主动配电网关键技术分析与展望

程林，刘琛，康重庆，吴强(．电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市00084; ．江苏省电力公司，南京市004)

主动配电网关键技术分析与展望

程林1，刘琛1，康重庆1，吴强2
(1．电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市100084; 2．江苏省电力公司，南京市210024)

大量分散电源并网将使配电系统发生根本性变化，未来的配电网将从传统的被动单向式供电逐步向多种能源形式供电的双向供电方向发展，配电网将由原来单一电能分配的角色转变为集电能汇集、电能传输、电能存储和电能分配为一体的新型电力交换系统。围绕建设主动配电网的关键技术这一问题，从保护、运行、规划、信息技术以及能源政策6个方面，对世界范围内现有研究成果进行了全面的综述，并从中提炼出研究的发展方向，为电力科技工作者提供参考。

主动配电网;保护;运行控制;信息通信技术;低碳

0 引言

分布式、间歇性能源的接入在可预见的未来将成为配电网发展的趋势，并为配电网保证供电可靠性、供电质量带来了机遇与挑战。直至今日，鉴于目前的配电网态势仍是可以预测的，配电网在设计规划、控制运行方面依然沿用“自上而下”的原则。然而，分布式电源大量接入，系统中有意识个体也将或主动或被动地参与配电网管理，使得系统态势难以预测。未来配电系统必须积极应对传统规划运行方法不再适用的挑战，否则将面对网络越限频繁、电能质量、供电可靠性不达标的不利后果，这与新能源接入配电网的初衷背道而驰。

主动配电网(active distribution network，ADN)概念2006年在CIGRE会议上被提出，与现有被动式配电网(passive distribution network，PDN)对分布式电源(distributed generation，DG)的被动接受不同，主动配电网可以自主协调地控制间歇式新能源与储能装置等DG单元的优化运行，运行人员可以通过改变网络拓扑结构，控制网内潮流，在适当的监管和并网协议下为配电系统提供一定的电力支持，从而提高配电网的经济优化运行，提高新能源的利用率，提高电能质量和可靠性，保证配电网络的安全高效运行。即，大量分散电源并网将使配电系统发生根本性变化。未来的配电网将从传统的被动单向式供电也将逐步向多种能源形式供电的双向供电方向发展，配电网将由原来单一电能分配的角色转变为集电能汇集、电能传输、电能存储和电能分配为一体的新型电力交换系统。

从技术角度，主动配电网在保护、运行控制、规划等多方面的技术正受到国内外研究者的广泛关注;与此同时，主动配电网依赖于信息通信系统(information communication system，ICT)的正常工作，通信-物理系统将作为一个统一的整体构成主动配电网。从政策角度，鼓励用户积极参与，鼓励配电网运营商提高技术水平，引导主动配电网由“运营商主导，用户被动参与”向“用户主导，运行商积极服务”平稳过渡的激励政策同样是亟待研究的问题。

本文从对配电网安全性有直接影响的保护系统出发，由微观到宏观，至影响可持续发展的配电网低碳化中的各个技术角度，对目前国内外研究成果进行全面的综述，以此提炼各项技术的发展脉络，便于拓宽思路，总结不足并引导后续研究，从理论角度协助主动配电网建设工作。

1 主动配电网保护

分布式能源接入后可能引起保护拒动、误动或影响重合闸成功率问题。保护系统的异常工作将对配电网的安全运行造成最直接的威胁。

保护系统的性能取决于判据的准确性，国内外学者提出了如下的协调方式以取得保护判据:(1)延时协调，主动配电网中的多个保护装置通过一定延时依次动作，间接判断网络状态实现保护;(2)通信协调，采用通信手段汇总信息判断故障是最为受到人们关注的方法;(3)多种保护手段进行配合，例如文献［1］希望以尽可能少的通信方法实现保护配合，对于单相对地故障，故障上游区段通过电流差动保护，故障下游用零序电流保护，而相间故障采用负序电流保护。

