能源互联网视角下的未来配电网发展

孙 可，张全明，郑朝明，任志伟，周 丹

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.浙江工业大学信息学院，杭州 310023）

0 引言

在全球气候变暖及化石能源日益枯竭的大背景下，大力发展能源互联网已成为世界各国能源体系转型升级的重要方向[1]。电能在传输利用上具有广泛性，同时也便于转换为其他形式的能量，因此未来能源互联网系统中电网注定成为主导网络。配电网络将从现阶段简单的配电网络发展到未来新型配电网络，该网络承担多种能源的转换、交替和利用，如电力、燃气、冷热[2]。因此，从能源互联网的角度构建一个安全优质、高效可靠、低碳绿色、智能互动的未来能源配送网络迫在眉睫。

能源互联网是一种新型的信息-能源整合“广域网”，它建立在互联网思想和理念之上。微电网和分布式能源等能源自治单元被用作“局域网”，通过开放的对等信息-能量集成架构实现双向按需传输和能量动态平衡。美国首先提出了能源互联网的概念并建立了FREEDM 系统[3]，德国为打造新型能源网络[4]制定了E-Energy 计划。目前来看，国内外的研究机构高度重视对能源互联网的研究，各级政府也将能源互联网的建设提到了国家层面。国内也越来越关注能源互联网理念、技术的发展，有关能源互联网基本概念的研究已逐渐成熟，现已开始转向能源互联网应用的启动阶段研究。文献[5]从发电侧、系统侧、用户侧出发分析了储能技术在能源互联网中的关键作用；文献[6]分析了未来能源互联网发展带来的电力体制改革，提出能源互联网不仅影响能源变动的发展方向，也是现阶段一些电力问题的解决途径；文献[7]归纳总结了能源互联网研究的既有定义、性能评价指标、研究方法，具体阐述了能源互联网的基本要素、时空尺度和技术特征；文献[8]对能源互联网的分层和分布式控制架构、能量互联网水平和垂直互联特性进行总结分析，并介绍了多智能体系统在能量互联网分布式优化中的应用前景；文献[9-10]从能源互联网的实施与评价等方面研究了多能源耦合方法、协同技术以及智能配电网规划评价指标和原则。这些研究揭示了能源互联网的几个重要组成内容，主要包括能源生产技术、能源转换技术、能源存储技术、能源传输技术、能源消费技术。

能源互联网对配电网的发展具有多元化的影响[11]，电力系统将在能源互联网中发挥主导作用。文献[12]基于能源互联网的概念和特征，指出电力系统是承担能源互联网功能的躯干部分；文献[13]分析了能源互联网的基本框架，结合未来电网的发展趋势，提出一种符合能源互联网结构的电网模型。文献[14]结合能源互联网的结构特征，提出面向能源互联网的主动配电网构建的原则及关键技术，并在此基础上提出了未来配电网的发展方向。供给侧、传输侧和需求侧构成了配电网的整体能流架构，能源互联网发展对配电网发展的影响可以从这三方面进行阐述。供给侧由于大量分布式发电能源的接入，以及不同类型能源的并网，使得能源互联网下多能流趋于并联互通；对供给侧的主要影响反映在能源互联网背景下大规模获取和使用集中、分散的分布式能源；在需求侧，能源互联网的发展将推动多元用电和电动汽车的发展。因此，能源互联网的建设对浙江配电网供给侧、传输侧和需求侧提出了新的要求。供给侧要求能够有效支撑大规模可再生能源的接入及高效利用；传输侧要求建设坚强配电网并具备能源互联网的新功能；需求侧要求基于智能互动手段实现多元化负荷的高效可靠供电。

目前，关于配电网建设发展和评估方法已有大量研究成果，但对能源互联网视角下的未来配电网发展趋势研究较少，有必要从能源互联网视角出发，对未来配电网的发展形态、发展路径进行研究，把握配电网当前发展阶段和重点任务，提出应对策略和相关建议，进而实现未来配电网适应和引领能源互联网发展的战略目标。文中的研究成果将优化和提升配电网的发展水平和供电服务水平，提高区域综合能源利用效率、促进可再生能源消纳。

1 能源互联网视角下的未来配电网发展形态

1.1 未来配电网基本形态

考虑到能源分配网络负责未来能源互联网中多种能源的相互转换、替代与利用以及与能源消费市场的互动，因此未来配电网要比传统配电网更加先进，图1 为未来配电网框架。

从未来配电网的框架可以看出：首先未来配电网对供电能力、传输效率与传输质量有更高的要求；其次表现为对各种能量之间的转换接口，以及与信息网络广泛连接的网络拓扑的要求；另外未来配电网将能够满足能源互联网的新型需求，也即满足能源网络负载存储协调、多能量协调和新控制形式的多需求效应协调。

1.2 暂态稳定控制策略响应特性仿真分析

电、气、冷、热是4 类具有代表性的能量流，能源互联网能量流动形态如图2 所示。

图1 未来配电网框架

图2 面向能源互联网的未来配电网能量流

（1）能量输入

未来配电网的输入能流主要包括3 部分：上级的输电网；上级的输气网；分布式新能源在本级网络并入的部分。

由于风、光等新能源的随机性较强，分布式能源并网的消纳不完全导致了现阶段存在弃风弃光现象。在能源互联网方案中，多集成也意味着多负载集成，其新的能耗能力得到了显著提升。因此，能源的浪费与产耗平衡将得到解决。

（2）能量转换

电、气、冷、热等能源接入配电网后，由能量交换器与多能源接口设备进行转换，再经由新型配电网络输入到用户侧。

现阶段的P2G 分为2 类，分别是用电制氢能源、用电制天然气。氢气的生产、消费技术仍不够成熟，对比之下，城市社区的天然气供应网络建设已基本完成，无需额外的规划投资。在已有管道网络的基础上，由P2G 装置生产的天然气可以及时并入配电网以给消费侧供能。能源互联网本身要求对不同能源具有兼容性，氢气的发展利用技术也将逐渐发展成熟，能源互联网也会吸纳氢气网作为其一部分。P2G 设备的典型反应过程如图3 所示。

图3 P2G 过程简图

CCHP 指利用火电厂发电过程燃料燃烧产生的废热烟气实现冷暖的转换，CCHP 系统基本结构如图4 所示。此过程并不需要额外为制冷、制热提供能源，在提高燃料利用率的同时，提供电、冷、热的能源供给。

图4 CCHP 系统基本结构

另外，不同的能量存储设备可以满足各种能量不同的储蓄要求，也成为不同类型负载的储备能量来源，并且集成的能量存储系统也将是未来配电网络的重要组成部分。

（3）能量输出

能源互联网吸收并接纳了不同种类的能源系统，相应地也为不同负荷提供了接口，并且分配网络的能量输出考虑了不同能源的负荷特性。

配电网用户侧的用电高峰在一天内通常出现在中午和晚上，季节的变化对负荷变化几乎没有影响。季节性的温差导致对冷、热供能的需求有所不同，夏季午间出现冷负荷峰值，冬季夜间和凌晨会有热负荷高峰需求期，冷、热负荷在春秋时期的负荷需求较为平缓。天然气负荷一天内主要有早上、下午和晚上3 个高峰，上午和下午的高峰通常都很接近。天然气负荷主要受气象因素和日期类型的影响，一天内波动明显且具有相似性。

配电网中各种能量转换设备需根据负荷特征的不同来转换对应的能量类型，这将会影响配电网的规划与运行。

1.3 未来配电网基本拓扑结构

就网络构架而言，未来配电网具有AC-DC混合、接口互联、标准统一、网络灵活的特点。AC-DC 环形母线作为区域电网的基本结构，微电网、负荷以及储能设备作为下层接入，这种分层级的单元结构也是能源管理组织的设备支撑。通常该单元内部以环形、网形结构进行母线连接，并且同一级别不同单元间通过诸如SNOP（软开关）等电力电子装置连接，可以在不同的环形总线之间实现功率传输或双向功率交换控制。配电网在未来作为能源的载体与通道，需要具有能源枢纽的作用，各种能源的转换与交易应有更多的可选性，以适用于能源互联网的产业形态。

