主动配电网规划关键问题研究

严艺芬吴文宣,2张 逸

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 3501081；2.国家电网福建省电力有限公司，福州 350007；3.国家电网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350001）

主动配电网规划关键问题研究

严艺芬1吴文宣1,2张 逸3

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福州 3501081；2.国家电网福建省电力有限公司，福州 350007；3.国家电网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350001）

随着大规模分布式电源接入配电网，主动配电网已成为未来配电网的发展趋势。本文分析了主动配电网与传统配电网规划的区别，在此基础上提出主动配电网规划的基本流程；通过分析传统配电网规划的不足之处，进而论证了适用于主动配电网规划的关键要素，包括规划目标、主动管理措施、负荷预测与发电预测、规划方案综合评估。并对未来主动配电网规划研究方向进行了展望。

主动配电网；分布式电源；规划；关键要素

随着对环境质量的要求越来越高，人类迫于寻找改善环境的措施。其中，电力行业对环境的影响比重很大。因此，分布式电源（Distributed Generation，DG）得到了越来越多的发展。CIGRE C6提出了主动配电网（Active Distribution Network，ADN）的概念，即：通过使用灵活的网络拓扑结构来管理潮流，以便对局部的分布式能源（Distributed Energy Resource，DER）进行主动控制和主动管理的配电系统[1]。其中，分布式能源（DER）的基本构成是：分布式发电（DG）、分布式储能（Electrical Energy Storage，EES）、可控负荷（Controllable Load，CL）等[2]。

2012年，国家高科技研究发展计划（863计划）资助了ADN的研究，资助课题为“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”。2013年 3月20日，“国家能源主动配电网技术研发中心”成立。2014年4月22日，“主动配电网关键技术研究及示范”863课题在京启动[3]。我国已将ADN研究作为未来配电网的主要的研究方向，其中规划技术是ADN的关键技术之一。

DG接入传统配电网会带来很多问题，如电压波动问题[4]、损耗增加问题[5]、潮流反送[6]等，限制了对分布式电源的接纳能力。传统配电网规划只是针对最大负荷预测值采用最大容量裕度，从而在规划阶段就可以找到处理所有运行问题的最优解，其规划方法相对简单，资产无法充分利用，不具有灵活控制的特性[7]。ADN规划是在传统配电网规划的基础上对现有的配电网络进行改造，增加主动管理措施，提高DG的渗透率。

本文对 ADN规划关键问题的相关的技术进行阐述，并分析其未来的研究方向。

1 主动配电网规划

1.1 概述

范明天教授在主动配电网规划及优化方面做了很多相关研究，包括提出主动配电网规划流程[8]、传统配电网规划与主动配电网规划的区别[1]、信息与通信在主动配电网规划中的运用[7]；在规划算法上，有 Kruskal-遗传混合算法[9]、粒子群算法[10]、萤火虫算法[11]等。

1.2 主动配电网规划与传统配电网规划的区别

AND能控制和运行各种分布式能源，其中分布式能源包括DG、CL、EES等。随着大规模分布式能源接入配电网，ADN已成为未来的发展趋势。ADN能够提高系统对DG的消纳能力，能够促进终端用户主动参与系统运行的能力，能够有效提升能源综合利用率。

在传统配电网中，配电网规划主要考虑满足负荷需求，运行与控制模式都相对简单。而ADN不仅要满足负荷需求，且需综合考虑运行与规划相结合以获得更好效益。随着大量间歇式DG的接入，还应考虑发电预测。面对大量的不确定性，其运行控制方式也发生了很大变化。本文总结国内外研究，提出了见表1的传统配电网规划与主动配电网规划的区别。

表1 传统配电网规划与主动配电网规划的区别

规划是从源头上解决 ADN运行中可能存在的问题，是ADN的基础。传统的配电网规划并不考虑DG接入对系统的影响[12]，无法解决大量DG接入，而ADN需要采取主动规划、主动管理的方式，并且应该考虑间歇式DG的随机性，建立多场景规划模型。其中风电与光伏的出力可用以下模型进行考虑：并且应该考虑间歇式DG的随机性，建立多场景规划模型。其中风电与光伏的出力可用以下模型进行考虑：风速的概率分布常用两参数 Weibul1分布来描述，其概率密度函数可表示为[13]

式中，v为风速；k和c分别称为形状参数与尺度参数。

风电的有功出力与风速的关系可表示为

式中，Prated为DWG的额定功率；vci、vrated、vco分别为切入风速、额定风速和切出风速。

长期的太阳光照强度通常可近似看成 Beta分布，其概率密度函数可表示为[14]

