配電網(wǎng)的未來發(fā)展之路

張傳坤，牛文東，趙舒銘，張遠(yuǎn)鎮(zhèn)，牛子凡，孫子涵

（1.克蘭菲爾德大學(xué)，英國 貝德福德郡 MK430AL；2.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002；3.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043；4.國網(wǎng)淄博供電公司，山東 淄博 255000；5.天津理工大學(xué)，天津 300384；6.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000）

0 引言

隨著新能源開發(fā)、傳輸、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換等技術(shù)的迅猛發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)、智能終端、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等技術(shù)在能源領(lǐng)域的不斷應(yīng)用， 電力物聯(lián)網(wǎng)作為傳統(tǒng)功能延續(xù)、新功能開發(fā)承載主體的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)。特別是在新技術(shù)不斷涌現(xiàn)、 新主體爆發(fā)增長和國家再電氣化政策的背景下， 配電物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為一個(gè)多能源匯集、供用能交互、多形式管控、多信道互聯(lián)的有效平臺(tái)。 國網(wǎng)公司發(fā)布的《配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案》和各省、自治區(qū)、直轄市陸續(xù)制定頒布了配套落地措施， 為解決目前配電物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中遇到的難題起到了及時(shí)有效的指導(dǎo)作用。 在這樣的背景下，發(fā)、輸、變、 配、 用同時(shí)完成是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本特點(diǎn)，這一電能傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)鏈條，正在被快速發(fā)展的儲(chǔ)能和新技術(shù)部分地旁路或短接。因此，進(jìn)一步探討未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景， 拓展配電物聯(lián)網(wǎng)的功能，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

1 儲(chǔ)能和新技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)影響

人類對(duì)于儲(chǔ)能的夢(mèng)想以及夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的探索，從來就沒有停止過。儲(chǔ)能對(duì)于人類用能的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其本身。

1.1 能源供給方式的改變促進(jìn)了儲(chǔ)能及配電網(wǎng)的發(fā)展

電能和其他化石類能源開發(fā)利用不同， 電能利用的發(fā)展歷程， 除了不斷提高開發(fā)效率和利用率之外，還一直伴隨著儲(chǔ)能的探索史，電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、抽水儲(chǔ)能、山洞空氣壓縮包儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能及冰儲(chǔ)能等。但因?yàn)槌杀?、量值安全性等原因而發(fā)展速度緩慢，一直沒有得到重視。隨著全球化石燃料的逐漸枯竭，新能源的應(yīng)用轉(zhuǎn)換平臺(tái)難以滿足現(xiàn)實(shí)需求，人們對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)表現(xiàn)出前所未有的熱忱［1］。 政府和民間大量投資進(jìn)行研究， 于是出現(xiàn)了全球范圍內(nèi)新材料的應(yīng)用及電動(dòng)汽車的爆炸式增長， 但電動(dòng)汽車只是儲(chǔ)能技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用，更大的應(yīng)用是電網(wǎng)儲(chǔ)能、平衡峰谷、分布式電源儲(chǔ)能等，從而對(duì)電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而對(duì)于配電網(wǎng)的影響將更加明顯，如圖1 所示。

圖1 未來電力系統(tǒng)諸要素關(guān)系圖

1.2 新技術(shù)和政策是儲(chǔ)能及配電網(wǎng)發(fā)展的加速器

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的末梢神經(jīng)，是連接發(fā)電廠、輸電網(wǎng)與用戶之間的紐帶， 是遠(yuǎn)方電源電力落地的基礎(chǔ)，但儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展將讓這一現(xiàn)狀完全改變，并在一定程度上決定著配電網(wǎng)的未來發(fā)展之路。 特別是地處偏遠(yuǎn)、 電力負(fù)荷密度低、 臨時(shí)性或間歇性用電、備用電源等，將由儲(chǔ)能設(shè)備或儲(chǔ)能+分布式電源的方式提供電力供應(yīng)，這樣的供電方式將更加經(jīng)濟(jì)、方便和安全。即使電力負(fù)荷大的場所，也可能因?yàn)榫€路走徑受限（如大城市的市區(qū)、高山深谷水系阻隔地區(qū)等） 而選擇儲(chǔ)能設(shè)備供電或儲(chǔ)能+分布式電源供電，特別是隨著氫燃料電池、高能量密度化學(xué)電池、光伏、風(fēng)能、地?zé)?、核能設(shè)備小型化等技術(shù)的成熟應(yīng)用，這一趨勢將會(huì)加快發(fā)展。

