素的影响。尤其在配电网络之中，存在更多的不确定性因素。配电系统的负荷种类繁多、变化频繁，时常发生的故障或检修等原因会导致网络的连结方式发生改变，所有这些不确定性因素的影响，使得配电系统中经常得到的是不确定性的信息。另外，在未来实施配电侧电力市场条件下，受电价尤其是实时电价调节作用的影响，电力用户会以小型储能、分布式电源或户内用电负荷调整的方式参与电能调节，使得系统规划和运行中的不确定因素大大增加。传统的优化分析方法需要各物理量的准确的点值信息，而分布式电源发出的电能、用户消费的负荷功率时刻都会发生较大的波动变化，难以预知其准确的数值。同时，传统优化分析方法得到的优化结果往往依赖于所给的具体点值，受参数变化的影响较大，优化结果的适应性和可信度差，难以适应系统结构和状态的变化，一旦条件改变，其优化的效果和性能会大大降低，有时甚至适得相反。因此，研究考虑不确定性的建模和分析方法十分必要。

2.2 主动配电系统的大数据分析技术

近年来，大数据(Big Data)技术已经在全球学术界、工业界和各国政府得到高度关注和重视。2012年3月，美国政府发布了“大数据研究发展创新计划”，并投资2亿美元启动大数据技术研发。紧跟全球大数据技术发展的浪潮，我国政府、学术界和工业界对大数据也予以了高度的关注。目前，大数据技术在全球的工业界、学术界和各行业领域迅猛发展。在信息技术应用较早、数据积累较多的行业，如互联网、电信、金融等领域，大数据技术已经初步显示出对行业的颠覆性影响。近年电力行业的数据资源开始急剧增长并形成了一定的规模，对大数据技术也产生强烈的需求。具体表现为:数据量由TB级向PB级发展，面临数据高性能存储和高可扩展性挑战;公司业务向智能化精细化方向发展，对复杂数据处理和实时性提出更高要求;跨业务、跨平台的数据处理和分析能力需要进一步提升。然而目前仍鲜有研究的是关于利用大数据技术解决电力系统，特别是配用电系统的上述问题。

大数据软件体系结构可分为数据采集与预处理、数据存储和管理、数据分析和挖掘等几个方面。在数据采集和预处理方面，针对管理信息系统中的异构数据集成、Web系统中的实体识别和DeepWeb集成、传感网络数据融合技术已有很多研究工作，如Data Flux、Data Stage等。在大数据存储和管理方面，当前普遍采用的是分布式文件系统和分布式数据库。分布式文件系统涉及高效元数据管理技术、存储可扩展技术、针对负载的存储优化技术、基于存储器件的优化技术等;分布式数据库包括事务型数据库、NoSql数据库和分析型数据库。当前大数据处理的典型技术包括HBase和Hive等查询分析系统，MapReduce和Hadoop等批处理系统，S4和Storm等流处理系统，Pregel等图计算系统。由于大数据处理的多样性和复杂性，学术界和工业界不断研究和推出新的大数据计算模式和平台，重要的发展趋势包括Hadoop平台与其他计算模式的融合、多样性混合计算模式、基于内存的大数据处理技术。数据分析和挖掘技术方面，针对Hadoop分析功能薄弱的特点，IBM将R语言与Hadoop进行集成，Apache推出了基于Hadoop的算法库Mahout，能够完成的频繁项集、分类、聚类等传统机器学习和数据挖掘任务。虽然大数据处理技术得到了很大的发展，但是还需要进一步研究原先由于软硬件限制而无法实现的数据分析和挖掘方法，如大规模的关系和时序数据的分析处理。另外，配用电大数据应用存在各种类型的混杂数据、不同特性的分析任务以及严格的服务响应需求，这对大数据体系架构和处理技术提出了新的要求。

主动配电系统采集的数据包括输、配、用以及用户侧的分布式电源、微电网、电动汽车等，具有海量、数据更新速度快等大数据的固有特性，合理利用大数据技术为主动配电网做支撑，是一个较好的应用范例。

