主動配電網技術特性及評估指標體系

鐘清，余南華，尤毅，宋旭東(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州市510080)

主動配電網技術特性及評估指標體系

鐘清，余南華，尤毅，宋旭東
(廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州市510080)

主動配電網作為一種“源-網-荷”相互協(xié)調的新三元結構配電網，是未來解決分布式能源大規(guī)模高滲透并網的主要技術手段。重點研究了主動配電網的整體架構和主要特征，闡述了主動配電網的技術理念。在此基礎上系統(tǒng)和完整地提出了主動配電網的評估指標體系，包括:間歇式能源并網特性指標、主動配電網控制特性指標以及主動配電網運行特性指標。這些指標對主動配電網的“原因-過程-結果”進行了具體的量化評估，對于主動配電網技術路線和實施方案的選擇具有重要的指導意義和參考價值。

主動配電網;源-網-荷;分布式能源;評估指標體系;量化分析

0 引言

以煤炭和石油為主的化石類能源短缺及環(huán)境污染等問題促使著以風能、太陽能為代表的清潔能源快速發(fā)展。這些清潔可再生能源大部分以分布式發(fā)電(distributed generation，DG)的形式連接到配電網［1-5］。隨著這些可再生分布式能源在配電網的大規(guī)模并網，電網企業(yè)需要全新的配電網解決方案來提供一系列規(guī)劃設計、運行控制以及管理服務技術，主動配電網(active distribution network，ADN)應運而生［6-8］。

從2006年，國際大電網會議配電及分布式發(fā)電研究委員會C6．11工作組首次提出主動配電網概念以來，主動配電網的技術研究和工程建設在世界范圍內取得了巨大突破和快速發(fā)展。雖然各國對于主動配電網研究與應用的側重點有所不同，但主動配電網能帶來的諸多效益確是毋庸置疑的。對于用戶來說，主動配電網加強了電網與用戶的雙向互動能力，使得用戶可以主動參與電網的需求調節(jié)，獲取更多的經濟收益;對于電網而言，主動配電網的投入可以提高電能傳輸效益，有效地進行削峰填谷，精確控制負荷并提供更高的供電質量，大大降低運營成本;而對于國家戰(zhàn)略而言，主動配電網的實施，可解決可再生清潔能源的大規(guī)模消納問題，優(yōu)化一次能源結構，改善環(huán)境［9-13］。推動主動配電網技術的發(fā)展與應用已成為全球電力工業(yè)界的共識，但與此同時，由于缺少對主動配電網特性的系統(tǒng)性分析以及量化評估的有效手段，主動配電網的經濟技術評價以及技術路線選擇已成為制約主動配電網推廣應用的一大瓶頸［14-15］。本文將從主動配電網的系統(tǒng)架構和主要特征出發(fā)，深入剖析主動配電網的核心理念，重點研究主動配電網整體評價指標體系，為主動配電網經濟技術評價以及技術路線選擇提供有益參考。

1 主動配電網技術特性

傳統(tǒng)配電網是一種基于電網供電與用戶用電之間的單向電力分配的網絡，是一種“電網(網)-負荷(荷)”雙元結構，隨著分布式能源(源)在配電網的高度滲透，傳統(tǒng)配電網的二元結構將逐步升級為“源-網-荷”的三元結構。源的接入，不僅改變原有的“網-荷”單向電力潮流，形成“網-荷”、“源-荷”、“源-網”的雙向復雜潮流，而且由于“源”的不確定性，使得“源-網-荷”三元結構很難形成穩(wěn)定的平衡。主動配電網的提出正是基于這一現(xiàn)狀，使得“源-網-荷”高度協(xié)調，緩解及消除“源、荷”的不確定性，實現(xiàn)三元結構的新平衡。

1.1 主動配電網系統(tǒng)架構

主動配電網從物理層面上形成了基于“源-網-荷”三元結構的一次系統(tǒng)和信息與通信(information＆communication technology，ICT)多元化的二次系統(tǒng)。其中一次系統(tǒng)的“源”包括各類分布式電源，例如熱電聯(lián)供(combined heat and power，CHP)、風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電(photovaltic，PV)、小水電和其他可再生能源、各種存儲設備及其附屬設施;“網”主要包括高低壓配電柜、變壓器、電力電纜、開關等設施;“荷”是指用戶側的各類用電設施，包括常規(guī)負荷、可靈活中斷的負荷以及電動汽車等。而二次系統(tǒng)則涵蓋了復雜的通信網絡、傳感及監(jiān)測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)以及能量管理中心。

圖1主動配電網整體架構示意圖

Fig.1 Schematic diagram of ADN Framework

與此對應的是，主動配電網將形成以主動規(guī)劃、主動控制、主動管理和主動服務的技術體系。主動規(guī)劃是將一次規(guī)劃與二次規(guī)劃高度融合在一起進行協(xié)同規(guī)劃，基于概率性規(guī)劃方法，實現(xiàn)風險性與經濟性的優(yōu)化統(tǒng)一，不僅提高設備的利用率，延緩配網投資升級，還將大大提高配網對分布式能源的消納能力。主動控制是綜合監(jiān)測和集成各類分布式資源，通過預測及優(yōu)化方法，實現(xiàn)對主動配電網“源-網-荷”的協(xié)調控制。主動管理則體現(xiàn)在靈活運營和需求側管理2個方面，靈活運營通過積極發(fā)揮電價的市場作用，實現(xiàn)用戶側負荷的自我調節(jié)，需求側管理則是通過各類分布式資源和負荷的有機集成，通過智能化的負荷調度控制手段，實現(xiàn)負荷的有效控制。主動服務是根據(jù)客戶需要，提供可定制的高品質電力供應服務，并為客戶參與需求響應和改善能效提供技術支撐。

1.2 主動配電網主要特征

主動配電網通過上述一系列新技術可以實現(xiàn)“源-網-荷”新三元結構下的平衡，并且會表現(xiàn)出如下的技術特征。

(1)網絡結構的靈活性。

在主動配電網的“源-網-荷”新三元結構中，由于源的不確定性，網絡中的能量流動是時常變化的，電壓分布也是時常波動的，為了應付這些不確定變化，常常需要對配網中的聯(lián)絡開關進行調整，改變能量流的路徑，從而使網絡結構處于靈活多變的狀態(tài)。

(2)控制與保護的主動性。

在主動配電網中，分布式電源與配電網有效集成，積極主動參與電網的頻率及電壓控制。并且，由于源端功率的注入，主動配電網的雙向潮流將形成常態(tài)，短路電流的大小和方向也會相應變化，這就要求主動配電網的保護策略要具備自適應性，能主動對配網潮流模式進行判別。

(3)管理模式的多樣性。

主動配電網需要對源、網、荷的三元結構同時管理，管理模式存在多樣化和分散化的特點。例如，采用控制手段對可控資源(聯(lián)絡開關、AVC、APF、有載調壓開關、儲能設施)進行直接管理，與此同時也可以采取靈活電價和激勵政策，對用戶側負荷進行引導和整合，實現(xiàn)負荷控制的間接管理。綜合來說，主動配電網的管理模式不再是集中式的直接調度控制，而要采用直接與間接并舉的多元化管理模式。

(4)模擬技術的精確性。

主動配電網在進行仿真模擬計算時，不僅要充分考慮源與荷這2種對象在時間特性曲線上的不同，以及不同時間尺度下自身特性的變化，還要具備充分評估其不確定性的能力。在此前提下，主動配電網的預測及仿真模擬都要能夠實現(xiàn)小時甚至分鐘級的精確度，使主動配電網在可接受的風險概率下達到經濟效益最大化。

2 主動配電網技術指標體系

主動配電網是通過主動控制技術解決間歇式能源大規(guī)模并網帶來的一系列不確定性問題，實現(xiàn)間歇式能源的有序并網和高效消納。研究及建立主動配電網技術指標體系的目的是為了量化主動配電網的一次系統(tǒng)特性，真實反映主動配電網二次控制系統(tǒng)的裝備技術水平以及評估主動配電網的運行效果，為進一步的相關性分析提供必要的數(shù)據(jù)支撐。主動配電網的技術指標體系包含3個方面的內容:間歇式能源并網特性指標、主動配電網控制特性指標和主動配電網運行特性指標。

2.1 間歇式能源并網特性指標

間歇式能源并網特性指標主要反映的是分散間歇式能源大規(guī)模并網后對于配電網的影響程度，其具體內容包括間歇式能源滲透率指標、間歇式能源分布率指標、間歇式能源分散度指標和間歇式能源出力波動性指標。其中間歇式能源滲透率指標、間歇式能源分布率指標和間歇式能源分散度指標反映了間歇式能源并網的規(guī)模，而間歇式能源出力波動性指標則反映了間歇式能源并網的品質。

(1)間歇式能源滲透率指標。

間歇式能源滲透率指標包含2種類型:間歇式能源靜態(tài)滲透率指標λjt和間歇式能源有效滲透率指標λyx，可分別如式(1)、(2)所示:

間歇式能源靜態(tài)滲透率指標越高表明接入配電網的間歇式能源裝機容量越大。間歇式能源的有效滲透率越高表明間歇式能源的實際出力比重越大，當間歇式能源的有效滲透率大于1時則說明間歇式能源的出力已經不能被當?shù)嘏渚W的負荷所消納，這里配網的范圍可以是單饋線的簡單結構也可以是多饋線互聯(lián)的復雜結構，如果是多饋線互聯(lián)的復雜網絡，則最大負荷值是考慮負荷同時率的多饋線最大負荷值，實際負荷值則是多饋線實際負荷值相加。值得注意的是，間歇式能源的有效滲透率不僅和間歇式能源靜態(tài)滲透率有關，還和環(huán)境因素以及實際負荷有關，間歇式能源靜態(tài)滲透率相同的情況下，日照、溫度和風速等自然條件不同，其有效滲透率也不同。

(2)間歇式能源分布率指標。

間歇式能源分布率指標δ可定義為

式中:Nres表示配網中接入間歇式能源的節(jié)點數(shù); Nload表示配網中的負荷節(jié)點數(shù)。

間歇式能源分布率越大表示間歇式能源在配網的接入點數(shù)越多，分布越廣泛。

(3)間歇式能源分散度指標。

間歇式能源分散度指標?可定義為

間歇式能源分散度指標用以反映間歇式能源裝機總容量在各個間歇式能源的分配情況，其值越小表明各個間歇式能源的額定功率越相近，各間歇式能源的裝機容量分布越均勻，各間歇式能源的相對重要程度越小。

(4)間歇式能源出力波動性指標。

間歇式能源出力波動性指標RFres定義為

間歇式能源出力波動性指標越大說明間歇式能源輸出功率的波動性越大，間歇式能源并網引起的不確定性越大。

2.2 主動配電網控制特性指標

主動配電網控制特性指標反映的是主動配電網二次控制系統(tǒng)的主動控制能力，其具體內容包括供蓄比率指標、預測準確率指標和控制偏差率指標。其中，供蓄比率指標反映的是主動配電網可調度分布式資源的配置規(guī)模，預測準確率指標和控制偏差率指標則分別反映的是系統(tǒng)的狀態(tài)感知能力和控制精度。

(1)供蓄比率指標。

主動配電網供蓄比率指標Rss定義為

式中:Pres表示配網中間歇式能源的有功出力;表示配網的有功負荷;表示配網中可控分布式資源(儲能或可控負載)的最大蓄電功率。其中可控分布式資源的最大蓄電功率不僅要受到額定功率和能量的約束(以儲能為例，與儲能的額定充電功率和SOC狀態(tài)有關)，還要受到網絡的潮流和電壓等約束條件限制。

主動配電網供蓄比率指標實時反映網絡對于間歇式能源的消納能力，可以為間歇式能源的消納模式選擇提供依據(jù)。若Rss大于1，則表明此時間歇式能源不能被完全消納，需要通過其他控制手段(線路轉供)來消納。

(2)間歇式能源出力預測準確率指標。

間歇式能源出力預測準確率σres可表示為

σres越接近1，表明其對于間歇式能源的出力預測精度越高，反之，其值越小則說明預測精度越差。

(3)負荷預測準確率指標。

此外，隨著全球氣候變化，極端干旱、洪澇災害事件在增加。應對氣候變化對灌排工程的改造和發(fā)展也提出了更高的要求。水利設施是提高農田生產效率的重要基礎設施。今后糧食的增長和解決灌溉水資源短缺的問題必須依靠提高灌溉用水效率和效益。但從現(xiàn)實來看，缺乏灌排設施，以及已有灌排設施的老化是發(fā)展中國家和最不發(fā)達國家面臨的一個較為普遍的問題。面對這些問題，一些國家缺乏在國家層面上的政策支持，缺乏資金和技術，無力開展灌排工程設施的改造和升級。

同理，負荷預測準確率σl可表示為

預測準確率指標表征了主動配電網決策者對于系統(tǒng)不確定性(間歇式能源出力的不確定性和負荷的不確定性)的把握程度，客觀反映了系統(tǒng)整體的狀態(tài)感知能力，也決定了主動配電網管理者所制訂的調度策略的合理性和有效性。

(4)控制偏差率指標。

控制偏差率指標ε是指主動配電網的控制單元對于控制目標的累計平均控制偏差，可表示為

該指標可用于描述主動配電網二次控制機構的控制水平，反映了主動配電網二次控制機構對于控制目標的執(zhí)行力度，控制偏差率指標越低，表示控制機構對于控制目標的執(zhí)行力越強，控制精度越高，控制穩(wěn)定性越好。

2.3 主動配電網運行特性指標

(1)消納率指標。

消納率指標θ是指主動配電網運行期間間歇式能源的消納百分比，可表示為

res際環(huán)境下間歇式能源的最大允許出力。

消納率指標反映了對間歇式能源的利用率，體現(xiàn)了主動配電網的兼容性，當消納率指標達到100%時，則說明主動配電網對于間歇式能源實現(xiàn)了100%消納利用。

(2)消納收益率指標。

消納收益率指標是指系統(tǒng)在進行間歇式能源消納時帶來的經濟收益比上消納過程所需的成本，其具體定義為

式中:Cprofit表示間歇式能源消納過程帶來的經濟收益，包括削峰填谷收益、降低線損收益以及為用戶提供高質量電力的供電服務收益等;Ccost則表示間歇式能源消納過程產生的成本，包括間歇式能源發(fā)電的上網成本和控制系統(tǒng)的運維成本。

消納收益率指標表現(xiàn)為間歇式能源消納花費的單位成本所能獲取的經濟收益，反映了間歇式能源消納的質量。消納收益率指標體現(xiàn)了主動配電網運行的經濟性。

(3)電壓合格率指標。

電壓合格率指標是配網各節(jié)點(包括間歇式能源接入點)的綜合電壓合格率，可以用式(12)表示:

式中:Nv-exceed是指電壓越限節(jié)點數(shù);Nall表示總節(jié)點數(shù)。

電壓合格率指標反映了主動配電網運行過程中的綜合電壓質量，可在一定程度上表征主動配電網運行的安全性。

(4)饋線注入功率波動性指標。

饋線注入功率波動性指標RFfeeder定義如下:

式中:ΔT表示基準時間間隔;n表示全天基準時間間隔數(shù);Pfeeder(i×ΔT)表示前一時刻饋線注入功率值;Pfeeder［(i+1)×ΔT］表示后一時刻饋線注入功率值;Pafevegder表示全天饋線注入功率平均值。

饋線注入功率波動性指標反映的是全天饋線注入功率的變化的均方根值比上當日的平均供電功率，其值越小則說明控制系統(tǒng)對于間歇式能源波動性的抑制效果越好，電網受到間歇式能源不確定性的影響越小，體現(xiàn)了主動配電網的可靠性。

主動配電網的整個技術指標體系及其特征總結如表1所述。

表1 主動配電網技術指標體系及其特性Table 1 Technical index system and characteristics of ADN

3 結論

主動配電網基于“主動規(guī)劃”、“主動控制”、“主動管理”和“主動服務”這4個核心理念，目的是為了協(xié)調“源-網-荷”新三元結構的平衡，應對未來大規(guī)模高滲透的分布式能源在配電網的集成需求。但具體實施主動配電網的步驟以及采取怎樣的技術路線則是一個仁者見仁、智者見智的問題。本文從主動配電網的整體結構和技術特性出發(fā)，系統(tǒng)地提出了主動配電網的技術指標體系，從不同維度對于主動配電網的特性進行了量化描述，目的是通過對主動配電網各具體指標的定義和指標體系的梳理，借助數(shù)據(jù)相關性分析等技術手段，可以發(fā)現(xiàn)“間歇式能源并網-主動控制系統(tǒng)建立-主動配電網運行”存在的某種內在聯(lián)系，從而幫助選擇和確定主動配電網的技術路線和實施方案，對于主動配電網技術的實用化推廣具有重要的指導意義和參考價值。

［1］韋鋼，吳偉力，胡丹云，等．分布式電源及其并網時對電網的影響［J］．高電壓技術，2007，33(1):36-40．Wei Gang，Wu Weili，Hu Danyun，et al．Distributed generation and effects of its parallel operation on power system［J］．High Voltage Engineering，2007，33(1):36-40．

［2］SC C6．“Distribution Systems and Dispersed Generation”Activity Report［R］．2006．

［3］SC C6．“Distribution Systems and Dispersed Generation”Activity Report［R］．2008．

［4］SC C6．“Distribution Systems and Dispersed Generation”Activity Report［R］．2009．

［5］王明俊．自愈電網與分布能源［J］．電網技術，2007，31(6):1-7．Wang Mingjun．Self-healing grid and distributed energy resource［J］．Pow er System Technology，2007，31(6):1-7．

［6］尤毅，劉東，于文鵬，等．主動配電網技術及其進展［J］．電力系統(tǒng)自動化，2012，36(18):10-16．You Yi，Liu Dong，Yu Wenpeng，et al．Technology and its trends of active distribution network［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2012，36(18):10-16．

［7］余南華，鐘清．主動配電網技術體系設計［J］．供用電，2014(1): 33-35．

［8］D’Adamo C，Jupe S，Abbey C．Global survey on planning and operation of active distribution networks—update of CIGRE c6．11 w orking group activities［C］//CIRED 2009(20th International Conference on Electricity Distribution)．Prage，CZ:IET Services Ltd，2009:1-4．

［9］Pilo F，Pisano G，Soma G G．Advanced DMS to manage active distribution netw orks［C］//PowerTech，2009 IEEE Bucharest．June 28-July 2，2009，Bucharest，Romania．

［10］尤毅，劉東，鐘清，等．多時間尺度下基于主動配電網的分布式電源協(xié)調控制［J］．電力系統(tǒng)自動化，2014，38(9):192-198．You Yi，Liu Dong，Zhong Qing，et al．Multi-time scale coordinated control of distributed generators based on active distribution network［J］．Automation of Electric Power Systems，2014，38(9):192-198．

［11］于文鵬，劉東，余南華．饋線控制誤差及其在主動配電網協(xié)調控制中的應用［J］．中國電機工程學報，2013，33(13):108-115．Yu Wenpeng，Liu Dong，Yu Nanhua．Feeder control error and its application in coordinate control of active distribution netw ork［J］．Proceeding of the CSEE，2013，33(13):108-115．

［12］Simone Paoletti，Marco Casini，Antonio Giannitrapani．Load forecasting for active distribution networks［C］//2011 2nd IEEE PES International Conference and Exhibition on Innovative Smart Grid Technologies(ISGT Europe)，2011．

［13］Jim M．Adaptive intelligent power systems:Active distribution networks［J］．Energy Policy，2008，36(12):4346-4351．

［14］Samuelsson O，Repo S，Jessler S，et al．Active distribution network—demonstration projection ADINE［C］//Proceedings of the 2010 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe，October 11-13，2010，Gothenburg，Sweden:8P．

［15］范明天，張祖平，蘇傲雪，等．主動配電系統(tǒng)可行技術的研究［J］．中國電機工程學報，2013，33(22):12-18． Fan Mingtian，Zhang Zuping，Su Aoxue，etal．Enabling technologies for active distribution systems［J］．Proceedings of the CSEE，2013，33(22):12-18．

(編輯:張媛媛)

Technical Characteristics and Evaluation Index System of Active Distribution Network

ZHONG Qing，YU Nanhua，YOU Yi，SONG Xudong
(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510080，China)

As a novel“Source-Net-Load”ternary structure of distribution system，active distribution network(ADN)is the main technical mean to solve the large-scale and high penetration of distributed energy in near future．This paper focused on the overall architecture and key features of ADN，elaborated the technique concepts of ADN and proposed scientific and complete evaluation index system for ADN，including the characteristic indexes of intermittent energy sources gridconnection，ADN control and operation．The quantitative analysis of“reason-process-result”of ADN was carried out with using these indexes，which had important guiding significance and reference value to the choice of the technical route and implementing scheme of ADN．

active distribution network(ADN);source-net-load;distributed energy;evaluation index;quantitative analysis

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0122-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.019

2014-11-10

2014-11-22

鐘清(1965)，女，教授級高級工程師，主要從事電網規(guī)劃、智能電網方面的研究工作;

余南華(1976)，男，工學博士，高級工程師，主要從事智能電網和配網自動化方面的研究工作;

尤毅(1983)，男，工學博士，工程師，主要從事電網自動化方面的研究工作;

宋旭東(1984)，男，工學博士，工程師，主要從事配網自動化方面的研究工作。

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃) (2012AA050212)。