主動配電網(wǎng)技術(shù)綜述

摘 要：分布式能源的大規(guī)模接入，給傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來了諧波污染、雙向潮流、電壓越限等問題。主動配電網(wǎng)（ADN）技術(shù)采用主動管理分布式電源、儲能設(shè)備和客戶雙向負荷的模式，運行狀態(tài)靈活可變。本文主要介紹了主動配電網(wǎng)的核心技術(shù)及其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：主動配電網(wǎng)；規(guī)劃；運行控制；能源策略

中圖分類號：TM715 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）17-0054-02

1 引 言

隨著分布式電源（DG）接入配電網(wǎng)的數(shù)量和可控負荷日漸增加，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)產(chǎn)生了很多負面影響，如諧波污染、接入點電壓升高、系統(tǒng)雙向潮流、系統(tǒng)電壓波動等，這些問題也限制了DG接入的數(shù)量。根據(jù)CIGRE C6.11的定義，主動配電網(wǎng)是采用主動管理分布式電源、儲能設(shè)備和客戶雙向負荷的模式，具有靈活拓撲結(jié)構(gòu)的公用配電網(wǎng)。ADN為解決DG接入帶來的電壓升高問題、增加DG的接入容量、提升配電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率提供了新的解決方案。本文對ADN相關(guān)技術(shù)研究的發(fā)展情況以及熱點方向進行了綜述，為研究者提供參考。

2 主動配電網(wǎng)規(guī)劃

傳統(tǒng)配電網(wǎng)屬于無源網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃要實現(xiàn)的目標是在滿足規(guī)劃周期內(nèi)負荷需求和確保滿足各類基本指標的前提下，盡可能追求投資成本的最小化。然而根據(jù)這種思路開展的規(guī)劃，對網(wǎng)內(nèi)資源的配置無法做到最優(yōu)配置，之所以出現(xiàn)這種情況，是因為傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃一般是在給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，對選定負荷預(yù)測值（選取最大容量裕度）來應(yīng)對最嚴重工況的運行條件，以求得處理所有運行問題的最優(yōu)解。分布式電源具有隨機性和波動性的特點，傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃對于這類新型能源的控制缺少考慮。為解決DG接入帶來的電壓升高問題、增加DG的接入容量、提升配電網(wǎng)的資產(chǎn)利用率這些問題，主動配電網(wǎng)規(guī)劃方案出現(xiàn)了。

圖1描述了ADN規(guī)劃的一般流程，主要分為五步：①以配電網(wǎng)中的歷史數(shù)據(jù)，如分布式電源的數(shù)量，網(wǎng)內(nèi)負荷，電價等進行不確定性建模，考慮的元素越多，模型就能越真實反映配電網(wǎng)的實際工況。然而規(guī)劃模型維數(shù)及求解的復(fù)雜度的增加，也使得最優(yōu)解的求取更加困難。在實際ADN規(guī)劃過程中需要進行適當折中。②輸入規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如規(guī)劃年、投資數(shù)據(jù)、待選集等。③建立雙層數(shù)學模型。上層模型考慮配電網(wǎng)規(guī)劃總體目標，實現(xiàn)年綜合費用最小或投資費用最小，下層模型基于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行前提上追求系統(tǒng)運行費用最小或事故DG切除量最小。④采用遺傳算法、仿生算法等進行數(shù)學模型求解。⑤輸出規(guī)劃方案。[1]

規(guī)劃問題是主動配電網(wǎng)研究的熱點問題，規(guī)劃方案的關(guān)注重點也各有不同。例如有研究者重點研究DG的選址和定容選擇對經(jīng)濟效益的影響問題。ADN規(guī)劃使用的不確定性建模方式較傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方案風險和投資成本更低，但是計算量非常大，模型的簡化、新算法的研究也是中外學者努力的方向。