近期， 國家電力儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策和地方電力儲(chǔ)能配套政策逐步開始實(shí)施，如《蘇州工業(yè)園區(qū)綠色發(fā)展專項(xiàng)引導(dǎo)資金管理辦法》 明確了對(duì)綠色發(fā)展項(xiàng)目給予補(bǔ)貼，江蘇鎮(zhèn)江電網(wǎng)總功率為1.01×105kW、總?cè)萘?.02×105kW·h 儲(chǔ)能電站已經(jīng)正式并網(wǎng)投運(yùn)，為鎮(zhèn)江電網(wǎng)配備了超級(jí)“充電寶”。

2 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

隨著儲(chǔ)能和分布式電源的發(fā)展，特別是國家政策的改變，支持大用戶直購，鼓勵(lì)發(fā)展售電服務(wù)公司，允許增量配電網(wǎng)向社會(huì)資本放開，提出“管住中間、放開兩頭”的體制架構(gòu)，促使未來的配電網(wǎng)將逐漸展現(xiàn)出不同于以往傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)［2-3］，逐漸變得松散智能。

2.1 更靈活

配電網(wǎng)在所有電力負(fù)荷的覆蓋面上將不再像現(xiàn)在這樣必不可少， 而且在結(jié)構(gòu)上將逐漸由緊密變松散，供、受電雙方將不再?zèng)芪挤置?，電能流向?qū)⒏淖円酝呻娫磦?cè)向負(fù)荷側(cè)流動(dòng)的單一模式而趨于復(fù)雜多變。雖然擔(dān)負(fù)電能遠(yuǎn)距離輸送、調(diào)配的特高壓輸電網(wǎng)將得到超常規(guī)發(fā)展，并為未來的配電網(wǎng)、電力供應(yīng)站提供電力供應(yīng)、電流匯聚與分配、充電服務(wù)等能源供應(yīng)支撐，但隨著末端電力供應(yīng)模式的多樣化，配電網(wǎng)從覆蓋面上的表現(xiàn)必將逐步式微， 僅就電力傳輸而言，只需擔(dān)負(fù)給連續(xù)用電大戶提供電力供應(yīng)、微電網(wǎng)聯(lián)接和輸電網(wǎng)功能延伸的作用，傳統(tǒng)配網(wǎng)、松散聯(lián)接的微網(wǎng)、孤立微網(wǎng)將并存，表現(xiàn)出極大的結(jié)構(gòu)靈活性，用戶將有更多的用電模式的自由選擇權(quán)。

2.2 智能化

未來的配電網(wǎng)需具有熱插、熱拔的功能，能夠承擔(dān)更大的負(fù)荷波動(dòng)、更加柔韌健壯與智能，實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)切除故障單元和自愈，滿足交直流混接，這一切都和配電網(wǎng)智能化密不可分。 因?yàn)楦鞣N分布式電源將隨時(shí)與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換， 且用戶越來越高可靠性的需求， 需要新的信息傳輸和控制技術(shù)、 傳感設(shè)備、大數(shù)據(jù)、云儲(chǔ)存、智能開關(guān)等來支撐這些功能的實(shí)現(xiàn)［4-5］，形成各類傳感器和采集設(shè)備組成的感知層、由接入網(wǎng)絡(luò)和接入單元組成的傳輸層、 由管理服務(wù)和各類應(yīng)用組成的應(yīng)用層的三層架構(gòu)配電物聯(lián)網(wǎng)［6］。 配電網(wǎng)本身亦通過強(qiáng)大的儲(chǔ)能功能、 交換功能、信道功能和獨(dú)立性，展示未來配電物聯(lián)網(wǎng)的特性。星羅棋布的微電網(wǎng)將通過或強(qiáng)或弱的電氣聯(lián)系與大的配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。 因此，配電物聯(lián)網(wǎng)須具有自身的寬范圍負(fù)荷平衡、繼電保護(hù)自動(dòng)遠(yuǎn)控聯(lián)調(diào)、自我健康狀況檢測、短路電流阻尼、故障隔離、快速自愈、微儲(chǔ)能與集中儲(chǔ)能相結(jié)合、多信道融合等功能，成為有機(jī)整體。

2.3 多網(wǎng)混合

目前， 我們生活在各種網(wǎng)絡(luò)之中， 例如電視專網(wǎng)、寬帶專網(wǎng)、電網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、自來水管網(wǎng)、供暖管網(wǎng)、污水管網(wǎng)等，這種各自為政的網(wǎng)絡(luò)，顯然不是未來智慧生活想要的樣子。就目前可預(yù)見的技術(shù)水平，有線傳輸對(duì)于大容量、快速度、經(jīng)濟(jì)性傳輸而言還是必須的。 隨著國網(wǎng)公司《配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案》的深入實(shí)施，當(dāng)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)合并、供暖以熱量計(jì)費(fèi)、各種計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳等進(jìn)入生活，將信號(hào)網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)、各種計(jì)量接入融為一體，實(shí)行一網(wǎng)進(jìn)戶、一網(wǎng)進(jìn)企，集中管控，智慧集約，是未來的發(fā)展趨勢，配電網(wǎng)將成為未來能源、信號(hào)載體的智能物聯(lián)網(wǎng)的一部分。

3 配電網(wǎng)未來功能與要求

3.1 多模式用能催生配電網(wǎng)能源轉(zhuǎn)化平臺(tái)等功能提升

隨著技術(shù)的發(fā)展， 能源轉(zhuǎn)換模式靈活性不斷增加，用戶可以根據(jù)需要選擇能源轉(zhuǎn)換路徑最短、效率最高、最經(jīng)濟(jì)的用能模式，或?qū)追N用能模式組合應(yīng)用。相應(yīng)用戶用電模式的選擇也將多樣化，可根據(jù)地理環(huán)境、用途、經(jīng)濟(jì)性、安全性等需求進(jìn)行選擇。如對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)單位， 在合理半徑之內(nèi)選擇熱網(wǎng)還是電網(wǎng)，選擇熱（冰）儲(chǔ)能還是電儲(chǔ)能，在電儲(chǔ)能模式上選擇高能電池還是抽水儲(chǔ)能。但就目前可預(yù)料的未來，電網(wǎng)依然是重要能源轉(zhuǎn)換平臺(tái)的優(yōu)先選項(xiàng)， 而且重要的黨政機(jī)關(guān)、軍工、企事業(yè)單位、化工、礦山、冶煉等對(duì)供電可靠性需求高且用電量大的單位， 依然會(huì)保持與電網(wǎng)的密切聯(lián)系［7－9］，以電為中心的能源轉(zhuǎn)換平臺(tái)如圖2 所示。

圖2 以電為中心的能源轉(zhuǎn)換平臺(tái)

隨著發(fā)售電價(jià)格及用電服務(wù)的逐步放開， 電費(fèi)及相關(guān)費(fèi)用結(jié)算的多樣化、 復(fù)雜性將迅速顯現(xiàn)，因此，搭建功能強(qiáng)大、公平開放、接口兼容、安全可靠的統(tǒng)一結(jié)算平臺(tái)，將十分迫切與必要。該平臺(tái)將集地區(qū)調(diào)度、能源交易、結(jié)算清分、信息服務(wù)等功能于一體，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大業(yè)務(wù)支撐。

3.2 供用電安全管理要求提高

多元化的用能方式、多主體參與、多網(wǎng)絡(luò)融合和開放性的配電物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)框架， 需要政府組建專業(yè)的、相對(duì)獨(dú)立的組織進(jìn)行供用能安全管理。安全管理人員應(yīng)考取相應(yīng)資質(zhì)， 并進(jìn)行供用能情況的監(jiān)督與指導(dǎo)。同時(shí)，非政府的售電服務(wù)公司的工作人員將活躍在各類供用電及其他用能現(xiàn)場， 進(jìn)行安全供用電服務(wù)。政府應(yīng)當(dāng)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化及應(yīng)急處置等方面，提前策劃，未雨綢繆，避免混亂，為所有市場主體的未來發(fā)展提供開放有序、安全經(jīng)濟(jì)、公平公正、方便快捷的管理和技術(shù)服務(wù)。

4 結(jié)束語

未來配電物聯(lián)網(wǎng)組成要素之多將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)配電網(wǎng)，諸要素之間關(guān)系將越來越復(fù)雜，能源配置地位越來越顯著，深刻影響電網(wǎng)管理模式、工作場景和各類切身體驗(yàn)，并催生大批新生產(chǎn)業(yè)，成為社會(huì)發(fā)展的重要支撐。