城市能源互联网视角下的主动配电网规划设计与策略研究

2021-02-05周炳华王洋李峰崔金栋冉子晗

综合智慧能源 2021年1期

周炳华，王洋，李峰，崔金栋，冉子晗

（1.杭州市电力设计院有限公司余杭分公司，杭州310030；2.东北电力大学经济管理学院，吉林吉林132012）

0 引言

分布式发电（Distributed Generation，DG）与高质量用电需求改变了传统供配电模式。主动配电网（ADN）利用互联网通信、需求侧响应技术，实现了对规划区域内DG、柔性负荷的双向潮流协调管控，保障了用户的用电质量和电网企业的盈利。规划主动配电网的过程中，DG的随机性以及需求侧响应机制造成的电网系统供需不平衡，对电网双向互动智能服务提出了更高的要求。在《能源与电力分析系列年度报告2019》中，提出了基于能源互联网大数据平台贯彻“互联网+”智慧能源的指导方针，推动能源、5G通信网络与数据中心的深度融合。

2019 年我国首个城市能源互联网的建成，实现了以主动配电网为核心的“源-网-荷-储”协调发展。新形势下，主动配电网关键技术对配电网规划产生了新的影响。本文就能源互联网衍生的主动配电网关键技术对配电网规划的影响进行了深入分析，并提出建议与对策。

1 国内外研究综述

ADN 由国际大电网会议（CIGRE）C6.11 项目组最早提出［1］。ADN 利用其主动管控能力解决了传统配电网电能质量恶化、供电可靠性低的问题，电网规划结果也直接影响配电网投资收益以及未来配电网安全经济运行［2-4］。

目前，国内外学者主要从DG 规划、线路网络规划等方面入手进行ADN 规划优化配置。为确保DG接入后，电力系统节点电压与电力网络稳定运行，文献［5］综合考虑了风电机组（WT）和光伏发电（PV）的多重配置，提出以确定性方法来规划有源配电网。文献［6-7］将电动汽车与城市电网交通互联，构建起两阶段鲁棒优化模型，合理规划、耦合配电网。文献［8-9］基于多类DG 和用电负荷时序特性构建负荷预测模型，明晰分布式电源选址。文献［10］提出网络重构、DG 调度、需求侧管理和无功补偿4 种主动管理模式，确保储能系统（ESS）与DG 的规模和选址优化。文献［11］基于人工神经网络（ANN）方案，生成适应多种可能的电网网格状态，高精度估计电网中电压幅度和线路负载。

随着城市能源互联网示范项目的推广，多能耦合、互联互通为ADN 优化配置带来新的技术发展思路。国内外专家主要从分布式电源协同管控技术、储能技术、需求侧响应、通信技术入手，研究城市能源互联网视角下ADN 关键技术影响。文献［12］考虑可再生DG 出力不稳定与用户用电分时段的特征，提出电力系统规划灵活调度评估方法，满足规划方案更高灵活运行。文献［13］将每个配电系统中的分布式电源视为独立节点，发挥需求侧用电效能最大化，满足需求侧用电需求。针对电力系统源荷双端的不确定性，文献［14］创新性地提出区块链去中心化与城市能源互联网分布式电力系统构建融合，通过点对点（P2P）和智能合约实现供需侧互动。文献［15］提出在智能电网中，电器设备监控系统由ZigBee 模块组建的无线传感网络、通用无线分组业务技术（GPRS）和互联网技术进行无线通信，保障了ADN中大电网与智能风光发电的有效结合。

目前，国内外学者对基于能源互联网的ADN 规划已有大量研究，但大多停留在前端开发阶段，缺少关键技术对ADN 设计管理机制的影响分析。因此，本文在城市能源互联网视角下，进行ADN 关键技术对电网规划的影响分析，并结合电网运行规划经济稳定性对各电力部门具体实施策略提出建议。

2 城市能源互联网与ADN规划

城市能源互联网是由分布式能源发电系统、能源传输、能源协调运行系统以及智能电网数据管理、信息采集等多系统构成的能源互联平台。城市能源互联网下可再生分布式电源、电动汽车（EV）及ESS 等电力负荷剧增，使得城市内部可利用能源多元化，对传统配网规划设计工作带来冲击［16-17］；大量电力资源分散性接入电网使得能源管理模式发生改变，要实现多源电力负荷间的平衡与协调规划，必须提高供能和用能双方的配合度；另外，对多类型能源间的数据进行汇总、分析、挖掘，以实现能源与信息交互、共享，也是配网规划发展关键性研究。