式中，r为光照强度；rmax为最大光照强度；α和β均为Beta分布的形状参数。

给定太阳能电池方阵的输出功率为

式中，A为太阳能电池方阵总面积；η为方阵光电转换效率；r为实际光照强度。

1.3 主动配电网规划基本框架

ADN规划是在传统配电网的基础上进行改造、新建设备，使配电系统能消纳高渗透率的分布式电源。目前含DG的配电网规划很多，可分为了网架规划[15-16]、DG的选址定容[17-18]、综合协调规划[19]。虽然这些方法得到广泛运用，但是并不适合 ADN规划。传统配电网规划方法相对简单，没有考虑主动性，忽略储能与DG的配合，且没有考虑ADN不同建设投资主体，因此配电网设备容量得不到高效利用，且不具有灵活控制措施，特别是对于具有不确定性的DG及负荷等。据此，ADN的规划基本步骤如图1所示。

图1 ADN规划基本框架

规划关键技术如下。

1）收集信息：包括用户的基本信息、当地的天气情况、地理位置以及当地经济情况等。

2）负荷、发电预测：在AND规划中不仅需要进行规划年负荷预测，且应进行发电预测。两者的准确性直接影响设备投资情况，是配电网规划的基础；故应进行滚动预测，减少误差大小。

3）现有配电网分析：在传统配电网的基础上进行ADN规划。结合历年的信息分析，现有的配电网是否符合供电需求，从而确定是否需要新建或扩容。

4）规划方案研究：根据不同的研究目标确定规划方案。

5）评估规划方案：建立适用于ADN的规划方案指标体系，如经济、网损、电压、渗透率等。

6）决策：即运用决策方法选择实施方案。

2 主动配电网规划关键问题

2.1 概述

ADN规划是在传统配电网的基础上进行设备的改造、扩建，优化现有的配电系统，建立包含分布式发电、新型负荷等多要素的主动配电网规划模型，建立考虑可靠性、充裕度、渗透率等多个维度的目标函数，运用启发式、智能式算法求解模型。

2.2 规划目标

与传统配电网规划目标不同，ADN规划应考虑包含经济性、可靠性、电能质量、DG的渗透率等多个维度的优化目标，建立包含 DG、柔性负荷、EES等多要素的ADN规划模型。

文献[20]从配电公司的角度建立了以经济性最优为目标的ADN规划方案；文献[21]考虑了间歇性DG的随进性，以经济性最优及间歇性DG年有效发电量最大为目标，建立ADN双层场景规划模型；文献[22]在主动管理模式的基础上，建立以年综合费用最小、DG出力切除量最小为目标的双层规划模型。

现有的研究大多由配网公司承担DG、ESS建设成本，这与目前国内的实际情况不符合。由区域能源供应商承担DG、ESS建设成本更加符合目前国内配电网的实际情况。如今在电力市场改革的大方向上，开放售电业务，竞争主体出现多样，对用户有更多的选择权。电力市场改革后，对ADN技术的推广更加迫切。售电侧改革与电价改革，提高能源的优化配置及清洁能源消纳水平，提高供电安全可靠性。ADN规划目标应该打破传统配电网规划目标的局限性，可以从配电公司的角度出发，也可以站在区域能源供应商的角度考虑，或从用户方面考虑。文献[23]提出主动管理费用的概念，并建立了一个考虑DG运营商和配电公司不同利益需求的双层规划模型，运用具体算例进行计算，验证合理的主动管理措施可以提高 DG的渗透率；文献[24]考虑了DG运营商和配电公司的利益，建立了含多个规划目标的模型；文献[25]提出了一种适用于主动配电网规划-运行联合优化模型，考虑了承担 DG、ESS建设投资的区域能源供应商的营收状况。

2.3 主动管理措施

随着越来越多的DG接入配网，系统出现更多问题，包括功率越限、电压波动及可靠性降低等。传统配电网对DG采用的是“安装即忘记”的被动管理模型，限制DG的接入容量，阻碍了DG发挥重要优势。而 ADN所采取的是积极主动的管理方式，适用于大量DG的接入。主动管理措施有利于提高系统运行效率，在 ADN规划时就应该全面考虑，解决系统运行中可能存在的问题，使配电网的运行-规划相配合，提高系统的综合能效水平。

目前常用的主动管理措施[26]包括：①无功补偿；通过在DG接入点接入无功补偿装置，并调节无功大小进行主动管理；②调节有载变压器抽头。通过调节变压器抽头将电压控制在一定范围内；③调节DG出力。通过调节DG出力，改善潮流分布。

文献[27]在主动管理模式下，建立了主动配电网双层场景规划模型，并用IEEE 33节点配电网算例验证了模型的可行性；文献[21]基于主动管理措施下，建立了含DG的ADN双层规划模型；文献[28]基于主动管理模式下，提出一种多阶段优化方法来评估间歇性分布式电源的可开发程度。

