電力市場下主動配電網運營分析與展望

楊蘋++呂宇樺++孫宇嫣++康龍云++羅志昭

摘 要：主動配電網能夠使低碳可再生能源最大化利用，還能主動調節(jié)改善電能質量，因而是現代實現低碳環(huán)保的有效途徑。主動配電網的主動性和安全性，是動態(tài)電價機制下分布式電源能夠有效最大化供應給用戶的關鍵因素。本文在總結主動配電網各方面運營研究和具體工作情況的基礎上，分析了主動配電網在電力市場環(huán)境下的運營方式調整，提出了主動配電網發(fā)展方向的展望。

關鍵詞：主動配電網 電力市場 運營分析 展望

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0185-04

Abstract： Active Distribution Network is an efficient way to maximize the low-carbon and sustainable energy and regulate actively the electric quality. The initiative and security of Active Distribution Network are pivotal for the most electric supply to the users under the circumstance of dynamic electric prices. Based on the various operation analysis of Active Distribution Network and its realistic operations， this paper analyses the adjustment for operation in the power market and provides some directions of the Active Distribution Network development.

Key Words： Active distribution network； Power market； Operational analysis； Directions

隨著傳統(tǒng)能源的短缺，用戶負荷增長，具有低碳新能源潛力的分布式電源應運而生。分布式能源的大量接入，導致傳統(tǒng)配電網出現了網絡電壓水平、保護裝置錯誤率高、短路容量增大等問題[1]。因此傳統(tǒng)配電網運營方式與分布式發(fā)電資源不相適應。為了有效大規(guī)模利用低碳潛力的新能源發(fā)電，2008年國際大電網C6委員會提出了主動配電網（ADN）。主動配電網，是強調對分布式電源（Distributed Generation，DG）進行主動控制和主動管理的配電系統(tǒng)[2-3]。ADN通過靈活的網絡拓撲結構進行潮流管理和電壓控制，提高對DG的接入能力。

2002年下發(fā)的《國務院關于印發(fā)電力體制改革方案的通知》，表明我國電力改革要打破行業(yè)壟斷，促進電力有活力的發(fā)展，走輸配分開的道路，為主動配電網市場發(fā)展提供了結構基礎。2013年出臺的《關于做好分布式電源并網服務工作的意見》，鼓勵了單位個人可將有剩余的電賣給電網，增強了配電網和用戶間的互動，促進主動配電網市場朝多買賣的局面發(fā)展。

主動配電網的投資規(guī)劃、網絡中電能質量和電壓穩(wěn)定、市場競價的整體考慮，都將影響配電網整體運營的合理性和潛力。但現在針對市場下主動配電網整體的運營模式的研究相對較少，本文在總結主動配電網運營模式的研究的基礎上，分析具體實施過程中存在的問題，并提出了相應的建議。

1 主動配電網運營分析

1.1 傳統(tǒng)配電網運營模式

傳統(tǒng)配電網是標準的無源網絡，在電力網中起著分配電能的作用。前期的規(guī)劃以滿足規(guī)劃周期內區(qū)域電力負荷的需求，確保線路載流能力，節(jié)點電壓水平，供電可靠性等為基本任務，在此基礎上優(yōu)化系統(tǒng)投資成本。由于配電網設計的觀念是“被動的”，網絡結構一般是固定的，在穩(wěn)態(tài)運行下不會主動改變電氣設備的控制，因此在管理上是集中統(tǒng)一的，與用戶間良性互動少，也不具備提供多種類型供電服務的能力。在面對持續(xù)增長的用電需求，配電網主要以擴容的方式解決，但由于資金和歷史原因，效果并不顯著。

隨著分布式電源（DG）的迅猛發(fā)展和有活力的電力市場逐步建立，電力市場中電價不斷波動，用戶與配電網之間交流加深，垂直市場架構的被動配電網的運營和定價策略顯然已經不能適應在新環(huán)境下的配電網的職能。

1.2 電力市場下主動配電網

市場機制下的主動配電網含有3個參與主體，其中包括用戶（含小規(guī)模的分布式發(fā)電資源）、配電網等級的調度機構和能源零售商[4]。在考慮新環(huán)境下配電網作為企業(yè)，要考慮多種資源、多種網絡和多種負荷協(xié)調運行，需要將多個參與主體綜合研究。

