智能配電系統(tǒng)規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題與研究展望

袁 博 ，邵 華 ，賀春光 ，王 穎 ，楊 挺 ，王 瑩

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050000；2.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；3.天津大學(xué) 教育學(xué)院，天津 300072）

0 引言

化石能源日益枯竭和低碳經(jīng)濟(jì)模式下，新能源等低碳電源和電動(dòng)汽車(chē)等新型負(fù)荷大規(guī)模接入，電力市場(chǎng)改革繼續(xù)推進(jìn)，配電系統(tǒng)模式發(fā)生重大變化［1］。智能配電系統(tǒng) SDS（Smart Distribution System）作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵，為雙向潮流、電壓水平、供電可靠性等新問(wèn)題帶來(lái)的規(guī)劃挑戰(zhàn)提供了解決方法［2］。

SDS是具有靈活、可靠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)對(duì)高滲透率分布式電源 DG（Distributed Generation）、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、可控負(fù)荷和需求側(cè)等資源靈活控制實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行能力的復(fù)雜系統(tǒng)［3］。SDS的規(guī)劃對(duì)其構(gòu)建和運(yùn)行控制具有重要意義。目前對(duì)SDS的規(guī)劃已有大量研究，但仍處于探索階段，對(duì)其關(guān)鍵問(wèn)題的系統(tǒng)分析和適應(yīng)性規(guī)劃方法的研究還有待探討。

本文系統(tǒng)綜述SDS規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題及其研究展望，重點(diǎn)對(duì)適應(yīng)性規(guī)劃方法進(jìn)行探討。首先，按照“源-網(wǎng)-荷”新概念對(duì)SDS研究進(jìn)行概述，闡述一種全面的架構(gòu)；然后，在SDS規(guī)劃研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，按照傳統(tǒng)規(guī)劃思路對(duì)規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行綜述和展望；在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討未來(lái)SDS的適應(yīng)規(guī)劃思路并提出其實(shí)現(xiàn)方式；最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 SDS研究概述

SDS的研究隨著智能電網(wǎng)建設(shè)已廣泛展開(kāi)。系統(tǒng)的靈活調(diào)度方式使其表現(xiàn)出主動(dòng)性，可解決“源-網(wǎng)-荷”優(yōu)化融合及大規(guī)模DG并網(wǎng)等問(wèn)題［4］。DG和儲(chǔ)能的大規(guī)模靈活消納是智能配電的重要目標(biāo)［5］，SDS同時(shí)還強(qiáng)調(diào)用戶互動(dòng)，資源靈活調(diào)度和供電高可靠性也是其重要目標(biāo)［6］。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）的C6.1工作組指出智能配電應(yīng)具備主動(dòng)控制功能，滿足交互式信息平臺(tái)、優(yōu)化調(diào)度和可靠供電是SDS的基本要求［7］。與傳統(tǒng)配電相比，智能配電具備分散式管理、靈活網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化控制方式等差異［8］。

SDS是“源-網(wǎng)-荷”優(yōu)化融合的關(guān)鍵一環(huán)，筆者按照“源-網(wǎng)-荷”的新概念，將SDS的特點(diǎn)、功能定位和關(guān)切問(wèn)題概述如下。

（1）在能源側(cè)，SDS支持多類(lèi)型DG和儲(chǔ)能的“即插即用”與靈活調(diào)度，實(shí)現(xiàn)多能源聯(lián)合運(yùn)行。新能源接入具備高分散性、強(qiáng)可控性和大規(guī)模消納性。配電系統(tǒng)DG規(guī)劃及其控制方式、多能源聯(lián)合供應(yīng)模式等仍是目前關(guān)切的主要問(wèn)題。

（2）在電網(wǎng)側(cè)，系統(tǒng)具備更高的安全性和可靠性，擁有先進(jìn)分層控制方式，具備高效接納“源-荷”資源和控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芰?，并可通過(guò)快速診斷和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)具備自愈能力。靈活SDS架構(gòu)、協(xié)調(diào)控制方式、SDS綜合規(guī)劃、系統(tǒng)保護(hù)和故障診斷等均是SDS需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

（3）在負(fù)荷側(cè)，SDS具備與用戶高度交互的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)荷分類(lèi)可控和電動(dòng)汽車(chē)高效管理。需求側(cè)管理及柔性負(fù)荷控制是促進(jìn)需求側(cè)資源高效利用的動(dòng)力?！霸?荷”新資源影響下的SDS負(fù)荷預(yù)測(cè)、需求主動(dòng)管理策略、電動(dòng)汽車(chē)充電布局、柔性可控負(fù)荷的利用等，均是未來(lái)智能配電中需要繼續(xù)探討的問(wèn)題。

