配电系统智能软开关技术及应用

王成山，季 节，冀浩然，于 浩，吴建中，李 鹏

（1. 智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津市 300072；2. 卡迪夫大学工程学院，卡迪夫CF24 3AA，英国）

0 引言

随着电气与信息技术的不断进步，在国家政策与日益完善的市场机制激励下，配电网进入快速发展阶段。分布式电源的接入比例不断提升，电能替代在社会生产、居民生活、电气化交通等领域被广泛推进，配电网所涵盖的技术要素、所面临的技术需求更为丰富，由此带来了诸多挑战［1］。面向未来配电网发展需求，如何利用电气装备与运行调控等技术的创新，使系统能够有效承载清洁能源的接入与消纳、提供用户侧差异化电力服务，以及满足配电网与社会生产生活多领域的协调互动，成为当前面临的重要课题。

电力电子装备的广泛应用是柔性配电网的重要特征之一［2］，新型电力电子装置将以各种不同的形式存在于配电网中，并能够通过对电能的灵活变换与控制，使源荷行为更加“柔性”和“主动”，从而释放各种源荷新要素的运行调度潜力，共同支撑配电网运行目标的实现［3］。例如，借助新型电力电子拓扑和控制策略，分布式光伏能够在并网发电的同时参与系统的无功电压控制［4］；各种源荷可组成微电网等形式，以整体可控形态参与配电网运行［5］；在高级量测和信息通信技术的支撑下，分散负荷也能够利用虚拟电厂等组织形式，通过需求响应支撑电网运行；对电动汽车充电站、数据中心等新型负荷，还能够利用自身的能量管理能力获得节能和支撑电网运行优化的双重收益。

源荷侧设备的柔性化丰富了配电网的运行调度资源，但由于其空间分布的不均衡性和传统配电网的结构与技术约束，其调节效用往往限于局部而难以有效传导至整个系统。如何高效、协同地利用柔性资源成为亟待解决的难题［6］。智能软开关（soft open point，SOP）技术即在这一背景下提出，其基本结构由大功率全控型电力电子元件组成的背靠背型交-直-交变流器构成，通常SOP 各端变流器结构完全对称［7］。SOP 是一种取代传统常开联络开关（normally open point，NOP）的新型电力电子装置，可实现配电系统的柔性闭环运行［8］。随着SOP 应用价值的不断发掘，其“常开”特性逐渐弱化，在名称上也演化为“智能软开关”或“柔性多状态开关”［9］，以凸显其对系统智能运行的支撑作用和多种运行状态灵活切换等特征。SOP 能实现馈线层面的实时、精细功率控制［10］，进而在更大的空间尺度下统筹各种柔性源荷资源，调节和优化系统层面的潮流分布［11］。近年来，围绕配电网SOP 的配置规划、运行优化、控制保护等问题已开展了大量研究工作，实现了基于SOP 的分布式电源消纳提升、电压无功支撑、运行损耗降低、线路负载平衡、不确定环境下鲁棒运行、自愈能力提升等多元化运行支撑，并在一批实际工程中得到应用，取得了良好的示范效果。

随着SOP 研究的不断深入，SOP 装置本身及其柔性互联思想在配电网中的应用场景也逐渐得到扩展。但由于SOP 的成本较高，必须更充分地发掘其技术潜能，探索SOP 与配电网供给侧、需求侧、市场机制等新技术和新体系的融合机制，提高其综合收益以使柔性互联装置在投资建设上现实、可行。这些技术形式虽然应用场景各有不同，但共同遵循了柔性互联的核心思想，在控制方式、调控能力、运行策略等方面具有共性特征，在技术方法上具有相互借鉴的价值。因此，从SOP 相关基础研究出发，系统性归纳基于SOP 的柔性配电网规划与运行技术发展路径和研究进展，对解决各种柔性互联场景的共性技术问题，以及开展柔性配电网整体的运行规划等，都具有重要意义。

本文首先对SOP 技术理念发展以及SOP 衍生出的多场景柔性互联技术特征与应用进行了归纳；在此基础上，针对以SOP 为核心的柔性配电网在运行优化、故障自愈、配置规划等不同阶段的技术问题，对当前主要的研究方向和研究进展进行了综述，并对未来SOP 技术发展与应用方向进行了展望，希望能够为SOP 技术研究与应用的进一步拓展和深化提供思路与借鉴。

1 SOP 多场景柔性互联应用形态

配电网中，SOP 互联应用从最初的双端馈线柔性互联场景衍生出多端柔性互联、跨电压等级柔性互联、交直流混合互联、柔性变电站等多种技术形态，如图1 所示，可满足配电网多种柔性互联需求［3］。基于SOP 的柔性配电技术不断成熟，极大地促进了配电网的柔性互联形态演化，本章重点阐述了应用于不同柔性互联场景的SOP 形态。