1.2.1 分布式發(fā)電資源優(yōu)化規(guī)劃

合理安排分布式電源的位置和容量，可以使配電網的線路損耗減少、減輕由于傳輸和分配引起的容量負擔、新型能源的充分利用、節(jié)點電壓穩(wěn)定、電能質量提高和配電網運行的可靠性增強[5]?，F代配電網結構已基本定型，對分布式電源規(guī)劃主要考慮兩種情況：（1）對于已接有分布式電源的配電網，考慮接入分布式電源后對配電網結構的優(yōu)化；（2）對于還未接有分布式電源的配電網，則需考慮分布式電源的選址定容以及對配電網結構優(yōu)化。

目前分布式電源優(yōu)化規(guī)劃考慮的約束條件有：（1）主動配電網運行的安全可靠性；（2）實現系統(tǒng)投資運行總成本最低；（3）分布式電源運行時工作狀態(tài)最優(yōu)；（4）該區(qū)域需求側響應對主動配電網的影響；（5）主動配電網工作時低碳優(yōu)化特性。

1.2.2 主動配電網的發(fā)電競價

配電網發(fā)電側一端的實時市場定價方法有三種。一是統(tǒng)一出清電價，首先發(fā)電廠商將次日某一交易時段的最大可用容量和相應的發(fā)電報價提交到電力交易中心。然后，交易中心將所接收到報價從低到高進行排序，同時把各發(fā)電廠商所報容量按照上述序號排列，最后加載的機組為該交易時段的邊際機組，所有發(fā)電機組均按照所加載機組的報價進行結算；二是PAB電價方法，其競價過程與第一種定價方法相同，其不同點在于支付環(huán)節(jié)，對競價成功的發(fā)電機組將會按其報價支付；三是當量電價法，考慮發(fā)電容量、綜合容量成本和電量成本形成當量成本[6-7]。此外，為了解決供電可靠性和實現分布式電源公平競爭，一般采用簽訂長期的雙邊容量合同。endprint

主動配電網需求側的變化很大，因此在零售市場制定運營電價時需要考慮對負荷控制和需求側管理，具有良好的削峰填谷的能力，現采用最多的電價模式為實時電價。實時電價是通過電價波動反映供需關系，動態(tài)的反映用戶用電行為，在動態(tài)電價機制下用戶調節(jié)用電需求趨于合理化，有助于配電網主動調節(jié)負荷。

1.2.3 主動配電網中優(yōu)化調度

主動配電網優(yōu)化調度，指的是在滿足供電可靠安全，主動調配區(qū)域內所有發(fā)電資源，利用電網和用戶之間相互作用的特點，優(yōu)化配電網的運行狀態(tài)，以促進主動配電網安全經濟運行。

主動配電網優(yōu)化調度的控制變量包括配電網中的聯絡開關，兼具充放電特性的儲能系統(tǒng)和可控的分布式電源（如微型燃氣輪機，燃料電池）等。結合間歇性可再生發(fā)電單元，如風力發(fā)電和光伏發(fā)電，這些都是不可調度單元，但是具有低碳清潔新能源特性，在優(yōu)化調度中要考慮對綠色可再生能源最大化利用。與傳統(tǒng)配電網的“被動”特性相比，主動配電網要對整個調度周期進行分析解除主動配電網優(yōu)化運行策略，除了傳統(tǒng)配電網的約束條件，還應該考慮儲能系統(tǒng)的能量與容量約束、低碳新能源最大化利用和用戶需求變化。

配電網的優(yōu)化調度方式還可以按時間尺度劃分，包括日前優(yōu)化和實時優(yōu)化。日前優(yōu)化運營模式，根據日前運營決策的制定及市場張貼的市場價格，領先預測間歇性可再生發(fā)電單元的出力（成本和供電容量）、初步估計的日前市場價格和負荷需求，從而解決大幅度長周期的負荷及可再生能源的出力波動問題。實時優(yōu)化，是在短時間尺度上針對電力市場購買的電量、與用戶間成交的電量、市場電價、實際間歇性可再生發(fā)電單元的出力以及各節(jié)點的負載等因素，小幅度的作出自適應調節(jié)，修改與預測曲線的偏差。

配電網調度的模式分為集中式調度模式和分散式調度模式。集中調度模式是收集配電網中所有的DG，進行統(tǒng)一的調度計算，再實現調度功能。這種方法信息采集量大，對網絡通信技術要求高，計算分析速率慢，顯然很難實現在市場環(huán)境下靈活控制的需要。分散型調度方式，則是將區(qū)域內配電網劃分為若干個小單元，先對小單元協(xié)調優(yōu)化調度，經過統(tǒng)一后的信息再匯總至總系統(tǒng)。

