新能源接入對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的影響

丁明，石雪梅(．合肥工業(yè)大學(xué)，合肥市30009;．國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，合肥市3007)

新能源接入對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的影響

丁明1，石雪梅2
(1．合肥工業(yè)大學(xué)，合肥市230009;2．國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，合肥市230071)

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)相關(guān)研究以及分布式發(fā)電對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)影響的深入分析，從負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制這3方面對(duì)分布式新能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)產(chǎn)生的系列影響開展了討論，提出含分布式新能源的主動(dòng)配電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計(jì)理念以及將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)想，同時(shí)進(jìn)行了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)信息采集體系設(shè)計(jì)和含新能源的主動(dòng)配電系統(tǒng)(active distribution system，ADS)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

新能源;主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN);影響

0 引言

隨著分布式光伏、風(fēng)電、生物質(zhì)等新能源接入以及電動(dòng)汽車充放電站的逐漸普及，使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)在運(yùn)行的靈活性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面都面臨更大的挑戰(zhàn)［1］。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)提出了安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、靈活互動(dòng)的三大目標(biāo)，其核心是要求配電網(wǎng)具有更高的供電可靠性和自愈(重構(gòu))功能，以最大限度減少供電故障對(duì)用戶的影響。傳統(tǒng)配電網(wǎng)向主動(dòng)配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)模式的過渡和發(fā)展已勢(shì)在必行。

CIGRE C6開展“分散發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響”研究始于90年代后期，國(guó)內(nèi)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)(亦稱“有源配電網(wǎng)”)研究開展較早并有相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。目前國(guó)內(nèi)外研究配電網(wǎng)的文獻(xiàn)主要分四類［2-14］:第一類主要是研究分布式電源、電動(dòng)汽車等對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的相關(guān)影響，主要包括規(guī)劃模型、繼電保護(hù)，自動(dòng)重合閘控制、電能質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗與無功優(yōu)化、故障定位與孤島檢測(cè)、可靠性評(píng)估策略、智能電網(wǎng)管理與控制，智能微網(wǎng)技術(shù)控制等;第二類是主動(dòng)配電網(wǎng)的概念及研究框架，即主動(dòng)配電網(wǎng)定義，主動(dòng)配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)三者之間的差別，主動(dòng)配電網(wǎng)示范工程建設(shè)進(jìn)展等;第三類是主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制，源于對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)體系本身尚未形成清晰統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，因此該類研究文獻(xiàn)大多是對(duì)電壓控制、負(fù)荷控制、配網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃算法層面的改進(jìn)等;第四類文獻(xiàn)對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃問題、主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)可行性研究方面進(jìn)行了一些探討。而對(duì)于分布式新能源的接入對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的影響方面的研究成果較少。本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外主動(dòng)配電網(wǎng)相關(guān)研究以及分布式發(fā)電對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)影響研究的深入分析，從負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃和運(yùn)行控制三方面對(duì)分布式新能源接入主動(dòng)配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響開展討論，提出含新能源的主動(dòng)配電網(wǎng)一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局設(shè)計(jì)理念，并提出將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于主動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)想，進(jìn)行了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)和含新能源的主動(dòng)配電系統(tǒng)(active distribution system，ADS)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展

1.1 主動(dòng)配電網(wǎng)概念與特征

1.1.1 主動(dòng)配電網(wǎng)概念發(fā)展

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)學(xué)者發(fā)表了題為“含分布式電源配電網(wǎng)的主動(dòng)管理與保護(hù)”［15］(Active Management and Protection of Distribution Networks with Distributed Generation)的論文，這是國(guó)際上首次公開發(fā)表的關(guān)于主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)的研究性論文。2006年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE成立C6．11工作組，專門研究有源配電網(wǎng)絡(luò)(active distribution networks，ADN)問題。2008年CIGRE［16］配電與分布式發(fā)電專委會(huì)(C6)在所發(fā)表的“主動(dòng)配電網(wǎng)的運(yùn)行與發(fā)展”研究報(bào)告中明確提出ADN概念，即ADN是通過使用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來管理潮流，以便對(duì)局部的分布式能源(distributed energy resource，DER)進(jìn)行主動(dòng)控制和主動(dòng)管理的配電系統(tǒng)。在2012年CIGRE年會(huì)上，鑒于大量DER接入配電網(wǎng)，CIGRE C6決定將ADN改稱為主動(dòng)配電系統(tǒng)(active distribution system，ADS)，并對(duì)分布式能源的基本構(gòu)成予以界定:分布式發(fā)電(distributed generation，DG)、分布式電儲(chǔ)能(electrical energy etorage，EES)、可控負(fù)荷(controllable load，CL)等。其中DG主要為可再生能源(renewable energy source，RES)，包括光伏發(fā)電PV、風(fēng)力發(fā)電等;CL包括電動(dòng)汽車(electric vehicle，EV)、響應(yīng)負(fù)荷(responsive load，RL)等。CIGRE C6關(guān)于ADS和DER的定義和構(gòu)成設(shè)想已得到國(guó)際學(xué)術(shù)組織CIRED和IEEE的廣泛認(rèn)可。