图1 配电网SOP 柔性互联多场景应用Fig.1 Flexible interconnected multi-scenario application of SOP in distribution networks

1.1 双端馈线柔性互联

SOP 的核心理念是代替传统联络开关以实现馈线间柔性电气互联，支撑馈线负载平衡和分布式电源高效消纳等。图2 所示的背靠背电压源型换流器（back-to-back voltage source converter，B2B VSC）拓扑是SOP 的一种典型实现结构，其两侧换流器为对称形式，可实现有功功率传输、无功功率实时控制和四象限灵活运行。SOP 通过不同控制模式切换，以满足正常状态下的功率控制、外部故障状态的电压支撑等多场景应用需求。

图2 双端SOP 的背靠背VSC 拓扑结构Fig.2 Back-to-back VSC topology of two-terminal SOP

如何研发更紧凑、高效的装置结构，实现快速、准确、灵活的控制响应是SOP 技术长期面临的基础性问题。从拓扑实现来看，面向中压配电网的SOP结构可采用升压变压器与两电平变流器、模块化多电平变流器（modular multilevel converter，MMC）［12］及其衍生形式等［13-14］。但不同拓扑的稳态运行约束条件［15］、故障特性［16-17］等存在一定的差异。因此，针对具体场景需求，考虑SOP 技术性能、装备体积与投资成本等多因素影响，制定SOP 拓扑设计方案成为一个复杂的优化问题［18］。

从运行控制来看，SOP 控制目标的实现需两侧换流器共同完成，具体包括直流侧电压的控制、SOP传输有功功率控制，以及两侧换流器发出的无功功率控制等。文献［8］中给出了SOP 在正常和故障场景下的典型控制策略。近年来，围绕如何提升直流侧电压抗干扰能力［19］、提高功率控制响应速度和鲁棒性［20］、正常-故障多场景控制策略无缝切换［21］等问题也取得了一些成果，为SOP 运行功能的实现和应用形式的拓展奠定了基础。

在工程应用方面，2007 年日本电网技术示范工程中投用了容量为1 MV·A、电压等级为6.6 kV 的双端环网功率平衡器（loop balance controller，LBC）［22］，虽未明确提出SOP 的概念，但在利用潮流改善电压质量与均衡负荷分布等方面已具有了柔性互联思想的雏形；2015 年英国FUN-LV 示范工程中建造了容量为240 kV·A 的双端SOP［23］，起到了良好的示范作用。

1.2 多端馈线柔性互联

随着配电网供电可靠性要求的不断提高，传统的放射形网络结构正在发生变化，N供一备、多分段多联络等接线模式开始得到推广应用［22，24］。为了以更为经济的方式满足多端馈线柔性互联需求，在双端SOP 结构基础之上进一步衍生出了端口数量可灵活配置的多端SOP 装置［25］。

多端SOP 将多个AC/DC 换流器的直流侧并联于公共母线，交流侧分别连接不同馈线［26］，如图3 所示。与双端SOP 相比，多端SOP 在经济性、可靠性等方面都更具优势，原因在于:1）采用公共直流母线减少了变流器数量，降低了设备占地、投资与损耗；2）可采用高度模块化装置结构，能够灵活适应不同数量的馈线连接需求；3）与多条馈线连接，由多变流器组成协同运行模式，增强了SOP 在馈线负载平衡等应用中的调控能力［27］；4）通过合理的变流器容量配置和馈线联络设计，发生故障时多条馈线灵活切换、互为备用，具有更高的供电可靠性［28］。

图3 多端SOP 拓扑结构Fig.3 Topology of multi-terminal SOP

在工程应用方面，与双端SOP 相比，多端SOP能够提供的接口数量更多、适用场景更广、综合收益更高、示范意义更强，因此成为目前国内外工程示范中普遍采用的SOP 形式。例如，2015 年英国在FUN-LV 示范工程中进一步建造了400 kV·A 容量的三端SOP，并于2020 年在ANGLE-DC 项目中投运了容量为16 MV·A 的四端SOP，SOP 内部直流电压为±27 kV，外部可接入33 kV 交流电网［23］；在中国天津北辰柔性互联配电网示范工程中，配置了各端换流器容量均为6 MV·A 的四端SOP，构成以2 个110 kV 变电站为中心的柔性双环网架构，通过与居民负荷用电互补提高了线路负荷均衡度［29］。在中国北京延庆地区智能电网创新示范区中，采用三端SOP 作为柔性环网控制装置，使2 个10 kV 单环网柔性闭环运行，解决了设备利用率低、供电可靠性和供电能力提升受限等问题［30］。

1.3 交直流混合柔性互联

直流配电已成为配电技术发展的一个重要方向［31］。为满足交直流混联配电网中的馈线柔性互联需求，可将SOP 的换流器形式加以拓展，采用AC/DC 换流器与DC/DC 换流器组合的形式，各换流器一端并联至公共直流母线，另一端则对应连接交流或直流馈线，使其同时具备交流和直流馈线接入和功率交换的能力，如图4 所示。采用上述结构的SOP 可灵活交换交直流混联配电网的馈线功率，有助于降低网损、优化电压水平等运行状态，改善系统运行状态［32］。

图4 交直流混合柔性互联SOP 拓扑结构Fig.4 Topology of AC/DC hybrid flexible interconnected SOP

基于SOP 进行交直流混联的另一思路是利用SOP 的内部直流母线实现直流储能、分布式电源、新型负荷等装置接入，如图5 所示。例如，将储能装置和SOP 进行一体化集成，可形成兼具时间与空间调度能力的智能储能软开关（SOP with ESS integration，E-SOP），与常规SOP 相比能更好地应对高渗透率分布式电源的出力波动，在经济性、可持续性等方面都具有优势［33］。SOP 内部直流母线也可开放为配电网的对外直流接口，从而更好地支撑光伏、风机等直流分布式电源和充电负荷的接入；同时，通过SOP 端口控制策略和分布式电源与储能控制策略的协调设计，可提高系统稳定性、满足分布式电源即插即用、交直流负载不间断供电等需求［34］。

图5 基于SOP 直流母线接入的直流源荷储Fig.5 Distributed generators, loads and energy storage systems integrated via DC-bus of SOP

交直流混合柔性互联的技术理念在很多工程示范中得到了实践。由于现有的直流配电线路较少，交直流混合柔性互联在现阶段需求有限，因此，大多数的交直流混合柔性互联工程都采用了开放SOP直流母线接口的形式。例如，在中国贵州电网柔性直流配电示范工程中［35］，由4 个容量为1 MV·A 的AC/DC MMC 及1 个直流变压器构成3 条10 kV 交流馈线、0.4 kV 低压交流微电网、0.375 kV 低压直流微电网之间的柔性互联。实现了交直流负荷和分布式电源、储能装置的灵活接入，可支持交流和直流微电网子系统间、各交流馈线间的功率控制，同时实现了系统经济运行和优化调度，以及系统故障情况下的运行模式切换以提供相互支撑。

1.4 多电压等级柔性互联与柔性变电站

多电压等级柔性互联可应用于馈线间联络，通过对不同电压等级的SOP 换流器进行拓扑设计、在SOP 内部直流环节增加电压变换模块以及在SOP交流端增加变压器［13］，使其能够连接不同电压等级馈线并控制互联馈线间的功率流动，实现多电压等级馈线间功率的相互支撑［36］。多电压等级柔性互联也可应用于独立供电场景，作为柔性变电站连接上下级配电网，发挥电压变换和电能灵活分配的作用［37］。2 种场景下的柔性互联装置在结构实现上具有一定的相似性，均可以在B2B VSC 的基础上增加电压变换环节，如图6 所示。

图6 多电压等级柔性互联结构Fig.6 Flexible interconnected structure with multiple voltage levels

相比较而言，多电压等级柔性互联装备的成本更高，故大多以柔性变电站形式出现，以期更充分地发挥其运行控制价值。从基本结构来看，柔性变电站的内部直流部分加设了以高频变压器为核心的电压变换模块，以实现可控的直流电压变换；外部交流端连接对应电压等级的馈线［38-39］，形式较为紧凑。当配电网正常运行时，可提供电压变换、功率分配、无功补偿、谐波抑制等功能，以满足系统的潮流优化、电压控制、电能质量治理、定制化供电等需求［40］；当配电系统故障时可限制短路电流、实现故障隔离、提供电压支撑等［41］。此外，柔性变电站还可集成前文所述的交直流混合柔性互联功能，为配电侧源荷提供更多元化的入网选择。

工程应用方面，在中国杭州江东新城智能柔性直流配电网示范工程中［42］，采用了三端B2B MMC结构的SOP 实现2 个交流10 kV 和1 个交流20 kV供电区域的柔性连接，解决了该地区多电压混供互联存在的电压差和相角差问题，提高了供电区域的互济能力；在中国张北交直流配电网及柔性变电站示范工程中［43］，以10 kV 柔性变电站为核心，实现了10 kV 交流、±10 kV 直流、750 V 直流、380 V 交流4 个电压等级的双向输入输出，提高了区域清洁能源和交直流负荷灵活接入、源网荷协调互动的能力。

2 含SOP 配电网运行控制架构

当前，SOP 等柔性互联装置主要通过配电网主站能量管理系统进行集中式调度。但未来源储荷侧将大量接入如分布式电源、储能、电动汽车、数据中心等多类型新型设备，运行需求更为灵活多变。集中式的能量管理系统在通信架构、计算能力、信息安全等方面将面临沉重负担。