2.3 主动配电系统的云计算技术与云平台构建

云计算技术是Google公司于2007年提出的一种基于网络的计算模式，在各行各业得到了迅猛发展。Google、Microsoft、IBM、亚马逊、阿里巴巴、甲骨文、腾讯等国际国内各大IT公司相继结合各自原有产品的特性推出了相关的公有云、私有云和混合云系列产品及服务。云计算作为一种新兴的计算模式，是分布式处理、并行处理和网格计算技术的深入发展，可以认为是基于网络的超级计算模式。云计算技术通过互联网将各种广域异构计算资源整合，形成一个抽象的、虚拟的和可动态扩展的计算资源池，再通过互联网向用户提供计算能力、存储能力、软件平台和应用软件功能。云计算技术能够提供安全可靠的信息存储，方便快捷的互联网服务和强大的数据处理能力，是下一代网络技术平台的核心技术。与传统计算模式相比，云计算技术主要优势有:能够整合大规模异构计算资源，易于动态扩展，虚拟化服务，以互联网为基础的通信平台，有很强的规模经济效益。

随着智能电网的发展建设，我国电力行业也正在将云计算技术应用于电力系统的调度、生产、管理、系统仿真、新能源的监控等各个相关方面，涉及到了潮流分析、不良数据辨识、电力调度综合监控、继电保护整定、设备管理、数据灾备、电力仿真等诸多方面，并取得了一些研究成果。

传统的配电系统计算分析平台存在一定局限性。随着智能配电网的建设，高级量测系统、相角测量单元(PMU)、智能电表，甚至各种智能家电的嵌入式系统都可能向配网调度中心提供大量的实时运行信息，其数据量惊人，以系统现有处理平台的信息处理能力将不足以完成对海量数据流的存储和分析功能。云平台可以有效解决大量信息存储的问题。

云计算技术在主动配电系统分析中具有广泛的应用前景。云计算技术能够全方位地应用于配电网的规划、建设、运行管理、实时监测、海量数据存储、智能分析等方面并发挥巨大作用。以云计算技术在主动配电选题快速建模分析与仿真方面的应用为例。一方面，可以将云计算技术借鉴应用到主动配电系统的建模分析和仿真算法中去，以实现主动配电系统的快速仿真分析;另一方面，可以按照主动配电系统的特点和要求开发适合主动配电系统仿真的云计算平台。为主动配电系统的快速分析和仿真提供一个可靠高效的计算平台。云计算与智能电网一样，不单单是一个概念，更重要的是一种应用与实践。一个好的理念需要付诸实践才能发挥其巨大的效益。因此，开展云计算这一新兴技术在主动配电系统方面的应用研究工作，具有重要的理论意义和工程应用价值。

主动配电系统运行和控制兼顾输、配、用以及用户侧的分布式电源、微电网等电力系统的多个方面，所涉及的IT设备也将包括大型服务器、小型机、刀片服务器、普通PC机等多种异构的设施，合理融合这些设备，高效利用其作用是主动配电系统的建设目标，于是，云计算技术成为整合传统配电网的基础设备层，为系统的快速可靠控制提供实施平台的一种有效方式。

3 主动配电系统的自适应分层分布式智能控制技术

主动配电系统的自适应分层分布式智能控制是旨在适应分布式电源、微电网、电动汽车、柔性负荷等具有主动特性的元件接入传统配电网后的运行和控制。

由于主动配电系统的监管范围遍布输-配-用电各个环节，所涉及的计量表计、通信传输设备、二次保护设备等设备类型多样;所采用的通信方式兼顾光纤、以太网、GPRS、RS485、RS422等多种形式，其数据传输的速度和响应时间也各不相同，因此，在实际的运行和控制过程中，将面临时滞、通信阻塞、设备故障、事件响应延缓等诸多运行和控制的协调问题。追究其产生如此多控制协调问题的实际原因，一方面是当前配电网的实际现状，无法即时满足新技术的快速推广应用，由于电网的发展一直具有延续性，新老设备和技术并存是一个无法回避的实际问题，各种不同类型和层次的设备、技术在配电网运行和控制会交错存在;另一方面是配电网运行和控制目标(可靠性、经济性和安全性等)太多，并且其等式和不等式的约束条件参数获取范围太广，而控制中心的终端与控制中心的直接对接的通信网络速度太慢，存在高速公路与乡间小路的对接问题。

