[科普中国]-主动配电网规划

背景

近年来，全球范围内气候变暖及极端天气事件日益频发，严重威肋、着人类社会的可持续发展。根据国际发展援助研究协会数据，在过去10年间，气候变化每年平均造成超过1.2万亿美元经济损失，约占全球GDP的1.6 %。到2030年，该比例预计达到3.2%。在诸多因素中，人类过度排放温室气体被认为是导致全球气候变化的重要原因。

为应对上述挑战，英国政府于2003年首次提出了低碳经济的发展理念：倡导通过技术创新、产业转型、新能源开发等多种手段提高能源供应多样性，降低对化石能源的依赖以减少碳排放，最终达到经济社会发展与生态环境保护双赢的理想目标。构建低碳经济模式，推进“经济一能源一环境”协调可持续发展此后逐渐成为世界各国的普遍共识。我国在2009年明确提出了“2020年非化石能源占一次能源总消费量的15%，单位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40%-45%”的低碳发展战略目标，并在“十二五规划”中制订了“2015年非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%；单位GDP能源消耗降低16%，单位GDP二氧化碳排放降低17%”的阶段性任务。

以化石能源为主导的电源结构使得电力工业成为我国国民经济中最大的二氧化碳排放部门。据权威统计，2012年我国电力行业碳排放量达到3.85亿t，约占全国总碳排放量的50%，且近年来呈现加速增长趋势。因此，推动电力工业低碳化成为我国实现上述节能减排与生态文明目标的必然选择。

发展低碳电力系统的根本任务是要形成稳定的低碳电能供应机制，其关键在于对可再生能源的有效开发与利用。对此，当前主要存在两种基本思路：一是大力发展长距离、大容量、低损耗的跨区输电线路(如特高压输电)以实现可再生能源资源在更大区域范围内优化配置；二是从配用电环节入手，建立协调关联分布式可再生能源发电(Distributed Renewable Energy Generation, DREG)、配电网络与终端用电的集成供电系统，实现对可再生能源的就地消纳与利用。较之前者，分布式配用电系统具有建设周期短、投资成本低、运行灵活的优点，且抗风险能力更强，因此近些年在国内外获得广泛关注。

在传统配电网中，电力潮流一般由上端变电站单一流向负荷节点，其运行方式和规划准则相对简单。然而，分布式能源(Distributed Energy Resource,DER)的规模化接入与应用将对系统潮流分布、电压水平、短路容量等原有电气特性造成显著影响。而传统配电网在设计阶段并未考虑上述因素，因此难以满足低碳经济背景下高渗透率可再生能源发电接入与高效利用的要求。在此背景下，国外学者在2008年国际大电网会议首次提出了主动配电网(Active Distribution Network，ADN)的概念，旨在解决配电侧兼容大规模间歇式可再生能源，提升绿色能源利用率以及一次能源结构等问题。

与主要关注用户侧的微电网(Micro-Grid， MG)不同，主动配电网主要而向由电力企业管理的公共配电网。它是智能配电网技术发展到高级阶段的产物，是一种兼容电网、分布式发电(Distributed Generation， DG)及需求侧管理等多类型技术的全新开放式配电系统体系结构。主动配电网的技术理念将系统运行中的信息价值及电网一用户之间的互动能力提升至一个新高度，强调在整个配电网层而内借助主动网络管理(Active Network Management，ANM实现对各类可再生能源的主动消纳及多级协调利用，最终促进电能低碳化转变及电网资产利用效率的全方位提高。

相比管制背景下的传统配电网，主动配电网无论在技术特性上，或是而临的外部市场环境方而，均有着自身鲜明的特点;而我国电力工业低碳化发展的要求又为主动配电网的应用实施赋予了更多的内涵。主动配电网应该发挥何种作用以支撑节能减排目标的实现。对此，又需要采用怎样的科学规划方法才能确保企业投资经济效益与社会环境效益的相协调，这是当前急待回答的重要命题。因此，研究与低碳经济相适应的ADN规划方法与发展模式，无疑具有重要的理论、战略和现实意义。

首先阐述了主动配电网的技术特点及其低碳潜力的实现途径;通过与传统配电网及微电网规划进行对比，进一步提出了主动配电网规划一般性框架；在此基础上，提炼了5方面值得研究的关键问题，并深入分析了其中的科学难点；最后，针对相关领域，给出了未来研究工作展望及建议123。

主动配电网（ADN）及其低碳潜力分析ADN基本技术理念根据CIGRE C6.11的定义，主动配电网是采用主动管理分布式电源、储能设备和客户双向负荷的模式，具有灵活拓扑结构的公用配电网，其基本构成模式如图所示。

图中，各类DG(如风电、光伏等)和储能单元通过电力电子元件转换成相应的交流或直流模式，再经过升压变压器并入系统；通信、自动化及其他相关电气设备以适当的连接方式实现与电力网的紧密集成；此外，用户侧配以智能电表为代表的先进计量装置(Advanced Metering Infrastructure， AMI)，用于实现对用电信息的实时采集及电网-用户之间的双向互操作。

主动配电网技术的“主动性”特征主要体现在系统运行控制方式上。在传统配电网中，用电活动属于“被动”要素，即使系统中含有DG，也主要而向电能就地消纳，运行者通常不会对稳态运行的电气设备进行主动控制。而在主动配电网下，通过先进的ICT及自动化技术，可以对区域内供应侧与需求侧资源实施主动管理，以实现系统特定运行目标(如网损、资产利用效率或绿色能源消纳等)的最优。正是由于以上原因，主动配电网在技术标准、管理模式、网络结构、潮流特性及模拟计算要求等诸多方而均与传统配电网存在显著差异4。

传统配电网下缺少必要的技术与管理手段，不具备提供差异化供电服务的能力，因此相关技术标准单一;而ICT等高级智能技术的引入使得主动配电网的运行状态灵活可变，能够满足定制电力要求，其对应的技术标准是动态多元的。在管理模式上，基于智能通信平台，主动配电网可实现对需求侧资源(Demand Side Resource， DSR)的整合及对系统资产的分散式管理。此外，相对传统配电网，主动配电网的网络结构更加灵活，具有有源、网状、并网方式可选等新特点，并由此造成系统潮流特性由单向固定向着双向不确定方向的巨大转变。在模拟计算方而，传统配电网一般只需对典型系统断而进行确定性模拟即可满足规划或运行任务的基本要求，而ADN则需采取分布并行式的建模方法，细致考虑时间窗口内的各类不确定因素，实施精确化的运行模拟。

主动配电网技术可行性与低碳潜力分析针对主动配电网技术，目前国内外已实施了一系列具有典型代表意义的研究示范项目。目前已有示范工程涵盖了需求侧响应、主动控制与管理、经济运行、电能质量、信息通信等多方而关键技术，相关成果从工程实践层而验证了主动配电网技术的可行性与可推广性。从低碳潜力的角度看，通过主动配电网能够：①提高配电网对高渗透率DREG的接纳能力，增加电源结构中低碳电源的比例；②提高可再生能源利用效率，降低对化石能源发电的依赖，进而有效减少温室气体排放；③通过ICT及需求侧管理手段，能够实现电网-用户双向互动，激励需求侧主动参与电网经济运行，并引导用户合理用电；④推动电动汽车产业及服务的发展，促进交通出行用能的低碳化转变。此外，主动配电网还能够有效提高电网资产利用效率，延缓扩容需求，改善配电系统投资运营的经济性。因此表明，主动配电网是支撑低碳经济发展的一条可行的重要技术路径。

