分布式电源配电网的消纳能力

陈瑞华，郑日平，马炳健，刘宝军

（广东电网有限责任公司江门供电局，广东 江门 529000）

0 引 言

近年来，随着化石能源储量的日渐短缺和公众对环境问题的日益关注，大力开发可再生能源、广泛应用清洁能源已经成为电力行业的基本共识。随着分布式电源技术的发展，用户对电能质量、供电稳定性、灵活性的要求越来越高，传统配电网正在向可观测、可控的主动配电网发展。文献[1]和文献[2]研究分析了目前分布式电源配电网在故障恢复过程中面临的主要问题，即分布式电源的出力不确定性、故障恢复稳定性及多种能源耦合下的故障机制配合。文献[3]、文献[4]以及文献[5]分析了在使用综合能源背景下制约配电网消纳能力的主要因素，认为有功无功调节依然是提高配电网消纳能力的重要手段，并提出了一种基于移动氢储能和SOP等有功或无功调节装置的主动配电网优化模型。近年来，中国城市配电网络出现的问题主要是配电设施引起的，无论是配电网络的架构方面，还是配电网络的基础设施，充分利用这些设施的功能，就可以优化整个城市的配电网系统，而且还可以为公众带来有利的能源情景。但是现在城市配电网络的基础设施已经超过使用年限，其设备的老化问题经常影响到配电网络的日常传输，也使得电能的分配存在不合理的现象。文献[6]分析了目前配电网规划面临的基础设施老旧和规划时间较长等问题，并提出了相应的规划策略。

目前，国内外在分布式能源方面已有大量研究，但在提高配电网的消纳能力、故障恢复能力及完善后续配电网的规划等方向仍需继续探索[7,8]。

1 分布式电源配电网的消纳能力（以氢能为例）

与传统的煤炭生产方式相比，分布式电源的主要优点是高利用率、环境污染可以忽略不计、能源使用的灵活性和多样性。但分布式电源也影响使用后的配电网络运行，如各地区配电网络对分布式电源的不均衡消纳问题，可以导致引起电流故障，对配电网的管理非常不利，造成负面影响。因此，开发分布式能源的消纳能力研究对于提高分布式网络的灵活性、稳定性以及可靠性非常重要。

随着分布式电源技术发展的逐渐成熟，分布式电源在配电网中的渗透率逐渐提高，但目前局部地区已经出现了配电网对分布式电源消纳能力不足的问题。为了提高配电网的消纳能力，可以从网络重构、电网规划、分布式电源优化配置和有功无功控制等方面考虑。网络重构依赖于配电网的高度自动化，电网规划和分布式电源优化配置依赖于长时间尺度，因此就运行层面而言，有功无功控制依然是提高配电网消纳能力的重要方式。

以氢能为例，建立移动氢储能等有功无功调节装置的主动配电网优化调度模型，不考虑分布式电源本身的有功无功调节作用。通过多个归属签约用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）之间协同优化调度约束和氢能运输时间约束，充分发挥氢能的可移动特性，平抑分布式电源在空间分布上的不平衡性，提升经济效益和配电网的消纳能力。但此模型具有单目标性和全局优化的特点，而实际HSS、配电网和分布式电源运营商可能属于不同的利益主体，因此在后续的研究中还需考虑综合能源市场和电力服务市场对HSS等灵活性资源交易与运行模型的影响。

2 分布式电源配电网的故障恢复

故障恢复能力是衡量一个配电网性能优劣的重要指标。当配电网发生故障后，第一时间切断故障区域与非故障区域的连接，避免故障区域的进一步扩大，同时恢复故障区域的正常供电。但由于技术限制，故障区域不能全部恢复正常供电，只能以最大化供电恢复区域、最小化功率损耗、最少开关次数为目标函数，从而计算出最优故障恢复方案。图1为故障时SOP运行模型。

图1 故障时SOP运行模型

传统配电网的单点故障恢复只需考虑故障馈线的负荷转供问题，而分布式电源配电网发生故障时更倾向于孤岛运行，即由本地的分布式电源对负荷进行独立供电。其故障恢复过程中涉及了网络重构、孤岛划分和动态恢复顺序（便于检修人员对故障区域进行倒闸操作）3个决策过程，这虽然可以更多地恢复失电负荷，但也增加了故障恢复决策过程的复杂性。