1.2.4 客戶定制型電力服務

為了在更大范圍內貫徹節(jié)能減排，除了發(fā)電側和供應端，廣大用戶也應承擔起一定的社會責任，主動響應國家和電網公司制定節(jié)能減排舉措。而配電網作為給客戶提供服務的一扇窗戶，應該針對不同客戶對電能使用情況的特點提供定制型服務，充分調動起用戶參與需求側響應的積極性，實現配電網與客戶之間的良性互動。

目前情況上看，電力服務類型有：（1）公共基礎服務：主動配電網和用戶之間正常運行的電力供應服務和數據采集分析，如一般的用電設備、用電信息采集等；（2）需求響應服務：根據普通用戶一般的用電慣性和對事件的響應程度，提供適應的合同套餐，以及用戶在實際運行狀態(tài)下的調整；（3）能效評估服務：對負荷用電特征、電網損耗和電能質量的監(jiān)測和調整；（4）電網緊急服務：在緊急電力供應和運行支撐出力的情況下，有源用戶對電網進行提供；（5）局部市場交易服務：有源用戶、配電網中的分布式電源、儲能裝置和能源供應商等進行電力交易。

2 當前主動配電網發(fā)展

2.1 國外主動配電網發(fā)展現狀

2008年CIGRE提出了主動配電網（ADN）這一概念。在之后的幾年時間里，一些發(fā)達國家針對主動配電網開展一系列的研究工作，取得了豐碩的成果。

2007年開展歐盟ADINE項目，主要目標是利用新型技術對大規(guī)模接入DG的配電網進行主動管理，研究主動配電網管理系統(tǒng)如何與實際接有大規(guī)模DG主動配電網交互作用。ADINE示范工程中，通過5個實例（其中包括反孤島保護、保護定值自適應整定、基于DG的電壓控制、電壓協(xié)調控制以及基于靜止同步補償器（STATCOM）的電能質量控制），在實景環(huán)境中模擬了接入大量DG的主動配電網能源調度管理。具體探究的問題有：如何協(xié)調電壓控制、新型保護解決方案（由西門子公司和坦佩雷理工大學負責）；如何使用微型燃氣輪機提高電壓品質（由聯寶和隆德大學聯合演示）；使用靜止無功補償器實現電能質量的提高和風電場的故障穿越能力（?，m公司負責）。

2008年日本相繼推出了《關于促進新能源利用特別措施法》、《可再生能源配額制法》等政策，表明了日本向地臺社會發(fā)展的目標。2010年在神奈川由松下集團聯合埃森哲集團、日本設計、住友信托銀行等日本國內外知名企業(yè)共同開發(fā)的藤澤Sustainable Smart Town（藤澤SST）[8]，其中在電氣供應方面，提出了智能能源網關（由松下開發(fā)），可根據客戶實際能源使用狀況對能源管理設備進行最適管理的控制設備，從而實現能源的自主協(xié)調運行，確保緊急時能源供給自給自足。

2010年在橫濱市由橫濱市聯合松下集團等五家企業(yè)提出了橫濱Smart City Project（YSCP）在區(qū)內大規(guī)模導入可再生能源，并給一般家庭提供HEMS系統(tǒng)，實現靜聽內可再生能源管理。所謂HEMS系統(tǒng)，指的是家庭能源管理系統(tǒng)，通過網絡對家庭內電器能源消耗狀況可視化分析和遠距離操作。該項目采用家庭為小單元、樓宇統(tǒng)一管理和區(qū)域內能量管理系統(tǒng)聯動，從而提升經濟和社會效益[9]。

來自捷克、意大利、法國、西班牙、德國、瑞典的6個配電網運營商在2011年提出了GRID4EU項目。該項目為期四年，核心工作是在上述國家建設6個大型主動配電網示范工程，以測試ICT、OCS等新型系統(tǒng)的概念和技術，為解決智能電網部署中的關鍵問題提供借鑒。

2.2 國內主動配電網運營現狀

為了推動主動配電網的研究工作，國家863計劃“主動配電網的間歇式能源消納及優(yōu)化技術研究與應用”和“多源協(xié)同的主動配電網運行關鍵技術研究及示范”分別在2012年和2014年立項。廣東電網公司在佛山三水建設了全國首個主動配電網示范工程，國家電網公司先后在佛山、北京、貴陽、廈門建立示范工程。endprint