ADN 概念的提出为城市能源互联网下配网规划提供了新的思路。ADN 充分利用可控柔性资源，逐步完成对电源侧的主动规划、管控，改变原来传统配电网被动的运行、管控模式，将被动接受改变成主动运行。ADN 的出现提高了清洁能源的渗透度，实现了多元化能源、能源协同融合以及能源与信息上的互联互通。同时，ADN 下的分布式电源（DR）技术整合了分布式与集中式发电的优点，利用先进的信息技术、“互联网+”和智能管控系统开发各种智能装置，使得城市互联网规划的内部信息交流更加紧密，信息可靠性和安全性水平大幅度提升，技术人员可以及时掌握规划全过程中的动态用电需求的电力电量。城市能源互联网下ADN 的基本框架如图1所示。

图1 城市能源网下ADN规划的基本框架Fig.1 Basic framework of ADN planning under urban energy internet

3 城市能源互联网核心技术对ADN 规划的影响

现阶段，城市能源互联网下ADN 规划多数采用综合协调规划技术，除可再生分布式能源布局规划、ESS以及电网设备选址定容规划，用户侧需求响应作为全新电力资源也归于ADN 综合协调规划中。新能源和需求侧响应势必会给配电网添加很多不确定性因素。目前配电网规划主要有3 种模式，传统柔性配电网（FDN），ADN 和城市能源互联网下ADN，区别见表1。

表1 配电网规划对比分析Tab.1 Comparative analysis of distribution network plans

3.1 分布式电源的接入

ADN 通过灵活的网络拓扑结构进行潮流约束，结合先进的需求响应技术与用户参与需求调度的自主性对负荷综合治理，使能源形式逐步向耦合和集成方向发展。城市能源互联网视角下ADN 规划中多类型、不确定的分布式电源的引入给城市电网高品质供/用电与电网运行调度提出挑战，频繁的负荷变化会产生较大的频率偏差甚至频率崩溃。受间歇电源分布随机性和出力不稳定性以及柔性负荷柔性调度和调节能力局限影响，ADN 在潮流管理、电压协调控制、供需平衡方面面临巨大压力，导致的电压及电能质量不稳定，使得负荷预测与发电预测工作量增大，增加电网系统的运行风险。

ADN 电力系统和网络架构的整合较为复杂，实际规划过程中需考虑网损、DG 坐标、电压稳定性等问题。含DG 的ADN 规划研究靠电源协同布置、接入DG 后的供电稳定性、电力系统电能质量实现对城市电网规划模型的多目标经济效益评估。电网公司可借助互联网无线信息网络构建新型ADN 多源协同优化调度平台，如图2所示。

平台基于区块链节点及集中/分布式协同控制原理，收集终端用户信息，分析微网储能、EV出行对用电能效的影响，依照能源交互、负荷侧响应、电网运行3 个层次整合优化调度，建立ADN 多源一体化无功优化模型，借助全球定位系统（GPS）信号将规划区域网格化设定，通过临近节点电源的电力调度运算实现对目标节点信息的感知，从而拟定目标DG与移动电力设备的分布选址。

3.2 储能系统

图2 ADN多源协同优化调度平台Fig.2 Multi-source collaborative scheduling platform for ADN

在传统的配电网模式中，电力资源都是即发即用，能源网络系统运行安全性低。储能设备可实时响应电力系统频率、电压调节，提升系统电能质量和安全系数。面向能源联网的ADN 下，ESS 的应用可分为电源侧、输配侧、需求侧3类：以DR多能源发电协同大规模集中式发电的配电网电源侧的ESS，解决了新能源接入电网间歇性和波动性问题，提高电力系统分析消纳能力；在配电网输配侧，ESS可以用于不间断电源，达到削峰填谷、降低网络损耗的目的；在需求侧，大规模储能设备的应用有效缓解了分时用电失衡的情况，提高了设备的利用率和系统效率。在实际的ADN 规划中，需要综合城市整体规划考虑ESS 的接入位置和不同类型ESS 的最大容量与功率。其中，EV充电桩作为数字新基建的研究聚点，利用车载储能设备平抑可再生能源接入电网造成的电压波动。车到电网（Vehicle-to-Grid，V2G）技术可根据用户的行为规律与用电习惯，实现EV即插即用与智能管控。城市能源互联网中大量充电桩的投入在一定条件下补充了微网原有储能单位的供电不足与供需不平衡，保证整个ADN 系统的稳定运行。由于EV 充电在时间、空间上的随机性，在配电网规划过程中要精确区域的充电负荷预测，在满足充电需求的基础上，考虑接入位置的经济、可用性，根据场景与时段的不同进行合理选址定容、扩展规划。

