低碳化智能配电网规划研究与展望

李 鹏，王 瑞，冀浩然，宋 毅，袁智勇，于 浩

（1. 智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072；2. 国网经济技术研究院有限公司，北京市 102209；3. 中国南方电网科学研究院有限责任公司，广东省广州市 510080）

0 引言

推动社会经济的绿色、低碳、可持续发展已成为全球共识［1］。中国政府于2020 年9 月在第75 届联合国大会上郑重承诺：中国的二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取在2060 年前实现碳中和（carbon neutrality）［2］。碳中和是指某一地区在一定时期内由人类活动产生的二氧化碳排放量和吸收量相平衡，从而实现二氧化碳净零排放（net zero carbon dioxide emission）［3］。以碳中和为核心目标，不仅有益于应对气候变化［4］，更有利于引导和促进产业升级，是关系到世界各国能源安全和人类未来发展前景的重要议题［5］。

实现碳中和的路径主要包括2 个方面：一是增强对二氧化碳的吸收固定能力［6］，如扩大植被覆盖面积、发展碳捕集利用和封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技术［7］等；二是推动能源转型，进一步提升清洁能源的占比，降低对煤、石油等传统化石能源的依赖，从根本上减少二氧化碳的排放［8］。目前，化石燃料的使用仍然是中国最主要的二氧化碳排放源，约占全部二氧化碳排放的88%［9］。因此，为实现2060 年碳中和目标，开展能源结构和消费体系的变革需求迫切。

电网是连接能源生产和消费的重要公共基础设施，在承担主要减排责任的同时，将在碳中和目标驱动的能源转型中发挥积极作用［10］。例如，在能源供给侧，电网作为新能源消纳的主要承载平台，大力发展以风能和太阳能为代表的可再生能源，将有效削减高碳排放能源占比；在能源消费侧，城市交通、绿色建筑、工业制造等行业的电气化程度不断加深，不同形式的终端碳排放需求持续向电力系统转移和汇集［11］；此外，能效提升和“电-气-热”多能互补等业务也大多以电能为核心实现能源的转化及利用［12］，电力系统将成为能源综合利用技术和模式创新的中心环节。在碳中和目标驱动下发生的这些积极变化与“构建以新能源为主体的新型电力系统”的发展定位具有高度的内在一致性，将有助于“清洁、低碳、安全、高效”能源体系的建立。

配电网直接面向用户，不仅在生产上有满足碳中和的内在要求，而且作为优质电力服务的提供者，在利导能源消费升级、推动用户侧碳资产管理等方面具有不可替代的作用［13］。对前者而言，分布式电源在配电侧的广泛接入是主要手段［14］，其目的是实现清洁能源的就地消纳，促使源荷局域自平衡，有利于缓解新能源远距离、大规模输送给大电网带来的随机性以及外送通道不足等问题［15］，降低系统整体建设和运营成本。对于后者而言，电能替代已成为能源清洁化和产业智能化的主要趋势［16］，例如港口岸电、民航机场推行“以电代油”，厂房燃煤燃油锅炉开展电气化改造，依托“车联网”平台建设的电动汽车充电网络等；借助负荷监测、需求侧响应等技术手段［17］，设计以碳减排为导向的用户电力服务机制，加强对设备能耗的感知和调控水平，在电力消费数据深度解析的基础上制定用户碳排放档案，通过完善价格机制挖掘电力市场各主体的调峰资源，将有效促进供需两端碳循环的良性互动。

碳中和不仅仅是指风机、光伏等可再生能源装机容量的单调增长，而是要构建集“发储变用”为一体的碳中和综合能源系统，打通电力与市政、交通、信息、市场等多个社会生产生活领域的接口，涵盖清洁生产、广泛存储、灵活调制和即插即用等多个方面。目前，配电网以上级变电站为电源，与用户之间单向的供需关系将难以满足碳排放约束下的新发展要求，这意味着需要变革传统的配电模式，未来智能配电网的形态将逐步向碳中和的方向演变。在规划阶段，探索碳排放需求和能量供给的本地化解决方案，避免碳的大范围转移性支付和补偿［18］，充分释放配电侧“源-网-荷-储”协调规划下的碳调节潜力，对全局碳中和目标的达成将起到重要作用，也成为新形势下发展智能配电网规划新理论和新技术的难点和重点。

