主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析與展望

程林，劉琛，康重慶，吳強(qiáng)(．電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室(清華大學(xué)電機(jī)系)，北京市00084; ．江蘇省電力公司，南京市004)

主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析與展望

程林1，劉琛1，康重慶1，吳強(qiáng)2
(1．電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗室(清華大學(xué)電機(jī)系)，北京市100084; 2．江蘇省電力公司，南京市210024)

大量分散電源并網(wǎng)將使配電系統(tǒng)發(fā)生根本性變化，未來的配電網(wǎng)將從傳統(tǒng)的被動單向式供電逐步向多種能源形式供電的雙向供電方向發(fā)展，配電網(wǎng)將由原來單一電能分配的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔軈R集、電能傳輸、電能存儲和電能分配為一體的新型電力交換系統(tǒng)。圍繞建設(shè)主動配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)這一問題，從保護(hù)、運(yùn)行、規(guī)劃、信息技術(shù)以及能源政策6個方面，對世界范圍內(nèi)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了全面的綜述，并從中提煉出研究的發(fā)展方向，為電力科技工作者提供參考。

主動配電網(wǎng);保護(hù);運(yùn)行控制;信息通信技術(shù);低碳

0 引言

分布式、間歇性能源的接入在可預(yù)見的未來將成為配電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，并為配電網(wǎng)保證供電可靠性、供電質(zhì)量帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。直至今日，鑒于目前的配電網(wǎng)態(tài)勢仍是可以預(yù)測的，配電網(wǎng)在設(shè)計規(guī)劃、控制運(yùn)行方面依然沿用“自上而下”的原則。然而，分布式電源大量接入，系統(tǒng)中有意識個體也將或主動或被動地參與配電網(wǎng)管理，使得系統(tǒng)態(tài)勢難以預(yù)測。未來配電系統(tǒng)必須積極應(yīng)對傳統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行方法不再適用的挑戰(zhàn)，否則將面對網(wǎng)絡(luò)越限頻繁、電能質(zhì)量、供電可靠性不達(dá)標(biāo)的不利后果，這與新能源接入配電網(wǎng)的初衷背道而馳。

主動配電網(wǎng)(active distribution network，ADN)概念2006年在CIGRE會議上被提出，與現(xiàn)有被動式配電網(wǎng)(passive distribution network，PDN)對分布式電源(distributed generation，DG)的被動接受不同，主動配電網(wǎng)可以自主協(xié)調(diào)地控制間歇式新能源與儲能裝置等DG單元的優(yōu)化運(yùn)行，運(yùn)行人員可以通過改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制網(wǎng)內(nèi)潮流，在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管和并網(wǎng)協(xié)議下為配電系統(tǒng)提供一定的電力支持，從而提高配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，提高新能源的利用率，提高電能質(zhì)量和可靠性，保證配電網(wǎng)絡(luò)的安全高效運(yùn)行。即，大量分散電源并網(wǎng)將使配電系統(tǒng)發(fā)生根本性變化。未來的配電網(wǎng)將從傳統(tǒng)的被動單向式供電也將逐步向多種能源形式供電的雙向供電方向發(fā)展，配電網(wǎng)將由原來單一電能分配的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔軈R集、電能傳輸、電能存儲和電能分配為一體的新型電力交換系統(tǒng)。

從技術(shù)角度，主動配電網(wǎng)在保護(hù)、運(yùn)行控制、規(guī)劃等多方面的技術(shù)正受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注;與此同時，主動配電網(wǎng)依賴于信息通信系統(tǒng)(information communication system，ICT)的正常工作，通信-物理系統(tǒng)將作為一個統(tǒng)一的整體構(gòu)成主動配電網(wǎng)。從政策角度，鼓勵用戶積極參與，鼓勵配電網(wǎng)運(yùn)營商提高技術(shù)水平，引導(dǎo)主動配電網(wǎng)由“運(yùn)營商主導(dǎo)，用戶被動參與”向“用戶主導(dǎo)，運(yùn)行商積極服務(wù)”平穩(wěn)過渡的激勵政策同樣是亟待研究的問題。

本文從對配電網(wǎng)安全性有直接影響的保護(hù)系統(tǒng)出發(fā)，由微觀到宏觀，至影響可持續(xù)發(fā)展的配電網(wǎng)低碳化中的各個技術(shù)角度，對目前國內(nèi)外研究成果進(jìn)行全面的綜述，以此提煉各項技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，便于拓寬思路，總結(jié)不足并引導(dǎo)后續(xù)研究，從理論角度協(xié)助主動配電網(wǎng)建設(shè)工作。

1 主動配電網(wǎng)保護(hù)

分布式能源接入后可能引起保護(hù)拒動、誤動或影響重合閘成功率問題。保護(hù)系統(tǒng)的異常工作將對配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成最直接的威脅。

保護(hù)系統(tǒng)的性能取決于判據(jù)的準(zhǔn)確性，國內(nèi)外學(xué)者提出了如下的協(xié)調(diào)方式以取得保護(hù)判據(jù):(1)延時協(xié)調(diào)，主動配電網(wǎng)中的多個保護(hù)裝置通過一定延時依次動作，間接判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)保護(hù);(2)通信協(xié)調(diào)，采用通信手段匯總信息判斷故障是最為受到人們關(guān)注的方法;(3)多種保護(hù)手段進(jìn)行配合，例如文獻(xiàn)［1］希望以盡可能少的通信方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)配合，對于單相對地故障，故障上游區(qū)段通過電流差動保護(hù)，故障下游用零序電流保護(hù)，而相間故障采用負(fù)序電流保護(hù)。

另有一類研究旨在定量分析在不調(diào)整保護(hù)策略的情況下分布式電源的準(zhǔn)入容量，例如文獻(xiàn)［2］十分詳細(xì)地分析了如何確定在目前三段保護(hù)策略下接入分布式電源，即根據(jù)保護(hù)裝置的整定原則，反算能夠接入的分布式電源容量。選擇較好的接入點(diǎn)，可以將分布式電源對配電網(wǎng)保護(hù)的影響降低至最小，獲得較為滿意的分布式電源準(zhǔn)入容量。在原有保護(hù)方案不變條件下，配電網(wǎng)可以在經(jīng)過優(yōu)化計算后的特定的多個位置分別接入分布式電源，而其原有的電流保護(hù)仍能正確可靠動作。

2013年后，在主動配電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域在實(shí)用性方面取得了一些進(jìn)步。文獻(xiàn)［3］考慮到目前提出的解決方案大多需要引入電壓信息，而配電網(wǎng)一般不具備此條件，出于此考慮研究了適用于主動配電網(wǎng)的保護(hù)技術(shù)，設(shè)計了不需電壓信息的方向元件，并基于此設(shè)計了保護(hù)機(jī)制。文獻(xiàn)［4］提出了一種新型的含分布式電源配電網(wǎng)的充分式保護(hù)策略，其有別于傳統(tǒng)保護(hù)思想要求保護(hù)方案對任何理論上可能出現(xiàn)的故障均有絕對的選擇性，只針對那些在絕大多數(shù)情況下更有可能發(fā)生的故障，提取具有充分代表性的故障特征。文獻(xiàn)［5］提出了“保護(hù)配合指數(shù)”用于衡量保護(hù)系統(tǒng)的性能，并分析了不同類型分布式電源，分布式電源接入不同位置時該指數(shù)的有效性。文獻(xiàn)［6］利用真實(shí)系統(tǒng)案例分析阻抗保護(hù)有效性。對于交直流混聯(lián)特殊配電網(wǎng)，故障特征隨系統(tǒng)的運(yùn)行方式和控制方式而變化。而故障產(chǎn)生的諧波和暫態(tài)分量，其幅值和頻率也會隨著不同的故障元件和故障位置而變化。文獻(xiàn)［7］對柔性直流系統(tǒng)的不同故障進(jìn)行了建模仿真，分析電壓、電流變化趨勢及其原因，進(jìn)而為設(shè)計交直流混聯(lián)配電網(wǎng)的保護(hù)策略提供了依據(jù)。

目前大部分保護(hù)研究結(jié)果尚未進(jìn)行工程驗證，因此各類方法在實(shí)際系統(tǒng)的中的實(shí)際效能為未可知。從理論角度，目前工作的不足有:(1)電流差動保護(hù)。差動保護(hù)系統(tǒng)要面對通信系統(tǒng)故障的風(fēng)險，因此需要考慮后備保護(hù)系統(tǒng)，同時建立快速通信網(wǎng)的成本同樣不可忽視;對于不平衡系統(tǒng)以及不平衡負(fù)載，性能可能會受到影響;切入/投入分布式電源的暫態(tài)過程可能會造成誤動。(2)自適應(yīng)保護(hù)。需要安裝、或者升級現(xiàn)有保護(hù)裝置;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔仨氁阎`活性不足，不支持“即插即用”;需要快速通信系統(tǒng)支持。(3)阻抗保護(hù)。在受到諧波及暫態(tài)過程干擾時，準(zhǔn)確性可能受到影響;性能受短路過渡電阻影響;不適用于線路較短的情況。(4)對于交直流混聯(lián)配電網(wǎng)，現(xiàn)有研究主要是從仿真現(xiàn)象分析故障特征，缺少故障理論推導(dǎo)和機(jī)理分析。

考慮到配電系統(tǒng)“量大面廣”的特點(diǎn)，針對主動配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的首要工作是判斷當(dāng)前保護(hù)系統(tǒng)的有效性以及在發(fā)展過程中的有效期限，并進(jìn)一步進(jìn)行保護(hù)系統(tǒng)升級決策，不得已時需限制分布式電源接入的類型和容量。還應(yīng)對不同保護(hù)方式進(jìn)行工程驗證。對于交直流混聯(lián)系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行故障理論推導(dǎo)和機(jī)理分析。

2 主動配電網(wǎng)運(yùn)行控制

2.1 主動配電網(wǎng)的正常狀態(tài)運(yùn)行控制

分布式電源的大量接入改變了配網(wǎng)潮流的分布，間歇性一次能源的快速波動將引起配網(wǎng)電壓的快速波動，若不加以對應(yīng)將導(dǎo)致過電壓、低電壓現(xiàn)象。電動汽車是未來城市交通的一個重要發(fā)展方向，電動汽車的不受控充電容易造成配網(wǎng)局部阻塞，同時嚴(yán)重影響三相負(fù)荷平衡性。

國內(nèi)外研究人員已對分布式電源以及電動汽車(作為可控設(shè)備同樣可視為配電網(wǎng)資源)的控制方法進(jìn)行了大量研究，并取得了豐厚的研究成果，研究人員主要提出了集中式控制、多代理控制、分布式控制3類控制方法以消除分布式電源、電動汽車接入后造成的電壓、阻塞(典型阻塞問題如分布式電源倒送功率過高、電動汽車充電負(fù)荷過度集中)問題并提高配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

近2年來國內(nèi)外針對上述研究的問題依然活躍，但研究趨勢向務(wù)實(shí)方面發(fā)展，典型成果如下。在電壓控制方面:針對目前配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)章要求分布式電源采用最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)運(yùn)行策略的現(xiàn)狀，大量工作集中于如何利用現(xiàn)有配電網(wǎng)電壓控制設(shè)備應(yīng)對分布式電源接入的電壓問題。文獻(xiàn)［8］為有載調(diào)壓調(diào)節(jié)器、無功補(bǔ)償裝置設(shè)計了一種新的分布式控制策略，以針對分布式電源出力同時大幅變化可能造成電壓控制設(shè)備(有載調(diào)壓、無功補(bǔ)償?shù)?同時動作過調(diào)節(jié)的問題，并通過時域仿真方法驗證了有效性。文獻(xiàn)［9］認(rèn)為光伏的接入會造成配網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)器(voltage regulator)頻繁動作，并進(jìn)一步基于光照強(qiáng)度的有限預(yù)測設(shè)計了新的控制邏輯。類似地，文獻(xiàn)［10］研究了有載調(diào)壓變壓器和靜止無功補(bǔ)償裝置(static var compensator，SVC)的集中式聯(lián)合控制邏輯。容量阻塞問題。文獻(xiàn)［11-12］均提出利用需求側(cè)響應(yīng)消納過剩的分布式電源出力，以抑制過剩的倒送功率。文獻(xiàn)［13-14］提出新的市場激勵制度調(diào)節(jié)電動汽車的充電功率以抑制局部負(fù)荷過高。

可見，目前有關(guān)主動配電網(wǎng)的運(yùn)行控制目前的發(fā)展趨勢是兼顧“務(wù)實(shí)”(遵守現(xiàn)有配電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程，利用現(xiàn)有調(diào)控設(shè)備以及少量需求側(cè)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對分布式電源的安全接納)以及“理想”(認(rèn)為分布式電源的P/Q控制以及需求側(cè)響應(yīng)勢在必行)，積極研究分布式電源與需求側(cè)響應(yīng)的控制手段。我國在主動配電網(wǎng)建設(shè)過程中，應(yīng)積極實(shí)踐上述2類控制方案，為分布式電源的接入提供充足的技術(shù)支援。

2.2 主動配電網(wǎng)中的故障狀態(tài)控制策略與可靠性

可靠性是電力系統(tǒng)性能的考核要素之一，同時提高配電網(wǎng)可靠性是發(fā)展分布式電源的驅(qū)動因素之一。大量文獻(xiàn)提出在配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，由分布式電源和負(fù)荷構(gòu)成主動孤島直至故障恢復(fù)，可以顯著減少應(yīng)用停電時間，提高可靠性，進(jìn)而衍生出配電網(wǎng)故障情況下的緊急需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制以及分布式電源控制策略。

在提高主動配電網(wǎng)可靠性的故障狀態(tài)控制策略方面，國內(nèi)外學(xué)者提出了一些理想化的控制方案，大致可以分為:(1)認(rèn)為在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，配電網(wǎng)內(nèi)部可以以中壓分段開關(guān)為界形成若干個主動孤島，在每個孤島中，如果發(fā)電容量高于負(fù)荷容量，則該孤島內(nèi)的負(fù)荷可以恢復(fù)供電，可靠性得以提升［15］;(2)認(rèn)為存在需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制，在上述的每個孤島中，若發(fā)電容量不足，則負(fù)荷可以根據(jù)一定優(yōu)先級關(guān)系進(jìn)行切負(fù)荷以保全重要負(fù)荷的可靠性［16-17］;(3)認(rèn)為主動孤島可以在低壓系統(tǒng)形成，這將進(jìn)一步降低配電網(wǎng)故障造成的停電范圍［18-19］。

然而，目前這些研究仍僅停留在理論層面，實(shí)際配電系統(tǒng)中可靠性能夠提升亟待檢驗。這是由于:一方面受到IEC 61727標(biāo)準(zhǔn)、IEEE 929、IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)的限制，分布式電源將采取反孤島運(yùn)行策略;另一方面主動孤島中打成電源—負(fù)荷的精確匹配難度較大。兌現(xiàn)分布式電源對主動配電網(wǎng)的可靠性提升承諾是未來重要的工作之一。

3 主動配電網(wǎng)的規(guī)劃問題

目前配電網(wǎng)規(guī)劃的基本思想是構(gòu)造優(yōu)化模型，通過優(yōu)化分布式電源接入點(diǎn)、容量、類型，變電站/饋線改擴(kuò)建，無功電源位置、容量等要素，實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo): (1)降低線損;(2)改善低電壓情況;(3)提高設(shè)備利用率(4)避免容量阻塞(5)延緩配電網(wǎng)投資(6)降低電能購置費(fèi)用(7)降低環(huán)境污染。此外，大量文獻(xiàn)設(shè)想在配電系統(tǒng)發(fā)生故障時，由分布式電源和負(fù)荷構(gòu)成主動孤島直至故障恢復(fù)，可以顯著減少應(yīng)用停電時間，提高可靠性，進(jìn)而衍生出出于優(yōu)化可靠性考慮的分布式電源規(guī)劃與重構(gòu)。

近2年來，主動配電網(wǎng)的規(guī)劃問題繼續(xù)吸引著中外學(xué)者的目光，研究成果在模型和算法上繼續(xù)深入。規(guī)劃問題的內(nèi)涵也越來越豐富，例如需求側(cè)響應(yīng)［20］，有功/無功的協(xié)調(diào)規(guī)劃［21］，電動汽車的出行、交通網(wǎng)絡(luò)［22］，局部孤島［23］。有研究為配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計了新的指標(biāo)體系，以體現(xiàn)“主動”配電網(wǎng)的特點(diǎn)［24］。

規(guī)劃問題是主動配電網(wǎng)的熱點(diǎn)問題，中外研究者在模型、算法方面水平相當(dāng)。在未來的研究中，該領(lǐng)域主要有以下幾個研究方向:(1)綜合考慮源-網(wǎng)-荷的規(guī)劃模型以使得規(guī)劃模型盡可能完備;(2)動態(tài)優(yōu)化與隨機(jī)優(yōu)化。配電網(wǎng)發(fā)展過程中的不確定性決定了決策者需要及時修正規(guī)劃決策，因此需要在規(guī)劃模型中引入動態(tài)規(guī)劃和隨機(jī)規(guī)劃方法;(3)規(guī)劃方案是否需要加入新的指標(biāo)體系以體現(xiàn)“主動”配電網(wǎng)的特點(diǎn)，例如波動性、自給率等指標(biāo)，以及指標(biāo)之間的區(qū)別與聯(lián)系，同樣是需要討論的問題。

值得注意的是，歐洲Euroelectric機(jī)構(gòu)指出未來主動配電網(wǎng)的管理應(yīng)打破規(guī)劃與運(yùn)行之間的隔閡，即“規(guī)劃運(yùn)行一體化技術(shù)”。合理的運(yùn)行控制策略可以使網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的效能充分發(fā)揮，在規(guī)劃模型中嵌入主動配電網(wǎng)運(yùn)行過程，能夠使決策者對決策結(jié)果的性能有更準(zhǔn)確的把握，進(jìn)而避免過度投資以及投資不足。該思想對于改善規(guī)劃投資精度有重要借鑒意義。

4 主動配電網(wǎng)的信息通信技術(shù)

信息通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)功能不可或缺的必備構(gòu)成，其技術(shù)水平及性能直接影響到系統(tǒng)的性能。本節(jié)將對主動配電網(wǎng)中有關(guān)信息通信系統(tǒng)的量測、通信以及可靠性問題進(jìn)行討論。

4.1 主動配電網(wǎng)的量測與數(shù)據(jù)處理

運(yùn)行控制的基礎(chǔ)是系統(tǒng)的可觀。智能電表、通信網(wǎng)絡(luò)、量測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和用戶室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)成高級量測系統(tǒng)(advanced metering infrastructure，AMI)，不僅能提供現(xiàn)有遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit，RTU)所采集的實(shí)時量測量，還能滲透進(jìn)入用戶室內(nèi)，提供配網(wǎng)末端用戶側(cè)的實(shí)時功率量測數(shù)據(jù)，這是與現(xiàn)有配網(wǎng)量測系統(tǒng)最大的不同。其應(yīng)用將會在許多方面改善配電網(wǎng)的運(yùn)行與控制，包括故障診斷與定位、電能質(zhì)量、改善狀態(tài)估計性能等。目前國內(nèi)外均有學(xué)者提出在配電系統(tǒng)中加入同步相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)可觀性的提高，并提出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法［25-28］。除電氣量測外，AMI測量依然具有很強(qiáng)的擴(kuò)展空間。丹麥學(xué)者Pinson P已利用X-Band雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)速波動的實(shí)時快速預(yù)測，并通過圖像處理技術(shù)提高了該技術(shù)的魯棒性。這一方法對于提高可再生資源的預(yù)測精度，提高主動配電網(wǎng)運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性無疑具有積極的作用。可以想見，先進(jìn)的量測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)將成為未來主動配電網(wǎng)AMI系統(tǒng)的重要構(gòu)成。

4.2 主動配電網(wǎng)中的通信手段

主動配電網(wǎng)中的高級量測、能量管理、需求側(cè)響應(yīng)、配電系統(tǒng)自動化均依賴于信息通信系統(tǒng)的支持。通信系統(tǒng)的設(shè)計、管理因此被認(rèn)為是主動配電網(wǎng)必須認(rèn)真考慮的重要環(huán)節(jié)。

由于配電網(wǎng)中設(shè)備繁多，分散性強(qiáng)，無線通信網(wǎng)絡(luò)憑借其成本相對低廉、容易布置的特點(diǎn)取得了主動配電網(wǎng)研究人員的青睞。根據(jù)通信覆蓋面積的不同，無線通信網(wǎng)絡(luò)可以分為家庭局域網(wǎng)(home area network，HAN)和城市局域網(wǎng)(neighborhood area network，NAN)。IEEE提出了5種標(biāo)準(zhǔn)專門用于HAN通信，包括Zigbee，Wifi，Bluetooth，6LoWPAN與Z-Wave，以及5種用于NAN通信的方式，包括WiMax，GSM，GPRS，CDMA以及LTE。在有線通信方面，配電網(wǎng)的通信介質(zhì)可采用光纖、電力載波、通信電纜等種類，目前比較常用的是光纖網(wǎng)絡(luò)通信(傳輸速率1～10 Gb/s)和電力載波通信(傳輸速率1× 10-3～100 Mb/s)。

近2年來研究人員對未來主動配電網(wǎng)的通信要求進(jìn)行了展望，并取得了一些具有借鑒意義的研究成果。文獻(xiàn)［29］介紹了FREEDM主動配電網(wǎng)示范工程中關(guān)于通信部分的設(shè)計思路。對智能變電站內(nèi)部保護(hù)、變電站間的保護(hù)通信、需求側(cè)響應(yīng)調(diào)度指令、AMI讀數(shù)等各個應(yīng)用的通信時間提出了要求。作者認(rèn)為主動配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的首要任務(wù)是:(1)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型已進(jìn)行通信，(2)選用合適的通信方式以滿足通信速率要求。文獻(xiàn)［30］則更為全面總結(jié)了主動配電網(wǎng)中控制功能的通信要求，在消費(fèi)者層包括AMI，家庭能量管理系統(tǒng)，負(fù)荷控制，需求側(cè)響應(yīng);在網(wǎng)絡(luò)層包括饋線自動化、偷電檢測、故障檢測等;在電源側(cè)包括對分布式電源發(fā)電、儲能的電動汽車V2G控制。國內(nèi)對此探討較少，近2年只有文獻(xiàn)［31］對通信系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)想。

4.3 ICT系統(tǒng)的故障影響

近年來，一系列報道與研究指出了ICT故障有可能對電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不利影響，指出通信系統(tǒng)的性能將成為衡量電力系統(tǒng)性能的重要構(gòu)成。國外研究人員對ICT系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)可靠性的影響進(jìn)行了大量探索和案例分析，其中有關(guān)配電系統(tǒng)的典型成果如表1所示。

表1 ICT系統(tǒng)故障對電氣系統(tǒng)的影響Table 1 The impact of ICT failures to electrical systems

以上研究均僅針對具體案例，缺乏統(tǒng)一的理論框架。文獻(xiàn)［37-38］則率先對ICT故障影響進(jìn)行了理論性的描述。其中提出的主要觀點(diǎn)是將ICT系統(tǒng)故障影響分為4類:(1)ICT元件故障直接造成電力系統(tǒng)元件故障;(2)ICT系統(tǒng)故障直接造成電力系統(tǒng)元件故障;(3)ICT元件故障間接造成電力系統(tǒng)元件故障; (4)ICT系統(tǒng)故障間接造成電力系統(tǒng)元件故障。文章中針對這4類情況利用可靠性理論對故障的影響進(jìn)行了描述，并分別給出了具體的案例。

此外有研究人員對有線光纜通信、無線GPRS和WIMAX通信的可用率進(jìn)行了統(tǒng)計，指出有線通信手段可用率較好，可以達(dá)到99．99%以上，而無線通信手段受天氣因素影響嚴(yán)重，天氣惡劣時可用率低于90%，這將影響電氣系統(tǒng)的正常工作［35］。

針對ICT系統(tǒng)對電氣系統(tǒng)的影響這一問題，目前研究尚處于起步階段。如ICT系統(tǒng)故障的成因機(jī)理，通信系統(tǒng)傳輸帶寬、時延、數(shù)據(jù)丟失等事件對電力部分的影響等深層次問題尚需進(jìn)一步探索。

5 主動配電網(wǎng)能源政策問題

與技術(shù)問題同樣重要的，是主動配電網(wǎng)的能源政策問題。能源政策需要考慮如下3個方面的問題:

(1)分布式電源持有者激勵。目前分布式電源的主要盈利來自于降低購電費(fèi)用，然而對于光伏、燃料電池、大規(guī)模儲能等發(fā)電形式，現(xiàn)有制造水平經(jīng)濟(jì)效益尚未達(dá)到滿意水平，造成購置費(fèi)用過高，收益不足的情況。一些研究以微電網(wǎng)為例，論證了建設(shè)投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于收益回報的情況。分布式電源持有者激勵機(jī)制的不足將導(dǎo)致分布式電源接入率的停滯。

(2)電力運(yùn)營商激勵。配電網(wǎng)中電力服務(wù)運(yùn)營商的主要收益來自于售電、報裝容量費(fèi)以及輔助服務(wù)費(fèi)(例如諧波補(bǔ)償費(fèi)等)。分布式電源的接入使得售電收入減少，將間接影響到運(yùn)營商提高服務(wù)水平的生產(chǎn)積極性。IEEE報道指出按照現(xiàn)有的北美能源政策，分布式電源的大量接入可能使得北美電力系統(tǒng)收支難抵進(jìn)而難以維持現(xiàn)有的服務(wù)水平，這需要引起決策人員的注意。

(3)需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)激勵。主動配電網(wǎng)的輔助服務(wù)提供者將不再是傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的專業(yè)人員，而是生活其中的普通百姓與企業(yè)，鼓勵其參與建設(shè)維護(hù)是主動配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要渠道。目前報道指出與非專業(yè)人員通暢溝通是主動配電網(wǎng)建設(shè)的重要工作之一。

6 主動配電網(wǎng)的低碳化發(fā)展

主動配電網(wǎng)中將引入各類新型的分布式電源、電動汽車、可控儲能等，如此的結(jié)構(gòu)使得主動配電網(wǎng)可以用靈活、智能的運(yùn)行方式減少碳排放，從而推動形成整體的低碳配電網(wǎng)絡(luò)。揭示低碳特征，發(fā)掘其低碳效益，是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)低碳發(fā)展的關(guān)鍵。

(1)研究在低碳發(fā)展模式下主動配電網(wǎng)的低碳化特征，提出全面合理的分析方法。識別、篩選并歸納主動配電網(wǎng)的特征效益集，考慮系統(tǒng)的自身技術(shù)特性、不同的運(yùn)行模式及其外部影響，建立涵蓋所有核心效益點(diǎn)、包容不同系統(tǒng)運(yùn)行方式評估體系，研究科學(xué)、完整的低碳排放評估框架;剖析主動配電網(wǎng)潛在的低碳能力，建立完備的數(shù)學(xué)模型來描述從低碳能力到低碳效益的映射關(guān)系，形成“體系完備、層次清晰”的主動配電網(wǎng)低碳效益指標(biāo)體系。

(2)研究建立主動配電網(wǎng)低碳仿真模型與優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)含有分布式電源主動配電網(wǎng)的低碳電力調(diào)度。需要考慮分布式電源與儲能裝置等多時段協(xié)調(diào)運(yùn)行，其本質(zhì)上是1個大規(guī)模非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題。需要研究如何深入挖掘主動配電網(wǎng)仿真評價的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律，設(shè)計針對性強(qiáng)、求解效率高的算法，以確保求解的精度和速度。

(3)需要研究建立主動配電網(wǎng)仿真平臺，揭示主動配電網(wǎng)的低碳效益與低碳潛力。利用該仿真模型與優(yōu)化算法可以對主動配電網(wǎng)1年中各天的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬，通過逐日的累計值可以得到其1年乃至多年的低碳效益;同時，仿真系統(tǒng)應(yīng)可以輸出在給定日期范圍內(nèi)主動配電網(wǎng)的總碳排放量、各種要素導(dǎo)致的低碳效益等仿真結(jié)果，使得該仿真平臺亦可用于對主動配電網(wǎng)的不同規(guī)劃方案潛在的低碳效益進(jìn)行評估，此評估結(jié)果可輔助決策者制定相應(yīng)的主動配電網(wǎng)的發(fā)展路線與技術(shù)實(shí)施步驟。

(4)需要研究建立主動配電網(wǎng)低碳效益可視化展現(xiàn)技術(shù)。面對廣泛分布的分布式電源、儲能裝置、配電網(wǎng)形態(tài)與能量利用方式，如何準(zhǔn)確、直觀的呈現(xiàn)仿真結(jié)果，從中提取出反映配電網(wǎng)運(yùn)行特征的關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的迅速把握。與此同時，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高效的存儲，保證仿真平臺的高效運(yùn)行。

(5)此外，碳排放流理論對于計算分布式電源以及電動汽車、儲能等新型負(fù)荷的低碳效益有著積極重要的作用?；谔剂骼碚?，可以對分布式電源、電動汽車導(dǎo)致的碳減排量進(jìn)行明確的定義和計算。

7 結(jié)論

(1)在保護(hù)方面，未來主動配電網(wǎng)的保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計需要統(tǒng)籌經(jīng)濟(jì)性和功能，可能出現(xiàn)多重保護(hù)混用的情況，需要對保護(hù)效果以及布置經(jīng)濟(jì)性、簡便性進(jìn)行進(jìn)一步論證。而實(shí)際系統(tǒng)中的主要工作論證是保護(hù)系統(tǒng)的適用性并論證現(xiàn)有系統(tǒng)的有效期限，此外還應(yīng)論證現(xiàn)有理論研究所提出的保護(hù)策略在實(shí)際系統(tǒng)中的適用性，并制定升級換代時間表。

(2)在運(yùn)行控制方面，正常運(yùn)行狀態(tài)下的研究較為豐富。而在緊急、故障狀態(tài)下的運(yùn)行控制的研究比較欠缺。

(3)在規(guī)劃方面，目前研究主要集中于如果快速求解規(guī)劃優(yōu)化模型，同時規(guī)劃運(yùn)行一體化研究已經(jīng)初見端倪，還需進(jìn)一步探索。

(4)在ICT系統(tǒng)方面，目前研究尚處起步方面，先進(jìn)量測技術(shù)的測量范圍應(yīng)不僅限于電氣量，因此還有進(jìn)一步擴(kuò)展的空間;如何選取滿足特定功能的通信技術(shù)還需要進(jìn)一步論證并合理選取;此外ICT作為未來主動配電網(wǎng)的必備環(huán)節(jié)，其功能異常對系統(tǒng)的影響同樣需要深入的定量分析。

(5)在能源政策方面，利用合理的機(jī)制進(jìn)行引導(dǎo)可使主動配電網(wǎng)建設(shè)工作事半功倍，因此需要從多個角度設(shè)計機(jī)制保證多利益主體的健康發(fā)展。

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(編輯:蔣毅恒)

Analysis of Development of Key Technologies in Active Distribution Network

CHENG Lin1，LIU Chen1，KANG Chongqing1，WU Qiang2
(1．State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2．Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China)

The large scale penetration of distributed generation will reshape electric distribution systems from a passive energy receiver to an active bi-directional energy network with flexible generation，transmission，storage and distribution．The evolution of a passive distribution system to an active distribution cannot be realized without advanced technologies．Therefore this paper provide a thorough review towards existing literatures from 6 aspects，i．e．protection，operation and control，system planning，integration of information communication systems and energy policy．Suggestions of future work are proposed based on the review，which can act as important reference to related scholars and engineers．

active distribution system;protection;operation and control;information communication system; low carbon

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0026-07

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.004

2014-11-12

2014-12-12

程林(1973)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)可靠性、主動配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)規(guī)劃方向的研究工作;

劉琛(1992)，男，碩士研究生，主要從事配電網(wǎng)可靠性和規(guī)劃方向的研究工作;

康重慶(1969)，男，教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、可再生能源、低碳電力技術(shù)、負(fù)荷預(yù)測、電力市場;

吳強(qiáng)(1978)，男，高級工程師，主要從事配電網(wǎng)規(guī)劃和新能源接入領(lǐng)域的研究和管理工作。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃) (2014AA051901);國家電網(wǎng)公司科技項目(J2014012)。