本章主要阐述含SOP 配电网控制架构方面的研究进展与发展趋势，重点是在集中式控制策略的基础上，设计并采用分层分布式控制架构，在系统控制效果的最优性与计算负担之间寻找最佳的平衡。例如，基于部分就地信息优化的系统运行策略，可能在保证具有近似集中式控制效果的同时，减小通信与计算规模，如图7 所示。

图7 SOP 运行控制实现Fig.7 Implementation of SOP operation control

2.1 SOP 集中式运行控制

在集中式运行控制架构下，SOP 及各种柔性互联装置的二次系统将集中接入配电网调度主站，由主站中央控制系统经过复杂的优化计算，对系统中各SOP 的有功功率传输和两端无功功率输出进行调整，以调节系统潮流分布和改善电压质量，实现系统经济安全运行。

集中式控制以系统全局最优为目标，统一调配可控资源，但面临以下挑战:1）所有量测数据都要传输至主站，一旦中央控制系统出现故障，整个运行控制体系就会瓦解；2）主站在接收到全网数据并完成大规模优化计算后方可得到SOP 控制策略，对数据存储、计算资源的需求较高，对源荷波动的快速响应能力不足；3）随着配电网规模的增大和调控资源的丰富，数据量也将呈爆发式增长，对信息通信系统的承载能力和可靠性要求大幅提高。

目前，受传统配电网运行管理模式的影响，大部分SOP 工程实践都沿用了集中式运行控制模式。但随着配电网的不断发展，对系统全局进行集中信息采集、处理、分析和控制的难度增加，发展更加高效的SOP 运行控制新架构成为一种可能的方向。

2.2 SOP 分布式运行控制

与集中式控制相比，分布式控制架构具有通信量低、计算规模小、策略时效性强、响应速度快等优势［44］。同时，在分布式架构下对就地控制和集中控制方式进行协调，能够在一定程度上弥补单独采用集中或就地控制模式的不足。

SOP 分布式控制需要对配电系统进行控制区域划分，通过相邻区域间交互边界信息，兼顾控制快速性与全局协调能力，提高系统整体的优化效果［45］。例如，文献［46］利用灵敏度分析量化SOP 对系统节点电压的影响范围，将大规模配电网划分为若干个子区域，利用SOP 实现配电网柔性互联和运行优化；文献［47］提出一种虚拟微电网区域划分方法，利用系统的电气关联强度指标实现了对微电网虚拟边界的自动划分与优化，其中以SOP 为可控边界组建虚拟分区，是未来SOP 的一种可能应用场景；文献［48］基于灵敏度分析进行分区后，利用各分区内就地信息制定SOP 运行策略，再通过区间协调计算SOP 有功功率传输值，实现近似全局优化。

但分布式控制过程经多次信息交互与算法迭代达到收敛，因而需要优化各区域间的交互机制以降低通信与计算资源需求［49］。未来，还需继续深化对分布式控制迭代时间的代价评估，确保分布式控制在设备控制时间尺度内完成策略的制定与下发。

2.3 SOP 就地化运行控制

相比于集中式与分布式控制，就地控制方式仅基于局部信息，由SOP 控制终端就地分析制定策略，需要的通信量更小，可快速响应分布式电源和负荷的频繁波动［50］。现有的就地控制策略主要基于局部量测电压和量测功率整定就地控制曲线，用于实时调节SOP 等可控设备的无功补偿或有功出力，但其控制性能高度依赖于曲线参数的调整，且整定过程较为复杂。

此外对于SOP 等柔性互联装置，根据不同控制目标和可用调控资源的特点，将就地控制与分布式、集中式控制架构混合应用。各区域SOP 控制器通过交互关键信息，制定区域间交互策略，保证SOP在具有近似于集中式控制效果的同时减小通信与计算规模，往往比只采用就地控制更加有效。例如，考虑SOP 有功和无功功率相对解耦，可在区内采用无功-电压就地控制曲线，根据本地信息对SOP 无功出力策略进行就地整定，增强不确定运行环境下SOP 电压控制的鲁棒性；对有功功率传输既可以采用集中式控制［51］，也可以采用分布式控制，以在减小系统通信量的同时保证控制策略的有效性［11］。

3 含SOP 的配电网运行优化

支撑配电网运行优化是SOP 的核心功能之一，为高效发挥SOP 的柔性可控能力，需要实现SOP 与多类型设备的多时间尺度协同调度，并进一步利用大数据、人工智能等先进技术，配合大规模高级量测设备，挖掘配电系统海量多元异构数据价值，降低SOP 控制策略制定中对实际物理模型的高度依赖，提高SOP 策略的准确性与适应性。本章主要从基于SOP 的多手段多目标协同优化、不确定性要素处理，以及数据驱动的SOP 自适应运行优化方面展开阐述。