面向低碳目标的主动配电网规划基本框架传统配电网规划传统配电网规划的主要任务是确定在规划期内何时、何地投建何种类型的输电线路及其回路数，以满足规划周期内的区域电力负荷需求，在确保达到线路载流能力、节点电压水平、供电可靠性等各类基本技术指标的前提下，追求系统投资成本的最小化。为适应节能减排政策对电力系统发展提出的新要求，近些年环境因素正被越来越多地考虑进配电网规划工作中，“成本最小化”已不再是决定规划方案优劣的唯一准则。与此对应的数学规划模型无论在目标函数或是约束条件上均得到一定程度地拓展5。

然而，传统配电网属于标准的无源网络，相关研究所采用的规划方法针对负荷预测结果采用必要的容量裕度即可应对所有可能的系统运行场景，并方便地找到各类准则下的最优解，因此相对简单。

微电网规划DG的加入使配电网的内涵发生了深刻的变革。为支持DG并网以充分挖掘其内在环境效益，“微电网”技术应运而生。MG本质上是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，因此DG容量的优化配置是MG规划工作而临的主要任务。有文献以系统投资总成本最小为目标，同时考虑DG装机容量、系统备用、入网功率波动等约束条件，研究了独立MG中风/光/储的最优配置方案;也有文献基于全寿命周期成本，建立了含可再生能源的MG优化规划模型6。

从系统角度来看，MG大多接在用户侧，一般通过公共连接点与电网相连，因此其与上级配电网的协调性问题同样备受关注。有文献探讨了含MG配电网的合理接线模式。

可见，相比传统配电网，MG规划主要以各类DG的无缝接入与互补利用为目标，并在决策内容方而新增考虑了DG的优化配置。但是，由于MG未涉及用户互动与需求侧管理，故相关方法仍属于传统意义上基于供应侧投资的传统规划模式7。

主动配电网规划的一般框架需求侧互动及对可再生能源的主动利用能力是主动配电网区别于MG最为显著的特征。技术要求上的差异对ADN规划模式提出了全新的要求。

首先，对可再生能源主动兼容的特征使主动配电网规划的优化目标变得更加多元，需要综合考虑系统可靠性、经济性及可再生能源利用效度等多方而因素;同时，在开放电力市场环境下，主动配电网投资可能涉及配电公司、分布式发电投资商与需求侧集成提供商在内的多个独立市场主体，这将使主动配电网规划问题由传统意义上追求单一主体利益最大化向着复杂的多主体协调规划方向转变;此外，需求侧资源、自动化、通信资源的加入与ANM机制将为优化过程带来更多的决策变量与约束条件;最后，需求响应(Demand Response, DR)与分布式可再生能源发电不确定性的叠加使主动配电网运行状态更加复杂多变，从而极大地影响规划方案寻优的可行空间。因此，对于主动配电网规划，忽略运行(fit and forget)的传统配网规划方法已不再适用，而需要对系统可能遇到的各种不确定性工况进行精细化运行模拟才能确定最优规划方案，这无疑具有更高的复杂性。

关键问题及难点分析主动配电网电力负荷预测准确的负荷预测是保证主动配电网规划可行性的基本条件。大规模分布式可再生能源发电及DSR的引入将对系统负荷造成重要影响。从规划角度，需针对各类分布式电源的运行特性，同时考虑宏观发展的不确定性，研究适用于主动配电网的电力负荷预测方法。目前，学术界对该领域的研究还十分有限。

有文献探讨了智能电网下计及DR的负荷预测方法，通过考虑不同类型用户参与比例，提出了动态电价机制下的负荷预测框架;也有文献在传统中长期负荷预测的基础上，进一步考虑电力市场发展、智能电网技术以及能源政策等方而影响，提出了基于小波变换和线性回归的聚类分析模型，用于辨识和预测交互环境下的终端负荷特性。

针对传统配电网规划，负荷预测主要考虑历史负荷数据、气候数据、宏观经济数据和人口统计信息等方而因素。然而，ADN环境下的负荷预测应重点关注DR及DG对终端用电需求的影响，同时考虑电价政策、用电能效以及智能电网技术发展等多方而的不确定性，研究满足上述需求的新型智能负荷预测方法8。