自适应分层分布式智能控制技术，是一种自上而下的控制策略架构，最高级的控制中心仅仅控制最主要目标因素并对下一级的控制效果进行合理归类和合并，同时，每一级控制中心仅仅关注各自的一个或者几个重要的控制目标，如此依次按照以实现最主要目标的控制策略运行，直至最终目标由系统最终端的控制单元设备进行具体实现。

终端控制单元，具有较强大的功能，一方面采集系统现场运行一次、二次设备的运行参数，并根据预先设定运行目标进行就地就近控制，以保障现场稳定运行;另一方面自适应优先响应上一级下发的控制指令，并结合当前现场设备的运行状态，采用启发式的高级寻优算法，进行自适应的现场响应。

采用如此的层级分明、目标明确的自适应分层分布式智能控制架构，可以有效解决通信链路阻塞、信息不流通等所致的控制目标无法实现的主动配电网运行与控制问题。

多智能体技术是实现自适应分层分布式智能控制的一个有效手段。智能体是一种具有独立求解问题能力并能适应环境，与环境中的其他智能体相互通信协作共同完成其特定任务的自治实体。多智能体系统就是由这样一组智能体组成的联盟。联盟中的智能体之间可以为了各自的目标进行协作和竞争，每个智能体都具有独立的运行能力。多智能体的这些特点非常适合主动配电系统这样复杂的、多维的、系统的分布式智能控制。

4 主动配电系统的互动化服务技术

4.1 多微网协同调度技术

在电网侧方面，主动配电系统的互动化特性主要体现在分布式电源、微网及区域多微电网参与配电网的协同调度。

分布式电源、10 kV中压微电网和0．4 kV低压微电网、多类型负荷等通过不同的电压等级相互连接，从而形成了一个具备能量流、信息流和业务流而融合为一体的中低压嵌套式的区域多微电网，其接入配电网一方面将对配电网的调度运行带来逆功率、PCC电压越界、频率波动等诸多问题，也给配电网带来了活力，使传统配电网转化为具有互动化操作平台和基础的主动配电网;另一方面区域多微电网内部的多类型分布式能源、多类型储能与多类型负荷等，彼此之间的嵌套、并列、分散多点接入等运行方式，也使为保持其稳定运行的协同调度技术面临很多新挑战。

多微网协同调度技术是一个多目标多约束的非线性实践问题，其目标包括分布式电源、微电网及区域多微电网的能源利用率、供电可靠性、通信可靠性、电能质量、经济效益、节能减排、可再生能源利用率等，其约束条件有潮流约束、电压约束、频率约束等多方面;同时，还有兼顾系统的通信时滞、设备的响应时滞、不同时间响应常数设备的同步控制等诸多问题;以及分布式电源、柔性负荷的非线性特性等。因此，多微网协同调度技术将会使主动配电网的互动化功能具有了智慧的大脑，能够为主动配电网互动化功能在电网侧的实施，提供有效的支撑。

4.2 用户互动技术

在用户侧方面，“灵活、互动”是主动配电系统的重要特征。其中，灵活包括两层含义，其一为快速响应市场变化和客户需求，包括满足客户多元化、个性化需求，充分利用电网资源为客户提供增值服务。其二为支持新能源新设备接入，实现各种不同容量的分布式电源、电动汽车、储能装置等新能源新设备的“即插即用式”接入。互动同样包含两层含义:其一是用电信息的互动，是指采用现代通信与信息技术，实现用电及电网信息在供电企业与用户之间即时交换;其二是电能的互动，是指用户根据各种激励措施调整用电方式，并应用自备分布式电源的市场参与行为。

用户互动技术的具体实现的设备层面，主要是通过将供电侧到用户侧的重要设备，通过灵活的电力网络和信息网络相连，形成高效完整的用电和信息服务体系，通过互动化策略，调动用户参与需求响应或直接进行远程优化控制，实现电力负荷的柔性化，指导用户或直接进行用电方式优化，支撑供电侧的可靠、经济运行。因此，主动配电网系统在用户层的互动化，将重点在于用户侧的设备层面的互动化技术的支撑。

4.3 满足用户差异化需求的主动调度技术

主动配电系统在服务层面的互动化，主要体现在能够针对用户对供电可靠性和电能质量的差异化需求，对用户现状进行即时评估，采取主动的调度措施，满足用户的合同要求。

电网的发展，势必导致不同的设备组成、不同的用户构成和不同的服务诉求，用户主动参与电网，以及电网主动的响应用户，将形成主动配电系统面临的主调旋律。深入开展针对不同的差异化用户，所供选择的区别化的主动调度技术研究，将成为主动配电网服务层面的一个关键问题。

5 结论

本文按照预测层、控制层和服务层这3个层次，具体分别对应主动配电系统的态势感知与预警技术、主动配电系统的自适应分层分布式智能技术和主动配电系统的互动化服务技术对主动配电系统的相关关键技术进行了详细阐述，为主动配电系统的发展提供了一种思路。另外，对于主动配电系统中涉及的系统信息安全、用户信息隐私等信息安全方面也是将来主动配电系统在运行和维护过程中面临的实际难题，也是有待深入研究和探讨的课题。

［1］王守相，王成山．现代配电系统分析［M］．2版．北京:高等教育出版社，2014．

［2］CIGRE Task Force C6．11．Development and operation of active distribution networks［R］．2008．

［3］范明天，张祖平，苏傲雪，等．主动配电系统可行性研究［J］．中国电机工程学报，2013，33(22):12-18．Fan Mingtian，Zhang Zuping，Su Aoxue，et al．Enabling technologies for active distribution systems［J］．Proceeding of the CSEE，2013，33(22):12-18．

［4］徐丙垠，李天友，薛永端．主动配电网还是有源配电网［J］，供用电，2014(1):18-20．Xu Binyin，Li Tianyou，Xue Yongzhuan．Active distribution netw ork or not［J］．Distribution＆Utilization，2014(1):18-20．

［5］尤毅，刘东，于文鹏，等．主动配电网技术及其进展［J］．电力系统自动化，2012，36(18):10-16．You Yi，Liu Dong，Yu Wenpeng，et al．Technology and its trends of active distribution netw ork［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2012，36(18):10-16．

［6］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．Liu Guangyi，Huang Renle．Operation control technology of acitive distribution network［J］．Distribution＆Utilizaiton，2014(1): 30-32．

［7］王成山，王守相．分布式发电供能系统若干问题研究［J］．电力系统自动化，2008，32(20):1-4，31．Wang Chengshan，Wang Shouxiang．Study on some key problems related to distributed generation systems［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2008，32(20):1-4，31．

［8］尤毅，刘东，钟清，等．多时间尺度下基于主动配电网的分布式电源协调控制［J］．电力系统自动化，2014，38(9):192-198，203．You Yi，Liu Dong，Zhong Qing，etal．Multi-time scale coordinated control of distributed generators based on active distribution network［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2014，38(9):192-198，203．

［9］邵成成，王锡凡，王秀丽，等．主动配电系统与主网的有功协调［J］．西安交通大学学报，2014，48(11):59-63．Shao Chengcheng，Wang Xifan，Wang Xiuli，et al．Real pow er coordination between active distribution systems and main grid［J］．Journal of Xi’an Jiaotong University，2014，48(11):59-63．

［10］刘一兵，吴文传，张伯明，等．基于混合整数二阶锥规划的主动配电网有功-无功协调多时段优化运行［J］．中国电机工程学报，2014，34(16):2575-2583．Liu Yibing，Wu Wenchuan，Zhang Boming，et al．A mixed integer second-order cone programming based active and reactive power coordinated mutli-period optimizatin for active distribution network［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34(16):2575-2583．

Key Technology of Operation and Control of Active Distribution System

WANG Shouxiang，GE Leijiao
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Active distribution system is a concept proposed under the background of smart grid．Based on the clarification of relevant concepts of active distribution system，this paper summaries and outlooks the developmentof the key technology of operation and control of active distribution system from three levels of anticipate level，control level and service level．They mainly include the situational awareness and early warning technology，the adaptive hierarchical distributed intelligent control technology，and interactive technology for active distribution system．

active distribution system(ADS);smart distribution grid;smart grid;cloud computing;big data

TM 727

A

1000-7229(2015)01-0085-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.013

2014-12-10

2014-12-18

王守相(1973)，男，工学博士，教授，博士生导师，研究方向为分布式发电、微网与智能配电网;

(编辑:张媛媛)

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA052003);国家自然科学基金项目(51361135704，51377115)。

葛磊蛟(1984)，男，博士研究生，研究方向为智能配电网与不确定性仿真。