3.3 需求侧响应技术

需求侧响应技术（DSR）可实现ADN 内部功率的双向流动，通过与终端用户进行双向信息交流和分时电价政策的鼓励，调整电网系统整体运行状态，达到提高再生能源利用率、多源互补、电网供用电平衡、削峰填谷的作用。在系统运行过程中，DSR以信息为导向，实时监控供/用电信息、整合双向信息、提高ADN 规划灵活性。在实际城网规划过程中，考虑分布式电源与DSR 相融合的电网综合规划，可有效降低电力系统网损。

我国电力市场需求响应资源复杂多样，负荷电压调控难度大。基于能源互联网智能用电理念，创新需求响应技术架构，全面打造电力供应商、电力用户等多方利益共享模式（如图3所示）。实际城市电网规划建设中，政府主管部门在当地需求响应资源基准上，引导、激励电力用户优化用电方式，主动参与实施电力需求响应；电力供应商基于市场供需动态信息与用户反馈构建需求响应资源组合优化分层分布式体系架构，全面分析终端需求响应资源特征，通过大数据技术整合系统运行、市场交易和用户用电数据，实现需求响应资源的智能调控；分析不同用户的用能习惯、用能满意度、电费出资行，通过分时电价与补贴电价机制建立供需双方电量负荷优化调度，以优化用能终端整合利益为目标，构建供需双方双层利益驱动模型。

图3 ADN用户需求响应模型Fig.3 User demand response model of ADN users

3.4 信息通信技术

城市ADN 规划和运营过程中，产生海量的能源信息流与数据流。城市能源互联网下智能配网建设各配网节点都可视为独立数据源，存在于配网规划、设计和能源生产、转移、消费、存储的全过程，海量数据通过能源互联转变为全新的电网能源资产，而能源的分布模式决定了城市电网规划数据碎片化，这样极易造成数据的丢失与破损。

互联网信息融合技术将“云、大、物、移、智”等先进通信技术与能源技术进行深度融合，实现了能源链与信息链的开放共享。互联网信息融合技术涵盖了分布式电源、数据挖掘、智能数据整合、实时数据分析、设备全方位检测、数据可视化等技术，可精确获取DG 发电/运行数据、电力/电子设备规划、电网与用户互动数据，并利用大数据平台进行数据整合处理，有效融合各种交叉、冗余、不一致、频率差异大的数据，减少数据的流失，实现电力数据的无差别共享，考虑数据资产价值建立信息通信技术的ADN 协调规划模型与规划方法，可以有效指导电网规划资源配置。

4 城市能源互联网下的ADN规划管理策略

考虑城市能源互联网下的ADN 规划的目的是构建以电为核心，城市内部各类分布式能源综合利用、协调优化，打造优质、可靠、满足各方利益的资源配置平台。针对我国城市配电网规划存在较严重问题，需对电力、能源等行业采取有效措施。

4.1 加强地方政府沟通

在城市能源互联网中，DR，EV，ESS与城市交通系统相得益彰，较常规的ADN 规划市场更为开放、运营模式更加丰富。无论是城市ADN 规划前期负荷预测与发电预测的准确性，还是市场交易、综合能源服务等多方位平台对资源的优化配置，都离不开中央以及各级地方政府的扶持政策。

在新一轮国家电力体制改革中，为满足城市ADN 供电负荷需求以及电力市场参与者利益最大化，结合规划区域整体产业链与电力经济市场发展状况，采用“主新建、副改造”的设计思路。各电网建设相关部门应与政府、用户积极沟通，实现城市电网的整体标准化构建，流程如图4 所示。在规划过程中，除考虑技术手段的影响外，城市内部变电站场地的合理布局、交通条件以及网架周边的居民设施等都是规划可行性的重要因素。在规划前期，与当地政府规划部门进行有效沟通，了解城市建设与市场环境和当地政府在配电网规划各个阶段的用电政策，制定完善的规划制度，充分利用城市土地资源以保障地方政府政策收入最大化，避免出现变电站选址、电源定容与城市整体规划冲突的情况。同时，还需要保障城市给排水、网络通信、城市出行等合理规划设计，以及与风光、燃气、通信等多个技术单位进行规划对接，保障城区配电网规划项目有序开展落实。因此，在规划过程中需加强与各个审核部门之间的沟通联络，对城市各地区电力负荷即时收集、准确预测，遇到问题及时沟通，最大限度地加快审核效率，进而缩短工期、降低建设成本，满足当地电力需求。