（4）從“源-網(wǎng)-荷”融合角度來(lái)看，SDS 通過(guò)電網(wǎng)側(cè)先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)“源-荷”側(cè)資源高效利用。系統(tǒng)具備極強(qiáng)的可觀、可測(cè)和可控性，不同能源系統(tǒng)之間和不同網(wǎng)絡(luò)之間具有強(qiáng)耦合性，表現(xiàn)出規(guī)劃運(yùn)行的相互影響和多重信息的高度融合等集成化特點(diǎn)。同時(shí)，SDS需要高級(jí)量測(cè)體系、信息交互與大數(shù)據(jù)平臺(tái)、精準(zhǔn)的計(jì)算與預(yù)測(cè)功能、強(qiáng)大的運(yùn)行模擬功能等技術(shù)的有效支撐。

SDS要求靈活系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)?！伴]環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的傳統(tǒng)配電網(wǎng)架構(gòu)僅實(shí)現(xiàn)電力配送和故障緊急處理［9］，難以適應(yīng) SDS 有源特性［10］。 因此，SDS體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜且靈活。文獻(xiàn)［11］提出按照主站層、子站層和終端層構(gòu)建智能配電體系結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)配電系統(tǒng)功能劃分，但缺乏與電能配送系統(tǒng)的融合。按照配電系統(tǒng)的資源進(jìn)行構(gòu)建更具全面性，電能和諸多信息流在DG、電力用戶和配電系統(tǒng)之間交互，形成有機(jī)系統(tǒng)［12］。 文獻(xiàn)［13］對(duì)架構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)展，按照用戶層、低壓配電、中壓配電和高壓配電4層系統(tǒng)構(gòu)建了SDS的綜合架構(gòu)，指出高度融合信息物理系統(tǒng)的配送交互本質(zhì)。在該架構(gòu)基礎(chǔ)上考慮其不足，計(jì)及功能體系和配送體系的融合，從傳統(tǒng)電能配送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能系統(tǒng)功能劃分觀點(diǎn)，建立SDS體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 SDS體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of smart distribution system

SDS架構(gòu)由管控層、配送層和終端層組成，各層相互交疊，能量流和信息流高度融合且具有雙向特性。終端層由電源和用戶2個(gè)系統(tǒng)組成，管控層由主站層和中間層構(gòu)成。各管控系統(tǒng)與“源-荷”資源交互，高效感知終端信息并分析反饋控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)靈活拓?fù)?。配送層進(jìn)行能量流和信息流的融合配送，信息流包括監(jiān)測(cè)信號(hào)、控制信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)等。

SDS的關(guān)鍵技術(shù)都與規(guī)劃和運(yùn)行2類(lèi)問(wèn)題相關(guān)，其中適應(yīng)性規(guī)劃方法為系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行提供保證［14］，SDS規(guī)劃是領(lǐng)域內(nèi)關(guān)切的重點(diǎn)問(wèn)題。

2 SDS規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題

傳統(tǒng)配電規(guī)劃多為基于成本效益和可靠性的多階段規(guī)劃，而選址定容模型與備選方案的建立一般采用容載比法［15］。SDS涉及多類(lèi)能源高效利用、多種負(fù)荷廣泛接入和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)運(yùn)行，其規(guī)劃是一個(gè)多類(lèi)型、多目標(biāo)、多邊界的綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃［16］。DG、新型負(fù)荷和配電網(wǎng)靈活控制是SDS規(guī)劃的新挑戰(zhàn)。

2.1 電源規(guī)劃與負(fù)荷預(yù)測(cè)

2.1.1 DG規(guī)劃

DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃多通過(guò)成本最小和接入容量最大確定選址定容方案［17-18］，而近年來(lái)以SDS運(yùn)行為目標(biāo)的規(guī)劃模型被廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)［19］重點(diǎn)研究了提升供電可靠性的DG優(yōu)化配置問(wèn)題。文獻(xiàn)［20］以DG接入配電系統(tǒng)的網(wǎng)損最小和電壓水平穩(wěn)定性保持最優(yōu)為目標(biāo)，按DG類(lèi)型建立規(guī)劃模型。文獻(xiàn)［21］著重考慮不確定性建立DG選址定容模型，以運(yùn)營(yíng)商總成本最小為目標(biāo)。國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)DG滯后且建設(shè)集中，文獻(xiàn)［22］研究了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的選址定容模型，實(shí)現(xiàn)投資維護(hù)費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)行年費(fèi)用最小。