综合配电网在区域、局域间由能源路由器连接不同等级的电压，通过SNOP 连接同级电压网络，集成微网络之间采用P2P 互连模式，最终在整个配电系统层面形成一个近似完全连接的网络，并成为高等级综合电网和能源互联网的基础组成单元。未来无线能量传输和超导能量传输技术可用于新型配电网络之间的连接，这将更有利于网格结构的化繁为简。

1.4 未来配电网基本拓扑结构

未来综合配电系统的设备体系如图5 所示。图中所包含的关键设备有电储能与综合储能、能源服务器、能源交换器、能源路由器、多能源间接口设备、能源通道、SNOP。

2 面向能源互联网的未来配电网演化路径

2.1 配电网发展路径

图5 未来配电网设备体系

世界上第一个商用电网是由安迪生于1882年建立的，此阶段由于电压等级较低，发电容量受限，决定了电能只能在较短的距离内传输。配电网在起步阶段也受到发电条件的限制，因此火电厂也只能建设在用电负荷的短距离范围内，配电网的组建依靠小型发电厂和负荷端连接起来。配电网以交流输电为主导，经过半个世纪的发展，达到输电电压220 kV 等级、单机发电容量200 MW 等级的初级阶段。

第一代配电网具有低压、低容量、小规模的特征。输配电线路保护措施简单，电网的功率调度和运行采用统一规划方式，此时配电网尚未形成系统的输配电网络，大部分负荷侧与发电侧仅仅是作为联络线的两个端点。对于电网频率、电压的稳定，也只是通过发电厂内的发电机调节来实现。随着二战后和平时期的到来，发展成为世界的主题，大量工业用电的出现使得电力负荷从简单的民用需求转变为复杂的商用需求，电量需求的提升不得不推动电力系统的发展，此时配电网初具雏形。发电机的容量也得到大幅度提升，大容量的水电厂、火电厂相继投入运行，配电网在功率上的限制已基本解除，随着高压长距离输电技术的成熟，输配电网的电压等级也在不断提升，高压电网通过变电站逐级降压，经过配电网送入需求侧。经过20 世纪中末期的发展，电网系统在技术上日趋成熟，配电网规模不断扩大，形成了互联互通的高、中、低压配电网体系。

第二代配电网在硬件和装备上都有了巨大的改变。电力电子设备的使用以及通信技术的发展促使配电网的电力调度实现了自动控制，电能质量得到保证。同时计算机技术的发展，也为配电网的设计建设、仿真验证、监控检测提供了工具，电网的防护水平和安全预警得到有效保证。

21 世纪以来，大电网、超/特高压输电网的建设，进一步推动配电网的完善。由于世界范围内能源资源紧张，以及对环境保护的重视，风力发电、光伏发电、核能发电、天然气、生物能等清洁能源进入了大规模供能的行列。与此同时，用电侧也发生了变化，随着制冷制热、电动汽车、储能设备等新型用电负荷的不断衍生，这个阶段的能源结构变得既复杂又灵活，配电网为应对这些变化不得不向智能化发展。

第三代配电网具有多能源供给、多结构输出的特征。配电网的智能控制技术，电力安全的保护系统，以及故障的定位排除能力让第三代配电网有了网络自愈的能力，供能可靠，可排除意外停电风险。同时用户侧参与电网调节，主动配电网逐步发展，形成“源-网-荷”互动的智能电网雏形。第三代电网的进一步发展将会改变现有电网资源供给，最终实现了多能源配网的智能配电网格局。

2.2 配电网发展阶段特征描述

结合能源互联网的发展特征，文中将配电网的发展分为雏形期、发展期、蜕变期、智融期4个阶段形态。

雏形期配电网基本依赖大电网提供电能输入，有少量可再生能源开始接入配电网。该阶段可再生发电装机渗透率在10%以内，非水可再生发电装机渗透率在5%以内。除了少量抽水蓄能，尚无其他储能系统接入，基本上没有需求侧响应能力，也尚未引入电力市场机制，大机组和大电网建设未成形，大范围资源配置能力较弱，电力生产自动化信息化水平较低，依赖各工种专业技能和经验。