本文面向碳中和目标导向下的智能配电网规划问题，提出了以“碳中和区”作为新型配电单元的规划设计理念，分析了新要素、新路径和配电网形态演变的相互影响，并针对低碳微生态配置方案和碳中和能力评估指标进行初步设计，阐述了在时间和空间维度上涉及的关键技术问题，最后对未来可能的研究方向和应用前景进行了展望。

1 低碳化演变的智能配电网

以碳中和目标为导向，碳排放约束将成为强约束，智能配电网所包含的资源要素、业务技术和服务机能等都将发生深刻变革。

首先，分布式电源消纳的重要性被进一步加强，成为经济性、可靠性之外另一关键指标，这就要求清洁能源的渗透率要和所在区域的负荷需求适度匹配，最大程度实现碳中和的就地化平衡。然而，这将带来以下挑战：①风机光伏比例、装机位置和容量如何确定，配置方案如何根据负荷特性实现优化调整；②如何解决电力电子化装备高比例接入后带来的系统惯性降低等运行控制问题［19］；③包含风能、太阳能、氢能以及燃气在内的多源协调运行面临的能量管理问题；④以燃烧化石能源为主要电能供给的变电站如何为新能源主导的配电网提供可靠且经济的后备容量支撑。总之，为满足碳排放约束，分布式电源不再作为单一的调控资源去考虑，以它为核心关联起多重要素相协同的整体，使配电网所包含的资源禀赋耦合更加紧密，形式更加多样。

其次，光伏和储能电池普遍输出直流电，各类数字装备、智能家居也大都是直流负载，在源荷都出现直流化的趋势下，为满足碳排放约束，有必要提升源荷匹配中间环节的低碳化效能。因此，低压直流配用电技术的优势将进一步凸显［20］，不仅可以降低清洁能源的接入成本，实现低损耗、高可靠的传输和控制，而且可以承载更多电能替代产生的新型负荷。原来单一的交流配电系统将逐步发展成为交直流混联配电系统，使电网的结构形式更加复杂。

此外，智慧交通网和智能配电网之间的碳交互过程也将愈加深刻地影响配电网的发展。例如，电动汽车充电网络建设是交通碳减排的重要举措，充换电站本身就具有分布式特征［21］，站点布局与道路规划、行车流量等因素密切相关，因而供能模式也将更加灵活，例如在城市核心区可以采用电网为主、分布式光伏为辅的方式，在城际高速等开阔地域则可以采用自主式光储一体化的供能生态。这就意味着交通碳排放向配电网的转移，对配电网的内部组织，尤其是电气边界均具有较强的塑造作用。

能源的综合利用模式同样是影响智能配电网在“碳约束”下发生变革的重要外在因素。用户的冷热需求一直以来都是碳排放的主要来源，随着电能替代在冷热供应环节的推进，电制气、电采暖等技术不断成熟，配电运营商、供热公司和燃气公司之间的部门耦合将更加紧密。智能配电网作为用户侧综合能源互联的枢纽，一方面可以将电能消耗作为碳基准用于衡量转换效能，另一方面可以提升清洁能源并网后对冷热负荷的支撑比例。因此，为统筹碳要素在各能源介质中的流通，需要将智能配电网纳入多能协同的整体性结构中去考虑，不仅可以增强电网侧的阻塞管理能力，更有利于缓解能源综合利用趋势下系统性的脱碳压力，逐步扩大碳中和在生产、生活各个环节中影响的广度和深度。

最后，碳中和意味着对源荷匹配的精确对接和精细化调度，意味着可以对碳排放实行精准溯源和定位，因此对智能配电网的数据采集和状态感知能力提出更高的要求，物理系统和信息系统将发生更加深刻的融合，不同能源形式的数据共享和价值挖掘机制也亟须建立。换流器、柔性设备等高度电力电子化装置本身对控制信号具有较高依赖，稍加改造后即可成为物联网系统中的碳信息嵌入节点，同时借助数据驱动、区块链等技术手段，将给配电网的数字化和智能化转型创造新的发展契机。更进一步，当数据的泛在采集和安全保护得到充分满足时，碳交易市场与能源交易市场之间也将建立更加密切复杂的联动关系，从而在市场层面对智能配电网发展形成新的推动力量。

