主动配电网与需求侧管理

董振斌，高　山

（1.国网江苏省电力公司，南京　210024；2.东南大学 电气工程学院，南京　210096）

◆本刊专稿◆

主动配电网与需求侧管理

董振斌1，高山2

（1.国网江苏省电力公司，南京210024；2.东南大学 电气工程学院，南京210096）

随着全球经济的发展，能源需求的不断增长，为应对传统能源紧缺以及气候变化、环境污染等问题，以风能、太阳能、生物质能为代表的可再生能源和以电动汽车为代表的清洁能源汽车得到快速发展。

传统的配电网依靠规划的网络结构和较大的容量裕度来应对负荷的不确定性，但是随着分布式能源渗透率和未来电动汽车使用量的不断提高，传统配电网简单的控制方法已经不再适应［1］。为应对这一电力需求现状，主动配电网（active distribution networks，ADN）及其技术研究应运而生，以达到加大对可再生能源的接纳能力、提升配电网资源的利用率和提高供电可靠性等目的。从供应侧看，可再生能源的渗透率提高给配电网带来了新的挑战和问题；而从需求侧看，不断发展和成熟的需求侧响应机制能促使用户根据实时供用电情况来改变电量消费行为，因此在配电网中引入需求响应机制能够显著提高配电网的灵活性。本文梳理主动配电网相关研究成果，介绍需求侧技术在主动配电网管理中的应用和发展要求。

1　主动配电网的基本概念

2006年，国际大电网会议（international council on large electric systems conference international des granel reseaux electriques，CIGRE）配电及分布式发电研究委员会（C6）成立了C6.11工作组，2008年该工作组在“主动配电网的发展与运行”研究报告中首次提出了ADN的概念［2］。

CIGREC6对主动配电网的基本定义是：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］。

CIGREC6.19工作组2012年在“主动配电系统规划与优化方法”的研究报告中将主动配电网的概念扩展为主动配电系统（active distribution system，ADS），强调未来配电网是具备对由分布式发电、储能、可控负荷组成的分布式能源进行主动控制和优化运行的有机整体，更全面地反映由具备主动响应和主动控制能力的新型“源—网—荷”构成的未来配电系统的特征。图1显示了分布式能源的基本构成。

图1　分布式能源的基本构成

由图1可知，分布式能源（distributed energy resources，DERs）主要包括：分布式电源（distributed generator，DG）、分布式储能系统、可控负荷等。其中DG主要为可再生能源，包括光伏发电、风力发电、潮汐发电、地热发电等；可控负荷主要为电动汽车（electric vehicle，EV）、响应负荷（responsive load，RL）等。响应负荷由于可以根据电价和互动信息等调节自身负荷需求，具备了参与配电网有功、无功协调的能力，即响应负荷可以看成是具有发电和消费双重身份的生产性负荷，也成为一种分布式能源。

2　主动配电网的现实意义

面对资源环境与节能减排的双重压力，电力工业亟待低碳转型。主动配电网利用先进的信息与通信技术、大数据处理技术以及电力电子技术对规模化接入分布式能源的配电网进行主动管理和控制，并且能够主动的自主协调控制各种DG单元及需求侧资源（demand side resource，DSR），在确保配电网的安全经济运行情况下最大可能地利用现有资产和电网设备，满足负荷的变化和分布式能源接入的需求，为实现分布式可再生能源大规模并网与高效利用提供了一种有效解决方案，对支撑低碳经济发展具有重要战略意义。

对分布式能源供应商来说，主动配电网的投运，可解决可再生能源的消纳问题，提高可再生能源渗透率，可以较好提高节能减排水平。

对用户和消费者来说，灵活接入主动配电网，意味着更高的供电可靠性和供电质量，享受高品质电能质量服务、电动汽车充电服务、能效服务和智能家居服务。主动参与需求响应和电网运行，不仅能大大提高用电的自主性，也能直接节约电费支出。

