分布式電源配電網(wǎng)的消納能力

陳瑞華，鄭日平，馬炳健，劉寶軍

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

0 引 言

近年來，隨著化石能源儲量的日漸短缺和公眾對環(huán)境問題的日益關(guān)注，大力開發(fā)可再生能源、廣泛應(yīng)用清潔能源已經(jīng)成為電力行業(yè)的基本共識。隨著分布式電源技術(shù)的發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量、供電穩(wěn)定性、靈活性的要求越來越高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)正在向可觀測、可控的主動配電網(wǎng)發(fā)展。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]研究分析了目前分布式電源配電網(wǎng)在故障恢復(fù)過程中面臨的主要問題，即分布式電源的出力不確定性、故障恢復(fù)穩(wěn)定性及多種能源耦合下的故障機(jī)制配合。文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]以及文獻(xiàn)[5]分析了在使用綜合能源背景下制約配電網(wǎng)消納能力的主要因素，認(rèn)為有功無功調(diào)節(jié)依然是提高配電網(wǎng)消納能力的重要手段，并提出了一種基于移動氫儲能和SOP等有功或無功調(diào)節(jié)裝置的主動配電網(wǎng)優(yōu)化模型。近年來，中國城市配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題主要是配電設(shè)施引起的，無論是配電網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)方面，還是配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，充分利用這些設(shè)施的功能，就可以優(yōu)化整個城市的配電網(wǎng)系統(tǒng)，而且還可以為公眾帶來有利的能源情景。但是現(xiàn)在城市配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)超過使用年限，其設(shè)備的老化問題經(jīng)常影響到配電網(wǎng)絡(luò)的日常傳輸，也使得電能的分配存在不合理的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]分析了目前配電網(wǎng)規(guī)劃面臨的基礎(chǔ)設(shè)施老舊和規(guī)劃時間較長等問題，并提出了相應(yīng)的規(guī)劃策略。

目前，國內(nèi)外在分布式能源方面已有大量研究，但在提高配電網(wǎng)的消納能力、故障恢復(fù)能力及完善后續(xù)配電網(wǎng)的規(guī)劃等方向仍需繼續(xù)探索[7,8]。

1 分布式電源配電網(wǎng)的消納能力（以氫能為例）

與傳統(tǒng)的煤炭生產(chǎn)方式相比，分布式電源的主要優(yōu)點(diǎn)是高利用率、環(huán)境污染可以忽略不計、能源使用的靈活性和多樣性。但分布式電源也影響使用后的配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，如各地區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)對分布式電源的不均衡消納問題，可以導(dǎo)致引起電流故障，對配電網(wǎng)的管理非常不利，造成負(fù)面影響。因此，開發(fā)分布式能源的消納能力研究對于提高分布式網(wǎng)絡(luò)的靈活性、穩(wěn)定性以及可靠性非常重要。

隨著分布式電源技術(shù)發(fā)展的逐漸成熟，分布式電源在配電網(wǎng)中的滲透率逐漸提高，但目前局部地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了配電網(wǎng)對分布式電源消納能力不足的問題。為了提高配電網(wǎng)的消納能力，可以從網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、電網(wǎng)規(guī)劃、分布式電源優(yōu)化配置和有功無功控制等方面考慮。網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)依賴于配電網(wǎng)的高度自動化，電網(wǎng)規(guī)劃和分布式電源優(yōu)化配置依賴于長時間尺度，因此就運(yùn)行層面而言，有功無功控制依然是提高配電網(wǎng)消納能力的重要方式。

以氫能為例，建立移動氫儲能等有功無功調(diào)節(jié)裝置的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，不考慮分布式電源本身的有功無功調(diào)節(jié)作用。通過多個歸屬簽約用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server，HSS）之間協(xié)同優(yōu)化調(diào)度約束和氫能運(yùn)輸時間約束，充分發(fā)揮氫能的可移動特性，平抑分布式電源在空間分布上的不平衡性，提升經(jīng)濟(jì)效益和配電網(wǎng)的消納能力。但此模型具有單目標(biāo)性和全局優(yōu)化的特點(diǎn)，而實(shí)際HSS、配電網(wǎng)和分布式電源運(yùn)營商可能屬于不同的利益主體，因此在后續(xù)的研究中還需考慮綜合能源市場和電力服務(wù)市場對HSS等靈活性資源交易與運(yùn)行模型的影響。

2 分布式電源配電網(wǎng)的故障恢復(fù)

故障恢復(fù)能力是衡量一個配電網(wǎng)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后，第一時間切斷故障區(qū)域與非故障區(qū)域的連接，避免故障區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，同時恢復(fù)故障區(qū)域的正常供電。但由于技術(shù)限制，故障區(qū)域不能全部恢復(fù)正常供電，只能以最大化供電恢復(fù)區(qū)域、最小化功率損耗、最少開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，從而計算出最優(yōu)故障恢復(fù)方案。圖1為故障時SOP運(yùn)行模型。

圖1 故障時SOP運(yùn)行模型

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的單點(diǎn)故障恢復(fù)只需考慮故障饋線的負(fù)荷轉(zhuǎn)供問題，而分布式電源配電網(wǎng)發(fā)生故障時更傾向于孤島運(yùn)行，即由本地的分布式電源對負(fù)荷進(jìn)行獨(dú)立供電。其故障恢復(fù)過程中涉及了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、孤島劃分和動態(tài)恢復(fù)順序（便于檢修人員對故障區(qū)域進(jìn)行倒閘操作）3個決策過程，這雖然可以更多地恢復(fù)失電負(fù)荷，但也增加了故障恢復(fù)決策過程的復(fù)雜性。

目前，針對配電網(wǎng)故障恢復(fù)的研究已經(jīng)十分成熟，不少研究成果已應(yīng)用于傳統(tǒng)配電網(wǎng)，但在分布式電源發(fā)展的新趨勢下，已有的研究成果在許多方面仍存在繼續(xù)改進(jìn)的空間，主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）分布式電源的出力不確定性。配電網(wǎng)在出現(xiàn)大型故障時，失去上級網(wǎng)絡(luò)的支撐，僅由分布式電源進(jìn)行供電。但由于分布式電源存在出力不確定性（尤其是風(fēng)光機(jī)組），不能長時間支撐配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，有可能造成更加嚴(yán)重的損失。

（2）多種能源耦合下的故障恢復(fù)配合機(jī)制。為減少對化石能源的消耗，同時在一定程度上保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，研究多種能源耦合的配電網(wǎng)至關(guān)重要，但這給正常態(tài)和故障態(tài)下的配電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在多種能源耦合下，如何制定一個有效的配電網(wǎng)故障恢復(fù)配合機(jī)制至關(guān)重要。

（3）分布式電源配電網(wǎng)故障恢復(fù)穩(wěn)定性。分布式電源雖然可以在配電網(wǎng)發(fā)生故障時提供電能，但其容量較小，抗干擾能力差，特別是在故障恢復(fù)過程中需要進(jìn)行大量的倒閘操作，容易導(dǎo)致系統(tǒng)頻率、電壓振蕩，對重要設(shè)備造成損害。

3 分布式電源配電網(wǎng)的規(guī)劃

分布式電源技術(shù)的發(fā)展和用戶用電需求的多元化進(jìn)一步推動了配電網(wǎng)的改革。配電網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和過渡迫在眉睫，我國配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要升級和重新規(guī)劃，以便為消費(fèi)者提供更好的服務(wù)，保障電氣安全。因此，配電網(wǎng)規(guī)劃的設(shè)計是否科學(xué)、合理及正規(guī)將直接影響電網(wǎng)運(yùn)行和居民的用電安全。在此背景下，為了給用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的電能和更加可靠的供電服務(wù)，配電網(wǎng)絡(luò)的重新規(guī)劃日益重要。在規(guī)劃過程中，這些問題亟待解決。

（1）配電網(wǎng)設(shè)施老舊、供電可靠性低。近年來，我國城市配電網(wǎng)出現(xiàn)的問題主要是由于配電設(shè)備的老舊和配電網(wǎng)自身架構(gòu)的不合理。而在新形勢下，不僅要關(guān)注其對分布式電源的接納性，而且還要充分考慮配電網(wǎng)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)備的使用壽命，尤其是在配電網(wǎng)建設(shè)初期，為了節(jié)約投資成本，存在線路建設(shè)不合理等問題，如在城鎮(zhèn)用高架空線輸送電能，一旦出現(xiàn)問題，將會直接影響用戶的用電情況，甚至威脅用戶的生命財產(chǎn)安全。

（2）城市配電網(wǎng)建設(shè)時間長。城市配電網(wǎng)在建設(shè)過程中不僅需要對原有配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新規(guī)劃，還要將其與新的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，從而導(dǎo)致電力部門對配電網(wǎng)的規(guī)劃時間較長。若在此過程中遇到負(fù)荷偏差或投入資金不足等問題，則會進(jìn)一步延長規(guī)劃時間，在一定程度上影響群眾對電能的使用。

為了實(shí)現(xiàn)配備綜合電源、完善配電網(wǎng)系統(tǒng)，必須注意科學(xué)規(guī)劃，為居民生活和工業(yè)生產(chǎn)提供更有利的電氣環(huán)境。隨著網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，能源部門開發(fā)商必須積極依賴政府和社會企業(yè)，充分了解當(dāng)?shù)厝擞秒娗闆r。為貫徹落實(shí)科學(xué)的配電網(wǎng)規(guī)劃，將嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行的配電網(wǎng)制度，必須注意配電網(wǎng)安全體系的建設(shè)，以降低風(fēng)險，重點(diǎn)規(guī)劃主線路和配電網(wǎng)分線路。此外，在變壓器的幫助下可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個配電網(wǎng)絡(luò)，完善特定區(qū)域的配電網(wǎng)。

4 結(jié) 論

隨著分布式電源在配電網(wǎng)的滲透率逐漸提高，配電網(wǎng)的消納能力已顯現(xiàn)不足，這將嚴(yán)重影響配電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，引起電流故障，而網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、分布式電源優(yōu)化配置等技術(shù)手段主要依賴于配電網(wǎng)的高度自動化和長時間尺度，因此有功無功調(diào)節(jié)依然是提高消納能力的重要方式。以氫能為例，建立移動氫儲能和SOP等有功無功調(diào)節(jié)裝置的主動配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，通過多座HSS之間協(xié)同優(yōu)化調(diào)度約束和氫能運(yùn)輸時間約束，充分發(fā)揮氫能的可移動特性，平抑分布式電源在空間分布上的不平衡性，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益的提升和配電網(wǎng)的消納能力。

分布式電源下的故障恢復(fù)機(jī)制依然是目前配電網(wǎng)的研究熱點(diǎn)，這對保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要，面臨的主要問題包括多種能源耦合下的故障機(jī)制配合、分布式電源的出力不確定性及故障恢復(fù)穩(wěn)定性。

城市配電網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)超過其使用年限，設(shè)備的老化問題經(jīng)常影響到配電網(wǎng)絡(luò)的日常傳輸。在新形勢下，配電網(wǎng)的重新規(guī)劃日益重要，針對規(guī)劃過程中凸顯的設(shè)備老舊、建設(shè)時間長等問題要盡快解決，避免對居民用電產(chǎn)生影響。