我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型下的配電網(wǎng)發(fā)展

／國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院 楊衛(wèi)紅／

在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級下，未來配電網(wǎng)將滿足分布式可再生電源及儲能裝置的大規(guī)模接入，適應(yīng)電動汽車等新型負荷的即插即用，同時滿足用戶對電能質(zhì)量和信息互動的高級需求。

習近平總書記在中央財經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)小組第六次會議上提出“四個革命、一個合作”重大戰(zhàn)略思想，為我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了基本遵循。習近平總書記在黨的十九大報告中提出，要“推進能源生產(chǎn)和消費革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”，更加明確了我國能源轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向。

一、未來能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型

按照國家戰(zhàn)略目標要求，我國能源電力將在規(guī)模、結(jié)構(gòu)、布局等方面不斷轉(zhuǎn)型發(fā)展，能源體系發(fā)生重大變化，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）能源消費清潔低碳化

隨著新一輪能源革命的深入推進，我國可再生能源的大規(guī)模開發(fā)和利用，非化石能源占一次能源消費比例不斷上升，預(yù)計2050年非化石能源占比超過51%，成為主導(dǎo)能源。

（2）新能源在電力生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位

2035年前，新能源裝機超過煤電成為全國第一大電源。2035年，新能源裝機14.3億千瓦、占總裝機比例由2017年的17%提高至38%，發(fā)電量2.7萬億千瓦時、占總發(fā)電量比例由7%提高至23%；2050年，裝機27.5億千瓦、占比達到54%，發(fā)電量5.8萬億千瓦時、占比超過40%。

（3）電力在能源體系中占據(jù)主導(dǎo)地位

在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，隨著新能源的開發(fā)和利用，綠色清潔電能將不斷替代化石能源。同時，煤炭利用更加高效，發(fā)電用煤占煤炭消費總量比例不斷攀升。在兩者共同推動下，發(fā)電能源占一次能源消費總量比例不斷提升，2030年超過50%，2050年超過65%。在終端消費環(huán)節(jié)，隨著電能在交通、工業(yè)、商業(yè)、居民生活等領(lǐng)域的廣泛替代，電能占終端能源消費比重持續(xù)提升，2030年達到30%、2050年超過40%。受此影響，我國電力需求總量持續(xù)增長，2050年電力需求將在當前水平基礎(chǔ)上翻番。

由此可見，2030～2050年，我國能源電力體系將發(fā)生重大變革，能源消費清潔低碳化的目標初步實現(xiàn)，電力在能源體系中將占據(jù)主導(dǎo)地位，新能源裝機超越煤電成為第一大電源。能源體系的重大變革迫切要求電力系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)型升級，電力行業(yè)處在能源轉(zhuǎn)型的重要位置，也是推動轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一定程度上決定能源轉(zhuǎn)型的效果及成敗。

二、電網(wǎng)發(fā)展轉(zhuǎn)型

（一）電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型和功能定位

在新的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級中，電網(wǎng)的功能定位和形態(tài)發(fā)生重大變化。電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型主要是為了實現(xiàn)“安全可靠”、“經(jīng)濟可承受”目標，從而滿足新的社會發(fā)展階段中多元化的訴求，其中包括：

1）如何確保含高比例清潔能源的電力系統(tǒng)運行可靠；

2）如何優(yōu)化轉(zhuǎn)型路徑，實現(xiàn)盡可能低的清潔電力供應(yīng)成本；

3）如何滿足互聯(lián)網(wǎng)時代各利益相關(guān)方的多元化訴求；

4）如何推動實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展所需要的技術(shù)進步與創(chuàng)新。

為適應(yīng)和滿足新形勢下的多元化訴求，電網(wǎng)不僅要具有強大的電力輸配送能力，更要有靈活互動的服務(wù)能力和強大的事故/災(zāi)害抵御能力，要求更堅強、更可靠、更智能。其定位可為國家或地區(qū)能源資源和社會資源優(yōu)化配置的戰(zhàn)略性平臺：

1）一次能源轉(zhuǎn)換利用平臺：非化石能源（核能、可再生能源）；煤炭高效清潔利用。

2）大范圍資源優(yōu)化配置平臺：平衡供需關(guān)系；平滑變動電源出力；平滑負荷特性。

3）電力市場交易平臺：實現(xiàn)公眾參與、獲得最大市場化紅利的重要基礎(chǔ)。

4）綜合能源服務(wù)平臺：電動汽車（vs燃油供應(yīng)服務(wù)）；CCHP（vs天然氣供應(yīng)服務(wù)）。

（二）配電網(wǎng)發(fā)展新形態(tài)

