主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的主要影響因素分析

范明天，惠慧，張祖平(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的主要影響因素分析

范明天，惠慧，張祖平
(中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市100192)

傳統(tǒng)配電系統(tǒng)為了滿足負(fù)荷增長(zhǎng)和分布式電源接入的需要，其規(guī)模和結(jié)構(gòu)在規(guī)劃時(shí)都有可能進(jìn)行相應(yīng)的增加與改變，為此有必要增加相應(yīng)的投資。而主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃通過(guò)采取主動(dòng)控制與主動(dòng)管理技術(shù)，在保障供電可靠性的基礎(chǔ)上最大可能地利用現(xiàn)有資產(chǎn)，從而有可能延緩配電系統(tǒng)的投資，增加配電網(wǎng)的投資效益。本文探討主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃需考慮的主要因素，首先給出主動(dòng)配電系統(tǒng)和被動(dòng)配電系統(tǒng)的主要區(qū)別，定性分析控制模式與數(shù)據(jù)模型對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響，然后說(shuō)明外部條件對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響，最后給出綠地電網(wǎng)和棕色電網(wǎng)對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的不同要求，以期為我國(guó)開展主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃研究，形成較清晰的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)路線提供參考借鑒。

主動(dòng)配電系統(tǒng);主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃;邊界條件

0 引言

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)一般只針對(duì)最大的需求情況，不考慮或很少考慮運(yùn)行中設(shè)備的調(diào)節(jié)能力，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)通常依靠改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較大的容量裕度來(lái)應(yīng)對(duì)負(fù)荷的不確定性，以保證電力系統(tǒng)的安全可靠性，其運(yùn)行控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單。隨著分布式電源(distributed generation，DG)的滲透率在電力系統(tǒng)各層級(jí)上的不斷提高，電力系統(tǒng)尤其是配電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行方式也變得相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和監(jiān)管方式也產(chǎn)生了較大的影響。經(jīng)典規(guī)劃方法對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)較為有效，而對(duì)于主動(dòng)配電系統(tǒng)(active distribution system，ADS)來(lái)說(shuō)，則無(wú)法充分地發(fā)揮分布式電源可調(diào)負(fù)荷的作用，達(dá)不到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

面對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)緩慢、配電網(wǎng)發(fā)展空間資源有限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較難擴(kuò)展的現(xiàn)狀，發(fā)達(dá)國(guó)家為應(yīng)對(duì)高滲透率分布式電源的接入，從電網(wǎng)側(cè)提出了主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)，通過(guò)對(duì)分布式能源(distributed energy resource，DER)進(jìn)行控制的各種系統(tǒng)組合。分布式能源的定義為發(fā)電機(jī)，負(fù)載和存儲(chǔ)的結(jié)合。所述的主動(dòng)配電網(wǎng)就變?yōu)橹鲃?dòng)配電系統(tǒng)。

對(duì)于負(fù)荷發(fā)展和分布式能源的接入，有2種解決方案:網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解。網(wǎng)絡(luò)解為調(diào)整電網(wǎng)或增加電網(wǎng)設(shè)備的解決方案(電網(wǎng)改造，變壓器變更等)。非網(wǎng)絡(luò)解為調(diào)整現(xiàn)有資源(發(fā)電調(diào)度、需求側(cè)集成、變壓器抽頭、無(wú)功功率管理的控制以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu))的解決方案，還包括創(chuàng)新的分布式電源運(yùn)行、需求側(cè)集成，分布式儲(chǔ)能設(shè)備的集成，信息通訊技術(shù)(information communication technology，ICT)，分布式能源等。

主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃就是改變傳統(tǒng)的規(guī)劃目標(biāo)，最大可能地利用現(xiàn)有資產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施，使設(shè)備在更接近其物理極限條件下工作。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)解(網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展)和非網(wǎng)絡(luò)解(主動(dòng)控制)之間進(jìn)行權(quán)衡，基于成本效益模式充分利用現(xiàn)有資源以及分布式能源，以滿足負(fù)荷的發(fā)展和分布式能源接入的需要。

