面向新型電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)柔性化改造策略與技術(shù)路線探究

[關(guān)鍵詞]新型電力系統(tǒng)；配電網(wǎng)；柔性化改造

新型電力系統(tǒng)是基于全球氣候變化和碳中和目標，主要依賴可再生能源（如風能、太陽能、水能）的供應(yīng)，以高度電氣化為消費形態(tài)，基礎(chǔ)設(shè)施廣泛分布，運行管理深度互動的現(xiàn)代電力系統(tǒng)。其核心特征是可再生能源為主體、高度電氣化、廣泛分布化和深度互動化。在這一系統(tǒng)中，配電網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)，而柔性配電網(wǎng)作為能靈活適應(yīng)電力供需變化、整合分布式能源、快速響應(yīng)故障和提升電能質(zhì)量的電網(wǎng)形態(tài)，對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障供應(yīng)安全、提升服務(wù)質(zhì)量和促進可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。柔性化改造策略與技術(shù)路線的研究，旨在通過創(chuàng)新優(yōu)化，將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨冗m應(yīng)、靈活智能的柔性系統(tǒng)，以滿足新型電力系統(tǒng)的需求。

一、配電網(wǎng)柔性化改造理論基礎(chǔ)與技術(shù)框架

（一）柔性配電網(wǎng)概念與內(nèi)涵

柔性配電網(wǎng)是先進科技集成的智能配電系統(tǒng)，利用電力電子、控制策略和信息通信技術(shù)，實現(xiàn)靈活的能量轉(zhuǎn)換、存儲、調(diào)度及控制。它能快速適應(yīng)電力供需變動，高效整合分布式能源與新負載，囊括多形式能量轉(zhuǎn)換、平抑可再生能源波動的儲能方案、按實時需求優(yōu)化的能源調(diào)度，以及確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全的智能控制機制。

（二）柔性化改造技術(shù)框架

構(gòu)建面向新型電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)柔性化改造技術(shù)框架，旨在通過集成先進技術(shù)和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升配電網(wǎng)對新能源接入、負荷變化及運行環(huán)境不確定性的適應(yīng)能力，保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、高效運行。該技術(shù)框架主要包括分布式能源集成、儲能系統(tǒng)配置、電力電子設(shè)備應(yīng)用、通信與信息平臺建設(shè)這四個核心組成部分，如圖1所示。

二、配電網(wǎng)柔性化改造策略研究

（一）分布式能源優(yōu)化布局與集成策略

分布式光伏、風電、微燃機等各類分布式能源在配電網(wǎng)中的最優(yōu)布局原則，一是資源配置原則，優(yōu)先在光照、風速、天然氣供應(yīng)等資源條件優(yōu)越的區(qū)域布局分布式光伏、風電、微燃機等，確保其發(fā)電效率最大化。二是負荷就近原則，盡可能將分布式能源部署在負荷中心附近，縮短能源傳輸距離，降低線損，提高供電可靠性。三是電網(wǎng)適應(yīng)原則，考慮配電網(wǎng)的電壓等級、線路容量、變電站位置等因素，確保分布式能源接入后不會對電網(wǎng)造成過大的電壓波動、潮流沖擊等問題。

配電網(wǎng)的高效集成技術(shù)與策略，第一，采用先進的功率預(yù)測、優(yōu)化控制、故障診斷等技術(shù)，實現(xiàn)分布式能源出力的精準預(yù)測、動態(tài)調(diào)度與故障快速響應(yīng)，確保其與電網(wǎng)的穩(wěn)定、高效互動。第二，配置適當容量的儲能裝置（如電池、超級電容、飛輪等），用于平抑分布式能源出力波動，提供調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)，增強電網(wǎng)的瞬態(tài)穩(wěn)定性和供需平衡能力。第三，利用SVG、STATCOM、UPFC等電力電子設(shè)備，快速調(diào)節(jié)電壓、無功功率，改善電能質(zhì)量，增強電網(wǎng)對分布式能源接入的適應(yīng)性。

（二）儲能系統(tǒng)配置與運行策略

第一，以鋰離子電池為代表的電池儲能，可在用電低谷時充電，高峰時放電，平抑負荷波動，提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟性；還可以作為變電站、重要用戶或微電網(wǎng)的應(yīng)急備用電源，保障供電可靠性；或與風電、光伏等可再生能源電站配套，平滑其輸出功率，減少棄風棄光。容量配置需要根據(jù)配電網(wǎng)的負荷特性、可再生能源滲透率、備用需求、電壓穩(wěn)定性要求等因素，通過電力系統(tǒng)規(guī)劃模型計算所需的儲能容量。電池儲能往往靠近高負荷區(qū)域，便于快速響應(yīng)負荷波動，減少輸電損耗靠近高負荷區(qū)域，便于快速響應(yīng)負荷波動。

第二，超級電容也是一種重要的儲能技術(shù)。超級電容具有極高的充放電速率，適合提供瞬態(tài)功率補償，如電壓驟降恢復(fù)、短時負荷波動緩沖。其在微電網(wǎng)中作為短時備用電源，應(yīng)對孤島模式下的瞬態(tài)功率不平衡。在容量配置上，需要考慮所需提供的短時功率支持水平、響應(yīng)速度要求以及超級電容自身的能量密度，通常容量配置較小，主要用于提供高功率服務(wù)。超級電容選址往往在關(guān)鍵設(shè)備附近，如變壓器、開關(guān)設(shè)備旁，直接提供快速功率支持，減輕設(shè)備負擔。

第三，飛輪儲能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，提供優(yōu)質(zhì)的慣性服務(wù)和一次調(diào)頻能力，在短時間內(nèi)提供或吸收功率，改善電壓波動和閃變。在容量配置上，需要根據(jù)電網(wǎng)對頻率響應(yīng)速度、持續(xù)時間以及電壓穩(wěn)定性的要求，結(jié)合飛輪儲能系統(tǒng)的功率密度和效率，確定合理容量。該系統(tǒng)通常部署在電網(wǎng)的弱聯(lián)系區(qū)域、新能源高滲透區(qū)或負荷中心，提供快速頻率響應(yīng)服務(wù)。

（三）電力電子設(shè)備應(yīng)用與協(xié)調(diào)控制策略

SVG（靜止無功發(fā)生器）、STATCOM（靜止同步補償器）和UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）均為先進的電力電子裝置，它們在配電網(wǎng)中的作用主要包括提升電壓穩(wěn)定性、抑制諧波、增強故障隔離能力等。以下分別探討它們的作用，并設(shè)計相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制策略。

第一，SVG能快速、精準地提供或吸收無功功率，調(diào)整電網(wǎng)電壓，維持電壓穩(wěn)定。加之其具有濾波功能，還能夠抵消電網(wǎng)中的諧波電流，改善電能質(zhì)量。具體的協(xié)調(diào)控制是設(shè)定電壓參考值，通過PI控制器實時調(diào)節(jié)SVG輸出無功功率，保持節(jié)點電壓恒定；設(shè)計適當?shù)臑V波器模型，結(jié)合FFT（快速傅里葉變換）分析電網(wǎng)諧波含量，控制SVG產(chǎn)生反向諧波電流，實現(xiàn)諧波抵消。

第二，STATCOM不僅能在寬范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)無功輸出，精確控制節(jié)點電壓，增強電壓穩(wěn)定性；還能產(chǎn)生與系統(tǒng)諧波電流相位相反的補償電流，有效濾除諧波，提升電能質(zhì)量。具體的協(xié)調(diào)控制可以采用dq坐標系下的電壓控制策略，設(shè)定d軸（有功）和q軸（無功）參考值，通過電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)PI控制器，精確控制STATCOM輸出，維持節(jié)點電壓恒定?；蛘卟捎没谒矔r無功理論的諧波電流檢測方法，設(shè)計諧波電流觀測器，結(jié)合諧波電流指令生成器，驅(qū)動STATCOM產(chǎn)生反向諧波電流，實現(xiàn)諧波抑制。

第三，UPFC能在線路兩端同時注入有功和無功功率，實現(xiàn)潮流的靈活控制，優(yōu)化電網(wǎng)運行狀態(tài)。該控制器通過改變線路阻抗就能有效調(diào)節(jié)線路兩端電壓，提高電壓穩(wěn)定性。具體的協(xié)調(diào)控制措施，一是設(shè)定線路有功和無功功率參考值，采用多變量控制策略，通過UPFC的電壓源換流器（VSC）和電壓同步發(fā)電機（VSG）部分，實現(xiàn)精確的潮流控制；二是設(shè)計線路電壓調(diào)節(jié)算法，結(jié)合線路兩端電壓測量值，通過調(diào)整UPFC的注入功率，保持線路兩端電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。三是采用類似SVG或STATCOM的諧波檢測與抑制方法，結(jié)合UPFC的有源濾波功能，消除系統(tǒng)諧波。

（四）通信與信息平臺建設(shè)策略

在柔性配電網(wǎng)中，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)以及高級配電自動化系統(tǒng)（ADMS）等信息平臺的構(gòu)建與功能優(yōu)化至關(guān)重要。以下對這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行研究：

第一，通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計要遵循可靠性、實時性、兼容性等原則，主要應(yīng)具備冗余路徑、故障自愈能力，確保在局部故障下仍能維持正常通信；滿足配電網(wǎng)操作、控制、保護等業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)傳輸實時性的高要求；支持多種通信協(xié)議，適應(yīng)不同設(shè)備間的互聯(lián)互通。架構(gòu)模式主要包括分層式架構(gòu)和混合通信網(wǎng)絡(luò)，前者包括現(xiàn)場層、接入層、匯聚層、核心層?，F(xiàn)場層由各類傳感器、智能電表、分布式能源等組成。接入層負責將現(xiàn)場數(shù)據(jù)匯集至匯聚層，再經(jīng)核心層傳輸至數(shù)據(jù)中心。后者融合光纖、無線、電力線載波等多種通信方式，根據(jù)設(shè)備位置、通信需求和成本選擇最優(yōu)通信技術(shù)。

第二，數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)。首先要部署各類智能傳感器，如電壓／電流互感器、溫度／濕度傳感器、故障指示器等，實時監(jiān)測配電網(wǎng)運行狀態(tài)。同時實現(xiàn)用戶側(cè)電力數(shù)據(jù)的精確采集，支持雙向通信，便于需求響應(yīng)和分布式能源管理。然后在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)傳輸，提供高帶寬、低延遲、強抗干擾的通信通道，適用于主干網(wǎng)和重要節(jié)點間通信。引用LoRa、NB-IoT等LPWAN無線通信技術(shù)，完成遠程、大規(guī)模終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

第三，高級配電自動化系統(tǒng)。首先集成SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、DMS（配電管理系統(tǒng)）、OSS（運營支持系統(tǒng)）等功能，實現(xiàn)配電網(wǎng)的全面監(jiān)控、分析與決策。其次，實時監(jiān)控配電網(wǎng)運行狀態(tài)，通過可視化界面呈現(xiàn)全網(wǎng)拓撲、設(shè)備狀態(tài)、負荷分布等信息；并利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)快速識別故障類型、定位故障點，縮短停電時間。再次，在故障發(fā)生時自動執(zhí)行隔離、轉(zhuǎn)供等操作，提高供電可靠性。最后，根據(jù)負荷變化、分布式能源出力、電網(wǎng)約束等因素動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升運行效率。

三、柔性配電網(wǎng)技術(shù)路線與實施步驟

（一）技術(shù)路線選擇

針對各地配電網(wǎng)特性，需制定差異化的柔性改造策略。農(nóng)村薄弱地區(qū)應(yīng)優(yōu)先增強電網(wǎng)可靠性和電壓合格率，優(yōu)化電源布局、加強負荷聯(lián)絡(luò)和配電自動化。中西部和東北地區(qū)需提升電網(wǎng)裝備和供電質(zhì)量，加強基建、提升智能化數(shù)字化水平，并推進電力替代技術(shù)應(yīng)用。東部地區(qū)已具備較高供電可靠性，應(yīng)著重提升電網(wǎng)智能化數(shù)字化水平，利用先進信息技術(shù)和控制技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測和智能調(diào)度，提高供電質(zhì)量和效率。

（二）實施步驟規(guī)劃

配電網(wǎng)柔性化改造是一個系統(tǒng)性工程，涵蓋前期準備、方案設(shè)計、設(shè)備采購與安裝、系統(tǒng)調(diào)試與驗收、運營維護等多個關(guān)鍵階段，具體工作內(nèi)容與要求如下。

1．前期準備

首先，進行全面的電網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)研與評估，包括電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)、負荷特性、可再生能源潛力等，為后續(xù)改造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，分析改造目標與需求，明確柔性化改造的目標指標（如可再生能源接入比例、電能質(zhì)量改善、故障恢復(fù)時間等）。再次，進行技術(shù)經(jīng)濟分析，評估不同改造方案的投入產(chǎn)出比、環(huán)境效益、社會效益等，為決策提供依據(jù)。最后，編制改造項目建議書或可行性研究報告，提交相關(guān)部門審批。

2．方案設(shè)計

在前期準備基礎(chǔ)上，開展詳細的柔性化改造方案設(shè)計。內(nèi)容包括：（1）確定改造范圍與重點，如關(guān)鍵節(jié)點、薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)備升級、線路優(yōu)化等：（2）選擇適用的柔性化技術(shù)與設(shè)備，如分布式能源、儲能系統(tǒng)、電力電子設(shè)備、通信與信息平臺等；（3）設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)與運行模式，如微電網(wǎng)、虛擬電廠、需求響應(yīng)等；（4）制定設(shè)備配置、布局、接口標準等技術(shù)規(guī)范；（5）編制詳細的工程圖紙、施工組織設(shè)計、進度計劃等技術(shù)文件。

3．設(shè)備采購與安裝

依據(jù)設(shè)計方案進行設(shè)備與材料的采購招標，確保供應(yīng)商資質(zhì)、產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。設(shè)備到貨后，進行嚴格的質(zhì)量檢驗與入庫管理。安裝階段，按照施工組織設(shè)計與安全規(guī)程進行現(xiàn)場施工，確保設(shè)備安裝位置準確、接線規(guī)范、接地良好、防護設(shè)施完備。安裝過程中，嚴格執(zhí)行設(shè)備調(diào)試大綱，進行單體調(diào)試、分系統(tǒng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并及時整改。

4.系統(tǒng)調(diào)試與驗收

系統(tǒng)安裝完成后，進行整體聯(lián)調(diào)與試運行，驗證設(shè)備功能、系統(tǒng)性能是否達到設(shè)計要求。調(diào)試內(nèi)容包括：（1）設(shè)備功能測試，如電力電子設(shè)備的無功補償、電壓調(diào)節(jié)、故障穿越等；（2）系統(tǒng)性能測試，如電能質(zhì)量、故障隔離與恢復(fù)時間、可再生能源接納能力等；（3）通信與信息平臺測試，如數(shù)據(jù)采集準確性、命令執(zhí)行及時性、界面友好性等。試運行達標后，組織專家進行項目竣工驗收，出具驗收報告。

結(jié)語

配電網(wǎng)柔性化改造是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要政策引導(dǎo)、技術(shù)創(chuàng)新、市場機制、人才培養(yǎng)等多方面的協(xié)同推進。未來，還需進一步深化理論研究，加強技術(shù)研發(fā)與示范應(yīng)用，完善相關(guān)標準與規(guī)范，培育市場環(huán)境，提升全社會對柔性配電網(wǎng)的認知與接受度，共同推動電力系統(tǒng)向更加清潔、高效、智能、韌性的方向邁進，為構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與可持續(xù)發(fā)展目標作出貢獻。