另有一类研究旨在定量分析在不调整保护策略的情况下分布式电源的准入容量，例如文献［2］十分详细地分析了如何确定在目前三段保护策略下接入分布式电源，即根据保护装置的整定原则，反算能够接入的分布式电源容量。选择较好的接入点，可以将分布式电源对配电网保护的影响降低至最小，获得较为满意的分布式电源准入容量。在原有保护方案不变条件下，配电网可以在经过优化计算后的特定的多个位置分别接入分布式电源，而其原有的电流保护仍能正确可靠动作。

2013年后，在主动配电网保护领域在实用性方面取得了一些进步。文献［3］考虑到目前提出的解决方案大多需要引入电压信息，而配电网一般不具备此条件，出于此考虑研究了适用于主动配电网的保护技术，设计了不需电压信息的方向元件，并基于此设计了保护机制。文献［4］提出了一种新型的含分布式电源配电网的充分式保护策略，其有别于传统保护思想要求保护方案对任何理论上可能出现的故障均有绝对的选择性，只针对那些在绝大多数情况下更有可能发生的故障，提取具有充分代表性的故障特征。文献［5］提出了“保护配合指数”用于衡量保护系统的性能，并分析了不同类型分布式电源，分布式电源接入不同位置时该指数的有效性。文献［6］利用真实系统案例分析阻抗保护有效性。对于交直流混联特殊配电网，故障特征随系统的运行方式和控制方式而变化。而故障产生的谐波和暂态分量，其幅值和频率也会随着不同的故障元件和故障位置而变化。文献［7］对柔性直流系统的不同故障进行了建模仿真，分析电压、电流变化趋势及其原因，进而为设计交直流混联配电网的保护策略提供了依据。

目前大部分保护研究结果尚未进行工程验证，因此各类方法在实际系统的中的实际效能为未可知。从理论角度，目前工作的不足有:(1)电流差动保护。差动保护系统要面对通信系统故障的风险，因此需要考虑后备保护系统，同时建立快速通信网的成本同样不可忽视;对于不平衡系统以及不平衡负载，性能可能会受到影响;切入/投入分布式电源的暂态过程可能会造成误动。(2)自适应保护。需要安装、或者升级现有保护装置;网络拓扑必须已知，灵活性不足，不支持“即插即用”;需要快速通信系统支持。(3)阻抗保护。在受到谐波及暂态过程干扰时，准确性可能受到影响;性能受短路过渡电阻影响;不适用于线路较短的情况。(4)对于交直流混联配电网，现有研究主要是从仿真现象分析故障特征，缺少故障理论推导和机理分析。

考虑到配电系统“量大面广”的特点，针对主动配电网保护系统的首要工作是判断当前保护系统的有效性以及在发展过程中的有效期限，并进一步进行保护系统升级决策，不得已时需限制分布式电源接入的类型和容量。还应对不同保护方式进行工程验证。对于交直流混联系统，应进行故障理论推导和机理分析。

2 主动配电网运行控制

2.1 主动配电网的正常状态运行控制

分布式电源的大量接入改变了配网潮流的分布，间歇性一次能源的快速波动将引起配网电压的快速波动，若不加以对应将导致过电压、低电压现象。电动汽车是未来城市交通的一个重要发展方向，电动汽车的不受控充电容易造成配网局部阻塞，同时严重影响三相负荷平衡性。

国内外研究人员已对分布式电源以及电动汽车(作为可控设备同样可视为配电网资源)的控制方法进行了大量研究，并取得了丰厚的研究成果，研究人员主要提出了集中式控制、多代理控制、分布式控制3类控制方法以消除分布式电源、电动汽车接入后造成的电压、阻塞(典型阻塞问题如分布式电源倒送功率过高、电动汽车充电负荷过度集中)问题并提高配电网运行经济性。