我國(guó)的配電網(wǎng)還處于不斷擴(kuò)展之中，為了可持續(xù)發(fā)展的需要，配電網(wǎng)也將面臨分布式能源滲透率越來(lái)越高的局面，如何在滿足負(fù)荷快速增長(zhǎng)的同時(shí)還滿足分布式能源接入，就必須在網(wǎng)絡(luò)解和非網(wǎng)絡(luò)解中進(jìn)行平衡的問(wèn)題，因此也有必要開展相關(guān)研究。

主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃要成為現(xiàn)代主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃工具必備的應(yīng)用手段，需要為規(guī)劃模型探討邊界條件。因此，本文主要探討主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的主要影響因素，從主動(dòng)配電系統(tǒng)和被動(dòng)配電網(wǎng)(passive distribution network，PDN)的區(qū)別、控制模式與數(shù)據(jù)模型對(duì)規(guī)劃的影響、國(guó)內(nèi)外發(fā)展主動(dòng)配電系統(tǒng)的條件這3個(gè)方面進(jìn)行分析。(1)給出主動(dòng)配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)的區(qū)別，詳細(xì)論述了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理模式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行與控制以及模擬計(jì)算方面的區(qū)別，給出不同的限制條件等;(2)主要討論了控制策略和數(shù)據(jù)模型對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響;(3)給出了中外配電網(wǎng)發(fā)展階段內(nèi)外部條件對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響;(4)提出了不同的邊界條件和運(yùn)行模式對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的要求等。

本文的研究結(jié)果將為配電網(wǎng)規(guī)劃解決方案提供良好的研究思路，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步量化主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃所需要的數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系和研究主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃特性。

1 主動(dòng)配電系統(tǒng)與傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)的區(qū)別

傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法處理分布式能源的基本原則是“即裝即忘”(fit and forget)，由于傳統(tǒng)的運(yùn)行模式和控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，只要出現(xiàn)任何的電壓越限情況，分布式能源就必須離網(wǎng)運(yùn)行，這樣就大大降低了分布式能源接入的滲透率。因此，傳統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行方法難以經(jīng)濟(jì)地處理高滲透率下的分布式能源接入配電網(wǎng)的問(wèn)題。

與傳統(tǒng)被動(dòng)配電網(wǎng)對(duì)分布式能源接入“即裝即忘”的方式相比，主動(dòng)配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為靈活，可以通過(guò)主動(dòng)控制和管理的方式，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)節(jié)能力。表1給出了主動(dòng)配電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，表2給出了被動(dòng)配電網(wǎng)與主動(dòng)配電系統(tǒng)的主要區(qū)別，表3給出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的區(qū)別，表4給出了主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)管理模式方面的主要區(qū)別，表5給出了主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別。

表1 主動(dòng)配電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)Table 1 Main features of ADN

表2 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)的主要區(qū)別Table 2 Main differences of ADS and PDN

表3 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面的主要區(qū)別Table 3 Main differences on technical criterion of ADS and PDN

表4 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)管理模式方面的主要區(qū)別Table 4 Main differences on management mode of ADS and PDN

表5 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別Table 5 Main Differences on network structure of ADS and PDN

2 控制策略及數(shù)據(jù)模擬方式對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)針對(duì)最大的用電需求情況，不考慮或很少考慮運(yùn)行中的調(diào)節(jié)問(wèn)題。這種方法對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)是比較經(jīng)濟(jì)有效的，但是無(wú)法充分地發(fā)揮分布式電源與可調(diào)負(fù)荷的作用，達(dá)不到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

主動(dòng)配電系統(tǒng)的規(guī)劃，不再僅僅考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)斷面(Snapshot)，而是要全面地考慮分布式電源與負(fù)荷的變化周期、識(shí)別出功率變化的“日模式”，可在規(guī)劃階段處理分布式能源的運(yùn)行問(wèn)題，要對(duì)主動(dòng)控制管理方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以解決配電網(wǎng)規(guī)劃中的不確定性問(wèn)題，從而確定最佳解決方案。

因此，主動(dòng)配電系統(tǒng)的控制策略和數(shù)據(jù)模擬都必須采用不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的方法。主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)在運(yùn)行、控制方面存在顯著區(qū)別見(jiàn)表6，數(shù)據(jù)模擬方式對(duì)規(guī)劃計(jì)算的影響見(jiàn)表7，其中包括開發(fā)配電網(wǎng)規(guī)劃工具時(shí)處理數(shù)據(jù)模型、概率性方法等。