目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)推廣的最大障礙仍是成本收益問(wèn)題，配電系統(tǒng)消納能力則是DG發(fā)展的制約因素。未來(lái)DG與儲(chǔ)能的研究，應(yīng)在減少傳統(tǒng)發(fā)、輸電側(cè)投資費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)行成本方面進(jìn)行挖掘，考慮供電可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行特性方面的價(jià)值研究?jī)?yōu)化配置方法［23］。

2.1.2 綜合能源規(guī)劃

多類(lèi)可再生能源的大規(guī)模消納是SDS的重要特征。能源多樣化導(dǎo)致電源結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而電源結(jié)構(gòu)反制約著DG的消納能力。綜合能源規(guī)劃和多類(lèi)型電源協(xié)調(diào)規(guī)劃是未來(lái)電源規(guī)劃的方向。文獻(xiàn)［24］研究了廣義電源的優(yōu)化配置問(wèn)題，以有功網(wǎng)損靈敏度、電容器組投資效益等為目標(biāo)，考慮電容器組的綜合規(guī)劃建立雙層模型。其相比以投資收益最大和切除量最小分別為上、下層目標(biāo)的雙層規(guī)劃模型［25］更具適用性，但采用解析方法的DG選址定容上層規(guī)劃難以適應(yīng)大規(guī)模DG。文獻(xiàn)［26］建立了風(fēng)力-火電聯(lián)合發(fā)電的擴(kuò)建模型，提出考慮成本和可靠性的聯(lián)合電源規(guī)劃方法。文獻(xiàn)［27］討論了大規(guī)模風(fēng)電消納背景下的電源規(guī)劃，以充裕度和可靠性為基礎(chǔ)，以成本效益為目標(biāo)，求解規(guī)劃方案并分析最優(yōu)電源結(jié)構(gòu)。

然而，DG與輸電網(wǎng)及其接入電源的融合規(guī)劃、全面電源綜合規(guī)劃、多類(lèi)型電源與多類(lèi)型用能負(fù)荷的聯(lián)合規(guī)劃尚未展開(kāi)，筆者認(rèn)為未來(lái)應(yīng)作為關(guān)注重點(diǎn)。

2.1.3 負(fù)荷預(yù)測(cè)

SDS中用能負(fù)荷可控度和不確定性增加，系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和可中斷負(fù)荷的接納控制能力影響配電系統(tǒng)規(guī)劃。用戶的行駛規(guī)律是電動(dòng)汽車(chē)充電需求的主要影響因素，電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型和充電功率也是密切影響電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷需求的條件［28］。考慮用戶行駛時(shí)空分布特性的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)的主要思路［29-30］。 文獻(xiàn)［31］對(duì)微網(wǎng)中的潛在可控負(fù)荷進(jìn)行建模并探討其優(yōu)化策略，但其在微網(wǎng)中的應(yīng)用效果難以推廣到SDS。

筆者在此提及，建立智能配電的適應(yīng)性負(fù)荷分類(lèi)方法及各類(lèi)負(fù)荷的特性模型、建立需求響應(yīng)對(duì)負(fù)荷的影響模型、考慮電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特性及其對(duì)規(guī)劃的影響等均是未來(lái)SDS負(fù)荷預(yù)測(cè)的重點(diǎn)。

2.2 SDS綜合規(guī)劃

2.2.1 新型網(wǎng)架規(guī)劃

電源模型和負(fù)荷預(yù)測(cè)的不確定性與靈活網(wǎng)架結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致網(wǎng)架規(guī)劃更加復(fù)雜，但變電站的選址定容和線路規(guī)劃依舊是規(guī)劃重點(diǎn)問(wèn)題。由于DG和新型負(fù)荷的影響，SDS的變電站直供負(fù)荷和負(fù)荷密度可能發(fā)生不確定性變化，區(qū)域變電所需總?cè)萘坎▌?dòng)較大，但考慮DG可信出力而導(dǎo)致變電總?cè)萘啃枨罅坑兴鶞p少。在SDS中多電源與負(fù)荷共存狀態(tài)下，網(wǎng)架規(guī)劃考慮網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等運(yùn)行模式而變得異常復(fù)雜。備選方案比選法也應(yīng)從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性等諸多方面進(jìn)行比較。由于變電站直供負(fù)荷降低，未來(lái)出線回?cái)?shù)也將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而線路走廊的規(guī)劃將成為復(fù)雜SDS建設(shè)的制約因素，因此規(guī)劃工作宜在“適度超前”原則下進(jìn)一步提前籌劃。

SDS中DG、可控負(fù)荷和靈活控制模式是網(wǎng)架規(guī)劃的新特點(diǎn)。DG消納最大和接入容量最小的網(wǎng)架規(guī)劃方法［32］適應(yīng)智能配電的新能源特點(diǎn)，文獻(xiàn)［33］以接納DG容量最大和單位用電量綜合經(jīng)濟(jì)代價(jià)最小為目標(biāo)建立雙層網(wǎng)架規(guī)劃模型，考慮DG和負(fù)荷雙重因素。以社會(huì)總成本最小建立電動(dòng)汽車(chē)充電站的最優(yōu)規(guī)劃模型［34］是計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)的配電系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，文獻(xiàn)［35］考慮充電站成本建立配電系統(tǒng)規(guī)劃目標(biāo)，研究充電站布局優(yōu)化下的配電系統(tǒng)規(guī)劃。研究表明，網(wǎng)架規(guī)劃中建立綜合考慮DG出力不確定性、儲(chǔ)能和新型負(fù)荷的規(guī)劃方法更適用于SDS［36］。

2.2.2 SDS綜合規(guī)劃

SDS規(guī)劃方法愈加表現(xiàn)為“源-網(wǎng)-荷”相互影響、高度融合的綜合規(guī)劃，即考慮多類(lèi)DG、可控負(fù)荷和靈活管控等擴(kuò)展因素的電源規(guī)劃與網(wǎng)架規(guī)劃相互協(xié)調(diào)的綜合規(guī)劃。文獻(xiàn)［37］提出一種配電系統(tǒng)綜合動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，集成投資運(yùn)行成本、上級(jí)電網(wǎng)獲取的電能、可靠性成本、系統(tǒng)網(wǎng)損成本等各方面因素的多目標(biāo)綜合規(guī)劃，通過(guò)場(chǎng)景模擬分析DG引起的不確定性并動(dòng)態(tài)求解規(guī)劃方案。文獻(xiàn)［38］綜合各成本要素進(jìn)行多目標(biāo)建模，考慮了DG、負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的不確定性。文獻(xiàn)［39］則考慮管理調(diào)度的DG切除，涉及峰谷負(fù)荷、N-1約束、功率平衡、節(jié)點(diǎn)電壓和支路容量越限等諸多方面的運(yùn)行約束。文獻(xiàn)［40］進(jìn)一步將儲(chǔ)能和需求響應(yīng)進(jìn)行建模，提出一種綜合考慮DG、儲(chǔ)能、需求側(cè)的建模思想。

在歸納相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為，未來(lái)SDS規(guī)劃的研究應(yīng)該適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)劃特點(diǎn)，在以下方面全面展開(kāi)。

a.系統(tǒng)化建立“源-網(wǎng)-荷”資源綜合協(xié)調(diào)的規(guī)劃思路，著重研究考慮新型負(fù)荷與DG的配電系統(tǒng)綜合規(guī)劃。

b.DG、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)、可控負(fù)荷的接入和需求側(cè)互動(dòng)，導(dǎo)致負(fù)荷預(yù)測(cè)和電源出力不確定性增強(qiáng)，不確定性建模直接影響規(guī)劃效果。研究SDS中不確定性要素、指標(biāo)及建模方法是重要關(guān)注點(diǎn)。

c.SDS規(guī)劃模型除涉及傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等目標(biāo)外，還需考慮提升能源利用效率、社會(huì)效益和系統(tǒng)功能適應(yīng)性的目標(biāo)。未來(lái)對(duì)多維度規(guī)劃目標(biāo)及全面考慮運(yùn)行適應(yīng)性邊界條件的建模方法研究還需在探索基礎(chǔ)上繼續(xù)深入，對(duì)成本與效益重新界定，考慮多維效益且靈活調(diào)控，建立多樣性和動(dòng)態(tài)性的規(guī)劃模型。

d.SDS運(yùn)行方式靈活多變，規(guī)劃運(yùn)行強(qiáng)耦合，考慮運(yùn)行過(guò)程的配電系統(tǒng)規(guī)劃思路已被廣泛關(guān)注，但規(guī)劃模型、方法和實(shí)施方式等具體問(wèn)題的研究還應(yīng)作為重中之重深入研究。同時(shí)，對(duì)信息系統(tǒng)的依賴(lài)性要求信息規(guī)劃也需同步跟進(jìn)。