发展期配电网主要依托大机组、大电网提供电能输入，并承载一定比例的可再生能源。主要特点为依托特高压交直流输电及各电压等级交流电协调坚强的输电方式，实现配电网大范围的资源优化配置能力。可再生发电装机渗透率在10%～35%，非水可再生发电装机渗透率在5%～20%。该阶段网架不够坚强，智能化水平较低，智能互动负荷较少，电网与外部系统的协调互济能力较弱。

蜕变期是实现可再生电源高渗透率友好接入，具备一定比例负荷侧响应能力，配电网人工智能化的阶段。在此期间，通过规范制定及技术提升，实现可再生能源特别是新能源的友好接入，明确可再生能源上网“权责利”界限。可再生发电渗透率提高至40%。电化学储能技术实现100 MW 以上量产化，具备一定比例双向负荷参与电力响应控制。形成微电网、微能源网、综合能源站等供能体系。物联网、人工智能技术融入电力生产各环节，极大提升生产力。

表1 配电网四段式发展特征

智融期是未来配电网的完善成熟阶段，交直流混合配电网全面建成，可再生能源成为主要电源，分布式电源、储能及广泛负荷群体具备响应调控能力。实现清洁电力为主导、全环节智能可控、广泛互联综合调配，巩固提升电力核心地位，实现以电为核心的电网、气网、热力网和交通网的柔性互联、联合调度。

2.3 配电网阶段形态演化的影响因素

大规模开发利用清洁能源是推动配电网形态变化的核心因素。世界对能源的需求在不断地增长，可再生能源发电已成为能源建设的重点。自2015 年全球非水可在生能源超过传统能源发电以来[15]，可再生能源发电的装机容量以每年不低于8%的增速不断加入大电网。根据国际可再生能源署的数据分析，可再生能源在2030 年将达到36%以上。当可再生能源装机渗透率和发电量占比分别超过35%和20%时，配电网需要依托新技术及新设备进一步扩展新能源消纳能力，以适应更高比例的可再生能源。届时发电结构、网架建设、调度控制、运行检修、市场行为的明显改变，将致使配电网形态发生变化，发展进入蜕变期；预期可再生能源装机渗透率和发电量占比分别超过60%和40%时，可再生能源发电成为主导形式，需要通过能源-市场-技术的深化应用，推动未来配电网的规范化和成熟化，此时配电网发展将进入智融期。

电池储能技术的成熟量产与负荷侧大规模响应能力是推动配电网形态变化的有力支撑。初步判断，在实现100 MW 以上储能设施推广、储能度电成本接近峰谷电价差、约10%左右负荷具备响应能力时，配电网将出现全新的调峰及控制手段，形成有力的技术支撑，此时配电网发展将进入蜕变期。预计，当市场中广泛应用电池类储能设施、过半居民用户及80%以上工业用户形成可控响应时，配电网资源得到高度开发，此时配电网发展将进入智融期。

人工智能技术的发展应用是推动电力系统形态变化的关键抓手。各个国家政府都将人工智能提升到国家战略平台，人工智能有望成为带动经济发展、产业升级新的驱动力。初步判断，在近中期可逐步实现物联网、人工智能技术与配电网的融合，革新配电网各环节生产方式，提升运行管理效率，实现效能提升10%～20%，此时配电网发展将进入蜕变期。中远期，随着外部技术的支撑带动，配电网全环节实现人工智能化，极大提升生产力，电力生产方式发生变化，此时配电网发展将进入智融期。

3 面向能源互联网的未来配电网综合评估体系

3.1 综合评估体系的构建

在合理继承与完善现有评估体系的基础上，未来配电网综合评估体系的建立不仅是衡量面向能源互联网的未来配电网发展的重要尺度，也对未来配电网的规划发展起到科学有效的指导作用。

评估指标体系通常是针对特定的应用场景而构建的，并且充满了主观和客观因素。其构建的主要原则是能够客观公正反映所评判对象的实际情况。选取的指标首先要符合能源互联网的专业理论和数学原理，并能够充分反映影响配电网发展水平的因素；其次将配电网的发展看作一个整体，从宏观和微观两个层面考虑。因此将评估指标分为4 个一级指标和23 个二级指标，详见表2。