中國(guó)電力科學(xué)研究院范明天教授對(duì)關(guān)于ADS在國(guó)際上的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了大量跟蹤和分析。文獻(xiàn)［16］指出，國(guó)際上ADS的發(fā)展已經(jīng)有頂層概念設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施驗(yàn)證、模型算法研發(fā)方面的初步研究，但C6．19工作組對(duì)全世界5大洲20多個(gè)電力企業(yè)，包括中國(guó)的電力企業(yè)進(jìn)行的ADS規(guī)劃方面的有關(guān)調(diào)研結(jié)果表明:鑒于核心計(jì)算工具的缺乏，除歐洲部分國(guó)家外，大多數(shù)國(guó)家并沒有將ADS納入配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的必需內(nèi)容，且主動(dòng)管理和主動(dòng)控制現(xiàn)在仍處于初始階段。

1.1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)的特征

ADS是當(dāng)分布式新能源大規(guī)模接入配電網(wǎng)后，以“分布式新電源-配電網(wǎng)-用電負(fù)荷”三元結(jié)構(gòu)為特征的一種新配用電技術(shù)。與傳統(tǒng)配用電二元結(jié)構(gòu)不同的是，ADS技術(shù)能夠“主動(dòng)”對(duì)分布式電源的性能進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，并結(jié)合部署一些可控的分布式資源進(jìn)行控制和管理，以消除分布式能源的不確定性對(duì)電網(wǎng)帶來的影響。鑒于以上功能實(shí)現(xiàn)要求，ADS應(yīng)具備以下4個(gè)特征:

(1)有可控的分布式資源;

(2)有較為完善的可觀可控能力;

(3)有實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化管理的控制中心;

(4)有可靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

ADS具備可觀性、可控性以體現(xiàn)主動(dòng)性?！翱捎^性”體現(xiàn)在ADS控制中心可監(jiān)測(cè)主網(wǎng)、配電網(wǎng)和用戶側(cè)的負(fù)荷和分布式電源的運(yùn)行情況，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)其發(fā)展?fàn)顟B(tài)，提出優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略;“可控性”體現(xiàn)在對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷等的靈活有效控制，當(dāng)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制策略制定出來以后，控制中心能夠有效執(zhí)行。ADS的“主動(dòng)性”體現(xiàn)在能預(yù)判有可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)并制定應(yīng)對(duì)策略，通過控制中心有效執(zhí)行，而不像傳統(tǒng)配電網(wǎng)只能在故障發(fā)生后才被動(dòng)采取措施。

1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展概況

近年來國(guó)內(nèi)外ADS的相關(guān)研究成果主要包括:優(yōu)化規(guī)劃、運(yùn)行控制、無功與電壓管理、可靠性、繼電保護(hù)、需求側(cè)管理、虛擬電廠等方面。