2.4 负荷预测与发电预测

随着大量间歇式DG接入系统，由随机性产生的问题越来越多。传统配电网对DG的接入采取的是限制容量的措施，所以在规划时只进行了负荷预测，而忽略了DG的不确定性对配电网规划的影响。ADN是能接纳高渗透率DG的配电系统，不能忽略DG出力的随机性，因此负荷预测以及对间歇性DG发电预测的研究是ADN规划的关键技术之一。发电预测的目的是提供分布式电源的发电水平，规划该地区规划年供电情况，优化配电网络。发电预测不仅与当地天气、地理位置等相关，而且还与新型负荷密切相关。

可以将负荷分为可控负荷与不可控负荷。不可控负荷是指用电比较固定、不可以调节的负荷；而可控负荷指可以根据分时电价或是与电力公司协定进行调节、转移的负荷。可控负荷在ADN中具有削峰填谷，平衡电力的作用。在AND中进行负荷预测时，应该将负荷进行分类，对可控负荷与不可控负荷分别进行预测。传统配电网规划中的负荷预测是属于中长期负荷预测，而 ADN规划与运行紧密相关，所以ADN规划中的负荷预测不仅需要中长期预测，也要进行短期预测。常用的预测方法有小波神经网络、灰色模型预测、时间序列预测等。

文献[29]对ADN的负荷进行分类，提出负荷预测方法，并且DG的预测模型，在此基础上，分析了负荷预测和发电预测对 ADN规划的影响。文献[30]采样多维时间序列局部预测方法对光伏发电进行了预测；文献[31]建立了小波变换的月负荷预测模型，并用具体算例进行了预测。

3 规划方案综合评估

规划方案的评估包括方案的可行性评估、经济性评估、可靠性评估、风险评估等[32]。文献[33]研究了通过网络重构的方法，即静态重构和动态重构，提高主动配电网 DG渗透率，并评估此方法对 DG渗透率的影响；文献[34]提出电能损耗和电压质量两个指标，并证明在主动管理模式下可以优化这两个指标。

相比于仅用可靠性或经济性作为单一指标，综合评估运用多个指标更能全面反映 AND的能效水平，有助于准确找到能效提升点进而有效进行主动配电网规划。文献[35]从间歇式DG并网特性、ADN控制特性和运行特性，提出了ADN的指标体系，有利于ADN的推广运用；文献[36]提出是适用于AND的可靠性指标，并对ADN进行可靠性评价。

本文从ADN特征出发，研究了适用于ADN的评估指标体系如图2所示。

图2 AND评估指标体系

配电网规划方案评价是根据系统的特征，建立指标体系，对规划或建设项目做出总的评估结果。通过对规划方案综合评估，从而为下一步决策工作打下基础。所以建立主动配电网综合指标体系以评价规划方案才能更好的推广ADN规划技术的研究及运用。

目前，在规划方案决策方法主要包括：层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）[37-38]、多属性决策理论[39]、灰色关联法[40]及混合决策方法[41]等。其中AHP是在决策过程中对非定量事件做定量分析，将定量与定性相融合的有效决策手段[42]。而灰色关联法采用指标的实际值进行分析，结论比较精确。本文将两者融合对方案进行评价，可以优势互补，更科学地对方案进行决策。具体的规划方案评估过程如图3所示。

4 结论

ADN能接纳大规模间歇性DG的接入，已成为将来配电网的发展趋势。本文分析了AND规划与传统配电网规划的区别，提出ADN规划的基本流程；进而论证了ADN规划的关键技术：规划目标、主动管理措施以及发电预测的研究现状，在此基础上提出了规划方案综合评估指标体系。

图3 规划方案综合评价流程图

为了使主动配电网规划技术得到更广泛运用，还应对理论与实际深入研究。ADN规划技术在未来的研究应集中在主动管理措施、灵活网络拓扑结构、运行-规划联合优化等方面，提高配电网对DG的接纳能力。

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Important Issues in Planning of Active Distribution System

Yan Yifen1Wu Wenxuan1,2Zhang Yi3
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108;2.Sate Grid Fujian Provincial Electric Power Company Limited,Fuzhou 350001;3.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007)

As more and more distributed generation access to distribution network,the active distribution network has become the future development trend of the distribution network.This paper introduces the difference of planning between the active distribution network and the traditional distribution network,and proposes the basic process of the planning in active distribution network;Through the introduction of the deficiency of the planning in traditional distribution network,and then discusses the key elements of the planning in active distribution network,including planning objectives,active management measures,power prediction,comprehensive assessment of planning scheme.

active distribution network;distributed generation;planning;key element

严艺芬（1991-），女，福州省漳州市人，硕士研究生，主要研究方向为主动配电网规划。

国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2014AA051901）