图4 各部门沟通流程Fig.4 Communication among different departments

4.2 强化供电企业技术对接

风光与储能等柔性负荷的不确定性，为负荷预测带来巨大的工程量。DR 改变了传统配电系统的网架结构，单一电源发电变为多类别能源发电，不合理的分布式电源位置与容量导致节点电压下降。因此，在城市配电网规划中，供电企业应加强与配网公司的沟通和工程技术对接，综合城市电力设备的合理选址，充分考虑DG，ESS，EV 等多方利益博弈，在动态非线性特征负荷模型下实现城市电网环境经济效益最大化和造价成本最小化，实现电网负荷精准预测。

同时，在用户阶段加大电力市场调研，提升自身服务能力。以主动增强服务意识为切入点，基于互联网信息化理念，打造创新性客户互动平台，利用5G信息媒介及时了解客户用电需求要点，并及时更新、完善客户的基础用电信息，完善所有用电户主信息的无中心化沟通。树立完善的电力数据资产管理制度，加强信息化管控，强化企业内部各部门技术对接，建立主动对接机制，有利于规划部门提前对城区公用资源进行合理规划使用与专项配网规划项目的落地实施，进而实现工程全寿命周期的积极参与。

4.3 设计公司自身业务求变

电力设计企业可在工程规划与信息融合、人力资源优化配置、业务流程再造等多方面完成企业价值增值，如图5所示。

图5 电力设计公司业务流程Fig.5 Business process of an electric power design company

新形势下，城市能源互联网下配电网规划要满足科学、合理、稳定的设计理念，电网设计公司就需要在竞争激烈的互联网新时代主动求变。要紧跟时代主流，多渠道开展拓展新能源市场业务升级，保持能源信息融合综合服务前瞻性与一体化对接；紧抓电网设计工作新业务技术研讨与内部员工专业技能提升，通过自身技术提升，形成设计企业专业技术壁垒，增强设计工作价值含量，推动城市智慧电网设计工作的高低搭配。

通过建设集成共享的数字电网平台，提升电网与政府、电网与客户以及电网内部各部门、各专业之间的资源整合和数据共享水平，提升电网规划、建设的精准性和前瞻性，提高新基建电网配套项目的建设质量和速度。同时，在信息化时代，城市ADN 终端用户主动参与需求响应，将改变负荷特性，导致负荷预测难度高、城市电网规划前期设计工作专业复合性强。设计人员应加强技能型知识储备，企业应提高技术性人才比例与人员升级，完善企业业务、增强技术优势。

4.4 构建整体利益价值链

基于城市能源互联网下城市内部互联互通、优化共享理念，打造城市电力行业全过程整体利益价值链。在电力数据资产全生命周期成本（LCC）内搭建电力资金流、信息流、业务流、价值流“四流合一”的全行业框架指标。其中，信息流通过能源电力基础设备与先进的信息通信技术、泛在物联技术实现电力供应设备到终端用户的全生态信息交互平台；业务流以企业的业务目标为导向，在电力市场能源交易过程中连接能源生产者与消费者，伴随业务活动实现电力资产增值；电力行业价值流主要指在中央或地方政府对电力数据资产的统一监管下，能源资产自产生至综合能源服务评价全过程中的能源增值。“四流合一”将城市电网巧妙形成一个闭环，实现了“四流”的无缝对接，达到了城市互联网双向交互、平等共享及服务增值的目标，最终有效提高城市多能耦合利用率，促进新能源最优消纳，达到城市电网规划建设全局最优。

城市互联下电力企业整体利益价值链涵盖了城市各类能源发、输、变电以及城市用户用电调度基础环节，实现数据与信息在电网规划设计公司、电力设备供应商、发电企业、终端用户与用户间的转换与整合，确保电力能源贯通信息与城市互联网数据系统连接城市智能电网价值链各个行业，如图6 所示。强大的城市互联系统通过收集、分析计算到最终管控电力信息，协调价值链上的各利益相关方活动，打破了电力企业多方业务壁垒，降低了不同行业间的沟通成本。