1.2.1 優(yōu)化規(guī)劃

文獻(xiàn)［15-16］闡述了智能配電網(wǎng)、ADS及有源配電網(wǎng)的區(qū)別以及ADS規(guī)劃應(yīng)考慮的重點(diǎn)問題，為ADS規(guī)劃的開展提供了一定借鑒;文獻(xiàn)［5］提出了多資源新型配電系統(tǒng)概念，并針對(duì)多資源新型配電系統(tǒng)的規(guī)劃問題提出雙層規(guī)劃模型:第一層規(guī)劃將分布式電源、主動(dòng)負(fù)荷和主網(wǎng)供電都作為等效電源，根據(jù)單位容量固定成本和變動(dòng)成本，建立了每類電源成本-時(shí)間特性曲線，依據(jù)費(fèi)用最小原則，得到每類電源的配置容量;第二層規(guī)劃以總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，確定配網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃、分布式電源的安裝地點(diǎn)與容量，并以第一層規(guī)劃的各類電源配置容量為約束條件，建立了配網(wǎng)重構(gòu)與分布式電源優(yōu)化運(yùn)行模型。但是文獻(xiàn)對(duì)于新型配電系統(tǒng)的主動(dòng)管理沒有開展對(duì)應(yīng)研究且沒有綜合考慮可靠性對(duì)規(guī)劃目標(biāo)的影響，因此文獻(xiàn)［17］在文獻(xiàn)［5］的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮主動(dòng)管理模式，建立了含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)網(wǎng)架雙層規(guī)劃模型，上層規(guī)劃以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)，下層規(guī)劃是以分布式電源出力切除量最小為目標(biāo)，并在約束中考慮了分布式發(fā)電加入后對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響。文獻(xiàn)［18-19］闡述主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)可行性及其低碳潛力，重點(diǎn)通過與傳統(tǒng)配電網(wǎng)及微電網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，提出ADN規(guī)劃一般性框架，并從負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃資源特性、集成設(shè)計(jì)模式、優(yōu)化方法及成本效益等5個(gè)方面提出了規(guī)劃領(lǐng)域未來主要研究方向，為本文進(jìn)一步探討提供了啟發(fā)。文獻(xiàn)［20］提出“輸電網(wǎng)-配電網(wǎng)-微電網(wǎng)”三網(wǎng)合一規(guī)劃設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，進(jìn)一步提出將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的概念和方法應(yīng)用于新一代三級(jí)電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì);展望了三級(jí)電網(wǎng)三類基礎(chǔ)課題:宏觀形態(tài)及概念設(shè)計(jì)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)理論基本框架，基于自組織臨界理論(self-organized criticality，SOC)的三級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃方法。文獻(xiàn)［21］采用蒙特卡洛方法模擬DG出力，從配電網(wǎng)年支出費(fèi)用角度，建立綜合規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，采用改進(jìn)遺傳算法求解。文獻(xiàn)［22］以規(guī)劃區(qū)已有分布式電源的類型、容量和位置以及變電站的帶負(fù)荷能力為約束，考慮土地類型等地理信息因素對(duì)建站費(fèi)用和位置的影響，建立了一種考慮分布式電源和地理信息因素影響的變電站綜合優(yōu)化規(guī)劃模型，并用量子粒子群算法對(duì)所建規(guī)劃模型進(jìn)行尋優(yōu)驗(yàn)證。文獻(xiàn)［23］提出配電網(wǎng)發(fā)展面臨的三大挑戰(zhàn)，提出在被動(dòng)配電網(wǎng)向ADS過渡以及配電管理系統(tǒng)(distribution management system，DMS)向主動(dòng)配電管理系統(tǒng)(active distribution management system，ADMS)過渡過程中，綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)行控制技術(shù)和靈活運(yùn)營(yíng)技術(shù)是構(gòu)成ADS的技術(shù)體系，并分別對(duì)3個(gè)層面的技術(shù)體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［24］對(duì)ADS的國(guó)內(nèi)理論研究單位與示范工程進(jìn)行了初步梳理，并從網(wǎng)架基礎(chǔ)、信息基礎(chǔ)及運(yùn)營(yíng)模式這3個(gè)方面闡述了ADS發(fā)展的技術(shù)難點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］根據(jù)新增負(fù)荷總量確定待建分布式電源的總?cè)萘?，在分布式電源個(gè)數(shù)、位置和單個(gè)電源容量均不確定的情況下，以網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本與運(yùn)行費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立了包含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃的多智能體遺傳模型;應(yīng)用多智能體遺傳算法對(duì)分布式電源的位置、容量及配電網(wǎng)網(wǎng)架進(jìn)行了整體優(yōu)化，利用了Agent的智能實(shí)現(xiàn)全局收斂。文獻(xiàn)［3］主要從安全約束、DG出力隨機(jī)性、DG準(zhǔn)入功率、DG與配電網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃等不同角度構(gòu)建了含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃模型，并轉(zhuǎn)換成一個(gè)雙層規(guī)劃問題，與文獻(xiàn)［18］相比，更深地研究了需求側(cè)管理(demand side management，DSM)和主動(dòng)管理框架下如何優(yōu)化配置DG資源。文獻(xiàn)［25］應(yīng)用可信性理論，基于模糊期望值模型，對(duì)含DG的配電網(wǎng)進(jìn)行中長(zhǎng)期規(guī)劃。在規(guī)劃模型中，對(duì)DG接入的位置和容量、網(wǎng)架的擴(kuò)展進(jìn)行了優(yōu)化。