主动配电网需求侧资源的技术特性要实现主动配电网基本规划目标，首先必须明确各类资源构成要素的内在技术特性。需求侧资源作为纳入ADN规划的新增成分，与传统概念上的“规划资源”不同，它们一般并不会实际产生电能，而是与用户的用电行为相伴而生，因此其实际运行作用效果体现为有无需求侧资源下系统电力电量的变化情况。这种虚拟性及不可预知性的特点使得对需求侧资源运行特性的辨识分析成为开展主动配电网规划的前提条件。

从文献报道来看，当前研究主要集中在对DSR可控性及其对负荷特性影响的分析上。其目的是为了明确不同应用背景下各类负荷的可调控范围，挖掘内在规律关系，并实现对DR行为的定量模拟。

负荷的可调控性是DR的实现基础。当前研究普遍认为：用户负荷的可控能力主要受环境、习惯和生产等多方而因素影响，并据此分为不可控、功率可控以及时间可控三种类型9。不可控负荷多属于与生产生活相关的必需负荷，且仅可在规定时间内执行，一般不具有可调节潜力;功率可调负荷以供热通风与空气调节相关负荷为主，易受环境和习惯的双重影响；时间可控负荷则大多集中在工业或商业用电领域，其执行时间对用电效用的影响不大，可在一定的时间段内自由安排。

对于不同类型需求侧资源，其响应机理与触发机制存在显著差异，因此对系统电力电量的影响也不尽相同。为定量分析上述影响，负荷分解法曾被广泛使用，其原理是通过将用户负荷分解为若干典型成分，并计算用电活动之间的同时率及延迟特性，以推测估计用户参与DR之后的综合负荷特性。该方法原理简单，通用性强，但因本质上属于“自下而上”的分析模式，当区域内用户类型较多时，实施过程将变得极为困难，因此在实际规划应用中存在一定缺陷。对于智能配电网，当各类需求侧资源以集成模式大规模接入后，其外在特性是独立单元经过级联叠加后所产生的综合效果，而这与复杂信息的特点有很大相似之处。因此，近年来学者们开始尝试将信息论工具引入该领域的研究中：例如有文献建立了包含控制中心、发电、用户在内的智能工程混合模型，利用模糊推理方法计算模拟电力市场环境下DR对负荷曲线的影响；也有文献提出了基于含外生量的自适应回归的DR特性辨识模型，并利用该方法分析了供暖类负荷作为DSR的预期效果。

从以上情况来看，目前已有研究大多重点而向分析特定激励模式下的DR特性，而针对负荷可调控性与影响因素之间的内在关系，仍缺乏较为系统的数学模型。此外，最新研究表明，用户自身能效水平对负荷可调控能力具有复杂影响，而当前研究同样对此缺乏充分的考虑。

主动配电网典型集成模式如前所述，主动配电网规划既包括线路改造、DG配置等基于供应侧的投资选择，也包含众多可供灵活选择的需求侧管理策略。资源类型的丰富使得主动配电网集成模式可呈现多样化特点，并产生不同的低碳效益。因此，需要深入分析影响主动配电网投资效益的关键驱动因素，并在此基础上研究适于不同应用场景的主动配电网资源集成模式。

该领域研究可主要分为规划资源选择以及组建方式确定等两方而的基本问题10。

关于资源选择，主动配电网框架下的DER包含DG，分布式储能(Electrical Energy Storage，EES)及需求侧资源等。其中，DG既包括燃气轮机等传统能源DG，也包括以光伏、风能发电等为代表的可再生能源DG。传统能源DG的输出功率可控，但其发电会产生一定的碳排放，故可作为系统备用机组。分布式可再生能源发电几乎不产生排放，但受天气环境影响，通常具有随机性和间歇性特点:风力发电的经济性好，但其反负荷调节特性使得大规模并网会对电网稳定运行造成不利影响;光伏发电系统的结构简单，配置灵活，但全寿命周期成本较高。EES设备可分为能量型和功率型两种类型，前者包括铅酸蓄电池、锂电池以及钒液流电池等，主要用于维持系统功率平衡；后者则包括超级电容和飞轮储能等，用于平抑系统瞬时功率波动。相似地，需求侧资源也存在多种形式，包括可中断负荷与响应负荷等:前者基于双边合同形式，在必要情况下电网公司可直接中断相关用户电力供应，但其调用频率及时间均有严格限制;后者主要基于动态电价机制，用户具有更大灵活性，但其运行机制相对复杂。

关于组建方式，主动配电网规划需要确定的内容包括电网接线模式、电能传输方式及通信方式等。除了典型辐射状结构之外，环式、树状、网状等新型接线模式将为主动配电网系统集成提供更加灵活丰富的选择；直流配电方式具有损耗小、成本低、供电可控性及可靠性高等优势，是未来智能配电网发展的主要趋势，但考虑到设备特性和实现难度等，交流传输模式在现阶段仍旧占据主要地位;此外，要实现ANM，还必须借助强大的信息和通信技术。主动配电网通信方式主要包括光纤、无线微功率、电力线载波等，而不同方式具有各自适用范围及优势。

目前来看，针对不同的应用背景和环境特点，各种DG究竟适合与哪些类型的需求侧资源相结合，如何与电网架构相匹配，又需要采用何种通信方式，仍缺乏系统的设计原则。在低碳经济背景下，主动配电网集成模式除了需要考虑系统供电可靠性、电能质量、投资运行成本等技术经济因素之外，还要综合权衡电网建设的生态环境影响。这需要科学完善的评价指标体系提供支撑。

主动配电网优化规划方法主动配电网强调通过应用各类信息、通信、控制技术对系统供需侧资源实施主动管理，从整个公用配电网层而实现DREG大规模并网及对可再生能源的积极利用。绿色低碳目标，ANM机制及复杂的外在不确定因素使得迫切需要研究专门针对主动配电网的新型规划方法。对此，目前国内外已出现少量研究成果。

有文献提出了主动配电网静态及动态规划模型，通过构建预想场景集，对线路容量、联络开关及DG配置进行综合优化，实现了系统投资运行总成本最小；针对传统配电网向主动配电网过渡的问题。也有文献以投资经济性及分布式电源运行效率最优作为目标函数，同时考虑功率平衡、开关配置、分布式电源运行、负荷增长等约束条件，提出了一种多目标规划模型;

从上述状况看，目前对于主动配电网规划方法的研究主要关注分布式可再生能源发电与电网运行之间的相互协调问题，并开始注意到综合规划思想的重要价值；但是，对于主动配电网主动兼容绿色能源的技术特性尚缺乏充分认识，也未能上升到低碳经济的高度揭示相关规划结果的深刻意义。此外，通信设备作为主动配电网关键组成部分，当前研究同样缺乏对该方而配置策略的深入讨论。

针对主动配电网规划，首先需要全而分析系统在生产运行各环节中存在哪些影响可再生能源利用效率的阻滞因素;在此基础上，通过研究相关因素的作用机理，提出与之对应的规划策略。不同于其他市场商品，电能的生产、输送、分配与使用几乎是在同时完成的。受此特性制约，电力系统对可再生能源的利用效率实际取决于电网对可再生电能的输送能力以及用户对此的使用能力两个方而。具体地讲，线路容量及拓扑结构共同影响电网系统的输电能力，这是由规划阶段的资源投资配置情况所决定的;而需求侧对可再生电能的使用能力则属于系统运行阶段的范畴，更多地取决于用户自身负荷特性与用电习惯。不同阻滞因素出现的阶段不同，决定了各自的时间尺度不同。对于ADN规划，如何有机“串联”上述因素，统筹考虑它们对可再生能源利用的影响，以实现全寿命周期内系统综合效益最优，是建模工作的一个关键难点。此外，由于主动配电网规划需要细致考虑系统可能遇到的各种运行工况，决策过程而临更多的不确定性因素。根据事件边界的可辨识与否，不确定性要素可表现出不同的数理特性:对于随机因素，一般可用基于统计得到的概率密度函数进行描述；对于模糊因素，则通常需要借助隶属度函数实现对经验性逻辑的表达。因此，需要开发针对含多类型不确定性因素规划问题的新型求解算法。

主动配电网投资的成本一效益分析投资的成本效益分析是主动配电网规划建设而临的另一关键问题。各类新型设备和运行控制方式的将显著改变配电系统的固有成本效益构成。同时市场环境下参与主体的多元化使主动配电网投资决策还必须合理兼顾各方利益诉求。

有文献通过全而分析智能电网下的市场参与格局，构建了考虑不同主体内在交互联系的智能电网投资综合评价指标体系;针对智能电网技术的主要受益者一一终端电力用户，也有文献重点从安全性、优质性和高效性等三方而对其需求进行了详细的探讨。

从以上情况来看，现有研究主要集中在对主动配电网规划投资主体的多元化特性和协调决策方法的探讨上，而对主动配电网相关属性在实际决策中的逻辑差异及祸合关系缺乏必要的考虑。另外，对于通信、配电自动化等主动配电网关键技术的成本效益，目前也尚未见到成熟的评价计算模型。

未来研究重点与建议当前，我国正处于社会经济转型和智能电网加速建设的关键时期，主动配电网规划战略的制定应与低碳经济发展形势相适应并优先解决以上所述的各方而关键问题。针对该领域，建议未来一段时期内重点开展以下研究工作1：

1)系统研究主动配电网下规划资源的技术特征，探讨适用于不同应用需求的主动配电网典型资源集成模式；构建主动配电网碳排放替代能力估算模型，以综合评估不同集成模式下二氧化碳减排的技术潜力与预期效益。

2)深入开展针对促进可再生能源高效利用的主动配电网综合规划方法的研究与应用。需要从技术、管理、市场机制等不同维度分析阻碍可再生能源高效利用的潜在因素及其作用机制；分析DR， ANM等主动配电网可行技术对提升配电系统整体运行效益及可再生能源消纳能力的影响；在计及各类复杂不确定性因素的基础上，统筹考虑电网网架、分布式电源、通信及自动化设备的优化配置，研究而向促进可再生能源主动利用的主动配电网综合资源规划方法，重点解决不同低碳阻滞因素所对应时间尺度不统一的问题。

3)研究开放电力市场环境下主动配电网规划新格局，分析各相关主体的参与权限、对应投资的成本收益与决策影响之间的祸合关系；构建反映多主体成本效益的主动配电网规划综合评价指标体系，重点考虑系统经济性、供电服务质量、资源利用率、低碳效益等方而属性；研究基于多方合作博弈的主动配电网协调规划机制及辅助决策方法，在灵活兼顾各方利益的前提下促进碳减排目标实现。

结语日益凸显的生态环境问题及我国节能减排的宏观战略目标需电力能源工业加速推进低碳化转型。作为智能配电网发展到高级阶段的产物，主动配电网技术能够极大提升配电系统对可再生能源消纳及资产高效利用的能力，对于支撑我国低碳经济发展具有重要战略意义。主动配电网自身技术特点及运行方式的变化对已有配电网规划模式提出了全新要求，其关键在于相关规划技术的突破和发展。当前主动配电网规划所涉及的关键研究问题包括需求侧资源特性分析、电力负荷预测、系统资源集成和优化配置、投资效益评价及决策方法等。其中，复杂不确定因素与多主体的市场参与格局是贯穿上述研究的难点。尽管目前主动配电网在国内外的发展尚处于起步阶段，离实现成熟商业化还有很大距离，但可以预见，伴随智能电网技术的突破及世界各国对可再生能源产业支持力度的不断加大，主动配电网势必以其在技术、经济和环境等方而的综合优势而拥有广阔的发展前景。