3.1 基于SOP 的多手段协同运行优化

配电网中既包含有载调压变压器、补偿电容器等传统控制手段，又包含分布式电源、储能装置、电动汽车等新型调度资源。通过SOP 对多种差异化运行控制手段进行有效协调，成为充分发挥SOP 运行价值的关键。例如，针对SOP 与网络重构的协调问题，文献［52］将SOP 的主动精细潮流调节与基于传统开关的网络重构方法相结合，在保证系统安全运行前提下有效提高了分布式电源的消纳水平；文献［53］对比了SOP 和网络重构作用下的分布式电源消纳能力，表明将二者结合能够更有效地提升消纳水平。

SOP 的无功出力能够与传统电压和无功调节设备在快、慢时间尺度上相互配合，实现电压无功控制。例如，文献［54］将SOP 的运行优化问题拓展为与有载调压变压器、补偿电容器组等在多时间尺度下协调配合的电压无功时序优化问题；文献［55］采用预动作表确定离散的无功调节设备动作时刻，并根据SOP 的功率储备动态调整预动作表，调节无功出力。

SOP 还能够与可控分布式电源、储能等设备相互配合，发挥负载均衡、潮流优化、电压控制等作用。例如，文献［10］提出基于SOP 单相功率控制特性的三相不平衡运行优化策略，在缓解三相电压、电流不平衡的同时，有效减小了系统损耗；同时可配合储能设备进行时序优化调度，针对分布式电源的出力波动对SOP 三相出力进行连续调节；文献［56-57］研究了分属于不同利益主体的多端SOP 与微电网日前-日内协调优化方法，利用博弈确定日前有功出力，通过微电网无功余量减小电压偏差，日内对多端SOP 采用电压-有功和电压-无功双下垂控制，与微电网联合优化下垂斜率，降低了网损和系统电压偏差。

在求解算法方面，含SOP 的配电网运行优化问题模型一般具有大规模、混合整数、非凸非线性规划特征。对此，可通过半正定规划、二阶锥规划、凸差规划等数学方法进行转化［58-60］，利用各种成熟工具包进行高效求解；也可采用蚁群算法、粒子群算法等启发式算法在可行空间搜索获取最优解。

3.2 计及不确定性的SOP 运行优化

配电网运行中，分布式电源的出力波动与负荷需求的不确定性会削弱SOP 运行策略的有效性。这一问题可从进一步精细化运行调度周期以及更准确地描述不确定性要素2 个方面来加以解决，从而提升运行策略的鲁棒性。

在相量测量单元（phasor measurement unit，PMU）等先进量测技术的支持下，配电网状态感知的精细度和实时性大幅提升，在日内运行中能够利用更小尺度的运行数据对日前确定的SOP 控制策略进行修正。例如，文献［61］在日前阶段确定网络重构方案后，在日内阶段利用短时间尺度预测数据对SOP 出力进行闭环滚动优化，以减小分布式电源出力不确定性的影响；在实时控制阶段，还可以基于极短时间尺度预测数据评估系统风险，控制SOP 和换流器出力以改善电压分布。文献［62］利用长短期多时间尺度协调，对SOP 出力进行鲁棒优化，以提升三相不对称配电系统的运行安全性。

SOP 运行优化问题中的不确定性建模方面，主要包括基于不确定集合的鲁棒优化建模方法［63］、基于典型场景的概率分析描述法［64］、利用置信水平限制不满足约束情况的机会约束法［65］，以及随机优化建模方法［66］等。例如，文献［64］提出一种结合随机优化与鲁棒优化优点的SOP 分布鲁棒优化调度模型，基于历史数据评估不确定性源荷出力的概率分布范围，计算有源配电网灵活性指标，在最劣场景下决策SOP 出力，以平衡策略的优化水平与鲁棒性。

3.3 面向复杂场景的SOP 多目标优化

在SOP 实际运行中，往往需要经济性、安全性等多方面目标的协调，而不同优化目标间存在互相制约的可能。目前，针对SOP 的多目标运行优化问题也开展了一些研究。

将多目标线性加权求和转化为单目标优化问题，是SOP 多目标运行优化中常用的方法，但存在权重系数设置主观性过强的问题。为减小主观性影响，文献［67］采用权重分析法确定权重系数，同时明确了不同优化目标的起效范围；文献［68］提出一种网络损耗与电压优化权重自适应的SOP 时序优化方法，结合电气距离及源荷出力相关性分析节点电压越限风险，根据节点电压越限的风险差异自适应调整电压优化目标的权重。

另一种思路是基于帕累托前沿对多目标同时进行优化，尤其适用于解决清洁性、可靠性等目标函数存在冲突制约时的优化问题，具体计算多采用智能算法搜索可行空间中的非劣解。例如，文献［69］采用强度帕累托进化算法计算网络重构和柔性多状态开关出力的帕累托最优解集，并通过隶属度函数选择最终的运行方案；文献［70］将多目标粒子群算法和局部搜索算法相结合，提高了求解效率和准确性。

3.4 数据驱动的SOP 自适应运行优化

当前针对SOP 的就地式、分布式控制框架研究，尽管可在保证具有近似全局集中式优化效果的同时减小通信与计算规模，但需掌握配电网拓扑参数，且高度依赖于精确的物理机理模型。

在先进量测、通信技术及人工智能相关成果的支持下，未来的配电系统将具备大量可用量测数据。挖掘配电系统海量多元异构数据价值，基于量测数据分析建立数据模型替代传统物理模型，降低SOP 控制策略制定中对实际物理模型的高度依赖，是SOP 技术应用的未来发展方向之一。

目前，已有研究考虑数据驱动的SOP 自适应控制策略，初步结果表明，通过建立数据驱动的SOP无模型自适应优化控制策略，能够有效发挥SOP 的快速响应能力。例如，文献［71］提出一种在分布式电源和网络拓扑结构未知情况下，基于灵敏度分析调整SOP 出力实现电压优化的方法，由SOP 施加功率扰动得到SOP 外部端口所接入节点的电压-功率灵敏度系数，根据电压偏差反馈结果调整SOP 出力。在此基础上，利用数据驱动方法建立无模型自适应控制的SOP 优化控制策略，SOP 无须反馈直接自适应调整出力，能够进一步发挥SOP 的快速响应能力［72］。

基于数据驱动实现SOP 的优化调度，能够有效提升SOP 的控制效果和自趋优能力。此外，研究在不同的运行场景下，将传统优化控制策略与基于数据驱动的优化策略相互配合，对提高配电网在复杂场景下的运行水平至关重要。

4 含SOP 的配电网故障自愈

高度灵活可控的SOP 与保护装置协同可以实现快速故障恢复，是配电网故障时快速故障隔离与供电恢复的关键设备［73］。为充分发掘SOP 的自愈控制支撑能力，需考虑SOP 多端口间、多SOP 间的配合，以及SOP 与保护装置间的多步供电恢复操作协同。根据SOP 端口连接馈线的电源情况及其自身运行方式等，制定供电恢复策略，合理切换运行模式。本章主要从基于SOP 的配电网供电恢复机制及供电恢复策略方面展开阐述。

4.1 基于SOP 的配电网供电恢复机制

基于全控型电力电子装置的SOP 在系统故障下能快速闭锁，响应速度快于传统机械开关动作。故障发生后，SOP 可迅速实现各端互联馈线间的电气隔离，防止失电范围扩大。

在供电恢复能力上，SOP 可替代联络开关单独进行故障恢复，但SOP 接入系统的位置与容量限制了其供电恢复的有效作用范围。另外，由于SOP 基本结构多由B2B VSC 在直流侧相连组成，接地点既可以选取在换流器直流侧，也可以选择在换流器交流侧［74］；馈线不对称故障下，零序与负序分量导致SOP 流入电流不对称，可致使SOP 内换流器桥臂过流、直流电压基频共模波动等问题［75］；系统发生故障时若接地电流过大，可导致设备损坏。由于当前SOP 应用仍处于示范阶段，对SOP 接地故障特性分析以及SOP 与保护装置的协调方法研究较少。文献［74］考虑不同接地方式，提出一种可识别与隔离故障端的换流器交流侧接地故障保护方案；文献［75］分析了柔性互联装置的控制保护策略，并对柔性互联装置引起系统连锁故障进行了风险评估；文献［76］提出了一种基于SOP 的主动故障定位方法；文献［77］利用SOP 附加三相对称低频电压，设计了一种主动式故障区段定位方法，为解决谐振接地配电网单相接地的故障定位困难问题提供了新思路。SOP 接地故障可能严重影响系统运行可靠性，SOP合理接地方式及与继电保护装置的协调保护方案仍有待深入研究。

在基于SOP 的配电网供电恢复机制设计中，需关注以下方面:

1）对于B2B VSC 型SOP，必须分析合理接地方式，并实现SOP 与保护装置的整定值有效配合，避免影响系统安全运行；

2）SOP 控制模式的切换需要与保护装置的动作次序配合，以确保故障经保护动作隔离后，系统正常运行区域不间断供电，失电区域获得电压支撑；

3）当SOP 同时连接失电区域和未失电区域时，SOP 可以对故障侧一端进行供电恢复，并对重要负荷进行快速供电恢复［78］；

4）若SOP 不具备功率存储能力，则对故障侧的潮流转供能力有限，难以完全恢复失电负荷，应量化分析SOP 转供能力，确定供电恢复范围［79］。

针对上述问题，文献［80］提出一种兼顾评估速度与精度的可靠性评估方法，量化分析表明，SOP接于系统末端、靠近重要负荷以及接入容量较大时对系统可靠性的提升最大；文献［81］提出一种兼顾故障馈线失电负荷恢复与正常馈线电压安全的多端SOP 快速在线负荷转供策略，采用多端SOP 对多条馈线进行柔性互联，先利用正常馈线上节点电压与SOP 端口出力的灵敏度系数约束SOP 在供电恢复中的功率分配，再根据负荷重要等级优化负荷切除量，在保证供电质量的同时实现了故障端负荷全部恢复供电；文献［82］以系统故障后的总供电负荷最大化为目标，建立了SOP 配置的鲁棒优化模型，通过优化SOP 的安装位置、容量与出力，使其能够对非故障的失电区域进行不间断供电，以缩短系统供电恢复时间，最大化地提升配电系统自愈能力；文献［83］建立了基于多阶段弹性力学映射的配电网模型，分析和探讨了SOP 安装位置和容量对配电网弹性的影响；文献［84］提出采用SOP 与常规开关并联的混合结构，在系统发生故障时通过联络开关进行负荷转供，由SOP 提供辅助支撑，可降低故障场景下对SOP 的容量需求。

4.2 基于SOP 的配电网供电恢复策略

基于SOP 的配电网故障隔离与恢复流程可概括为:在故障发生时SOP 快速闭锁，而后配电网保护装置进行故障定位和隔离，形成失电区域；SOP连接失电区域一端的运行模式切换为电压-频率控制，SOP 在维持自身稳定运行的同时为失电区域提供电压与频率支撑，根据所连馈线情况迅速转移功率，进行供电恢复。

供电恢复策略的制定需遵循上述基本流程，此外SOP 可与多种设备协同运行，以提升故障隔离与供电恢复效果。例如，文献［74，82］将SOP 与基于传统开关设备的网络重构相结合，在最大化恢复失电负荷的同时，减小了开关动作次数，延长了设备寿命；文献［85］提出一种考虑SOP、分布式电源和储能协同的孤岛运行优化策略，在孤岛运行中协调SOP、分布式电源和储能控制策略，以扩大供电恢复范围，并确保供电恢复的持续性与鲁棒性；文献［86］提出一种多SOP 协同的有源配电网故障自愈方法，并为实际运行建立了SOP 故障策略集；文献［87］针对新能源出力及负荷需求不确定性，进一步面向不对称配电网提出一种多端SOP 与传统开关协同的数据驱动供电恢复方法，提高了对不确定性的应对水平。

当前，基于SOP 的供电恢复策略多是直接给出SOP、开关等设备的最终运行状态，而SOP 与多种设备的多时间尺度运行特性会影响配电网供电恢复期间的负荷并网状态与系统安全运行状态［88］。因此，未来有待开展基于SOP 的多阶段协同供电恢复策略研究。

5 含SOP 的配电网配置规划

通过SOP 的多端功率精细控制能力，可满足配电网多主体间的端对端电能交易与共享经济等新场景对传输功率高度可控的硬性需求，具有广阔的应用前景。但由于SOP 建设成本较高，且接入数量与配电系统运行水平提升程度间具有边际递减效应，故合理规划配置SOP，确定最佳的接入位置、容量和数量组合，成为SOP 技术应用中亟待解决的问题。本章主要从含SOP 的配电网规划场景生成、运行策略对SOP 规划的影响方面展开阐述。

5.1 SOP 规划问题的多场景生成

SOP 通过提高配电网的运行灵活性来有效应对各种不确定性扰动。因此，其优化规划中必须首先对配电网中的不确定因素进行准确描述，包括分布式电源的空间分布和出力规律、配电网运行调控机制、用户侧用电特征及交易机制等。与此同时，SOP 的应用价值体现在正常场景下的运行状态优化、故障场景下的供电恢复等多个方面，对SOP 进行配置规划必须全面考虑其在不同场景下的综合价值，计及SOP 柔性互联的综合技术效益。

针对SOP 规划的场景设置问题，文献［89］根据资产绩效评估理论，从电网安全、经济效益、性能效用3 个方面评估SOP 对配电网的影响。其中性能指标包括SOP 对配电网运行性能的提升作用，如可靠性提高、电压质量改善和分布式电源消纳能力提升等；经济效益考虑成本减小和收益增加2 个部分，包括建设成本、网损减少和延缓升级改造收益等；文献［90］构建了计及配电网正常、故障运行效益的双层规划模型，正常运行层考虑SOP 的潮流调节作用对系统的优化作用，故障运行层基于序贯蒙特卡洛模拟可靠性评估方法计算故障成本。