1.2.2 運(yùn)行控制

文獻(xiàn)［26］引入多Agent技術(shù)，提出了含DG配網(wǎng)的基于multi-agent系統(tǒng)自愈控制系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［27］分析了大量電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用對(duì)電力系統(tǒng)的影響，評(píng)述了現(xiàn)有文獻(xiàn)中提出的電動(dòng)汽車調(diào)度與控制方法，并針對(duì)電動(dòng)汽車廣泛接入對(duì)電力系統(tǒng)所帶來的經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估、電動(dòng)汽車調(diào)度及其優(yōu)化算法、電動(dòng)汽車充放電控制等問題提出了研究建議。文獻(xiàn)［28］對(duì)電力系統(tǒng)負(fù)荷分布與高滲透率的主動(dòng)負(fù)荷管理的模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用開展研究，提出了一種基于需求側(cè)管理模型的負(fù)荷預(yù)測(cè)控制器，能夠結(jié)合天氣預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)電價(jià)信息來預(yù)測(cè)含有高滲透率DG的配電網(wǎng)負(fù)荷情況。文獻(xiàn)［29］基于智能計(jì)量技術(shù)和通信技術(shù)建立柔性負(fù)荷控制模型，并針對(duì)主動(dòng)配電系統(tǒng)電能質(zhì)量惡化問題，研究基于負(fù)荷終端的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，提出基于希爾伯特—黃變換(Hilbert Huang transform，HHT)的電能質(zhì)量檢測(cè)方法;文獻(xiàn)［30］提出一種含多種新能源分布式電源的微網(wǎng)控制策略，建立控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池儲(chǔ)能3種微源作為組網(wǎng)單元，通過微源采用獨(dú)立DC/ AC變換，交流側(cè)連接一條微網(wǎng)母線為負(fù)載供電。通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)微電源運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一能量管理、并離網(wǎng)運(yùn)行策略控制、綜合能效分析、分布式電源保護(hù)、風(fēng)功率預(yù)測(cè)、光功率預(yù)測(cè)等，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間通過電力電子裝置及控制模塊實(shí)現(xiàn)快速切換，系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略。文獻(xiàn)［31-33］提出含DG的分布式電壓協(xié)調(diào)中央控制方式，并給出一種提高通信效率的方法，即在DG和電容器處放置一種遠(yuǎn)程終端單元RTU，將所在節(jié)點(diǎn)的電壓信息發(fā)送到中央控制器，中央控制器根據(jù)此信息來調(diào)整系統(tǒng)中各穩(wěn)壓器的工作狀態(tài)，最終將各節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)。文獻(xiàn)［34］提出了一種分散控制大型配電網(wǎng)的方法，即首先根據(jù)靈敏度矩陣ε分解法將配電網(wǎng)絡(luò)分割成許多規(guī)模較小的子網(wǎng)絡(luò)，然后在每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，各個(gè)設(shè)備相互協(xié)調(diào)來維持各節(jié)點(diǎn)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)［35］提出了一種多代理方法，可以加強(qiáng)代理監(jiān)控電壓的能力，從而為實(shí)現(xiàn)DG即插即用提供技術(shù)支持。文獻(xiàn)［36］進(jìn)一步指出，在基于代理技術(shù)(agent-based methodologies，ABM)的系統(tǒng)中，由于每個(gè)代理只考慮自身的最優(yōu)化，最終的結(jié)果有可能不是全局最優(yōu)。文獻(xiàn)［37］從配電網(wǎng)允許注入容量和損耗方面對(duì)集中控制方式和分散控制方式進(jìn)行了比較。結(jié)論認(rèn)為，在不引起過壓的前提下，2種方式在提高DG滲透率方面能力相當(dāng)。文獻(xiàn)［38-39］提出了一種基于混合控制理論的智能微電網(wǎng)的管理和控制和一種具有通用性的微網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)，從上到下依次為第3層、第2層、第1層和內(nèi)部層，這種針對(duì)微網(wǎng)的控制結(jié)構(gòu)可以推廣到包含有微網(wǎng)的ADS控制。

1.2.3 無功與電壓管理

文獻(xiàn)［40-41］提出了一種V/Q下垂控制策略，可以使逆變器自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出無功功率以保持本地電壓穩(wěn)定。文獻(xiàn)［42］提出了一種能夠根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器控制參數(shù)的算法，考慮微源間環(huán)流問題，提出了微源同步并網(wǎng)與功率統(tǒng)一控制策略，該控制策略實(shí)現(xiàn)同步并網(wǎng)后，無須改變控制結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)微源輸出功率的調(diào)節(jié);并針對(duì)多微網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題提出一種由晶閘管控制電抗器(thyristor control reactor，TCR)和諧振阻抗型混合有源電力濾波器(resonant impedance type hybrid active power filter，RITHAPF)組成的電力電子混合補(bǔ)償系統(tǒng)(power electronic hybrid system，PEHS)，同時(shí)分析了PEHS的工作原理，提出了PEHS控制策略。

1.2.4 可靠性方面

文獻(xiàn)［43］分析了DG大量接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估指標(biāo)體系、可靠性評(píng)估模型、評(píng)估方法及可靠性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)等方面的影響。結(jié)論認(rèn)為，含DG的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估體系所涉及的各方面的影響因素相互制約又相互聯(lián)系，研究DG對(duì)配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的影響具有重要意義。文獻(xiàn)［44］提出計(jì)及DG配電網(wǎng)的最小路評(píng)估方法，在將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)矩陣化處理之后，結(jié)合主最小路和DG最小路計(jì)算了負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。文獻(xiàn)［45］介紹了微電網(wǎng)運(yùn)行模式和對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的影響，并采用了微電網(wǎng)下的失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA)方法進(jìn)行可靠性評(píng)估。由于微電網(wǎng)評(píng)估配電系統(tǒng)的可靠性必須考慮分布式電源在微電網(wǎng)故障擴(kuò)散區(qū)的影響，故作者認(rèn)為微電網(wǎng)作為負(fù)荷點(diǎn)外部不能被主電網(wǎng)影響，可以把其本身作為1個(gè)獨(dú)立的小型配電系統(tǒng)，然后再使用FMEA方法來計(jì)算這些可靠性指標(biāo)，從而發(fā)現(xiàn)含分布式電源的微電網(wǎng)可以減少本地負(fù)載點(diǎn)的故障率并且大大縮短了中斷的持續(xù)時(shí)間，很大程度上改善了客戶可靠性和系統(tǒng)可靠性。

1.2.5 繼電保護(hù)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)中功率都是單向流動(dòng)的，而含有新能源的配電網(wǎng)中功率可能是雙向甚至多向流動(dòng)的，對(duì)于含有DG的配電網(wǎng)保護(hù)，需要面對(duì)很多新問題，如熔斷器和開關(guān)之間的配合、自動(dòng)開關(guān)之間協(xié)調(diào)、孤島效應(yīng)等。文獻(xiàn)［46］詳細(xì)討論了DG并入配電網(wǎng)不同饋線不同區(qū)段時(shí)，對(duì)原有配電網(wǎng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置的影響，重點(diǎn)分析DG上下游及相部饋線不同地點(diǎn)發(fā)生短路故障，短路電流的大小和DG對(duì)三段式過流保護(hù)和反時(shí)限過電流保護(hù)配合特性及動(dòng)作行為配合問題，為含分布式發(fā)電的配網(wǎng)繼電保護(hù)的算法研究提供了一定的理論依據(jù)。文獻(xiàn)［47］介紹一種典型的分布式發(fā)電接入配電網(wǎng)的保護(hù)方案，此方案包括三相過電流繼電器、三相過電壓(欠電壓)繼電器、三相欠頻率(過頻率)繼電器、中性點(diǎn)電壓/電流保護(hù)、負(fù)序電流/電壓保護(hù)、功率方向保護(hù)、同步檢測(cè)等。文獻(xiàn)［48］提出了一種新的分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)過電流保護(hù)策略，通過實(shí)時(shí)收集所在線路的信息，利用微處理器來判斷線路的故障情況并控制繼電器的動(dòng)作。電網(wǎng)故障時(shí)，由DG繼續(xù)供電而產(chǎn)生的孤島效應(yīng)會(huì)威脅檢修人員的安全，同時(shí)其產(chǎn)生的電壓和電流具有不穩(wěn)定性，可能會(huì)損壞用電設(shè)備。因此，孤島效應(yīng)也是繼電保護(hù)中需要重點(diǎn)解決的問題。以外，在ADS發(fā)生故障時(shí)，對(duì)故障的準(zhǔn)確定位也至關(guān)重要。對(duì)于含高滲透率新能源發(fā)電的配電網(wǎng)故障定位，目前己經(jīng)有相關(guān)研究。文獻(xiàn)［49］研究了分布式發(fā)電的配電系統(tǒng)故障定位，提出了一種對(duì)含有DG的配電網(wǎng)進(jìn)行故障定位的一般方法，通過對(duì)DG和電網(wǎng)連接點(diǎn)處的電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，并觀察其同步性來判斷是否發(fā)生了故障。文獻(xiàn)［50］提出一種針對(duì)架空配電網(wǎng)且根據(jù)故障電流信息的改進(jìn)故障定位策略，利用重合與DG脫網(wǎng)的配合，解決含DG架空配電網(wǎng)的故障定位問題。

1.2.6 需求側(cè)管理

需求側(cè)管理能夠用價(jià)格導(dǎo)向讓用戶主動(dòng)改變自己用電習(xí)慣，主動(dòng)參與配電網(wǎng)管理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高供電安全。文獻(xiàn)［51］提出一種恒溫控制設(shè)備(thermostatically controlled appliances，TCA)負(fù)荷對(duì)價(jià)格的響應(yīng)模型。文獻(xiàn)［52］提出了一種住宅負(fù)荷的模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種管理模式，使負(fù)荷峰值保持在安全范圍內(nèi)，而且最大限度地保證了用戶用電的方便性。文獻(xiàn)［53］提出了一種基于需求側(cè)管理模型的負(fù)荷預(yù)測(cè)控制器，能夠結(jié)合天氣預(yù)報(bào)和動(dòng)態(tài)電價(jià)信息來預(yù)測(cè)含有分布式新能源的配電網(wǎng)負(fù)荷情況。需求側(cè)管理能夠維持配電網(wǎng)中供用電的平衡，還能夠在一定程度上彌補(bǔ)新能源發(fā)電的間歇性。

1.2.7 虛擬電廠技術(shù)

文獻(xiàn)［54］認(rèn)為虛擬電廠實(shí)際上就是分布式能源匯集與控制交換中心。虛擬發(fā)電廠的技術(shù)核心是分布式能量管理系統(tǒng)，前提是要基于先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息和通信技術(shù)，集成多個(gè)分散的發(fā)電設(shè)施，進(jìn)行基于天氣、電力需求、電價(jià)等信息基礎(chǔ)上的集中管理和優(yōu)化調(diào)度，并與配電網(wǎng)密切配合，滿足配電網(wǎng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，虛擬電廠(virtual power plant，VPP)的提出為主動(dòng)配電網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。文獻(xiàn)［55］還提出“虛擬發(fā)電廠”技術(shù)是通過將眾多小型發(fā)電站聯(lián)網(wǎng)，將大量的分布式電源整合起來，并使它們?cè)谕粋€(gè)配電系統(tǒng)中運(yùn)行，形成和傳統(tǒng)發(fā)電廠相似的容量和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)智能發(fā)電，這是一種新興的解決分布式電源并網(wǎng)的技術(shù)。虛擬發(fā)電廠在并網(wǎng)后，為供電企業(yè)和電廠運(yùn)營(yíng)商帶來更多新的機(jī)會(huì)，除了為供電企業(yè)提供新的電力銷售方式之外，虛擬發(fā)電廠還能使電力公司的運(yùn)營(yíng)更具靈活性。此外，虛擬發(fā)電廠可通過提供緊急的備用電力，幫助增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、因此虛擬發(fā)電廠是可再生能源發(fā)電的理想選擇。

1.2.8 示范工程建設(shè)

到目前為止，國(guó)外已有十幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)在開展ADS項(xiàng)目，而國(guó)內(nèi)也在2012年，國(guó)家863計(jì)劃“ADS的間歇式能源的消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用”立項(xiàng)，2014年863計(jì)劃“多源協(xié)同的ADS運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”立項(xiàng)，并將在佛山、北京、貴陽、廈門建設(shè)示范對(duì)象，開展實(shí)證研究。文獻(xiàn)［26］對(duì)以上廣東、北京、貴州、福建這4個(gè)省示范工程有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。

1.3 新能源接入對(duì)ADS的影響

1.3.1 對(duì)配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響

傳統(tǒng)配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)以預(yù)測(cè)規(guī)劃期內(nèi)本供電區(qū)內(nèi)所有用戶負(fù)荷增長(zhǎng)的最大需求為目標(biāo)，通常不考慮新能源接納。大量分布式新能源的接入使得負(fù)荷預(yù)測(cè)的復(fù)雜程度和難度進(jìn)一步加大。含新能源接入的ADS負(fù)荷預(yù)測(cè)可分為3個(gè)部分:

(1)預(yù)測(cè)規(guī)劃期內(nèi)本供電區(qū)域內(nèi)新能源分布與發(fā)展規(guī)模;

(2)調(diào)研并分析本供電區(qū)域內(nèi)用戶的用電負(fù)荷特性與變化規(guī)律，預(yù)測(cè)與可再生能源發(fā)電特性相匹配的負(fù)荷規(guī)模與分布;

(3)預(yù)測(cè)供電區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷雙向需求波動(dòng)區(qū)間。

圖1、圖2給出了傳統(tǒng)配網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模式與ADS負(fù)荷預(yù)測(cè)模式的區(qū)別。

圖1 傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)模式Fig.1 Traditional load forecasting model

圖2 新能源接入的負(fù)荷預(yù)測(cè)模式Fig.2 Load forecasting model including new energy access

1.3.2 對(duì)ADS規(guī)劃的影響

大量分布式新能源接入使得ADS規(guī)劃在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、規(guī)劃思路與目標(biāo)、網(wǎng)架布局結(jié)構(gòu)及通信自動(dòng)化等方面都需要重新統(tǒng)籌。國(guó)家電網(wǎng)公司目前所用的《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》、《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)》可能都需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上重新進(jìn)行修訂。

ADS技術(shù)的首要任務(wù)就是要優(yōu)先解決新能源消納問題。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)給配電網(wǎng)規(guī)劃提出了更高更深的研究課題。因此在大量分布式新能源接入條件下，如何使“源、網(wǎng)”在中低壓層面實(shí)現(xiàn)協(xié)同規(guī)劃、一次系統(tǒng)與通信自動(dòng)化、自動(dòng)控制等二次系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)控制”的協(xié)同規(guī)劃是ADS規(guī)劃的重心。主動(dòng)配網(wǎng)規(guī)劃需要綜合考慮變電站、網(wǎng)架、分布式新能源發(fā)電、需求側(cè)響應(yīng)、環(huán)境影響效益等目標(biāo)，尤其是在規(guī)劃布點(diǎn)、目標(biāo)架構(gòu)及具體設(shè)備選型等方面都將與傳統(tǒng)配網(wǎng)規(guī)劃差別較大。更重要的是含新能源的ADS規(guī)劃在考慮配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的同時(shí)還要考慮運(yùn)行控制問題，即實(shí)現(xiàn)“主動(dòng)控制”功能，與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃相比，ADS規(guī)劃要復(fù)雜得多。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃與ADS規(guī)劃的對(duì)比見表1。

1.3.3 對(duì)運(yùn)行控制方面的影響

ADS的運(yùn)行控制需優(yōu)先解決新能源間歇性波動(dòng)對(duì)配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)和功率平衡問題，其次是新型保護(hù)配置問題，再次是靈活的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)問題。ADS電壓調(diào)節(jié)可以通過先進(jìn)的電力電子裝置與自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，功率平衡問題可以通過新型能源交換中心實(shí)現(xiàn);而新型的保護(hù)裝置與傳統(tǒng)保護(hù)裝置相比至少具備同步監(jiān)測(cè)、逆向電流監(jiān)測(cè)、不平衡狀況監(jiān)測(cè)、異常潮流監(jiān)測(cè)和恢復(fù)供電監(jiān)測(cè)等功能，這些新增功能基本可以實(shí)現(xiàn)ADS主動(dòng)保護(hù)作用。

只是配網(wǎng)拓?fù)潇`活重構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來難度較大［56］。自動(dòng)實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)重構(gòu)是ADS主動(dòng)控制任務(wù)之一。配網(wǎng)重構(gòu)分正常運(yùn)行重構(gòu)和事故重構(gòu)。正常重構(gòu)是在檢修狀態(tài)或者正常運(yùn)行狀態(tài)下，為滿足網(wǎng)損最低或電壓質(zhì)量最佳，通過通斷開關(guān)，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌詫?shí)現(xiàn)正常供電，通常調(diào)度指令可以通過“三遙”操作或手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)。而故障重構(gòu)是在配電網(wǎng)發(fā)生故障停電后，恢復(fù)供電時(shí)優(yōu)化供電路徑和供電范圍，達(dá)到減少停電損失，保證電壓質(zhì)量，保障重要用戶供電?；谂潆娋W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有大量的開閉所、環(huán)網(wǎng)柜、分段開關(guān)與聯(lián)絡(luò)開關(guān)、閘刀、熔斷器、保護(hù)及自動(dòng)裝置等一二次設(shè)備，如何在較短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)隔離故障，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)供電模式的優(yōu)化則是ADS技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。

表1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃與ADS規(guī)劃的對(duì)比Table 1 Comparision between the traditional distribution network planning and ADS planning

2 含新能源的ADS體系設(shè)計(jì)構(gòu)想

基于前述影響的存在，本文嘗試提出一種含新能源的ADS規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)、ADS一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局設(shè)計(jì)、基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，以期為ADS的研究提供參考。

2.1 含新能源的ADS一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局設(shè)計(jì)

構(gòu)建ADS、建立能量管理中心和能源互聯(lián)網(wǎng)，最大限度地增加可再生能源滲透，以實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域能源優(yōu)化配置和高效利用，將ADS建設(shè)成為本供電區(qū)域內(nèi)各類能源交換的中心。ADS一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 含新能源的ADS規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)

含新能源接入的ADS規(guī)劃依然是包括一次架構(gòu)、二次系統(tǒng)規(guī)劃，只是涵蓋的具體內(nèi)容有所不同。其中一次系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃新增主動(dòng)負(fù)荷規(guī)劃(首先區(qū)分需要主動(dòng)控制的負(fù)荷、非主動(dòng)控制負(fù)荷)、虛擬電廠規(guī)劃，儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃，其中虛擬電廠規(guī)劃是ADS規(guī)劃應(yīng)該充分考慮的內(nèi)容，需要“電源-電網(wǎng)”在配網(wǎng)層面充分協(xié)調(diào)，一次系統(tǒng)布置與二次系統(tǒng)控制、一二次系統(tǒng)與能源交換中心充分協(xié)調(diào)才能完成。

二次系統(tǒng)規(guī)劃則差別較大，傳統(tǒng)的保護(hù)、通信、自動(dòng)控制系統(tǒng)規(guī)劃已不能適應(yīng)ADS關(guān)于主動(dòng)控制的要求，需新增AMI規(guī)劃與分層控制規(guī)劃，應(yīng)根據(jù)需要主動(dòng)控制的負(fù)荷區(qū)域布置高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)、開展分層控制規(guī)劃與策略制定等。含新能源的ADS規(guī)劃體系設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 含新能源ADS一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局Fig.3 ADS network and energy exchange layout including new energy

圖4 含新能源的ADS規(guī)劃體系設(shè)計(jì)Fig.4 Design of planning system including new energy

2.3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)

以SCADA和高級(jí)量測(cè)系統(tǒng)AMI為支撐，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)［57-58］，構(gòu)建ADS控制中心，構(gòu)建的主要思路是采取分層控制、分布式交互、分層決策。具體分層控制體系設(shè)計(jì)見圖5，信息采集架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖6。

圖5 含新能源的ADS主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)Fig.5 ADS active control system design including new energy

圖6 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的信息采集架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.6 Information acquisition architecture design based on big data technology

3 結(jié)語

為適應(yīng)新能源的大量消納，ADS是未來配電技術(shù)發(fā)展的方向，本文在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上對(duì)分布式新能源對(duì)配電網(wǎng)的影響、ADS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析，進(jìn)而從多方面探討新能源接入對(duì)ADS的影響。同時(shí)，本文提出含新能源的ADS主動(dòng)控制體系設(shè)計(jì)構(gòu)想，主要包括含新能源ADS一次網(wǎng)絡(luò)與能源交換布局，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的信息采集架構(gòu)以及ADS規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期為ADS的研究提供參考。

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(編輯:張媛媛)

Effect of New Energy Paralleling to the Active Distribution Networks

DING Ming1，SHI Xuemei2
(1．Hefei University of Technology，Hefei230009，China; 2．Stade Grid Anhui Province Electric Company Economic＆Technology Research Institute，Hefei230071，China)

Based on the thorough analysis about the study of domestic and foreign related research on active distribution network(ADN)and the impact of distributed generation on the traditional distribution network．Load forecasting，planningdesign and operation control of distributed controleffect on new energy access to active distribution network were discussed．Theory about a network of active distribution network and energy exchange layout design including distributed new energy was proposed．The idea of application of large data technology to the active control system was put forward．Information acquisition system and active distribution system(ADS)planning design with new energy and design of active control system based on the technology of large data were carried out．

new energy;active distribution networks(ADN);influence

TM 727

A

1000-7229(2015)01-0076-09

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.012

2014-11-28

2014-12-16

丁明(1956)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事分布式發(fā)電、新能源與配電網(wǎng)規(guī)劃等方面的研究工作;

石雪梅(1977)，女，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)規(guī)劃及相關(guān)研究工作。