ADN規(guī)劃今后研究的主要方向有：①建?？紤]不確定因素更全面，完善數(shù)學模型，如“電源-網(wǎng)-負荷”模型。②在中長期規(guī)劃中對模型開展動態(tài)優(yōu)化，以適應(yīng)配電網(wǎng)的發(fā)展，幫助修正規(guī)劃。③模型指標體系的完善，在建模中引入波特性、自給率等指標。

3 主動配電網(wǎng)的控制方式

ADN較傳統(tǒng)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲更靈活，但是結(jié)構(gòu)也更加繁瑣，接入點多且高度不對稱，因此系統(tǒng)內(nèi)電源、負荷的協(xié)調(diào)配合對于提高系統(tǒng)的安全性，保證系統(tǒng)經(jīng)濟運行來說至關(guān)重要，需要采用合適的控制方式進行處理，設(shè)計可靠的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。ADN主要有三種控制方式，分別是集中式、分散式及混合分層式。[2]

3.1 集中式

集中式控制方式如圖2所示，通過通信數(shù)據(jù)網(wǎng)將接入點采集到的電氣量和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)送至中央控制器（distribution network central controller，DNCC）。中央控制器對接入的DG和其他設(shè)備下達指令，起對整個系統(tǒng)進行全局協(xié)調(diào)管理作用，并能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)的電壓和頻率保持在合理的范圍內(nèi)。

集中式控制方式的好處在設(shè)備配置少，建設(shè)和維護成本低，但是缺點也很明顯：由于采用集中控制方式，如果中央控制器出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)將會崩潰；隨著監(jiān)測通道增多，中央控制器接收的數(shù)據(jù)量會越來越大，可能出現(xiàn)瞬時并發(fā)量沖擊導(dǎo)致系統(tǒng)崩盤，對控制器的硬件配置要求高；由于采取數(shù)據(jù)集中上送的方式，為增加可靠性，一般采取至少雙通道互為備用的配置方式，因而在通信設(shè)備投資會增大；維護困難，開展系統(tǒng)維護時，需要將整個系統(tǒng)停電。

3.2 分布式

分布式控制方式如圖3所示，不同于集中式控制方式，取消了中央控制器，設(shè)備接入路數(shù)不用受限。這種控制方式主要通過現(xiàn)場保護裝置和智能終端配合來實現(xiàn)。故障清除和恢復(fù)供電也依靠現(xiàn)場分管的保護裝置和智能終端。在這一領(lǐng)域，分布控制方式下的多代理技術(shù)應(yīng)用是研究熱點，如文獻[3]提出了基于多代理技術(shù)的分布式控制方式，在配電網(wǎng)中設(shè)置數(shù)個具有自治能力的Agent單元，既能控制分管設(shè)備的協(xié)調(diào)運行，同時單元間具有社交能力，可以實現(xiàn)單元之間和外部系統(tǒng)的通信聯(lián)系。

3.3 混合分層式

混合分層式管理（hybrid hierarchical management，HHM）如圖4所示。該種控制方式采用多層式結(jié)構(gòu)，綜合了集中控制和分布控制的優(yōu)點。最上層為能量優(yōu)化管理層，通過控制器采集下層傳遞的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)內(nèi)電源、設(shè)備的投切操作和系統(tǒng)監(jiān)控；中間層配置分管不同功能的控制設(shè)備，根據(jù)主控制器下達的命令，計算出策略參數(shù)并發(fā)布給底層控制器；底層控制器根據(jù)接收到的策略參數(shù)來控制配電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備。實際運行中，為保證系統(tǒng)運行安全，故障清除主要依靠保護裝置實現(xiàn)，而設(shè)備恢復(fù)送電則依靠主控制器下達。

4 主動配電網(wǎng)的運行控制

分布式電源雙向特性影響配網(wǎng)的潮流分布，隨著接入數(shù)量增多，電源的間歇性投切會產(chǎn)生系統(tǒng)瞬時波動，影響系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)。現(xiàn)階段ADN運行控制的研究更趨向于務(wù)實和工程化，希望通過改善控制方式的以消除分布式電源接入后造成的電壓問題并提高配電網(wǎng)運行經(jīng)濟性。例如在電壓控制方面，針對目前配電網(wǎng)運行規(guī)定要求分布式電源采用最大功率點跟蹤運行策略的現(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[4]提出采用就地補償方式，通過分布式控制策略管理現(xiàn)場無功補償裝置，以解決分布式電源出力突變情況下電壓調(diào)節(jié)問題，并通過時域仿真方法驗證了可行性。

5 主動配電網(wǎng)能源政策問題

ADN推廣應(yīng)用需要解決的除了技術(shù)問題之外，還受投資、體制等因素影響，能源政策的支持也決定了ADN技術(shù)發(fā)展前景。不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)，除了強制性的政策要求外，主動配電網(wǎng)建設(shè)還需要更多的市場激勵政策，例如：

（1）用戶激勵。目前分布式電源主要通過降低購電費用以實現(xiàn)盈利，然而對于光伏、燃料電池等新型能源，現(xiàn)有制造水平經(jīng)濟效益較低，造成建設(shè)成本過高，回報慢情況。一些研究以微電網(wǎng)為例，論證了分布式電源建設(shè)投入遠超收益回報。缺乏用戶激勵機制的將導(dǎo)致分布式電源接入困難。

（2）電力運營商激勵。傳統(tǒng)電網(wǎng)公司在配網(wǎng)端的收益來自于售電、報裝容量費以及輔助服務(wù)費。分布式電源的接入降低了電源持有者的購電成本，實際上減少了運營商的收入，會影響到運營商提高服務(wù)水平的積極性。

（3）需求側(cè)響應(yīng)服務(wù)激勵。主動配電網(wǎng)的市場化需求下，設(shè)備的服務(wù)提供者不僅僅局限于傳統(tǒng)電網(wǎng)公司，如何鼓勵民間資本等第三方參與建設(shè)維護是主動配電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的關(guān)鍵問題。

6 結(jié) 語

ADN技術(shù)的應(yīng)用可以使電網(wǎng)資產(chǎn)利用的高效性和對綠色能源的兼容性得到較大提高，然而ADN技術(shù)研究還處于示范階段，本文基于主動配電網(wǎng)的特點，從ADN規(guī)劃、控制管理方式、運行管理、能源政策激勵四個方面綜述了ADN技術(shù)的研究現(xiàn)狀及存在問題，有如下結(jié)論：

（1）ADN規(guī)劃由于考慮了主動管理，可以更加詳細地將運行中的不確定性考慮到規(guī)劃模型中，規(guī)劃方案具有更強的適應(yīng)性。然而不確定性的疊加，增加了規(guī)劃方案的可行解求解難度，求解算法的研究仍是今后研究的熱門方向。

（2）目前有關(guān)主動配電網(wǎng)的運行控制研究方向多集中于分布式電源與需求側(cè)響應(yīng)的控制手段，正常運行狀態(tài)下的研究較為豐富，而在緊急、故障狀態(tài)下的運行控制研究比較欠缺。研究熱點也局限于主動配電網(wǎng)內(nèi)部，而忽略了其與主網(wǎng)間聯(lián)系的問題。

參考文獻

[1]邢海軍，程浩忠，張沈習，等.主動配電網(wǎng)規(guī)劃研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（10）：2705～2711.

[2]趙 波，王財勝，周金輝，等.主動配電網(wǎng)現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，36（22）：12～18.

[3]YU L，CZARKOWSKI D，de LEON F.Optimal distributed voltage regulation for secondary networks with DGs[J].IEEE Trans on Smart Grid，2012，3（2）：959～967.

[4]Ranamuka D，Agalgaonkar A P，Muttaqi K m.Online voltage control in distribution systems with multiple voltage regulating devices[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2014，5（2）：617～628.

收稿日期：2018-5-15

作者簡介：黃宇華（1987-），男，壯族，廣西欽州人，助理工程師，本科，主要從事變電運行相關(guān)工作。