综上所述，“碳约束”是智能配电技术发展与融合的重要动力，“低碳”将成为智能配电网的又一重要特征，“源-网-荷-储”各环节都在向促进清洁能源消纳、节能降损的方向发生转变，对智能配电网的规划理论和方法提出新的要求和挑战。

2 考虑区域碳中和能力的智能配电网规划

2.1 “碳中和区”的内涵

在目前的电力供需关系中，用户的电能需求主要由发电侧燃烧化石燃料提供，尽管大规模风电场、光伏电站的对外输送容量逐年提升，但是随着大电网承载新能源总量的增大，消纳难度将进一步增加，并给大电网的安全稳定运行带来风险［22］。同时，大规模风电场、光伏电站在发电侧的集中并网，将给电力系统的源端带来巨大的不确定性［23］，对系统调峰能力和应对极端天气能力提出更高的要求。因此，促进分布式风机、光伏发电在配电侧的就地消纳，把可再生能源的大规模消纳适当转移至配电侧实现其自身的供需平衡，并将局域碳排放最小化作为全局碳中和的重要举措，可能成为解决电力系统新能源消纳问题的有效途径，也是配电网规划思路新的出发点。

传统配电网规划的组织方式基本上以行政单元、街道走向以及山川地理等因素为原则，按归属变电站台区的供电网格进行划分。引入“碳约束”概念后，负荷所引起的碳排放和可再生能源消纳间的连接匹配关系需要得到新的审视，原有的组织方式也因此需要进行调整和修正。

为了形成新的配电网组织方式，首先要明确碳和电能的生产关系和流动路径，将以发生碳排放为代价而生产的电能称为碳基电能，将不发生碳排放而生产的电能称为清洁电能。随着未来能源结构愈发多元，配电网中的电能供给将主要由2 个部分组成：一是来自上级电网输送，包括火电厂发出的碳基电能，以及风电场、光伏电站、水电站、核电站发出的清洁电能；二是来自安装在配电侧的分布式发电装置，包括微型燃气轮机等小型电源发出的碳基电能，以及分布式风机、光伏发出的清洁电能。

因此，在狭义上认为，当某区域在一段时间内实现负荷全部由本地清洁能源供给，具备不需要同外部发生能量交换的能力，则认为该区域形成了“零碳排放区”，即“碳中和区”。而广义上的“碳中和区”则允许清洁能源发生内外流动，共同参与更大范围内的碳交换过程。所以，对广义“碳中和区”而言，清洁能源不仅来自域内生产，还可能包括上级电网输送，所以在考虑碳排放约束作用时，要提前确定来自上级电网输送的清洁能源利用比例。可以看到，不论是狭义上的还是广义上的“碳中和区”，显性特征都是清洁能源对负荷电能需求的完全满足。其中，狭义“碳中和区”实现的是就地源荷自平衡，其边界约束更加严格，而二者的隐性特征则均体现为电力调节的灵活性和充裕性。

从数学优化的角度来看，在智能配电网规划模型中考虑碳排放约束，分解后将对其可行域形成“供需平衡”“经济可靠”“低碳高效”的多重切割，使模型充分满足具体场景下技术准确度和时空分辨率的要求［24］，从而实现对“碳中和区”边界的精准刻画。同时，优化模型应具备对新兴低碳技术进行拓展兼容的能力，充分计及配电网设备全生命周期的碳排放特性［25］，在规划目标中增加碳不平衡量所造成的惩罚成本，将引导配电网向“碳中和区”的模式发生形态重塑，使之最大程度地实现配电侧可再生能源对发电侧碳基能源的等效替代。