近2年来国内外针对上述研究的问题依然活跃，但研究趋势向务实方面发展，典型成果如下。在电压控制方面:针对目前配电网运行规章要求分布式电源采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)运行策略的现状，大量工作集中于如何利用现有配电网电压控制设备应对分布式电源接入的电压问题。文献［8］为有载调压调节器、无功补偿装置设计了一种新的分布式控制策略，以针对分布式电源出力同时大幅变化可能造成电压控制设备(有载调压、无功补偿等)同时动作过调节的问题，并通过时域仿真方法验证了有效性。文献［9］认为光伏的接入会造成配网电压调节器(voltage regulator)频繁动作，并进一步基于光照强度的有限预测设计了新的控制逻辑。类似地，文献［10］研究了有载调压变压器和静止无功补偿装置(static var compensator，SVC)的集中式联合控制逻辑。容量阻塞问题。文献［11-12］均提出利用需求侧响应消纳过剩的分布式电源出力，以抑制过剩的倒送功率。文献［13-14］提出新的市场激励制度调节电动汽车的充电功率以抑制局部负荷过高。

可见，目前有关主动配电网的运行控制目前的发展趋势是兼顾“务实”(遵守现有配电网运行规程，利用现有调控设备以及少量需求侧响应实现对分布式电源的安全接纳)以及“理想”(认为分布式电源的P/Q控制以及需求侧响应势在必行)，积极研究分布式电源与需求侧响应的控制手段。我国在主动配电网建设过程中，应积极实践上述2类控制方案，为分布式电源的接入提供充足的技术支援。

2.2 主动配电网中的故障状态控制策略与可靠性

可靠性是电力系统性能的考核要素之一，同时提高配电网可靠性是发展分布式电源的驱动因素之一。大量文献提出在配电系统发生故障时，由分布式电源和负荷构成主动孤岛直至故障恢复，可以显著减少应用停电时间，提高可靠性，进而衍生出配电网故障情况下的紧急需求侧响应机制以及分布式电源控制策略。

在提高主动配电网可靠性的故障状态控制策略方面，国内外学者提出了一些理想化的控制方案，大致可以分为:(1)认为在配电网发生故障后，配电网内部可以以中压分段开关为界形成若干个主动孤岛，在每个孤岛中，如果发电容量高于负荷容量，则该孤岛内的负荷可以恢复供电，可靠性得以提升［15］;(2)认为存在需求侧响应机制，在上述的每个孤岛中，若发电容量不足，则负荷可以根据一定优先级关系进行切负荷以保全重要负荷的可靠性［16-17］;(3)认为主动孤岛可以在低压系统形成，这将进一步降低配电网故障造成的停电范围［18-19］。

然而，目前这些研究仍仅停留在理论层面，实际配电系统中可靠性能够提升亟待检验。这是由于:一方面受到IEC 61727标准、IEEE 929、IEEE 1547标准的限制，分布式电源将采取反孤岛运行策略;另一方面主动孤岛中打成电源—负荷的精确匹配难度较大。兑现分布式电源对主动配电网的可靠性提升承诺是未来重要的工作之一。

3 主动配电网的规划问题

目前配电网规划的基本思想是构造优化模型，通过优化分布式电源接入点、容量、类型，变电站/馈线改扩建，无功电源位置、容量等要素，实现如下目标: (1)降低线损;(2)改善低电压情况;(3)提高设备利用率(4)避免容量阻塞(5)延缓配电网投资(6)降低电能购置费用(7)降低环境污染。此外，大量文献设想在配电系统发生故障时，由分布式电源和负荷构成主动孤岛直至故障恢复，可以显著减少应用停电时间，提高可靠性，进而衍生出出于优化可靠性考虑的分布式电源规划与重构。

近2年来，主动配电网的规划问题继续吸引着中外学者的目光，研究成果在模型和算法上继续深入。规划问题的内涵也越来越丰富，例如需求侧响应［20］，有功/无功的协调规划［21］，电动汽车的出行、交通网络［22］，局部孤岛［23］。有研究为配电网规划设计了新的指标体系，以体现“主动”配电网的特点［24］。