表2 一流未来配电网综合评估体系

3.2 综合评估流程

面向能源互联网的未来配电网综合评估流程如图6 所示。

按照各类供电区域的权重，加权计算指标得分：

图6 综合评估指标流程

式中：Si为第i 个单个指标得分；ai为单个供电区域指标得分；εi为该类区域指标权重，ε1，ε2，…，ε5分别为5 类供电区域权重系数，取值如表3 所示。

表3 5 类供电区域权重系数

3.3 综合评估步骤

（1）设置评估指标的权重系数

根据权重系数设置原则，分3 步对4 个一级指标和23 个二级指标进行设置。首先使用AHP 确定评估指标的主观权重系数[16]；然后使用熵权法确定评估指标的权重系数[17]；最后综合AHP 和熵权法确定最终的评估指标的权重系数。AHP-熵权法从主观、客观两方面对评估指标的权重系数进行修正，使得评估结果可以综合体现配电网体系。

（2）计算各类指标评估得分

安全可靠、优质高效、绿色低碳、智能互动四大类指标满分均为100 分，将各单项评估指标按各自的加权系数加权后得到四大类的评估得分。

式中：yi为第i 类指标综合分值。

（3）计算综合评估总分

将安全可靠、优质高效、绿色低碳、智能互动的评估得分按照0.3，0.25，0.22，0.23 的权重系数加权后即可得到能源互联网的未来配电网综合评估的总分。

式中：T 为能源互联网的未来配电网综合评估的总分；yi为第i 类指标综合得分；γi为第i 类指标权重系数。

同样，对每类权重系数有：

（4）评估指标体系及权重

根据一流未来配电网各项评估指标含义、评分公式及指标权重，计算综合评估指标得分。

（5）评估结果分析

得到评估结果分析如表4 所示。

表4 评估结果分析表

4 案例分析

为验证所提出的综合评估体系和评估方法的有效性和可行性，以某主动配电网示范工程为例进行综合评估分析。该示范工程为某城市能源互联网综合试点示范配套项目，通过试点工程建设，实现配电网所在地区的“6 个主动”，即电网公司侧的主动规划、主动管理、主动控制、主动服务以及用户侧的主动响应和分布式新能源发电侧的主动参与。

该主动配电网的综合评分为0.756，隶属于“发展期”，进一步分析各一级指标评估结果：“安全可靠”评分为0.8，主要是冷热电互联程度和储能装置指标得分较低；“优质高效”评分为0.9，在该项上示范工程各项指标得分都较为出色；“绿色低碳”评分为0.8，由于出现弃光情况及消费终端电能替代工作处于发展阶段，在清洁能源消纳率和电能占终端能源比指标上得分稍低；“智能互动”评分为0.5，能源综合管理平台和需求响应系统尚处于建设当中，互动负荷即源网荷储协调方面还有待提升。可见评估分值与示范工程的发展建设情况相吻合。

5 结语

由于一流未来配电网在能源互联网发展中处于核心地位，因此，建设面向能源互联网的一流未来配电网对于能源体系发展具有重要的战略意义。文中先总结了能源互联网的基础概念，随后提出了能源互联网的整体发展趋势和关键环节。文中总结了能源发展的现状和存在的问题，展望了一流未来配电网的基本形态、能量流动特征、基本拓扑结构、关键装备和运营模式，指出其核心在于依托大数据分析平台作为控制枢纽，整合多能量供需数据，多能源网络是以能源节点形式与能量交换器进行能量交互的多能互联环节。在分析一流未来配电网发展形态的基础上，分析回顾了配电网的发展进程，提出了配电网形态演化中关键影响因素及其在面向能源互联网的一流未来配电网整体演化过程中的作用机理，对面向能源互联网的一流未来配电网演化路径进行了分析，给出了发展期、蜕变期、智融期3 个阶段一流未来配电网发展建设中的核心特征和主要任务。发展一流未来配电网需要着力在升级电网结构、完善协同控制能力、提升可再生能源消纳、挖掘储能应用潜力、开展综合能源供应、建设能源电力市场、深化应用人工智能等方面进行突破。