3 SDS適應(yīng)性規(guī)劃方法探討

3.1 “源-網(wǎng)-荷”資源全面融合建模的綜合規(guī)劃方法

SDS中能源類(lèi)型和網(wǎng)架構(gòu)成異常復(fù)雜。網(wǎng)架規(guī)劃中，或涉及DG作為目標(biāo)與約束，或涉及新型負(fù)荷特征；反之，電源規(guī)劃中“網(wǎng)-荷”資源要素也需充分考慮。但目前研究對(duì)電源、網(wǎng)架規(guī)劃的相互融合上仍在局部范疇。筆者認(rèn)為，SDS是“源-網(wǎng)-荷”資源相互影響協(xié)調(diào)規(guī)劃，是全面考慮分布式可再生能源、冷熱電聯(lián)供單元和新型負(fù)荷的規(guī)劃，而“源-網(wǎng)”側(cè)資源的不確定性給規(guī)劃帶來(lái)極大困難。在相關(guān)研究基礎(chǔ)上，給出未來(lái)“源-網(wǎng)-荷”資源全面融合建模的SDS適應(yīng)性綜合規(guī)劃方法，如圖2所示。

規(guī)劃方法涉及不確定性建模、負(fù)荷和DG出力預(yù)測(cè)、綜合規(guī)劃模型及求解方法、規(guī)劃方案評(píng)估等步驟。綜合規(guī)劃模型建模是規(guī)劃方法的關(guān)鍵，也是未來(lái)的重點(diǎn)問(wèn)題。綜合規(guī)劃模型涉及大量的目標(biāo)、約束及模型中相關(guān)系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行要素的數(shù)學(xué)模型，協(xié)調(diào)各規(guī)劃目標(biāo)與約束條件，明確和建立新指標(biāo)的模型（運(yùn)行指標(biāo)及其等效成本效益、DG指標(biāo)及其成本等），是綜合規(guī)劃方法實(shí)施的關(guān)鍵。

圖2 SDS適應(yīng)性綜合規(guī)劃方法Fig.2 Integrated adaptive planning of smart distribution system

3.2 規(guī)劃與運(yùn)行相互耦合的SDS規(guī)劃方法

傳統(tǒng)規(guī)劃以負(fù)荷需求為引導(dǎo)，但SDS中規(guī)劃與運(yùn)行的強(qiáng)耦合性要求規(guī)劃時(shí)考慮系統(tǒng)運(yùn)行和控制策略的影響。文獻(xiàn)［20］以系統(tǒng)運(yùn)行中的線損和電壓水平控制為目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃建模，文獻(xiàn)［21］則通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)損和容量充裕性的成本建模進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)［41］綜合考慮主動(dòng)管理策略的有效性，分析多時(shí)段最優(yōu)潮流并基于此進(jìn)行規(guī)劃。相比考慮運(yùn)行過(guò)程的建模方式，文獻(xiàn)［42］的綜合規(guī)劃方法中考慮建立精細(xì)化運(yùn)行模擬，將規(guī)劃方案進(jìn)行模擬運(yùn)行，依據(jù)分析指標(biāo)修正方案。對(duì)目前考慮運(yùn)行過(guò)程的配電系統(tǒng)規(guī)劃研究進(jìn)行總結(jié)，筆者將其實(shí)現(xiàn)方式歸納為2類(lèi)，分別是基于運(yùn)行要素建模和基于運(yùn)行模擬評(píng)估，基本流程如圖3所示。

圖3 考慮運(yùn)行過(guò)程的SDS規(guī)劃Fig.3 Smart distribution system planning considering operation

面向SDS中DG、儲(chǔ)能及靈活網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建立規(guī)劃與運(yùn)行的一體化聯(lián)合決策，更加全面適應(yīng)規(guī)劃與運(yùn)行的耦合性［43］。考慮規(guī)劃與運(yùn)行決策變量的相互影響性，利用多樣化新型成本最優(yōu)目標(biāo)的思想［21］，筆者給出一種面向SDS的規(guī)劃與運(yùn)行一體化決策的優(yōu)化思路，如圖4所示。