“碳中和区”的概念与常规微网等自治运行区域存在显著差异［26］。首先，“碳中和区”作为低碳化智能配电网规划新的组织方式，着眼点是碳中和目标的就地实现，建立的是以碳要素流通为核心的有机主体，需要考虑“碳约束”和电气约束之间的强耦合关系，更加强调清洁能源对域内负荷电能需求的全面支持。其次，“碳中和区”的构建对象是智能配电网包含“源-网-荷-储”在内的整体形态，涵盖范围比微网更加广泛。最后，“碳中和区”的组织结构在时空维度上会发生动态演变，与碳资产管理相关的技术和装置也会逐步引入，层次和元素构成相较于微网会更加丰富。

2.2 与传统配电网规划的区别

传统配电网规划通常采用负荷预测的峰值来确定变电站的容量和位置，然后根据设计导则和经济性原则来分配各台区引出的馈线数量和传输容量，配电网架“闭环建设，开环运行”，具有明显的辐射状拓扑特征，而且往往只考虑投资和运维成本的最小化，因此传统配电网规划主要采用的是“自上而下”的规划路径［27］。

考虑碳排放约束的智能配电网规划，除了要兼顾传统配电网规划中变电站、架空线或电缆、无功补偿装置的选址定容与优化设计，其规划对象也将更加广泛且多样，不仅涵盖“源-网-荷-储”等多个环节，而且由于投资利益主体不同而更加复杂。碳排放约束也将促使各规划要素实现规范化配置，所形成的低碳微生态将在下文中进行详细介绍。与此同时，由于资源要素配置的就地化和“碳约束”机制的局域化，规划思路也将向“自下而上”的路径转变，愈加扁平化的架构成为开展配电网规划的重要前提，如图1 所示。

图1 2 种配电网规划方法的比较Fig.1 Comparison between two types of distribution network planning methods

对于新建城镇或开发区的配电网规划，无论是土地使用、电站布局还是线路铺设都可以沿着碳中和设计思路进行整体性的匹配优化［28］。一种可能的技术路线如下：首先，明确上级电网输送清洁电能的最大容量，划定规划期内配电网的碳减排目标，开展多时空尺度下新建区域电网对负荷与新能源承载能力的分析计算；然后，以达到一定规模的分布式电源聚集中心作为“碳中和区”的组织起点，逐步向四周负荷延展连接形成配电网络，同时完成对域内各资源要素的优化配置；最后，将“碳中和区”与邻近电站相连以保证其后备容量和电压支撑，而各“碳中和区”之间也可以通过智能软开关（soft open point，SOP）等建立电气联络关系，由此形成以局域就地消纳和广域柔性互联为主要特征的智能配电网发展新形态。

然而，基于现状电网进行碳中和方案改造将会面临更多条件的制约。例如：分布式电源由于缺乏政策引导和收益调节，在安装和运行上的无序性将进一步凸显，碳排放和新能源替代难以获得最佳适配；原有市政功能分区可能导致用电特性的单一化聚集，土地饱和式开发也给新式装备的配置造成空间布局上的困难；“碳中和区”划分和现有电网运营分区之间的冲突，等等。但同时有利的一方面是，现状电网除了电动汽车充换电可能带来一定程度的负载扩容需求，工商与居民负荷容量基本保持稳定，相关预测和特性分析会比较准确。所以，基于现状城区电网进行碳中和方案改造，研究经济可行的技术路线，不仅要在宏观上充分发挥全局统筹的协调作用，更要注重微观上具体策略的灵活施用。

2.3 “碳中和区”的意义

智能配电网规划在碳中和驱动下，规划路径、电网形态和评价指标等都将发生变化，要尽可能地在尊重传统延续性的同时保证技术方案的先进性。综合考虑配电网发展的现实需求和未来愿景，以“碳中和区”作为智能配电网规划的组织方式，将具有以下优势和意义。

1）可以将碳中和的发展理念落实到电力系统中，有利于推动能源绿色转型。

2）为配电网区域划分提供依据，符合电网分层分群、区间柔性互联的发展趋势［29］。

3）以分布式电源为核心组织电网结构，可以充分提高新能源消纳比例，减少变电站和线路的建设容量并延缓投资。

4）对用户侧丰富的可控资源进行有效组织，提高设备利用率和配电网控制水平。

5）为配电侧市场交易主体的形成创造条件，为碳补偿和碳交易等经济行为提供实现路径。

6）以碳中和为目标形成若干局域自治单元，为“自治-互联”的配电网规划新格局奠定基础。

3 低碳微生态及评估指标

3.1 低碳微生态

碳中和在配电网中最显著的特征是分布式电源的高渗透接入，利用风能、太阳能等清洁能源满足负荷用电需求，从而降低发电侧的碳排放量。然而，“碳中和区”作为一个具有自循环功能的系统，不等于风机、光伏的简单安装和并网发电，以“风光储直柔”为核心的低碳微生态架构，可能是未来构建“碳中和区”较为可行的整体性方案。其中，风机、光伏等分布式电源作为清洁能量转化装置是“碳中和区”成立的必要条件；储能系统是平抑峰谷波动的主体，用来保证“碳中和区”的灵活性裕度；直流配电环节的加入可以省去直流设备和交流主网间数目众多的变换装置，对电能转换环节的能效提升有重要意义；柔性设备在提高电网响应控制水平的同时，可以赋予碳中和更多时空调节上的灵活性，如图2 所示。

图2 配电网低碳微生态要素配置Fig.2 Configuration of low-carbon microecology factors in distribution networks

风机、光伏发电设备随着成本的降低和体积的小型化［30］，在配电系统中的安装可行性和普及程度越来越高［31］，并网控制技术的日益成熟和多种能源间的互补特性也将进一步提升新能源渗透率，但是仍存在以下2 个方面的问题：一是在负荷侧目前以用户自行投建为主，呈现无序、分散、容量小等特点；二是电能转化受风速、光照、温度等自然因素影响较大，具有显著的间歇性和波动性［32］。然而，随着配电侧可再生能源并网技术标准和政策规范的陆续出台，低能耗建筑逐步将风机、光伏建造纳入总体设计方案［33］，虚拟同步机等技术推广应用后对分布式电源并网兼容性的有效改善［34］，“碳中和区”将获得更加可靠可控的新能源支撑。

储能系统通过优化调节充放电特性，可以在时间上有效改善分布式电源和负荷间功率不匹配的情况［35］，它的调节能力在很大程度上决定了所在区域的对外碳特性，是维持当前“碳中和区”约束边界稳定的关键系统。储能装置自身在要求高能量密度、低转化损失之外，需要进一步考虑能量存储介质和方式的低碳化，电制氢储能技术日益得到关注和发展［36］。电氢转化不仅可以实现零碳排放，而且氢作为重要的工业原料和二次能源的有效补充，电解制氢也有助于消纳过剩的分布式发电［37］。因此，以电制氢为代表的新型储能系统，以及氢能和电能之间相互独立而又较为高效的综合利用机制，将成为低碳微生态的重要组成部分。

直流配电环节可以充分释放光伏和储能并网的潜力，节省大量电力电子变换装置的分散式配置成本，直接满足数字通信设备、数据中心、直流快充电站等新型直流负载的用电需求，避免多元源荷为接入传统交流主网而产生的复杂网络结构和控制策略，从而进一步提高碳中和的适配度和能效比。低压直流供用电系统在独立组网、节能降损和电磁兼容等方面具有明显优势［38］，可以作为低碳微生态供配电技术的重要借鉴。

柔性设备具有灵活可调、精准可控等特点，目前主要有2 类：一类是柔性负荷［39］，如空调和电热水器可以利用温度变化的迟滞特性进行短期电功率调节，洗衣机和洗碗机可以自动延时启动或错峰工作［40］，通过需求侧响应等手段改变原有的碳排放特性；另一类是柔性配电装置［41］，如静止无功补偿器既可以吸收也可以发出无功功率，智能软开关可以对馈线间的潮流进行转移调配，从而对归属各区的可控资源进行优化重组，削减因为空间阻隔造成的碳不平衡量，在广域范围内重塑碳排放约束下的配电网组织和运行方式。

综上所述，“风光储直柔”的低碳微生态配置方案在经济性、可拓展性等方面具有较强优势，是“碳中和区”落实碳排放约束的重要组织形式，为智能配电网规划提供了新的技术路线，可以面向实际场景开展更加深入的探讨。

3.2 碳中和能力评估

考虑到智能配电网的低碳化发展特征，在采用供电安全性、用电可靠性［42］和经济性等指标的基础上，有必要从碳排放的视角对规划方案开展进一步的量化分析，碳中和能力评估将成为智能配电网综合评价体系［43］的重要组成部分，为规划方案的前期研讨和后期审定提供更加全面的引导和规范。

3.2.1 碳消费指标

为了衡量某区域范围内配电网（碳评估区）在不同评估时长下的碳中和能力，提出碳消费指标ci，τ如下所示，ci，τ值越小，说明碳评估区i的碳中和能力越强。

式中：τ为评估时长；、和分别表示碳评估区i在时间τ内上级电站端口输送、配电网本地产生和负荷消耗的电能；αi和βi分别为上级电站输送和配电网本地产生电能中清洁能源所占比例；φ和ω分别为上级电站输送和配电网本地产生的碳基电能和碳排放之间的转化系数。

3.2.2 碳净比指标

考虑空间尺度的差异，“碳中和区”的范围可能是某条街道、某个供电辖区，也可能是整个城市配电网；考虑到不同位置的区块又可以划分为商业、居民、工业等多种建设用途，由于空间覆盖范围和负荷类型的不同导致碳不平衡量的绝对值也会有显著差异，从而影响对区域碳中和能力评估的判断。因此，提出如式（3）所示碳净比指标ri，τ，表示单位负荷电能消耗所对应的碳排放量，以抵消“碳中和区”自身负荷规模所带来的影响。

3.2.3 碳均衡指标

针对城市配电网规划中的碳中和问题，在初始阶段以各供电辖区为基础形成若干碳评估区，然后对各区域内现状电网和可开发利用的调节资源进行分析研判，进而推动原辖区布局下各优势资源的优化重组，为“碳中和区”的形成创造地理拓扑和资产管理上的条件。例如，通过安装柔性配电装置来实现各区域之间优势资源的优化重组时，可以将某区域原来无法消纳而不得不弃置的风光出力转移到存在电量缺额的相邻区域，在提高本地清洁能源利用率的同时，减少总体上对碳基能源的消耗，从而达到碳中和能力互济的效果。

为了评估城市配电网各区域间碳中和能力的互济程度，提出碳均衡指标g如下所示，g值越小，说明碳评估区之间的互补能力越强，城市配电网的碳消费在整体上更加均衡。

式中：M和N分别为优化重组前后碳评估区的数量；r′k，τ为优化重组后碳评估区的碳净比值；c′k，τ为优化重组后碳评估区的碳消费值；′为优化重组后碳评估区负荷消耗的电能。由于优化重组前后城市配电网总体负荷的电能需求保持不变，所以满足

4 “碳约束”下的智能配电网规划关键问题

4.1 时间维度上的强耦合性

智能配电网规划在时间维度上呈现多层次、强耦合的特点［44］，如图3 所示。多层次是指规划涵盖了年、日、小时等多种颗粒度不同的时间尺度，反映了规划和运行之间的相互作用；强耦合是指下一步的规划方案建立在上一步规划结果的基础之上，需要同时考虑当前的时效性和未来拓展的充裕性，从而尽可能地减少闲置或短缺。

图3 多时间尺度下的智能配电网规划Fig.3 Planning of smart distribution network based on multiple time-scales

远景规划一般考虑的是15 至20 年及以上的发展需要，根据实际进度安排将总体规划进一步细分为短期、中期等若干阶段［45］。在以年为单位的时间跨度上，要首先考虑碳均衡指标的导向作用，从配电网全局规划的视角出发，开展对环境承载能力和经济发展能耗的预测分析。量化未来若干年内潜在的新能源可开发储量和可能产生的碳排放分布，大致确定各区块内的供需关系以及各区块间的互济程度，决定配电网变电站和网架的基础布局和容量配置以及“碳中和区”的大致数量和规模，从而为划定“碳中和区”边界和预留由柔性配电装置形成的功率输送通道提供条件。

由于规划和运行2 个层面上的问题联系日益紧密［46］，同时为了确保碳评估区获得最大中和能力，有必要在规划各阶段开展典型场景选取和融合方法研究，在以日为单位的时间跨度上，充分计及“源-网-荷-储”交互的不确定性过程，建立日碳排放特性数据库和碳减排日程清单，优化低碳微生态的日前调度和能量管理机制，尽可能地降低碳净比指标值，从而对电网规划的复杂适应性和运行时的灵活策略调整提出更高的要求。

配电网规划中重要的一项是设备选型问题［47］，配电侧分布式电源的功率输出将削减负荷峰值，在一定程度上缓解了电力传输容量的限制。但由于分布式电源出力具有间歇性和波动性，在以小时乃至分钟为单位的时间跨度上，线路传输的峰值容量仍是待求解的规划变量。线路、开关以及换流器等设备的容量优选，对保证系统安全经济运行、提高“碳中和区”各配置环节的资产利用率具有重要意义。

4.2 空间维度上的动态演变

智能配电网在整个规划周期内分阶段递进式发展，也意味着配电网在空间形态上将发生动态演变，如图4 所示，包括“碳中和区”的延拓、收缩、融合与解裂等过程，主要涉及以下几个方面的问题。

图4 智能配电网动态演变Fig.4 Dynamic evolution of smart distribution network

一是“碳中和区”电力边界如何确定的问题。电力边界是内外功率交换的位置，“碳中和区”内部源荷平衡与对外交换功率为零具有等价关系，所以负荷与风机、光伏的容量增减、位置变动在很大程度上决定了“碳中和区”的边界，是促使“碳中和区”发生动态演变的主要驱动力，而边界的稳定性则取决于储能、柔性配电设备等可控资源的调控能力。电力边界的改变在形式上表现为配电网各部分间的优化重组，实质上反映的是投资经济性和碳中和能力两者相权衡后的发展断面。

二是“碳中和区”之间的联络问题。一些“碳中和区”在满足自身约束的情况下，如果能量存储和调度空间仍有裕度，那么就可以发挥辅助服务的作用，即通过多端柔性配电装置与相邻区域连接，形成“蜂窝状”结构和常态闭环运行方式［48］，然后各区域以对等市场主体的角色开展碳中和机制下的能量交易［49］，提高系统整体的资源利用效益，扩大碳排放约束的影响范围。

三是“碳中和区”在多电压层级间的构建问题。变电站目前对由分布式电源引起的潮流倒送大都有较为严格的容量限制，所以变电环节是“碳中和区”之间良好的分界点。柔性变电站［50］和具有电压变换功能的柔性配电装置［51］响应速度快、数字化水平高，不仅是电能量测的关键节点，同样也是信息收发链路的重要组成部分，它们对传统变电站和变压器的升级替代将进一步增强智能配电网不同电压层级之间对“碳足迹”的监控和管理水平［52］，促进清洁能源多级调度协同响应。

四是电动汽车对“碳中和区”的影响。电动汽车既可以作为电力负载，也可以反向对电网充电，其跨区域的机动性也决定了其作为移动式碳载体的灵活性［53］，从而具备对“碳中和区”边界弹性的塑造能力。开展对公交车、出租车等不同类型电动汽车出行规律的特性分析［54］，研究电动汽车集群式调度方法和充换电站选址定容的规划方法［55］，对“交通-电力”交叉领域的碳中和具有重要意义。

5 低碳化智能配电网规划展望

5.1 能源渐进替代

碳中和理念的落实不会一蹴而就，将渐进式地经历“高碳—低碳—零碳”的发展阶段，所以在此期间制定合理的能源组合利用方式将具有更为现实的意义［56］。变电站从上级电网，即目前以火力为主的发电厂输入电能，其实际投运容量将逐渐减小，配套的高碳基础设施也将随着碳中和的深化推进而降低投资。但是，目前电网主体对传统能源仍维持较强依赖，冬夏季呈现“双峰”特征的用电需求主要依靠常规电源来保障电量平衡和调峰灵活性，传统能源在基数和占比上的优势将在未来较长一段时间内持续作用于电网形态的发展。特别指出的是，美国得克萨斯州于2021 年2 月15 日发生的大范围停电事件［57］，其中一个直接原因是得克萨斯州电源结构以燃气和风电机组为主（约占总装机容量的77%）。在极寒天气下，天然气管网和风力发电设备因冻结而被迫停运，从而导致电源出力急剧下降，在外部供电能力不足的情况下只能大规模削减负荷，实行轮流停电。因此，如何协调新能源和传统能源间的投建比例和运营方式，如何正确处理经济持续稳定增长、电力安全可靠供应和能源低碳化转型三者的关系，是当下研究智能配电网规划需要首先考虑的务实问题。

5.2 城乡协同规划

城市配电系统具有高负荷密度和高供电可靠性等特点［58］，但是可开发空间资源日益紧缺，碳排放量在短时间内无法自我抵消。农村配电系统虽然负荷分散、电网建设薄弱，但是风能、光能等可再生能源蕴藏丰富且建设成本较低。随着农村居民生活水平不断提高，农村和邻近城镇的碳排放需求日益增长，机械、灌溉、温室大棚等农业生产领域的电能替代快速发展，清洁能源的就近开发利用可以有效减少农村燃油燃煤的消耗。研究如何将中心城市和周边乡镇的源荷情况进行统筹考量，开展碳排放约束下的城乡配电网协同规划，建立城乡一体化的碳排放管控和发展机制，不仅可以为拓展规划创造新的实现路径，而且将极大地改善新能源来源单一和过度集中的问题，从而提高区域整体的供电安全性和可靠性。

5.3 运行模式转变

未来智能配电网将逐步发展成为“协同、开放、绿色、共享”的综合性能源服务应用体系［59］，运行模式与传统配电网存在诸多不同，将对碳中和理念下的智能配电网规划产生重大影响。首先，不同品类能源间的耦合互补关系将进一步加强，源荷单向跟踪转化为源荷协调互动［60］，长短期储能需求总量和结构配比不断优化［61］，碳捕集电厂可以通过改变运行方式调节碳排放和净发电之间的数量关系［62］，这一系列变化将导致碳足迹与能量产销的对应关系愈加复杂，这意味着智能配电网的规划方案需要具备更高的兼容性和灵活性，对互联结构下碳流动通量和路径优化调度提出更高的要求。其次，信息流和能量流将发生更加紧密的结合，通信技术和互联网技术将给智能配电网的动态感知、计算决策和代理协作等提供新的控制手段［63］，这意味着碳排放监管的数字化和智能化水平进一步提高，智能配电网规划必须计及“信息-能量-碳排放”多元网络在运行层面的强关联作用，从而确保系统整体配置在碳信息采集、计量转换和潮流调控等底层物理实现上的完备性。

5.4 碳排放权交易

电力碳排放权交易市场作为电力市场的衍生体［64］，在能源互联趋势下将具备海量终端、多边接入和平等参与等新特征［65］，为实现能源领域更加广泛的碳源减排和碳汇增容创造新条件［66］，从而成为加速智能配电网碳中和进程的有效手段。通过制定安全高效的碳排放权结算与出清规则，利用经济层面的转移支付方式，对地区间的异质互补性资源进行统筹协调，将对配电网规划中不同利益主体的投资行为形成积极引导。同时，资本的流通不仅会让各地域的碳排放权交易更加紧密，也会反作用到配电网规划的实体层面。例如，为了获取市场博弈中的更大优势，局域“碳中和区”将优化规划方案，努力提升自身的碳调节裕度和灵活性，而跨电压层级“碳中和区”间的关联机制也将增扩传输通道和提高响应速度。

6 结语

“碳达峰、碳中和”作为国家重要战略决策，决定了中国能源利用体系未来发展的价值方向。风机、光伏等分布式电源的高比例渗透是能源清洁化转型的重要支撑点，为配电网实现碳中和创造了条件，同时对先进装备的制造能力、安全稳定的生态建设和高效协同的控制方法提出了新挑战，将对智能配电网规划理论和技术变革产生深刻影响。本文在碳中和成为新时代电网发展目标的背景下，对低碳化智能配电网规划的路径转变、评估方法和关键问题等展开探讨，在后续工作中将对智能配电网规划中所涉及碳排放约束的数学描述和建模方法展开进一步研究，期望能够为碳中和导引下的智能配电网规划发展提供有益的思考和借鉴。