针对SOP 规划场景中的不确定性要素，现有研究多采用不确定性建模或场景生成法对其进行描述。例如，文献［91-92］根据风、光历史数据得到分布式电源出力的概率密度分布函数，从而采用基于Wasserstein 距离的最优场景生成技术进行典型场景构建；文献［93］采用K均值方法对分布式电源有功出力和负荷历史数据进行聚类，以减少场景数量和提取关键特征；文献［94］采用拉丁超立方抽样方法，随机生成分布式电源出力波动和负荷不确定性典型场景；文献［95］采用快速搜索和发现密度峰聚类方法对年负荷数据进行聚类，可以避免聚类结果陷入局部最优。

5.2 计及运行策略影响的SOP 配置规划

由于SOP 配置规划与系统运行优化策略存在强耦合性，不同运行优化目标下同一配置的优化效果差异很大。对此，常用的解决方法是建立多层优化模型，迭代求解SOP 配置规划与运行优化2 个子模型。其中，配置规划模型的控制变量包括SOP 安装数目、安装容量等，运行优化模型控制变量包括SOP、分布式能源、储能等设备出力等。

针对上述问题，文献［96］建立了面向SOP、电容器组、分布式电源的双层配置规划模型，以多时间断面的时序优化模型为基础，将机会约束算法嵌入模型上下层，在设定的置信水平下获得最佳结果；文献［97］提出SOP 与分布式电源的3 层协调规划模型，利用场景分析法量化分布式电源出力的随机性，上层对分布式电源配置进行规划，中层对SOP 配置进行规划，下层以每个场景运行成本最小为目标对分布式电源与SOP 进行运行优化；文献［98］考虑负荷侧响应，兼顾电源侧分布式电源不确定性、负荷侧响应及网络侧运行优化需求，构建了SOP 三层时序规划模型，选取波动性源荷的典型场景，在网络层以系统总运行成本最小为目标优化SOP 位置与容量，在负荷层考虑用户对电价波动的响应来调整负荷水平，在运行优化层基于SOP 配置结果以最小化所有场景的运行成本为目标决定SOP 出力，通过源网荷综合协调提高了SOP 配置的经济性。

因此，SOP 配置规划问题研究不仅要注重投资经济性分析，还要考虑SOP 的接入位置、容量和数量组合对配电网整体运行的支撑能力等。同时，SOP 选址定容规划尺度较长，需考虑以年为时间尺度的配电系统形态演变趋势影响等。

6 结语

SOP 技术理念自提出以来，迅速成为国内外研究热点，得到了大量研究并取得了丰富成果。随着技术逐渐成熟，SOP 逐步在国内外实际工程中得到应用，并因功能侧重不同而演化为交直流混合柔性互联、多端柔性互联、多电压等级柔性互联等不同的技术形态。本文总结了SOP 的运行控制架构，由于进行全局集中信息采集、处理、分析和控制的难度增加，发展更加高效的SOP 分布式运行控制新架构成为必然需求。本文进一步归纳了系统正常运行与故障运行下的SOP 控制策略，利用大量可用历史数据并结合先进智能技术，提高复杂场景下的运行水平是未来趋势；针对SOP 的规划研究，未来配电网将接入大量新型设备，以SOP 为核心的配电网柔性化结构形态演变是未来的研究热点。

在应用实践中，既验证了一些前期的技术构想，又发现了一些新的共性问题。例如，在采用SOP 代替联络开关时，为保证配电网的供电可靠性，往往要求SOP 的容量能够独立承担一条馈线负荷，这使得建设投资大幅增加，同时也降低了正常运行时SOP的设备利用率；SOP 的运行目标更多是侧重对系统运行损耗的降低和电压水平的优化，但与常规手段相比其技术优势不突出，技术的必要性尚未得到充分挖掘和体现。这些问题在一定程度上制约了SOP 技术的实践推广，需要继续开展有针对性的研究来加以解决。

为进一步促进SOP 的发展和应用，需要重点开展以下3 个方面的工作:1）发展新的SOP 运行控制架构与方法，特别是面向未来配电网就地源荷平衡、柔性分区互联等新形态的协调运行方法，使容量有限的SOP 发挥更大的优化调控作用；2）进一步降低SOP 的投资成本，这不仅依赖于电力电子技术和SOP 装置设计技术的发展，同时还应紧密结合SOP的应用场景需求，避免SOP 配置盲目求全、求大，导致资源浪费；3）继续发掘SOP 的技术潜力，将SOP与端对端交易、共享经济等新技术相结合，从而创造更多的附加效益。