目前，针对配电网故障恢复的研究已经十分成熟，不少研究成果已应用于传统配电网，但在分布式电源发展的新趋势下，已有的研究成果在许多方面仍存在继续改进的空间，主要包括以下几点。

（1）分布式电源的出力不确定性。配电网在出现大型故障时，失去上级网络的支撑，仅由分布式电源进行供电。但由于分布式电源存在出力不确定性（尤其是风光机组），不能长时间支撑配电网的正常运行，有可能造成更加严重的损失。

（2）多种能源耦合下的故障恢复配合机制。为减少对化石能源的消耗，同时在一定程度上保证配电网的稳定性和可靠性，研究多种能源耦合的配电网至关重要，但这给正常态和故障态下的配电网调度运行带来了严峻的挑战。在多种能源耦合下，如何制定一个有效的配电网故障恢复配合机制至关重要。

（3）分布式电源配电网故障恢复稳定性。分布式电源虽然可以在配电网发生故障时提供电能，但其容量较小，抗干扰能力差，特别是在故障恢复过程中需要进行大量的倒闸操作，容易导致系统频率、电压振荡，对重要设备造成损害。

3 分布式电源配电网的规划

分布式电源技术的发展和用户用电需求的多元化进一步推动了配电网的改革。配电网系统的规划和过渡迫在眉睫，我国配电网络系统需要升级和重新规划，以便为消费者提供更好的服务，保障电气安全。因此，配电网规划的设计是否科学、合理及正规将直接影响电网运行和居民的用电安全。在此背景下，为了给用户提供更加优质的电能和更加可靠的供电服务，配电网络的重新规划日益重要。在规划过程中，这些问题亟待解决。

（1）配电网设施老旧、供电可靠性低。近年来，我国城市配电网出现的问题主要是由于配电设备的老旧和配电网自身架构的不合理。而在新形势下，不仅要关注其对分布式电源的接纳性，而且还要充分考虑配电网现有基础设备的使用寿命，尤其是在配电网建设初期，为了节约投资成本，存在线路建设不合理等问题，如在城镇用高架空线输送电能，一旦出现问题，将会直接影响用户的用电情况，甚至威胁用户的生命财产安全。

（2）城市配电网建设时间长。城市配电网在建设过程中不仅需要对原有配电网络进行重新规划，还要将其与新的配电网络进行融合，从而导致电力部门对配电网的规划时间较长。若在此过程中遇到负荷偏差或投入资金不足等问题，则会进一步延长规划时间，在一定程度上影响群众对电能的使用。

为了实现配备综合电源、完善配电网系统，必须注意科学规划，为居民生活和工业生产提供更有利的电气环境。随着网络管理基础设施的建设，能源部门开发商必须积极依赖政府和社会企业，充分了解当地人用电情况。为贯彻落实科学的配电网规划，将严格执行现行的配电网制度，必须注意配电网安全体系的建设，以降低风险，重点规划主线路和配电网分线路。此外，在变压器的帮助下可以实现监控整个配电网络，完善特定区域的配电网。

4 结 论

随着分布式电源在配电网的渗透率逐渐提高，配电网的消纳能力已显现不足，这将严重影响配电网络的安全运行，引起电流故障，而网络重构、分布式电源优化配置等技术手段主要依赖于配电网的高度自动化和长时间尺度，因此有功无功调节依然是提高消纳能力的重要方式。以氢能为例，建立移动氢储能和SOP等有功无功调节装置的主动配电网优化调度模型，通过多座HSS之间协同优化调度约束和氢能运输时间约束，充分发挥氢能的可移动特性，平抑分布式电源在空间分布上的不平衡性，促进经济效益的提升和配电网的消纳能力。

分布式电源下的故障恢复机制依然是目前配电网的研究热点，这对保证配电网的稳定性和可靠性至关重要，面临的主要问题包括多种能源耦合下的故障机制配合、分布式电源的出力不确定性及故障恢复稳定性。

城市配电网络的基础设施已经超过其使用年限，设备的老化问题经常影响到配电网络的日常传输。在新形势下，配电网的重新规划日益重要，针对规划过程中凸显的设备老旧、建设时间长等问题要尽快解决，避免对居民用电产生影响。