作為電力系統(tǒng)中與廣大用戶密切相連的配電網(wǎng)，除了因為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型帶來的低碳、綠色能源的逐步滲透，還面臨著動態(tài)的負荷/儲能設(shè)備——電動汽車和儲能技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子設(shè)備的不斷廣泛應(yīng)用及用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提高，以及智能電網(wǎng)概念的深化、云大物移智技術(shù)的不斷發(fā)展等機遇和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)功能將發(fā)生巨大變化。發(fā)展方向?qū)⑹侵悄艿闹鲃优潆娤到y(tǒng)，進而逐步實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)。其特征集中在：高滲透率的可再生能源，多維非線性的隨機系統(tǒng)，海量多源的離散大數(shù)據(jù)，動態(tài)多時空差異的源與負荷，綠色環(huán)保的社會義務(wù)，以及不斷提高的服務(wù)質(zhì)量要求。結(jié)構(gòu)決定功能，未來配電系統(tǒng)需要靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，挑戰(zhàn)巨大，創(chuàng)新機遇巨大。集成規(guī)劃和運行的配電網(wǎng)升級，多能源優(yōu)化規(guī)劃和智慧城市建設(shè)將首當其沖，引領(lǐng)未來配電系統(tǒng)的發(fā)展。

結(jié)合我國配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀、未來能源轉(zhuǎn)型的需求及新技術(shù)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)階段我國配電網(wǎng)的發(fā)展目標是建成安全可靠、經(jīng)濟高效、靈活先進、綠色低碳、環(huán)境友好的智能配電網(wǎng)。

1）安全可靠：供電能力充足，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理，設(shè)備標準化配置，具備故障自動檢測、隔離和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的自愈恢復(fù)能力，能夠抵御各類故障，供電可靠性和電能質(zhì)量達到國際一流。

2）經(jīng)濟高效：建設(shè)方案精益，設(shè)備序列精簡、通用互換性強，供電距離合理；網(wǎng)絡(luò)潮流分布均勻，負載率均衡，資產(chǎn)利用率高，電能損耗低；需求側(cè)管理作用充分發(fā)揮，有效調(diào)節(jié)負荷，實現(xiàn)節(jié)能增效、削峰填谷，顯著提升能效水平。

3）靈活先進：電網(wǎng)可觀、可測、可控，滿足新能源、分布式電源和多元化負荷靈活接入、實時監(jiān)測和柔性控制；綜合應(yīng)用先進技術(shù)，構(gòu)建以電網(wǎng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺，推動電力流、業(yè)務(wù)流、信息流深度融合，實現(xiàn)與用戶友好互動。

4）綠色低碳：新能源、分布式電源高效消納，以電代煤、以電代油（氣），電能占終端能源消費比重不斷提高，能源替代戰(zhàn)略有效實施，實現(xiàn)清潔替代和電能替代，促進能源生產(chǎn)和消費革命。

5）環(huán)境友好：用戶資源和公共資源有效統(tǒng)籌，設(shè)備設(shè)施節(jié)能環(huán)保，與周邊景觀協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境友好。

三、配電網(wǎng)發(fā)展趨勢

（一）配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢

配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包含七個方面主要內(nèi)容。

（1）主動配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)方面

通過研究考慮多能源互補和需求響應(yīng)的、基于GIS的空間負荷預(yù)測技術(shù)和智能配電網(wǎng)自愈供電模式優(yōu)化和電器可靠性評價方法，提出基于資產(chǎn)管理和可靠性要求的變電站優(yōu)化規(guī)劃和網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃方法，建成基于GIS和多目標模型的智能配電網(wǎng)規(guī)劃平臺。

（2）智能配電網(wǎng)自愈控制技術(shù)方面

突破自愈控制、態(tài)勢感知、分布式電源/微網(wǎng)/柔性負荷集群控制、電壓無功優(yōu)化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，建成智能配電網(wǎng)自愈控制系統(tǒng)，實現(xiàn)配電網(wǎng)自愈控制。

（3）儲能技術(shù)方面

研究負荷平衡技術(shù)，動態(tài)地對負荷進行補償，負荷跟蹤，實現(xiàn)削峰填谷和系統(tǒng)備用等輔助服務(wù)；延緩配電網(wǎng)建設(shè)投資。

通過運用抑制電涌，補償電壓跌落；抑制頻率偏移，對三相不平衡進行補償；后備電源等技術(shù)手段，提高供電可靠性和電能質(zhì)量。

平緩分布式風電、光伏等的輸出波動，促進分布式電源友好接入。

（4）先進的配電網(wǎng)自動化技術(shù)方面

先進配電自動化（ADA）包含從重要饋線采集信息的智能傳感器，電子控制器，雙向通信系統(tǒng)。ADA系統(tǒng)采集并反饋電壓、電流、有功、無功、設(shè)備狀態(tài)、運行狀態(tài)，事件日志以及跟配電系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的其他信息。通過控制裝設(shè)的自動開關(guān)、重合器、電容器和高級計量裝置，可以使電網(wǎng)實現(xiàn)最優(yōu)重構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)性能。

（5）直流配電網(wǎng)技術(shù)

隨著直流配電網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，可以滿足分布式能源的高密度接入及充分利用需求，滿足重要敏感負荷的高可靠、優(yōu)質(zhì)供電要求，提高配電走廊的供電容量，滿足直流及變頻負荷用電的需求。

（6）配電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)抗災(zāi)技術(shù)

包括災(zāi)害預(yù)警技術(shù)、災(zāi)害評估技術(shù)、系統(tǒng)災(zāi)害能力提升技術(shù)和救災(zāi)資源配置優(yōu)化和應(yīng)急保障能力提升技術(shù)幾個方向。

（7）能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

能源互聯(lián)網(wǎng)是通過先進的電力電子技術(shù)、信息技術(shù)和智能能量管理技術(shù)，將大量由分布式能量采集裝置和分布式能量儲存裝置構(gòu)成的新型電力網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互聯(lián)起來，實現(xiàn)能量和信息雙向流動的能量對等交換與共享網(wǎng)絡(luò)，隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將更好地發(fā)揮電網(wǎng)作為能源配置平臺的作用。

（二）技術(shù)裝備發(fā)展趨勢

配電設(shè)備發(fā)展趨向有三個明顯的趨勢：更加注重安全性、與環(huán)境的協(xié)調(diào)（或減少對環(huán)境的影響）及電力電子技術(shù)的融合應(yīng)用。主要設(shè)備技術(shù)下面主要包含幾個方面。

（1）配電設(shè)備智能化及柔性配電技術(shù)方面

各類中壓/低壓元件（自動負荷開關(guān)/斷路器、新型PT/CT）、變壓器（固態(tài)變壓器）、遙控及保護系統(tǒng)和設(shè)備（RTU/IED），遠程接口與智能電網(wǎng)遵循IEC61850、IEC60870-5-194統(tǒng)一規(guī)范。充分考慮功能、可靠性、性能和經(jīng)濟效益等影響。突破數(shù)字化處理、自我檢測診斷、自適應(yīng)控制、信息交互通訊技術(shù)、配電系統(tǒng)電能質(zhì)量相關(guān)技術(shù)，研發(fā)固態(tài)電力電子設(shè)備，應(yīng)用柔性潮流控制技術(shù)，實現(xiàn)配電網(wǎng)潮流可控，優(yōu)化新能源并網(wǎng)問題，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

新型開關(guān)、故障指示器、互感器等等。包含短路電流限制器（SSCL）、固態(tài)斷路器（SSCB）、固態(tài)電源切換開關(guān)（SSTS）、軟常開開關(guān)設(shè)備（Soft Normally Open Point，SNOP）等新型設(shè)備。如軟開關(guān)技術(shù)（Soft Open Point，SOP），通過可控的背靠背直流電力電子變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)基于斷路器的饋線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的“軟連接”。

（2）SF6替代品

從環(huán)保角度而言，SF6替代品的研究一直是國際大型企業(yè)研究的重點。近年來通用電氣和3M公司研發(fā)的g3（電網(wǎng)綠色氣體）氣體混合物替代品，具有與SF6相媲美的絕緣性能。ABB公司研發(fā)的AirPlusTM氣體，成功在荷蘭電網(wǎng)4臺20kV環(huán)網(wǎng)柜上投運3年，介電性能更高。由施耐德研發(fā)的HFO1234zeE氣體，成功實現(xiàn)GIS設(shè)備電流開斷能力。

（3）新材料應(yīng)用

新型防冰劑研制、天然酯絕緣油在變壓器中的應(yīng)用等也不斷取得新的進展。

四、結(jié)束語

在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級下，未來配電網(wǎng)將滿足分布式可再生電源及儲能裝置的大規(guī)模接入，適應(yīng)電動汽車等新型負荷的即插即用，同時滿足用戶對電能質(zhì)量和信息互動的高級需求。如何解決新形勢下的挑戰(zhàn)和任務(wù)，在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)向未來配電網(wǎng)的經(jīng)濟、高效過渡，是當前國際學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注焦點。