3.3 能量系統(tǒng)與信息系統(tǒng)高度融合的SDS同步規(guī)劃方法

SDS具有信息物理高度融合的復(fù)雜架構(gòu)，這造成未來(lái)配電規(guī)劃必然考慮能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)融合的規(guī)劃方法。文獻(xiàn)［44］提出未來(lái)電力系統(tǒng)是典型的信息與物理高度融合的系統(tǒng)，一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)，物理過(guò)程與信息過(guò)程相互影響，信息系統(tǒng)與能量系統(tǒng)的異構(gòu)性充分降低。文獻(xiàn)［45］在分析信息系統(tǒng)對(duì)能量系統(tǒng)作用形式的基礎(chǔ)上，提出考慮信息系統(tǒng)作用的可靠性評(píng)估方法。文獻(xiàn)［46］則利用傳統(tǒng)能量系統(tǒng)中N-1約束進(jìn)行信息系統(tǒng)分析。然而，考慮能量系統(tǒng)與信息系統(tǒng)雙向作用和兩者充分融合的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法還沒(méi)有指導(dǎo)性研究成果。

能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)高度融合的研究多集中在配電系統(tǒng)運(yùn)行分析和電網(wǎng)控制方面［44，47］。因此，研究能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的同步規(guī)劃技術(shù)是SDS的規(guī)劃方向，該同步規(guī)劃技術(shù)的關(guān)鍵則在于2個(gè)系統(tǒng)的融合建模。筆者認(rèn)為，研究可在相關(guān)工作上從以下幾個(gè)方面突破。

a.一次系統(tǒng)和系統(tǒng)控制策略建立的混合控制融合模型已有探索［48］，因此可考慮將融合控制模型推廣建立規(guī)劃模型。同時(shí)，對(duì)融合控制模型進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行要素分析，在建立規(guī)劃運(yùn)行一體化優(yōu)化模型時(shí)，將能量系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的融合控制模型演變并作用于一體化優(yōu)化模型。

圖4 SDS規(guī)劃運(yùn)行一體化決策方法Fig.4 Planning-operation integrated decision making of smart distribution system

b.對(duì)信息系統(tǒng)和能量系統(tǒng)相互影響的探索也已展開(kāi)，主要涉及系統(tǒng)的計(jì)算分析、相互影響的系統(tǒng)運(yùn)行模式、系統(tǒng)控制策略和安全可靠性分析［49］等。通過(guò)分析信息系統(tǒng)規(guī)劃、控制對(duì)能量系統(tǒng)運(yùn)行的影響和能量系統(tǒng)對(duì)信息系統(tǒng)的影響，建立場(chǎng)景分析方法和系統(tǒng)規(guī)劃的相互影響因素，擴(kuò)展SDS規(guī)劃模型。

在上述突破點(diǎn)的基礎(chǔ)上，筆者給出一種能量系統(tǒng)與信息系統(tǒng)融合的SDS同步規(guī)劃方法的實(shí)施思路：

步驟1 建立能量系統(tǒng)規(guī)劃和信息系統(tǒng)規(guī)劃模型；

步驟2 參照信息模型，對(duì)能量系統(tǒng)規(guī)劃模型進(jìn)行擴(kuò)展和演變，使得信息規(guī)劃模型中的每個(gè)要素在能量模型中存在對(duì)應(yīng)指標(biāo)；

步驟3 照步驟2的思路，按照能量模型演化信息系統(tǒng)規(guī)劃模型；

步驟4 對(duì)比2個(gè)模型的要素屬性對(duì)應(yīng)情況并反復(fù)進(jìn)行步驟2和步驟3，直到2個(gè)系統(tǒng)規(guī)劃模型要素全部對(duì)應(yīng)，此時(shí)得到能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)融合規(guī)劃模型。

3.4 面向新目標(biāo)的SDS規(guī)劃方法

各類(lèi)DG和新型負(fù)荷大量接入，電源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，在我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式下，SDS中的規(guī)劃目標(biāo)出現(xiàn)新特點(diǎn)，以下2個(gè)方面值得關(guān)注。

3.4.1 面向新能源消納能力提高的配電系統(tǒng)規(guī)劃

傳統(tǒng)能源發(fā)電難以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，提高新能源消納能力是近年來(lái)配電系統(tǒng)發(fā)展重點(diǎn)，這就要求在分布式可再生能源最大化接入和配電系統(tǒng)接納能力之間做出平衡。以各類(lèi)DG接入容量最大或切除最小為目標(biāo)的SDS規(guī)劃方法已有大量探究［32-33］，但這種思路一般僅計(jì)及當(dāng)前電源的最大消納，缺乏對(duì)建設(shè)時(shí)序下多場(chǎng)景間相互影響的考慮。文獻(xiàn)［50］提出一種面向新能源消納的規(guī)劃方法，該方法考慮系統(tǒng)包容能力和消納成本之間的均衡，并采用網(wǎng)架方案排選方式進(jìn)行方案獲取。

面向新能源的規(guī)劃中應(yīng)以提高消納能力為主要目標(biāo)，兼顧各方因素的合理折中并考慮建設(shè)時(shí)序影響。DG的接入造成配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接納能力的變化，規(guī)劃時(shí)考慮系統(tǒng)最大消納能力為目標(biāo)，筆者提出如圖5所示的規(guī)劃思路。圖5的規(guī)劃方法中，新能源接納能力評(píng)估方法已有大量研究［51-53］，成本和效益的判斷可參考相關(guān)研究［50］，均不再贅述。

圖5 面向消納能力提升的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法Fig.5 Distribution system planning oriented to accommodation capability enhancement

3.4.2 面向低碳目標(biāo)的配電系統(tǒng)規(guī)劃

“低碳電網(wǎng)”理念已成為未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)，減少碳排放必然導(dǎo)致建設(shè)成本增加，給規(guī)劃工作帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。配電系統(tǒng)規(guī)劃要合理考慮減排政策和低成本的影響，建立低碳目標(biāo)或低碳約束的新規(guī)劃模型。對(duì)低碳電網(wǎng)的研究多集中在電網(wǎng)低碳效益模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)方面［54-55］，文獻(xiàn)［56］對(duì)間歇式 DG 規(guī)劃進(jìn)行研究，以年碳排放量最小為目標(biāo)建立其優(yōu)化配置模型。針對(duì)低碳電網(wǎng)規(guī)劃，文獻(xiàn)［57］研究了基于碳排放成本內(nèi)部化手段和經(jīng)濟(jì)最優(yōu)目標(biāo)，目標(biāo)單一，對(duì)SDS中電源和電網(wǎng)的綜合規(guī)劃未來(lái)還值得探索?；谂潆娤到y(tǒng)中電網(wǎng)環(huán)節(jié)所涉及規(guī)劃層面的低碳要素和低碳要素內(nèi)部化方式，同時(shí)考慮DG的多場(chǎng)景模擬等因素，筆者提出一種面向低碳目標(biāo)的規(guī)劃方法，如圖6所示。

圖6 面向低碳目標(biāo)的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法Fig.6 Distribution system planning oriented to low-carbon target

3.5 SDS規(guī)劃的其他方向及支撐技術(shù)探討

3.5.1 新能源和電動(dòng)汽車(chē)供需平衡模式下的配電系統(tǒng)規(guī)劃方法

目前，DG以就地消納方式為主，消納范圍呈擴(kuò)大趨勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)等新型用能負(fù)荷的大量接入理論上可以提高區(qū)域內(nèi)新能源消納能力。研究電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷特性和新能源出力特性，通過(guò)儲(chǔ)能裝置和電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能特性，合理配置探索DG發(fā)電和電動(dòng)汽車(chē)用能兩者之間的平衡模式，對(duì)降低傳統(tǒng)電源直供負(fù)荷、提高新能源消納和電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷接納等都具有重要意義。目前，這方面的研究還未全面展開(kāi)，DG和電動(dòng)汽車(chē)平衡模式下的配電系統(tǒng)規(guī)劃，特別是平衡模式下電動(dòng)汽車(chē)充電站的合理布局的研究很值得期待。

3.5.2 滿足態(tài)勢(shì)感知的綜合配電單元和多源信息終端布點(diǎn)優(yōu)化

觀測(cè)、分析和利用多類(lèi)時(shí)空信息的SDS態(tài)勢(shì)感知技術(shù)融合了來(lái)自綜合配電單元、高級(jí)量測(cè)終端、遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)終端和變電站智能電子設(shè)備等類(lèi)型的信息資源。因此，多源信息融合態(tài)勢(shì)感知技術(shù)要求海量綜合配電單元和智能電表等多源信息終端的配置。目前，對(duì)綜合配電單元布點(diǎn)優(yōu)化和規(guī)劃的研究相對(duì)滯后，未來(lái)也應(yīng)將終端的布點(diǎn)優(yōu)化作為SDS規(guī)劃的一個(gè)重要分支進(jìn)行深入研究。

3.5.3 多場(chǎng)景模式運(yùn)行模擬技術(shù)

運(yùn)行場(chǎng)景模擬是SDS規(guī)劃決策的重要支撐技術(shù)和基礎(chǔ)條件，未來(lái)可按照以下遞進(jìn)方式進(jìn)行研究：第一，研究SDS運(yùn)行場(chǎng)景的信息抽取與估計(jì)技術(shù)，建立運(yùn)行場(chǎng)景庫(kù)；第二，基于運(yùn)行場(chǎng)景庫(kù)的運(yùn)行模式，研究多場(chǎng)景下的運(yùn)行模式特點(diǎn)、運(yùn)行指標(biāo)計(jì)算和預(yù)測(cè)技術(shù)等，提供豐富的計(jì)算支持。

3.5.4 面向復(fù)雜聯(lián)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)劃方法

SDS高可靠性要求下，傳統(tǒng)配電系統(tǒng)“合環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”的規(guī)劃運(yùn)行模式正逐步向“合環(huán)運(yùn)行”發(fā)展?！昂檄h(huán)運(yùn)行”也將給運(yùn)行控制和多場(chǎng)景模擬等帶來(lái)極大困難，深刻影響規(guī)劃工作。在高可靠性要求下，SDS具備較強(qiáng)的轉(zhuǎn)供能力。無(wú)論是“合環(huán)運(yùn)行”和高轉(zhuǎn)供能力，都必將帶來(lái)配電系統(tǒng)復(fù)雜的聯(lián)絡(luò)拓?fù)?。未?lái)SDS中，變電站聯(lián)絡(luò)增加，傳統(tǒng)的110 kV輻射供電模式發(fā)生根本改變。例如，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃基于容載比法，容載比在1.8以上，而中央配電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)加強(qiáng)必然導(dǎo)致配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)供能力增強(qiáng)，考慮基于復(fù)雜聯(lián)絡(luò)拓?fù)滢D(zhuǎn)供的規(guī)劃方法則可適當(dāng)降低容載比，兼顧低容載比和高可靠性的規(guī)劃可實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約化。雖然“合環(huán)運(yùn)行”還有待探討，但考慮復(fù)雜聯(lián)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)劃方法是未來(lái)值得關(guān)注的問(wèn)題。

4 總結(jié)與展望

SDS規(guī)劃研究目前仍處在探索階段，本文對(duì)SDS規(guī)劃進(jìn)行了深入探討。根據(jù)“源-網(wǎng)-荷”概念對(duì)SDS進(jìn)行概述并提出全面體系架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，本文按照電源規(guī)劃、負(fù)荷預(yù)測(cè)、網(wǎng)架規(guī)劃和綜合規(guī)劃的傳統(tǒng)規(guī)劃思路，對(duì)國(guó)內(nèi)外SDS規(guī)劃關(guān)鍵問(wèn)題的研究工作進(jìn)行綜述和展望。更進(jìn)一步，重點(diǎn)對(duì)未來(lái)SDS中的適應(yīng)性規(guī)劃方法進(jìn)行深入研究和探討，提出未來(lái)“源-網(wǎng)-荷”綜合規(guī)劃方法規(guī)劃與運(yùn)行相互耦合的一體化規(guī)劃方法、能量系統(tǒng)與信息系統(tǒng)高度融合的同步規(guī)劃方法、面向消納提升和低碳新目標(biāo)的規(guī)劃方法，以及新能源和電動(dòng)汽車(chē)平衡模式下的規(guī)劃等其他規(guī)劃思路。提出適應(yīng)性規(guī)劃方法的實(shí)現(xiàn)方式，為后續(xù)探索工作提供參考并以此在領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行探討。

未來(lái)SDS規(guī)劃的研究可依據(jù)本文提出的適應(yīng)性規(guī)劃方法深入展開(kāi)，重點(diǎn)探討綜合規(guī)劃的復(fù)雜建模要素問(wèn)題、規(guī)劃運(yùn)行進(jìn)一步耦合、能量信息融合規(guī)劃中2個(gè)系統(tǒng)的屬性、面向SDS的新規(guī)劃目標(biāo)，以及新能源/電動(dòng)汽車(chē)平衡模式規(guī)劃和主網(wǎng)/配電網(wǎng)一體規(guī)劃等規(guī)劃技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)。

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