对电网企业来说，主动配电网的投入将使运营成本大大降低。高效运行的主动配电网可以提高电能传输效率和电网资产利用效率，带来节能效益和投资效益；综合能源协同则可有效解决地区输配电能力不足等问题，保证电网稳定可靠运行；需求响应调度还可以进行有效的移峰填谷和负荷控制，对各级电网可靠性起到支撑作用。

3　主动配电网的典型结构

（1）ADN的物理架构。ADN一次系统物理架构主要基于“源—网—荷”三元结构，“源”包括各类分布式电源，如：热电联供、风力发电、太阳能光伏发电、小水电和其他可再生能源、各种存储设备及其附属设施；“网”主要指高低压配电柜、变压器、电线电缆、开关等设施；“荷”主要指用户侧的用电设施。此外，“储”主要指各种能存储电能的用电设施，兼有“源”与“荷”的双重特性。ADN二次系统物理架构包括信息通信系统、传感监测系统、自动化系统、能量管理中心等设施。

（2）ADN的技术架构。ADN技术主要体现在主动规划（active planning，AP）、主动控制（active control，AC）、主动管理（active management，AM）、主动服务（active service，AS）、主动响应（active response，AR）和主动参与（active join，AJ）6个层面［4］。

主动规划：采用“源—网—荷”三元结构规划，同时将一次规划与二次规划高度融合在一起进行协同规划，基于概率性高效规划方法，实现风险性与经济性的优化统一，不仅提高配电网设备的投资回报率，延缓了配电网投资扩容周期，还大大提高配电网对分布式能源的消纳能力。

主动控制：基于预测、状态感知和优化协调的控制理念，在直接负荷控制和非直接负荷控制2种策略的前提下，综合监测和集成各类分布式资源，包括用户侧可控、可调资源，电网侧开关、调压器、AVC、蓄能设施等，结合预测方法，实现对ADN“源—网—荷”的协调控制。

主动管理：体现在对各类分布式资源的主动实时监测和“源—网—荷”的主动控制，以及在灵活运营技术与需求侧管理技术2个方面。灵活运营技术是积极发挥灵活电价的市场作用，实现用户侧方面的用电负荷自行调节；需求侧管理技术是通过需求侧各类分布式资源、负荷的有机协调集成，形成高效率的综合单元（如：微网），由能量管理运营商对内实现协调控制，对外实现能量交换效率最大化，双方共赢。

主动服务：根据客户需要提供满足其需求的定制电力服务、高品质电能服务；为客户积极参与需求响应、改善能效提供技术支撑，以及实现“即插即用”服务；充分利用ADN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全面的互动互惠。

主动响应：开展需求侧响应，使电动汽车、空调、电热水器等可调负荷参与电网运行控制，达到移峰填谷、改善电网负荷特性，提高电网资产利用效率。

主动参与：激励广大分布式能源改善调节控制能力，实现分布式电源与电网的友好互动，提高可再生能源的消纳率和渗透率。

（3）ADN的信息架构。ADN信息架构主要体现在3个方面，第一个方面是各类可控资源（包含源、网、荷、储4个方面的控制资源）信息采集单元、控制单元与主动控制系统之间的通信与信息交互，实现主动控制；第二个方面是电网侧与用户侧、分布式电源侧三者间的信息交互平台，实现需求侧集成；第三个方面是电网侧能量交易管理与用户、能量管理运营商进行市场信息交互，实现交易。

4　需求侧管理在主动配电网中的作用

在主动配电网“源—网—荷”的三元结构中，可控负荷是其中重要的一员，需求侧管理已成为主动配电系统运行和管理的内在组成部分。良好的需求侧响应实施技术是达到供需侧资源的有效整合、实现主动配电网安全、高效、稳定运行的重要基础。

需求响应的概念是美国在进行了电力市场化改革后，针对需求侧管理如何在竞争市场中充分发挥作用以维护系统可靠性和提高系统运行效率而提出的，广义上指电力市场中的用户针对市场价格信号或者激励机制做出的响应，并改变正常电力消费模式的市场参与行为。

美国于2005年发布的《能源政策法案》，明确规定将大力支持DR的实施与发展。美国能源部和联邦能源监管委员会基于美国国会2007年颁布的《能源独立和安全法案》对DR开展了大量的研究工作。美国多个独立系统运营商ISO以及电力公司都展开了基于市场的DR运作项目。美国在DR实施初期已取得一定成效，2013年美国全年的需求侧响应资源满足了7.2%（7 200 MW）的高峰负荷需求，较2010年提高了22%［6］。

欧盟ADDRESS示范工程2008年开始实施，历时4年，11个国家参与，重点研究了智能电网理念下以“主动需求（active demand，AD）”为核心的用户侧需求主动响应技术。该示范工程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主动管理技术，验证了AD对系统效益的积极作用。

CIGRE C6.19工作组的工作目标之一是研究需求侧集成对于主动配网规划的必要性和有益性［7］。文献［8］从降低成本、市场效益、用户服务、市场能源调整、风险管理、环境保护、系统安全性和可靠性、可中断负荷以及产销合一消费者等方面对需求侧集成所面临的挑战以及对各参与者的影响进行了全面的分析。文献［9］探讨了怎样使灵活需求（需求响应、需求侧管理）和分布式发电、储能技术和未来智能电网更好的结合，还指出一体化将提升需求响应、需求侧管理和分布式发电的价值，减少可再生能源的间歇性在实际电网和电力市场中带来的问题。与现存的技术和网络结构相比，一体化之后的网络引入DSM，并将配电网络与传输网络集合，采用分布控制降低了网络总的容量和排放量。

我国当前的电力需求响应工作主要体现在缓解用电缺口方面，以有序用电为主要措施，同时峰谷分时电价和阶梯电价在全国也已经大规模应用，但是基于价格和激励的需求响应措施实施仍有待深入研究。随着我国转变经济增长方式的进一步推进，逐步推广以可中断负荷、尖峰电价为代表的多种形式的需求响应措施已成为政府与公众的共识。

需求侧响应措施的有效实施需要相关的技术作支撑［11］。需求侧响应市场容量的增长将主要取决于其基础设施的成本、功能和自动化程度。为了促进主动配电网的双向互动运行，需求侧响应需要获得进一步的技术支持，包括：具有双向通信功能的分段式电能表；多层次的顾客友好型通信途径；能提供近乎实时的分段负荷数据，分析相对于基准情景的负荷削减绩效，以及为用户侧管理人员提供能源诊断从而提供可能的负荷削减目标等能源信息工具；满足在高电价或电力系统紧急情形下的最优需求削减策略；在终端消费层面能方便实施最优化自动负荷削减功能的植入式能源管理控制系统；满足紧急负荷备用或用作主电源供应的现场发电设备。主动配电网中分布式电源及大规模可再生能源并网以后，造成的波动往往需要电网调度部门在短时间内利用供应侧和需求侧资源对系统运行状态进行调整。对于需求侧响应资源来说，需要构建需求侧响应技术支持系统，实时监控供用电情况、整合供需双方数据信息、建立双向信息流、实现客户数据智能分析决策，使得需求侧资源能够在短时间内对系统波动做出反应。

需求侧响应技术支持系统需要一个具有信息共享、功能相连的整体结构。通过制定需求侧响应通信协议，使各相互联系的系统之间按照特定的传输协议保持数据通信及信息共享，实现数据双向交换功能，为需求侧响应整体的实施和开展提供一个公用的、开放式的、标准化的技术接口。同时，在功能上，需求侧响应技术支持系统能够对需求侧响应信号作出自动响应，安全、可靠、连续地实现信息双向流通；将需求侧响应事件信息自动转化为互联网信号，在控制设备、照明设备中实现互操作性；当接收外部信号时，预先设置好的需求侧响应策略实现自动化启动；通过已构建的数据模型和体系结构传达价格、负荷特性、系统运行状态等其他需求侧响应活动信号。

基于主动配电网的特征，需求侧响应技术支持系统应包含实时监控、实时发布、双向信息交流以及紧急处理等功能。依托以上设施功能，电网调度部门能够实现电力用户与电网企业的互动与操作，对需求侧响应资源实时控制，及时协调配合电网侧资源，更好地应对由于主动配电网中可再生能源并网造成的系统短时间波动，或者紧急情况的出现，保证主动配电网安全、经济、稳定运行。

5　结束语

主动配电网是实现高渗透率可再生能源接入、供需侧资源有效整合的有效手段，以可控负荷、需求响应为代表的需求侧管理措施已成为主动配电网运行管理的有机组成部分，是主动配电网主动规划、主动控制和主动管理等主要技术措施实现的重要基础。

为了满足主动配电网的有效推进和顺利运行，要进一步推动我国需求侧响应项目的实施和推广，加强需求侧响应实施技术保障，研究适应主动配电网的需求响应激励措施、需求响应模式、用户需求响应潜力评估、需求响应效益评估、灵活负荷优化策略等关键技术，为实现主动配电网互动和主动控制奠定基础。D

［1］ 范明天，张祖平，苏傲雪，等.主动配电系统可行技术的研究［J］.中国电机工程学报，2013，33（22）：12-18.

［2］ 马钊，梁惠施，苏剑.主动配电系统规划和运行中的重要问题［J］.电网技术，2015，39（6）：1 499-1 503.

［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.

［4］ 刘广一，张凯，舒彬.主动配电网的6个主动与技术实现［J］.电力建设，2015，36（1）：33-37.

［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.

［6］ 曾鸣，韩旭，李博.促进主动配电网运行的需求侧响应保障机制［J］.电力建设，2015，36（1）：110-114.

［7］ 谢珍建，于乐，归三荣，等.国外需求响应技术在主动配电网中的应用［J］.电力需求侧管理，2015，17（2）：59-60.

［8］Silvestro F，Baitch A，Pilo F，et al.Demand side integration aspects in active distribution planning［C］∥ 22nd InternationalConferenceonElectricityDistribution，CIRED，2013：1-4.

［9］ Farmad H S，Biglar S.Integration of demand side management，distributed generation，renewable energy sources and energy storages［C］∥Integration of Renewables into the Distribution Grid，CIRED 2012 Workshop，2012：1-4.

［10］ 王冬容.激励型需求侧响应在美国的应用［J］.电力需求侧管理，2010，13（1）：74-77.

［11］ 王蓓蓓，李扬.面向智能电网的电力需求侧管理规划及实施机制［J］.电力自动化设备，2010，30（12）：19-24.

（本栏责任编辑徐文红管永丽）

The active distribution network and the demand side management

DONG Zhen⁃bin1，GAO Shan2
（1.State Grid Corporation DSM Instruction Center，Nanjing 210024，China；2.Southeast University，Nanjing 210096，China）

介绍主动配电网的基本概念、现实意义及其基本架构，阐述电力需求侧管理在主动配电网中的作用，提出主动配电网是实现可再生能源高渗透率接入、整合供需侧资源的有效手段。

主动配电网；“源—网—荷”三元结构；需求响应

The article introduced the basic concept，practical significance and the basic framework of the active distribution net⁃work，illustrated the roles of DSM in the active distribution net⁃work，put forward that the active distribution network is an effec⁃tive means to realize the high permeability access of renewable en⁃ergy and to integrate the supply and demand side resources.

active distribution network；“source⁃network⁃load”tri⁃structure；demand response

TK019；TM727

B

2015-10-29