规划问题是主动配电网的热点问题，中外研究者在模型、算法方面水平相当。在未来的研究中，该领域主要有以下几个研究方向:(1)综合考虑源-网-荷的规划模型以使得规划模型尽可能完备;(2)动态优化与随机优化。配电网发展过程中的不确定性决定了决策者需要及时修正规划决策，因此需要在规划模型中引入动态规划和随机规划方法;(3)规划方案是否需要加入新的指标体系以体现“主动”配电网的特点，例如波动性、自给率等指标，以及指标之间的区别与联系，同样是需要讨论的问题。

值得注意的是，欧洲Euroelectric机构指出未来主动配电网的管理应打破规划与运行之间的隔阂，即“规划运行一体化技术”。合理的运行控制策略可以使网络中设备的效能充分发挥，在规划模型中嵌入主动配电网运行过程，能够使决策者对决策结果的性能有更准确的把握，进而避免过度投资以及投资不足。该思想对于改善规划投资精度有重要借鉴意义。

4 主动配电网的信息通信技术

信息通信系统是实现主动配电网功能不可或缺的必备构成，其技术水平及性能直接影响到系统的性能。本节将对主动配电网中有关信息通信系统的量测、通信以及可靠性问题进行讨论。

4.1 主动配电网的量测与数据处理

运行控制的基础是系统的可观。智能电表、通信网络、量测数据管理系统和用户室内网络将构成高级量测系统(advanced metering infrastructure，AMI)，不仅能提供现有远程终端装置(remote terminal unit，RTU)所采集的实时量测量，还能渗透进入用户室内，提供配网末端用户侧的实时功率量测数据，这是与现有配网量测系统最大的不同。其应用将会在许多方面改善配电网的运行与控制，包括故障诊断与定位、电能质量、改善状态估计性能等。目前国内外均有学者提出在配电系统中加入同步相量测量装置(phasor measurement unit，PMU)以实现配电网可观性的提高，并提出了相应的数据处理算法［25-28］。除电气量测外，AMI测量依然具有很强的扩展空间。丹麦学者Pinson P已利用X-Band雷达实现了对风速波动的实时快速预测，并通过图像处理技术提高了该技术的鲁棒性。这一方法对于提高可再生资源的预测精度，提高主动配电网运行安全性、经济性无疑具有积极的作用。可以想见，先进的量测与数据处理技术将成为未来主动配电网AMI系统的重要构成。

4.2 主动配电网中的通信手段

主动配电网中的高级量测、能量管理、需求侧响应、配电系统自动化均依赖于信息通信系统的支持。通信系统的设计、管理因此被认为是主动配电网必须认真考虑的重要环节。

由于配电网中设备繁多，分散性强，无线通信网络凭借其成本相对低廉、容易布置的特点取得了主动配电网研究人员的青睐。根据通信覆盖面积的不同，无线通信网络可以分为家庭局域网(home area network，HAN)和城市局域网(neighborhood area network，NAN)。IEEE提出了5种标准专门用于HAN通信，包括Zigbee，Wifi，Bluetooth，6LoWPAN与Z-Wave，以及5种用于NAN通信的方式，包括WiMax，GSM，GPRS，CDMA以及LTE。在有线通信方面，配电网的通信介质可采用光纤、电力载波、通信电缆等种类，目前比较常用的是光纤网络通信(传输速率1～10 Gb/s)和电力载波通信(传输速率1× 10-3～100 Mb/s)。

近2年来研究人员对未来主动配电网的通信要求进行了展望，并取得了一些具有借鉴意义的研究成果。文献［29］介绍了FREEDM主动配电网示范工程中关于通信部分的设计思路。对智能变电站内部保护、变电站间的保护通信、需求侧响应调度指令、AMI读数等各个应用的通信时间提出了要求。作者认为主动配电网通信系统的首要任务是:(1)统一的数据模型已进行通信，(2)选用合适的通信方式以满足通信速率要求。文献［30］则更为全面总结了主动配电网中控制功能的通信要求，在消费者层包括AMI，家庭能量管理系统，负荷控制，需求侧响应;在网络层包括馈线自动化、偷电检测、故障检测等;在电源侧包括对分布式电源发电、储能的电动汽车V2G控制。国内对此探讨较少，近2年只有文献［31］对通信系统进行了构想。

4.3 ICT系统的故障影响

近年来，一系列报道与研究指出了ICT故障有可能对电力系统运行造成不利影响，指出通信系统的性能将成为衡量电力系统性能的重要构成。国外研究人员对ICT系统故障对电力系统可靠性的影响进行了大量探索和案例分析，其中有关配电系统的典型成果如表1所示。

表1 ICT系统故障对电气系统的影响Table 1 The impact of ICT failures to electrical systems

以上研究均仅针对具体案例，缺乏统一的理论框架。文献［37-38］则率先对ICT故障影响进行了理论性的描述。其中提出的主要观点是将ICT系统故障影响分为4类:(1)ICT元件故障直接造成电力系统元件故障;(2)ICT系统故障直接造成电力系统元件故障;(3)ICT元件故障间接造成电力系统元件故障; (4)ICT系统故障间接造成电力系统元件故障。文章中针对这4类情况利用可靠性理论对故障的影响进行了描述，并分别给出了具体的案例。

此外有研究人员对有线光缆通信、无线GPRS和WIMAX通信的可用率进行了统计，指出有线通信手段可用率较好，可以达到99．99%以上，而无线通信手段受天气因素影响严重，天气恶劣时可用率低于90%，这将影响电气系统的正常工作［35］。

针对ICT系统对电气系统的影响这一问题，目前研究尚处于起步阶段。如ICT系统故障的成因机理，通信系统传输带宽、时延、数据丢失等事件对电力部分的影响等深层次问题尚需进一步探索。

5 主动配电网能源政策问题

与技术问题同样重要的，是主动配电网的能源政策问题。能源政策需要考虑如下3个方面的问题:

(1)分布式电源持有者激励。目前分布式电源的主要盈利来自于降低购电费用，然而对于光伏、燃料电池、大规模储能等发电形式，现有制造水平经济效益尚未达到满意水平，造成购置费用过高，收益不足的情况。一些研究以微电网为例，论证了建设投入远远高于收益回报的情况。分布式电源持有者激励机制的不足将导致分布式电源接入率的停滞。

(2)电力运营商激励。配电网中电力服务运营商的主要收益来自于售电、报装容量费以及辅助服务费(例如谐波补偿费等)。分布式电源的接入使得售电收入减少，将间接影响到运营商提高服务水平的生产积极性。IEEE报道指出按照现有的北美能源政策，分布式电源的大量接入可能使得北美电力系统收支难抵进而难以维持现有的服务水平，这需要引起决策人员的注意。

(3)需求侧响应服务激励。主动配电网的辅助服务提供者将不再是传统电力系统的专业人员，而是生活其中的普通百姓与企业，鼓励其参与建设维护是主动配电网安全经济运行的重要渠道。目前报道指出与非专业人员通畅沟通是主动配电网建设的重要工作之一。

6 主动配电网的低碳化发展

主动配电网中将引入各类新型的分布式电源、电动汽车、可控储能等，如此的结构使得主动配电网可以用灵活、智能的运行方式减少碳排放，从而推动形成整体的低碳配电网络。揭示低碳特征，发掘其低碳效益，是实现配电网低碳发展的关键。

(1)研究在低碳发展模式下主动配电网的低碳化特征，提出全面合理的分析方法。识别、筛选并归纳主动配电网的特征效益集，考虑系统的自身技术特性、不同的运行模式及其外部影响，建立涵盖所有核心效益点、包容不同系统运行方式评估体系，研究科学、完整的低碳排放评估框架;剖析主动配电网潜在的低碳能力，建立完备的数学模型来描述从低碳能力到低碳效益的映射关系，形成“体系完备、层次清晰”的主动配电网低碳效益指标体系。

(2)研究建立主动配电网低碳仿真模型与优化算法，实现含有分布式电源主动配电网的低碳电力调度。需要考虑分布式电源与储能装置等多时段协调运行，其本质上是1个大规模非线性混合整数规划问题。需要研究如何深入挖掘主动配电网仿真评价的内在运行规律，设计针对性强、求解效率高的算法，以确保求解的精度和速度。

(3)需要研究建立主动配电网仿真平台，揭示主动配电网的低碳效益与低碳潜力。利用该仿真模型与优化算法可以对主动配电网1年中各天的运行状况进行模拟，通过逐日的累计值可以得到其1年乃至多年的低碳效益;同时，仿真系统应可以输出在给定日期范围内主动配电网的总碳排放量、各种要素导致的低碳效益等仿真结果，使得该仿真平台亦可用于对主动配电网的不同规划方案潜在的低碳效益进行评估，此评估结果可辅助决策者制定相应的主动配电网的发展路线与技术实施步骤。

(4)需要研究建立主动配电网低碳效益可视化展现技术。面对广泛分布的分布式电源、储能装置、配电网形态与能量利用方式，如何准确、直观的呈现仿真结果，从中提取出反映配电网运行特征的关键信息，实现对配电网运行状态的迅速把握。与此同时，设计合理的数据结构进行高效的存储，保证仿真平台的高效运行。

(5)此外，碳排放流理论对于计算分布式电源以及电动汽车、储能等新型负荷的低碳效益有着积极重要的作用。基于碳流理论，可以对分布式电源、电动汽车导致的碳减排量进行明确的定义和计算。

7 结论

(1)在保护方面，未来主动配电网的保护系统设计需要统筹经济性和功能，可能出现多重保护混用的情况，需要对保护效果以及布置经济性、简便性进行进一步论证。而实际系统中的主要工作论证是保护系统的适用性并论证现有系统的有效期限，此外还应论证现有理论研究所提出的保护策略在实际系统中的适用性，并制定升级换代时间表。

(2)在运行控制方面，正常运行状态下的研究较为丰富。而在紧急、故障状态下的运行控制的研究比较欠缺。

(3)在规划方面，目前研究主要集中于如果快速求解规划优化模型，同时规划运行一体化研究已经初见端倪，还需进一步探索。

(4)在ICT系统方面，目前研究尚处起步方面，先进量测技术的测量范围应不仅限于电气量，因此还有进一步扩展的空间;如何选取满足特定功能的通信技术还需要进一步论证并合理选取;此外ICT作为未来主动配电网的必备环节，其功能异常对系统的影响同样需要深入的定量分析。

(5)在能源政策方面，利用合理的机制进行引导可使主动配电网建设工作事半功倍，因此需要从多个角度设计机制保证多利益主体的健康发展。

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(编辑:蒋毅恒)

Analysis of Development of Key Technologies in Active Distribution Network

CHENG Lin1，LIU Chen1，KANG Chongqing1，WU Qiang2
(1．State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2．Jiangsu Electric Power Company，Nanjing 210024，China)

The large scale penetration of distributed generation will reshape electric distribution systems from a passive energy receiver to an active bi-directional energy network with flexible generation，transmission，storage and distribution．The evolution of a passive distribution system to an active distribution cannot be realized without advanced technologies．Therefore this paper provide a thorough review towards existing literatures from 6 aspects，i．e．protection，operation and control，system planning，integration of information communication systems and energy policy．Suggestions of future work are proposed based on the review，which can act as important reference to related scholars and engineers．

active distribution system;protection;operation and control;information communication system; low carbon

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0026-07

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.004

2014-11-12

2014-12-12

程林(1973)，男，副教授，博士生导师，主要从事电力系统可靠性、主动配电网与电力系统规划方向的研究工作;

刘琛(1992)，男，硕士研究生，主要从事配电网可靠性和规划方向的研究工作;

康重庆(1969)，男，教授，主要研究方向为电力系统规划、电力系统优化运行、可再生能源、低碳电力技术、负荷预测、电力市场;

吴强(1978)，男，高级工程师，主要从事配电网规划和新能源接入领域的研究和管理工作。

国家高技术研究发展计划项目(863计划) (2014AA051901);国家电网公司科技项目(J2014012)。