能源互聯(lián)網(wǎng)視角下的未來配電網(wǎng)發(fā)展

孫 可，張全明，鄭朝明，任志偉，周 丹

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，杭州 310023）

0 引言

在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的大背景下，大力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)已成為世界各國(guó)能源體系轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向[1]。電能在傳輸利用上具有廣泛性，同時(shí)也便于轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，因此未來能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中電網(wǎng)注定成為主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。配電網(wǎng)絡(luò)將從現(xiàn)階段簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到未來新型配電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)多種能源的轉(zhuǎn)換、交替和利用，如電力、燃?xì)狻⒗錈醄2]。因此，從能源互聯(lián)網(wǎng)的角度構(gòu)建一個(gè)安全優(yōu)質(zhì)、高效可靠、低碳綠色、智能互動(dòng)的未來能源配送網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。

能源互聯(lián)網(wǎng)是一種新型的信息-能源整合“廣域網(wǎng)”，它建立在互聯(lián)網(wǎng)思想和理念之上。微電網(wǎng)和分布式能源等能源自治單元被用作“局域網(wǎng)”，通過開放的對(duì)等信息-能量集成架構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向按需傳輸和能量動(dòng)態(tài)平衡。美國(guó)首先提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念并建立了FREEDM 系統(tǒng)[3]，德國(guó)為打造新型能源網(wǎng)絡(luò)[4]制定了E-Energy 計(jì)劃。目前來看，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)高度重視對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究，各級(jí)政府也將能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提到了國(guó)家層面。國(guó)內(nèi)也越來越關(guān)注能源互聯(lián)網(wǎng)理念、技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)能源互聯(lián)網(wǎng)基本概念的研究已逐漸成熟，現(xiàn)已開始轉(zhuǎn)向能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的啟動(dòng)階段研究。文獻(xiàn)[5]從發(fā)電側(cè)、系統(tǒng)側(cè)、用戶側(cè)出發(fā)分析了儲(chǔ)能技術(shù)在能源互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵作用；文獻(xiàn)[6]分析了未來能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展帶來的電力體制改革，提出能源互聯(lián)網(wǎng)不僅影響能源變動(dòng)的發(fā)展方向，也是現(xiàn)階段一些電力問題的解決途徑；文獻(xiàn)[7]歸納總結(jié)了能源互聯(lián)網(wǎng)研究的既有定義、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)、研究方法，具體闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本要素、時(shí)空尺度和技術(shù)特征；文獻(xiàn)[8]對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的分層和分布式控制架構(gòu)、能量互聯(lián)網(wǎng)水平和垂直互聯(lián)特性進(jìn)行總結(jié)分析，并介紹了多智能體系統(tǒng)在能量互聯(lián)網(wǎng)分布式優(yōu)化中的應(yīng)用前景；文獻(xiàn)[9-10]從能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施與評(píng)價(jià)等方面研究了多能源耦合方法、協(xié)同技術(shù)以及智能配電網(wǎng)規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)和原則。這些研究揭示了能源互聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)重要組成內(nèi)容，主要包括能源生產(chǎn)技術(shù)、能源轉(zhuǎn)換技術(shù)、能源存儲(chǔ)技術(shù)、能源傳輸技術(shù)、能源消費(fèi)技術(shù)。

能源互聯(lián)網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的發(fā)展具有多元化的影響[11]，電力系統(tǒng)將在能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。文獻(xiàn)[12]基于能源互聯(lián)網(wǎng)的概念和特征，指出電力系統(tǒng)是承擔(dān)能源互聯(lián)網(wǎng)功能的軀干部分；文獻(xiàn)[13]分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的基本框架，結(jié)合未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出一種符合能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)模型。文獻(xiàn)[14]結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，提出面向能源互聯(lián)網(wǎng)的主動(dòng)配電網(wǎng)構(gòu)建的原則及關(guān)鍵技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向。供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)構(gòu)成了配電網(wǎng)的整體能流架構(gòu)，能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)發(fā)展的影響可以從這三方面進(jìn)行闡述。供給側(cè)由于大量分布式發(fā)電能源的接入，以及不同類型能源的并網(wǎng)，使得能源互聯(lián)網(wǎng)下多能流趨于并聯(lián)互通；對(duì)供給側(cè)的主要影響反映在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下大規(guī)模獲取和使用集中、分散的分布式能源；在需求側(cè)，能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將推動(dòng)多元用電和電動(dòng)汽車的發(fā)展。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)對(duì)浙江配電網(wǎng)供給側(cè)、傳輸側(cè)和需求側(cè)提出了新的要求。供給側(cè)要求能夠有效支撐大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤爰案咝Ю?；傳輸側(cè)要求建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)配電網(wǎng)并具備能源互聯(lián)網(wǎng)的新功能；需求側(cè)要求基于智能互動(dòng)手段實(shí)現(xiàn)多元化負(fù)荷的高效可靠供電。

目前，關(guān)于配電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展和評(píng)估方法已有大量研究成果，但對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)視角下的未來配電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)研究較少，有必要從能源互聯(lián)網(wǎng)視角出發(fā)，對(duì)未來配電網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)、發(fā)展路徑進(jìn)行研究，把握配電網(wǎng)當(dāng)前發(fā)展階段和重點(diǎn)任務(wù)，提出應(yīng)對(duì)策略和相關(guān)建議，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)未來配電網(wǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。文中的研究成果將優(yōu)化和提升配電網(wǎng)的發(fā)展水平和供電服務(wù)水平，提高區(qū)域綜合能源利用效率、促進(jìn)可再生能源消納。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)視角下的未來配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)

1.1 未來配電網(wǎng)基本形態(tài)

考慮到能源分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)未來能源互聯(lián)網(wǎng)中多種能源的相互轉(zhuǎn)換、替代與利用以及與能源消費(fèi)市場(chǎng)的互動(dòng)，因此未來配電網(wǎng)要比傳統(tǒng)配電網(wǎng)更加先進(jìn)，圖1 為未來配電網(wǎng)框架。

從未來配電網(wǎng)的框架可以看出：首先未來配電網(wǎng)對(duì)供電能力、傳輸效率與傳輸質(zhì)量有更高的要求；其次表現(xiàn)為對(duì)各種能量之間的轉(zhuǎn)換接口，以及與信息網(wǎng)絡(luò)廣泛連接的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?；另外未來配電網(wǎng)將能夠滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的新型需求，也即滿足能源網(wǎng)絡(luò)負(fù)載存儲(chǔ)協(xié)調(diào)、多能量協(xié)調(diào)和新控制形式的多需求效應(yīng)協(xié)調(diào)。

1.2 暫態(tài)穩(wěn)定控制策略響應(yīng)特性仿真分析

電、氣、冷、熱是4 類具有代表性的能量流，能源互聯(lián)網(wǎng)能量流動(dòng)形態(tài)如圖2 所示。

圖1 未來配電網(wǎng)框架

圖2 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)能量流

（1）能量輸入

未來配電網(wǎng)的輸入能流主要包括3 部分：上級(jí)的輸電網(wǎng)；上級(jí)的輸氣網(wǎng)；分布式新能源在本級(jí)網(wǎng)絡(luò)并入的部分。

由于風(fēng)、光等新能源的隨機(jī)性較強(qiáng)，分布式能源并網(wǎng)的消納不完全導(dǎo)致了現(xiàn)階段存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。在能源互聯(lián)網(wǎng)方案中，多集成也意味著多負(fù)載集成，其新的能耗能力得到了顯著提升。因此，能源的浪費(fèi)與產(chǎn)耗平衡將得到解決。

（2）能量轉(zhuǎn)換

電、氣、冷、熱等能源接入配電網(wǎng)后，由能量交換器與多能源接口設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再經(jīng)由新型配電網(wǎng)絡(luò)輸入到用戶側(cè)。

現(xiàn)階段的P2G 分為2 類，分別是用電制氫能源、用電制天然氣。氫氣的生產(chǎn)、消費(fèi)技術(shù)仍不夠成熟，對(duì)比之下，城市社區(qū)的天然氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已基本完成，無需額外的規(guī)劃投資。在已有管道網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，由P2G 裝置生產(chǎn)的天然氣可以及時(shí)并入配電網(wǎng)以給消費(fèi)側(cè)供能。能源互聯(lián)網(wǎng)本身要求對(duì)不同能源具有兼容性，氫氣的發(fā)展利用技術(shù)也將逐漸發(fā)展成熟，能源互聯(lián)網(wǎng)也會(huì)吸納氫氣網(wǎng)作為其一部分。P2G 設(shè)備的典型反應(yīng)過程如圖3 所示。

圖3 P2G 過程簡(jiǎn)圖

CCHP 指利用火電廠發(fā)電過程燃料燃燒產(chǎn)生的廢熱煙氣實(shí)現(xiàn)冷暖的轉(zhuǎn)換，CCHP 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖4 所示。此過程并不需要額外為制冷、制熱提供能源，在提高燃料利用率的同時(shí)，提供電、冷、熱的能源供給。

圖4 CCHP 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

另外，不同的能量存儲(chǔ)設(shè)備可以滿足各種能量不同的儲(chǔ)蓄要求，也成為不同類型負(fù)載的儲(chǔ)備能量來源，并且集成的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)也將是未來配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

（3）能量輸出

能源互聯(lián)網(wǎng)吸收并接納了不同種類的能源系統(tǒng)，相應(yīng)地也為不同負(fù)荷提供了接口，并且分配網(wǎng)絡(luò)的能量輸出考慮了不同能源的負(fù)荷特性。

配電網(wǎng)用戶側(cè)的用電高峰在一天內(nèi)通常出現(xiàn)在中午和晚上，季節(jié)的變化對(duì)負(fù)荷變化幾乎沒有影響。季節(jié)性的溫差導(dǎo)致對(duì)冷、熱供能的需求有所不同，夏季午間出現(xiàn)冷負(fù)荷峰值，冬季夜間和凌晨會(huì)有熱負(fù)荷高峰需求期，冷、熱負(fù)荷在春秋時(shí)期的負(fù)荷需求較為平緩。天然氣負(fù)荷一天內(nèi)主要有早上、下午和晚上3 個(gè)高峰，上午和下午的高峰通常都很接近。天然氣負(fù)荷主要受氣象因素和日期類型的影響，一天內(nèi)波動(dòng)明顯且具有相似性。

配電網(wǎng)中各種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備需根據(jù)負(fù)荷特征的不同來轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的能量類型，這將會(huì)影響配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行。

1.3 未來配電網(wǎng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

就網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架而言，未來配電網(wǎng)具有AC-DC混合、接口互聯(lián)、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)靈活的特點(diǎn)。AC-DC 環(huán)形母線作為區(qū)域電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)、負(fù)荷以及儲(chǔ)能設(shè)備作為下層接入，這種分層級(jí)的單元結(jié)構(gòu)也是能源管理組織的設(shè)備支撐。通常該單元內(nèi)部以環(huán)形、網(wǎng)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行母線連接，并且同一級(jí)別不同單元間通過諸如SNOP（軟開關(guān)）等電力電子裝置連接，可以在不同的環(huán)形總線之間實(shí)現(xiàn)功率傳輸或雙向功率交換控制。配電網(wǎng)在未來作為能源的載體與通道，需要具有能源樞紐的作用，各種能源的轉(zhuǎn)換與交易應(yīng)有更多的可選性，以適用于能源互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

綜合配電網(wǎng)在區(qū)域、局域間由能源路由器連接不同等級(jí)的電壓，通過SNOP 連接同級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò)，集成微網(wǎng)絡(luò)之間采用P2P 互連模式，最終在整個(gè)配電系統(tǒng)層面形成一個(gè)近似完全連接的網(wǎng)絡(luò)，并成為高等級(jí)綜合電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)組成單元。未來無線能量傳輸和超導(dǎo)能量傳輸技術(shù)可用于新型配電網(wǎng)絡(luò)之間的連接，這將更有利于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的化繁為簡(jiǎn)。

1.4 未來配電網(wǎng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

未來綜合配電系統(tǒng)的設(shè)備體系如圖5 所示。圖中所包含的關(guān)鍵設(shè)備有電儲(chǔ)能與綜合儲(chǔ)能、能源服務(wù)器、能源交換器、能源路由器、多能源間接口設(shè)備、能源通道、SNOP。

2 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)演化路徑

2.1 配電網(wǎng)發(fā)展路徑

圖5 未來配電網(wǎng)設(shè)備體系

世界上第一個(gè)商用電網(wǎng)是由安迪生于1882年建立的，此階段由于電壓等級(jí)較低，發(fā)電容量受限，決定了電能只能在較短的距離內(nèi)傳輸。配電網(wǎng)在起步階段也受到發(fā)電條件的限制，因此火電廠也只能建設(shè)在用電負(fù)荷的短距離范圍內(nèi)，配電網(wǎng)的組建依靠小型發(fā)電廠和負(fù)荷端連接起來。配電網(wǎng)以交流輸電為主導(dǎo)，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，達(dá)到輸電電壓220 kV 等級(jí)、單機(jī)發(fā)電容量200 MW 等級(jí)的初級(jí)階段。

第一代配電網(wǎng)具有低壓、低容量、小規(guī)模的特征。輸配電線路保護(hù)措施簡(jiǎn)單，電網(wǎng)的功率調(diào)度和運(yùn)行采用統(tǒng)一規(guī)劃方式，此時(shí)配電網(wǎng)尚未形成系統(tǒng)的輸配電網(wǎng)絡(luò)，大部分負(fù)荷側(cè)與發(fā)電側(cè)僅僅是作為聯(lián)絡(luò)線的兩個(gè)端點(diǎn)。對(duì)于電網(wǎng)頻率、電壓的穩(wěn)定，也只是通過發(fā)電廠內(nèi)的發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。隨著二戰(zhàn)后和平時(shí)期的到來，發(fā)展成為世界的主題，大量工業(yè)用電的出現(xiàn)使得電力負(fù)荷從簡(jiǎn)單的民用需求轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的商用需求，電量需求的提升不得不推動(dòng)電力系統(tǒng)的發(fā)展，此時(shí)配電網(wǎng)初具雛形。發(fā)電機(jī)的容量也得到大幅度提升，大容量的水電廠、火電廠相繼投入運(yùn)行，配電網(wǎng)在功率上的限制已基本解除，隨著高壓長(zhǎng)距離輸電技術(shù)的成熟，輸配電網(wǎng)的電壓等級(jí)也在不斷提升，高壓電網(wǎng)通過變電站逐級(jí)降壓，經(jīng)過配電網(wǎng)送入需求側(cè)。經(jīng)過20 世紀(jì)中末期的發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)在技術(shù)上日趨成熟，配電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，形成了互聯(lián)互通的高、中、低壓配電網(wǎng)體系。

第二代配電網(wǎng)在硬件和裝備上都有了巨大的改變。電力電子設(shè)備的使用以及通信技術(shù)的發(fā)展促使配電網(wǎng)的電力調(diào)度實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，電能質(zhì)量得到保證。同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，也為配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)建設(shè)、仿真驗(yàn)證、監(jiān)控檢測(cè)提供了工具，電網(wǎng)的防護(hù)水平和安全預(yù)警得到有效保證。

21 世紀(jì)以來，大電網(wǎng)、超/特高壓輸電網(wǎng)的建設(shè)，進(jìn)一步推動(dòng)配電網(wǎng)的完善。由于世界范圍內(nèi)能源資源緊張，以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、核能發(fā)電、天然氣、生物能等清潔能源進(jìn)入了大規(guī)模供能的行列。與此同時(shí)，用電側(cè)也發(fā)生了變化，隨著制冷制熱、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能設(shè)備等新型用電負(fù)荷的不斷衍生，這個(gè)階段的能源結(jié)構(gòu)變得既復(fù)雜又靈活，配電網(wǎng)為應(yīng)對(duì)這些變化不得不向智能化發(fā)展。

第三代配電網(wǎng)具有多能源供給、多結(jié)構(gòu)輸出的特征。配電網(wǎng)的智能控制技術(shù)，電力安全的保護(hù)系統(tǒng)，以及故障的定位排除能力讓第三代配電網(wǎng)有了網(wǎng)絡(luò)自愈的能力，供能可靠，可排除意外停電風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)用戶側(cè)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，主動(dòng)配電網(wǎng)逐步發(fā)展，形成“源-網(wǎng)-荷”互動(dòng)的智能電網(wǎng)雛形。第三代電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展將會(huì)改變現(xiàn)有電網(wǎng)資源供給，最終實(shí)現(xiàn)了多能源配網(wǎng)的智能配電網(wǎng)格局。

2.2 配電網(wǎng)發(fā)展階段特征描述

結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展特征，文中將配電網(wǎng)的發(fā)展分為雛形期、發(fā)展期、蛻變期、智融期4個(gè)階段形態(tài)。

雛形期配電網(wǎng)基本依賴大電網(wǎng)提供電能輸入，有少量可再生能源開始接入配電網(wǎng)。該階段可再生發(fā)電裝機(jī)滲透率在10%以內(nèi)，非水可再生發(fā)電裝機(jī)滲透率在5%以內(nèi)。除了少量抽水蓄能，尚無其他儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，基本上沒有需求側(cè)響應(yīng)能力，也尚未引入電力市場(chǎng)機(jī)制，大機(jī)組和大電網(wǎng)建設(shè)未成形，大范圍資源配置能力較弱，電力生產(chǎn)自動(dòng)化信息化水平較低，依賴各工種專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)展期配電網(wǎng)主要依托大機(jī)組、大電網(wǎng)提供電能輸入，并承載一定比例的可再生能源。主要特點(diǎn)為依托特高壓交直流輸電及各電壓等級(jí)交流電協(xié)調(diào)堅(jiān)強(qiáng)的輸電方式，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)大范圍的資源優(yōu)化配置能力。可再生發(fā)電裝機(jī)滲透率在10%～35%，非水可再生發(fā)電裝機(jī)滲透率在5%～20%。該階段網(wǎng)架不夠堅(jiān)強(qiáng)，智能化水平較低，智能互動(dòng)負(fù)荷較少，電網(wǎng)與外部系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互濟(jì)能力較弱。

蛻變期是實(shí)現(xiàn)可再生電源高滲透率友好接入，具備一定比例負(fù)荷側(cè)響應(yīng)能力，配電網(wǎng)人工智能化的階段。在此期間，通過規(guī)范制定及技術(shù)提升，實(shí)現(xiàn)可再生能源特別是新能源的友好接入，明確可再生能源上網(wǎng)“權(quán)責(zé)利”界限?？稍偕l(fā)電滲透率提高至40%。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)100 MW 以上量產(chǎn)化，具備一定比例雙向負(fù)荷參與電力響應(yīng)控制。形成微電網(wǎng)、微能源網(wǎng)、綜合能源站等供能體系。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)融入電力生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，極大提升生產(chǎn)力。

表1 配電網(wǎng)四段式發(fā)展特征

智融期是未來配電網(wǎng)的完善成熟階段，交直流混合配電網(wǎng)全面建成，可再生能源成為主要電源，分布式電源、儲(chǔ)能及廣泛負(fù)荷群體具備響應(yīng)調(diào)控能力。實(shí)現(xiàn)清潔電力為主導(dǎo)、全環(huán)節(jié)智能可控、廣泛互聯(lián)綜合調(diào)配，鞏固提升電力核心地位，實(shí)現(xiàn)以電為核心的電網(wǎng)、氣網(wǎng)、熱力網(wǎng)和交通網(wǎng)的柔性互聯(lián)、聯(lián)合調(diào)度。

2.3 配電網(wǎng)階段形態(tài)演化的影響因素

大規(guī)模開發(fā)利用清潔能源是推動(dòng)配電網(wǎng)形態(tài)變化的核心因素。世界對(duì)能源的需求在不斷地增長(zhǎng)，可再生能源發(fā)電已成為能源建設(shè)的重點(diǎn)。自2015 年全球非水可在生能源超過傳統(tǒng)能源發(fā)電以來[15]，可再生能源發(fā)電的裝機(jī)容量以每年不低于8%的增速不斷加入大電網(wǎng)。根據(jù)國(guó)際可再生能源署的數(shù)據(jù)分析，可再生能源在2030 年將達(dá)到36%以上。當(dāng)可再生能源裝機(jī)滲透率和發(fā)電量占比分別超過35%和20%時(shí)，配電網(wǎng)需要依托新技術(shù)及新設(shè)備進(jìn)一步擴(kuò)展新能源消納能力，以適應(yīng)更高比例的可再生能源。屆時(shí)發(fā)電結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架建設(shè)、調(diào)度控制、運(yùn)行檢修、市場(chǎng)行為的明顯改變，將致使配電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生變化，發(fā)展進(jìn)入蛻變期；預(yù)期可再生能源裝機(jī)滲透率和發(fā)電量占比分別超過60%和40%時(shí)，可再生能源發(fā)電成為主導(dǎo)形式，需要通過能源-市場(chǎng)-技術(shù)的深化應(yīng)用，推動(dòng)未來配電網(wǎng)的規(guī)范化和成熟化，此時(shí)配電網(wǎng)發(fā)展將進(jìn)入智融期。

電池儲(chǔ)能技術(shù)的成熟量產(chǎn)與負(fù)荷側(cè)大規(guī)模響應(yīng)能力是推動(dòng)配電網(wǎng)形態(tài)變化的有力支撐。初步判斷，在實(shí)現(xiàn)100 MW 以上儲(chǔ)能設(shè)施推廣、儲(chǔ)能度電成本接近峰谷電價(jià)差、約10%左右負(fù)荷具備響應(yīng)能力時(shí)，配電網(wǎng)將出現(xiàn)全新的調(diào)峰及控制手段，形成有力的技術(shù)支撐，此時(shí)配電網(wǎng)發(fā)展將進(jìn)入蛻變期。預(yù)計(jì)，當(dāng)市場(chǎng)中廣泛應(yīng)用電池類儲(chǔ)能設(shè)施、過半居民用戶及80%以上工業(yè)用戶形成可控響應(yīng)時(shí)，配電網(wǎng)資源得到高度開發(fā)，此時(shí)配電網(wǎng)發(fā)展將進(jìn)入智融期。

人工智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用是推動(dòng)電力系統(tǒng)形態(tài)變化的關(guān)鍵抓手。各個(gè)國(guó)家政府都將人工智能提升到國(guó)家戰(zhàn)略平臺(tái)，人工智能有望成為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)新的驅(qū)動(dòng)力。初步判斷，在近中期可逐步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)與配電網(wǎng)的融合，革新配電網(wǎng)各環(huán)節(jié)生產(chǎn)方式，提升運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)效能提升10%～20%，此時(shí)配電網(wǎng)發(fā)展將進(jìn)入蛻變期。中遠(yuǎn)期，隨著外部技術(shù)的支撐帶動(dòng)，配電網(wǎng)全環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)人工智能化，極大提升生產(chǎn)力，電力生產(chǎn)方式發(fā)生變化，此時(shí)配電網(wǎng)發(fā)展將進(jìn)入智融期。

3 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估體系

3.1 綜合評(píng)估體系的構(gòu)建

在合理繼承與完善現(xiàn)有評(píng)估體系的基礎(chǔ)上，未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估體系的建立不僅是衡量面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)發(fā)展的重要尺度，也對(duì)未來配電網(wǎng)的規(guī)劃發(fā)展起到科學(xué)有效的指導(dǎo)作用。

評(píng)估指標(biāo)體系通常是針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景而構(gòu)建的，并且充滿了主觀和客觀因素。其構(gòu)建的主要原則是能夠客觀公正反映所評(píng)判對(duì)象的實(shí)際情況。選取的指標(biāo)首先要符合能源互聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)理論和數(shù)學(xué)原理，并能夠充分反映影響配電網(wǎng)發(fā)展水平的因素；其次將配電網(wǎng)的發(fā)展看作一個(gè)整體，從宏觀和微觀兩個(gè)層面考慮。因此將評(píng)估指標(biāo)分為4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和23 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，詳見表2。

表2 一流未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估體系

3.2 綜合評(píng)估流程

面向能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估流程如圖6 所示。

按照各類供電區(qū)域的權(quán)重，加權(quán)計(jì)算指標(biāo)得分：

圖6 綜合評(píng)估指標(biāo)流程

式中：Si為第i 個(gè)單個(gè)指標(biāo)得分；ai為單個(gè)供電區(qū)域指標(biāo)得分；εi為該類區(qū)域指標(biāo)權(quán)重，ε1，ε2，…，ε5分別為5 類供電區(qū)域權(quán)重系數(shù)，取值如表3 所示。

表3 5 類供電區(qū)域權(quán)重系數(shù)

3.3 綜合評(píng)估步驟

（1）設(shè)置評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)權(quán)重系數(shù)設(shè)置原則，分3 步對(duì)4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和23 個(gè)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。首先使用AHP 確定評(píng)估指標(biāo)的主觀權(quán)重系數(shù)[16]；然后使用熵權(quán)法確定評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)[17]；最后綜合AHP 和熵權(quán)法確定最終的評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。AHP-熵權(quán)法從主觀、客觀兩方面對(duì)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行修正，使得評(píng)估結(jié)果可以綜合體現(xiàn)配電網(wǎng)體系。

（2）計(jì)算各類指標(biāo)評(píng)估得分

安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、綠色低碳、智能互動(dòng)四大類指標(biāo)滿分均為100 分，將各單項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)按各自的加權(quán)系數(shù)加權(quán)后得到四大類的評(píng)估得分。

式中：yi為第i 類指標(biāo)綜合分值。

（3）計(jì)算綜合評(píng)估總分

將安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效、綠色低碳、智能互動(dòng)的評(píng)估得分按照0.3，0.25，0.22，0.23 的權(quán)重系數(shù)加權(quán)后即可得到能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估的總分。

式中：T 為能源互聯(lián)網(wǎng)的未來配電網(wǎng)綜合評(píng)估的總分；yi為第i 類指標(biāo)綜合得分；γi為第i 類指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。

同樣，對(duì)每類權(quán)重系數(shù)有：

（4）評(píng)估指標(biāo)體系及權(quán)重

根據(jù)一流未來配電網(wǎng)各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)含義、評(píng)分公式及指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算綜合評(píng)估指標(biāo)得分。

（5）評(píng)估結(jié)果分析

得到評(píng)估結(jié)果分析如表4 所示。

表4 評(píng)估結(jié)果分析表

4 案例分析

為驗(yàn)證所提出的綜合評(píng)估體系和評(píng)估方法的有效性和可行性，以某主動(dòng)配電網(wǎng)示范工程為例進(jìn)行綜合評(píng)估分析。該示范工程為某城市能源互聯(lián)網(wǎng)綜合試點(diǎn)示范配套項(xiàng)目，通過試點(diǎn)工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)所在地區(qū)的“6 個(gè)主動(dòng)”，即電網(wǎng)公司側(cè)的主動(dòng)規(guī)劃、主動(dòng)管理、主動(dòng)控制、主動(dòng)服務(wù)以及用戶側(cè)的主動(dòng)響應(yīng)和分布式新能源發(fā)電側(cè)的主動(dòng)參與。

該主動(dòng)配電網(wǎng)的綜合評(píng)分為0.756，隸屬于“發(fā)展期”，進(jìn)一步分析各一級(jí)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果：“安全可靠”評(píng)分為0.8，主要是冷熱電互聯(lián)程度和儲(chǔ)能裝置指標(biāo)得分較低；“優(yōu)質(zhì)高效”評(píng)分為0.9，在該項(xiàng)上示范工程各項(xiàng)指標(biāo)得分都較為出色；“綠色低碳”評(píng)分為0.8，由于出現(xiàn)棄光情況及消費(fèi)終端電能替代工作處于發(fā)展階段，在清潔能源消納率和電能占終端能源比指標(biāo)上得分稍低；“智能互動(dòng)”評(píng)分為0.5，能源綜合管理平臺(tái)和需求響應(yīng)系統(tǒng)尚處于建設(shè)當(dāng)中，互動(dòng)負(fù)荷即源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)調(diào)方面還有待提升?？梢娫u(píng)估分值與示范工程的發(fā)展建設(shè)情況相吻合。

5 結(jié)語

由于一流未來配電網(wǎng)在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中處于核心地位，因此，建設(shè)面向能源互聯(lián)網(wǎng)的一流未來配電網(wǎng)對(duì)于能源體系發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。文中先總結(jié)了能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)概念，隨后提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的整體發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文中總結(jié)了能源發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題，展望了一流未來配電網(wǎng)的基本形態(tài)、能量流動(dòng)特征、基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵裝備和運(yùn)營(yíng)模式，指出其核心在于依托大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)作為控制樞紐，整合多能量供需數(shù)據(jù)，多能源網(wǎng)絡(luò)是以能源節(jié)點(diǎn)形式與能量交換器進(jìn)行能量交互的多能互聯(lián)環(huán)節(jié)。在分析一流未來配電網(wǎng)發(fā)展形態(tài)的基礎(chǔ)上，分析回顧了配電網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)程，提出了配電網(wǎng)形態(tài)演化中關(guān)鍵影響因素及其在面向能源互聯(lián)網(wǎng)的一流未來配電網(wǎng)整體演化過程中的作用機(jī)理，對(duì)面向能源互聯(lián)網(wǎng)的一流未來配電網(wǎng)演化路徑進(jìn)行了分析，給出了發(fā)展期、蛻變期、智融期3 個(gè)階段一流未來配電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)中的核心特征和主要任務(wù)。發(fā)展一流未來配電網(wǎng)需要著力在升級(jí)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、完善協(xié)同控制能力、提升可再生能源消納、挖掘儲(chǔ)能應(yīng)用潛力、開展綜合能源供應(yīng)、建設(shè)能源電力市場(chǎng)、深化應(yīng)用人工智能等方面進(jìn)行突破。