廣東佛山三水區(qū)示范工程，項目所在地全年日照小時數達1600～1700h，太陽輻射總量為4803.408MJ/m2。為了充分利用當地的光照資源，示范工程大力建設分布式光伏發(fā)電（photovoltaic， PV），總裝機容量達5.5MWp。此外，還配套安裝了三套電池儲能系統(tǒng)，總容量共計1.1MWh，并在蕭海線和塘溪線架設1條10kV聯絡線。項目具體實現通過主動配電網二次監(jiān)控系統(tǒng)，以分層控制方式采集各方面總體信息并對現場可控單位進行協(xié)調控制，同時采用FCE區(qū)域自治控制技術實現主動配電網的實時控制[10]。

北京電網主動配電網示范工程試點在北京未來科技城，要求系統(tǒng)最大負荷不低于200MW。為了滿足供電需求，建設了2座220kV變電站，5座110kV變電站，以及不少于30座10kV變電站。該示范工程中還建設了多類型DG，包括冷熱電聯產機組、垃圾焚燒發(fā)電、分布式光伏發(fā)電，分布式風電、電動機集中充放電站、儲能系統(tǒng)等。多類型DG的接入使得DER總容量達到了配電網總負荷的20%。示范工程完成后，可以實現100%全額消納可再生能源，核心區(qū)供電可靠率幾近于100%，同時還可提供無電壓暫降和短時中斷的高品質電能[11]。

貴州電網主動配電網示范工程，示范點選擇在貴州省貴陽市清鎮(zhèn)市區(qū)西北側，示范重點是對接入中低壓配網的DG進行研究。示范區(qū)內建有多類型DG，除了貴州豐富的水電外，還建設了分布式風電、分布式光伏、冷熱電三聯供、儲能、電動汽車充電設施等，所有DG均接入中低壓配網。該示范工程下設四個研究要點，分別是可調度單元最優(yōu)配置方案、運行控制技術、電壓品質控制、集成可再生能源的高效低碳冷熱電聯供技術?？傮w技術路線以建立各種分布式電源出力模型，研究多樣性負荷的特性開始，建立主動配電網系統(tǒng)控制模型，在此基礎上研究運行控制技術，實現電源-用戶優(yōu)化運行。

3 主動配電網運營管理的關鍵問題

3.1 電力負荷預測

在電力市場下的主動配電網，負荷預測是保證其持續(xù)有效供電的基礎條件。傳統(tǒng)的長期負荷預測下，還應該考慮電力市場整體發(fā)展、主動配電網技術發(fā)展、國內政策和電網在動態(tài)電價機制下不同類型用戶參與比例等因素。此外，負荷預測還需關注分布式電源供電對終端用戶用電需求的影響。

3.2 綜合評價電網建設

前期規(guī)劃工作包括有線路改造、DG配置、定制型客戶需求側管理和通信裝置的安裝等，前期的工作都會帶來一定的投資成本，此外在不同的應用背景之下，還應考慮供電可靠性、電能質量和投資運營成本等經濟因素，運行中的低碳特性對生態(tài)環(huán)境的影響。

3.3 用戶需求側響應的特征

用戶側負荷分為時間可控、功率可控和不可控三種。時間可控負荷的運行時段對其運行效用影響不大，可根據需要自由安排[12]；功率可調負荷大多為與供冷、供熱相關的負荷，如空調、電爐等，其運行情況與溫度等環(huán)境參數和用戶用電習慣息息相關；不可控負荷大多為生產生活中不可缺少的負荷，如照明等?，F如今研究大多集中于某種激勵模式下的分布式電源的特性，而對負荷可調控和影響因素較少系統(tǒng)型的模型。

3.4 主動配電網的優(yōu)化規(guī)劃

主動配電網旨在利用信息通信技術和控制技術進行主動管理和主動控制，對系統(tǒng)可控資源進行優(yōu)化配置，從而提高整個配電網對可再生低碳能源的消納能力。如何有效將運行環(huán)節(jié)中可再生能源高效率利用、如何結合用戶負荷特性、考慮系統(tǒng)內設備的壽命等因素統(tǒng)籌起來，考慮配電網中對可再生能源利用，建立一個可靠有效的模型。

4 結語

隨著分布式電源的接入并網和電力市場的逐漸放開，主動配電網促進新能源消納與優(yōu)化、改善電能質量的特點成為影響配電網合理優(yōu)化運營的關鍵因素。本文通過對主動配電網的運營模式進行總結，分析了在電力市場環(huán)境下主動配電網運營方式的調整及實施過程中存在的問題，最后提出了主動配電網未來的發(fā)展方向及相應建議。

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