表6 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行、控制方面的主要區(qū)別Table 6 Main differences on operation and control of ADS and PDN

表7 主動(dòng)配電系統(tǒng)與被動(dòng)配電網(wǎng)模擬計(jì)算方面的主要區(qū)別Table 7 Main differences on simulation of ADS and PDN

3 內(nèi)外部條件對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響

主動(dòng)配電系統(tǒng)是未來(lái)智能配電網(wǎng)中的重要組成部分。當(dāng)前各國(guó)都在研究如何適應(yīng)高滲透率分布式能源的接入，例如在歐洲20-20-20計(jì)劃中，未來(lái)新增負(fù)荷由可再生能源負(fù)責(zé)。歐盟在2020年將要實(shí)現(xiàn)20-20-20計(jì)劃，其中包括可再生能源的滲透率將達(dá)到20%。雖然歐盟國(guó)家可再生能源的滲透率總體上將在一定的范圍(如20%)內(nèi)，但是局部供電區(qū)域的滲透率有可能會(huì)更高，例如:德國(guó)目前可再生能源的裝機(jī)容量已約占總裝機(jī)容量的30%，可再生能源的發(fā)電量已約占總發(fā)電量的20%，2020年可再生能源的裝機(jī)容量將達(dá)到35%，2050年可再生能源的裝機(jī)容量將達(dá)到80%，已經(jīng)需要考慮傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組為可再生能源提供備用的問(wèn)題，而且也要考慮可再生能源機(jī)組為傳統(tǒng)發(fā)電提供輔助服務(wù)的問(wèn)題。

總體來(lái)說(shuō)，分布式能源滲透率的大小，取決于許多邊界條件，如外部電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組可提供的備用裕度以及分布式的控制模式等，中外配電網(wǎng)計(jì)算的邊界條件對(duì)比如表8所示。

歐洲發(fā)展主動(dòng)配電網(wǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力為:

(1)可再生能源/分布式發(fā)電的并網(wǎng)需求;

(2)大規(guī)模電動(dòng)汽車的接入;

(3)儲(chǔ)能單元的建設(shè)需求;

(4)提高能源利用效率;

(5)建立能源市場(chǎng)或需求側(cè)管理的需求;

(6)提高供電可靠性和供電質(zhì)量的需求;

(7)降低運(yùn)行和投資成本的需求;

(8)優(yōu)化運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用的需求。

表8 我國(guó)與歐洲的配電網(wǎng)計(jì)算邊界條件對(duì)比Table 8 Boundary conditions comparisons in distribution network calculations for home and abroad

主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃需要考慮以上需求，更重要的是，即使在沒(méi)有任何分布式電源接入的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)荷，也可以實(shí)現(xiàn)部分主動(dòng)控制和管理的功能，此時(shí)就要考慮負(fù)荷特性和滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的技術(shù)規(guī)范，我國(guó)現(xiàn)有的配電網(wǎng)需要滿足的邊界條件具有如表9所示的特征。

表9 我國(guó)各級(jí)配電網(wǎng)的基本特征Table 9 Basic features of distribution network in China

4 對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃工具的要求

在對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，一般將配電網(wǎng)分為棕色電網(wǎng)(brown distribution network)和綠地電網(wǎng)(green distribution network)。棕色電網(wǎng)指的是已建成的配電網(wǎng)區(qū)域;綠地電網(wǎng)是指新開發(fā)的配電網(wǎng)區(qū)域，需要對(duì)高壓至低壓層級(jí)配電網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。綠地電網(wǎng)在考慮電網(wǎng)擴(kuò)展(網(wǎng)絡(luò)解)的同時(shí)要考慮非網(wǎng)絡(luò)解，如冷熱電聯(lián)供單元，分布式發(fā)電，儲(chǔ)能單元，上級(jí)高壓輸電網(wǎng)的輸送能力、發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況(如啟停等)，負(fù)荷特性(包括可控負(fù)荷和不可控負(fù)荷)等。

主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方法有許多優(yōu)點(diǎn)，如提高了電網(wǎng)的可靠性，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化利用，從而減少或延緩上級(jí)電網(wǎng)的投資，降低了配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等。主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃具有多目標(biāo)、不確定性、非線性、動(dòng)態(tài)和一體化的特性，因此，主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃是一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化組合問(wèn)題，其中規(guī)劃的總費(fèi)用為投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、停電損失費(fèi)用與環(huán)境影響費(fèi)用之和。

由于主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方案中可以綜合考慮運(yùn)行問(wèn)題，如變壓器抽頭的優(yōu)化配置、需求側(cè)集成、無(wú)功管理等，可以協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)解與非網(wǎng)絡(luò)解，未來(lái)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃方案的總投資額相對(duì)較低。主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)段方面要考慮長(zhǎng)、中、短期規(guī)劃三者之間的協(xié)調(diào)，并要考慮運(yùn)行規(guī)劃(更短的時(shí)間周期)。在進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)，需要的輸入數(shù)據(jù)如表10所示，輸出數(shù)據(jù)如表11所示。

表10 主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的輸入數(shù)據(jù)Table 10 Input data of ADS planning

表11 主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的輸出數(shù)據(jù)Table 11 Output data of ADS planning

5 結(jié)論

本文分析了影響主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的主要因素，其中確定了主動(dòng)配電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍、分析了被動(dòng)配電網(wǎng)與主動(dòng)配電系統(tǒng)的主要區(qū)別、給出了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理模式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面的主要區(qū)別。重點(diǎn)分析了控制策略及數(shù)據(jù)模擬方式對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響，內(nèi)外部條件對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃的影響，對(duì)比分析了中外配電網(wǎng)的邊界條件，在以上研究的基礎(chǔ)上提出了對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃工具的要求。為使主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃工具成為規(guī)劃工作中必備的應(yīng)用手段，還需要在理論和實(shí)踐應(yīng)用上開展進(jìn)一步深入的研究。本文的研究結(jié)果將為我國(guó)主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃研究提供良好的基礎(chǔ)，為主動(dòng)配電系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

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(編輯:蔣毅恒)

Main Impacts on Active Distribution System Planning

FAN Mingtian，HUI Hui，ZHANG Zuping
(China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

Traditional distribution network needs to pay more investment costs but with less economic returns in order to meet the requirements of load growth and the high penetration of distributed energy resources．The initiative of active distribution system is to change the traditional distribution system planning for its planning objectives，to maximum the possible use of existing assets，which can greatly improve the cost-effectiveness of the investments．This paper discusses the main factors affecting the distribution system planning，such as the main difference between active and passive distribution network distribution network，the impact of the qualitative data analysis and control mode as well as the active distribution system planning model，and then explains the impact of the external conditions on distribution network planning，finally，green and brown networks with different requirements for active distribution system planning is provided，which could provide a good foundation for active distribution system planning studies in China．

active distribution system;active distribution system planning;limitations

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0060-05

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.009

2014-11-28

2014-12-18

范明天(1954)，女，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)城市供電專委會(huì)委員，國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)配電與分布式發(fā)電(C6)中方委員(2008—2014)，主要研究方向?yàn)殡娏?yōu)化規(guī)劃和運(yùn)行、配電系統(tǒng)規(guī)劃、配電網(wǎng)自動(dòng)化規(guī)劃、可靠性評(píng)估、城市供電應(yīng)急管理、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃;

惠慧(1986)，女，碩士，中國(guó)電力科學(xué)研究院配電研究所，工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娤到y(tǒng)規(guī)劃、配電系統(tǒng)仿真與建模、配電網(wǎng)自動(dòng)化規(guī)劃、可靠性評(píng)估、主動(dòng)配電系統(tǒng)規(guī)劃等;

張祖平(1950)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，原中國(guó)電科院配用電與農(nóng)電研究所總工程師、電力系統(tǒng)研究所總工程師、中國(guó)電科院科技部總工程師，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行分析、電力系統(tǒng)分析數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法的研究、特高壓大電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究、城市電網(wǎng)規(guī)劃方法研究等工程咨詢和研究工作。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃) (2014AA051901)。