交直流混合主动配电网关键技术研究

黄仁乐，程林，李洪涛(．国网北京市电力公司，北京市0003; ．电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市00084)

交直流混合主动配电网关键技术研究

黄仁乐1，程林2，李洪涛1
(1．国网北京市电力公司，北京市100031; 2．电力系统国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市100084)

配电网担负着电能的配送任务，传统配电网的电能传送是单向的，随着分布式电源大量接入，配电网的电能可能出现双向流动。由于分布式电源具有随机性和间歇性的特点，增加了配电网运行控制的难度。为了满足大规模分布式电源接入的要求，在北京延庆建设交直流混合主动配电网，提高配电网的能源配送和优化能力，支持高渗透率分布式能源的充分消纳，降低系统损耗，提高设备利用率，实现高可靠高质量供电，延缓增容建设投资。

主动配电网;多源协同;分布式电源;能源互联网;交直流混合智能配电网

0 引言

国际大电网会议(CIGRE)C6．11项目组于2008年提出了主动配电网的概念，清晰地表明主动配电网具有网络拓扑结构灵活、潮流可控的特征，便于对分布式电源进行主动控制和主动管理，得到了广泛的重视［1］。主动配电网的核心价值体现在对配电系统的主动管理，即通过系统内多种可控资源与分布式电源的协调控制实现可再生能源的高渗透率，提高已有资产的利用率［2］。

主动配电网是未来智能配电网的一种发展模式，世界各国正积极开展相关技术的研究。欧盟已经在丹麦、西班牙以及英国等地深入开展了主动配电网技术研究及示范工程建设，最具影响力的是ADINE示范工程。项目在实际环境中实时模拟了接入大量分布式电源的主动配电管理并进行了联合试验。试验演示了主动配电网管理系统是如何与含大规模分布式电源的主动配电网进行交互，从而解决主动配电网中的保护、电压控制、电能质量、故障穿越和孤岛运行等一系列问题［3］。日本东京已经实现了高级配电自动化系统，近期公布在丰田、横滨、北九州、关西等城市开展智能社区示范工程建设。日本政府十分希望可再生能源能够在日本的能源结构中发挥重要作用。日本在新能源产业技术综合开发机构(NEDO)的资助下，分别在Aichi、Kyoto、Hachinohe、Kyotango、Shimizu和Sendai等地建立了多项多能源示范工程。以上理论分析和工程实例证实主动配电网有着以下优点:满足高渗透率分布式能源接入需求;能源区域优化配置、高效利用;实现广泛互联、高度智能、开放互动;直流电源与负荷即插即用，高效灵活直流用电;多源大数据平台支撑运行控制与决策支持，支撑商业模式和运营模式研究。

为了实现高渗透率分布式能源的充分消纳，提高配电网能源配送和优化能力，国家电网公司启动了智能电网创新示范区建设，瞄准未来10年配电网发展方向，着重推动清洁能源、分布式电源的开发应用，突出社会广泛的参与，突出前沿技术的融合，实现能源的互联与服务的互动，示范城市“能源互联网”。作为国家绿色能源示范县、北京市唯一的绿色能源示范区、北京市新能源与可再生能源示范县，延庆县采用“高端研发制造+科技示范应用”的联动模式发展可再生能源产业和工程，已初步形成风电、太阳能热利用、光伏及光热发电、生物质发电、智能电网等产业集聚。八达岭经济开发区位于延庆县康庄镇，被命名为北京市新能源产业基地。园区已建成多个新能源项目，同时多个新能源发电项目已列入规划。在延庆县建设智能电网创新示范区，拥有良好资源基础。

国网北京市电力公司在延庆利用柔直技术升级改造现有配电网，建设拓扑灵活、潮流可控的多源协同主动配电网，示范建设区域能源互联网，支持分布式能源的灵活接入和充分消纳，实现与智能微电网的协同互动，提升能量传输网络的优化配置能力，提高用户的电能质量和供电可靠性，提高配网设备利用率。

图1 配电网功能定位示意Fig.1 Example of function of power distribution networks

图2 延庆地区主动配电网建设目标示意Fig.2 Example of target of active distributionnetworks in Yanqing

1 延庆地区主动配电网的建设目标

为了加强对配电网中分布式电源、微网、柔性负荷的调控能力，结合延庆地区电网的现实状况，国网北京市电力公司提出了多源协同的主动配电网的建设目标:从能源传输和配送层面建设可观可控的主动配电网，实现高渗透率分布式能源的充分消纳，提高配电网能源配送和优化能力，降低系统损耗，提高设备利用率，延缓增容建设投资，实现能源的高效利用和高品质高可靠供电。配电网的功能定位如图1。

1.1 未来配电网的基本特征

未来配电网是广泛互联、高度智能、开放互动的“能源互联网”的主要载体，可以实现在广域范围内能源生产、传输、配送、转换、消耗的优化。相对现有配电网，未来配电网除了承担电能的配送任务之外，还需要实现区域内能源的交换和分配，并满足分布式电源接入及消纳的需求。图2为延庆地区主动配电网建设目标。

总体上，未来配电网具有以下主要特征:

(1)广泛互联。未来配电网实现交流配电网、直流配电网及交直流混合配电网互联，实现集中式或分布式能源生产、消耗、转换和存储等单元互联，以电力-信息互联实现信息在能源网中的充分流通和共享，构成形态多样、互为支撑、坚强灵活的配电网。

(2)高度智能。未来配电网基于多源信息融合实现高可信度态势感知;通过集中调度和分散自优化的协同控制，实现电网运行优化控制和新能源接入自适应;对设备和网络风险进行预防控制，通过灵活的网络重构实现故障自愈，保障可靠供电。

(3)开放互动。通过电网信息分层分级管理及公共信息的透明公开，实现信息共享，使全社会能够广泛参与能源调配和电网运行，提供用户参与互动的多种途径和方式，满足用户多样化的电力需求，提高用户参与度与体验感，实现能源优化利用和多方共赢。

1.2 提高配电网的可观性

传统配电网中由于缺少足够的量测手段，导致配电系统的可观性较差，通常需要通过虚拟量测(pseudo-measurements)解决可观性的问题。由于这些虚拟量测使用的数据一般是从历史数据库或是其他估算的负荷曲线中获取的，较大的误差使得配电网络状态估计和趋势预测比较困难［5］。

在延庆地区建设的主动配电网可以通过对分布式能源、用户重要设备、电网信息等多元数据进行采集，通过大数据分析的手段，预测用户用能行为，辨识分布式能源特性和网络参数，实现状态估计及趋势预测，感知配电网的发展态势，从而提高主动配电网的可观性。

1.3 提高配电网的可控性

多源协同的主动配电网通过应用和接入柔直环网装置、分布式电源、柔性负荷、电动汽车［6］以及智能微电网群等，为配电网提供了丰富的可控手段，提高主动配电网的可控制性。通过调控，实现拓扑灵活、网络潮流优化、动态无功电压调节和功率波动的平抑。

1.4 提高配电网电能配送和优化配置能力

主动配电网通过全局优化区域自治的方式，对能量分层分级平衡，可实现分层区域内横向功率调配，从而提高配电网电能配送和优化配置能力，达到多能源综合优化利用、平抑新能源功率波动的目的。

项目中提高主动配电网可观性和可控性的智能配电终端单元(intelligent distribution terminal unit，IDU)技术和柔直环网装置闭环运行技术是国家高技术研究发展计划(863计划)课题研究重点。

2 延庆地区主动配电网的建设条件

主动配电网项目选址在延庆八达岭经济开发区建设，开发区已建成丰富的多种分布式电源资源，建设有智能微电网群及多个可调控的柔性负荷。八达岭经济开发区配电网已经初步具备未来配电网形态，主要体现在高渗透率分布式电源接入，要求配电网进行区域配送，具备智能微电网与柔性负荷等多种可调控手段，通过升级改造配电网，增加配电网可观可控性，提高配电网的能源优化配置和协同优化能力，实现主动配电网的建设。

主动配电网项目利用柔性直流等技术，对开发区现有配电网进行升级改造，建设10 kV交直流混联开闭站，构建主动配电网网架，将周边智能微电网群、光热电站和园区光伏接入主动配电网，利用柔直环网装置，将本供电区间中心开闭站的3段母线连接，一方面实现3段母线间的潮流流动和负载均衡，提高配电网能量传输能力，提高分布式电源和负载的就地互补比率，提高设备利用率;还可以提供动态电压无功调节能力，在遇到设备过载或故障检修时，能够经济、安全地实现负荷转移，大幅减少转移过程的短时供电中断，提高供电可靠性和供电质量。为实现主动配电网的可观可控，对配电网二次系统进行升级。配置可对分布式能源、用户重要设备、网络等进行信息采集智能配电单元，预测用户用电行为、感知功率特性，辨识网络参数，从而实现配电网的运行态势深度感知和调控。

3 延庆地区主动配电网的建设内容

依据主动配电网建设目标，该项目共分为6个方面内容:

(1)系统规划与配电网改造。1)应用主动配电网规划原则进行系统规划;2)通过配电网升级改造，实现分布式电源和智能微电网灵活接入，满足主动配电网优化调控要求。

(2)交直流混联开闭站建设。1)建设1座10 kV、30 MVA、3段母线、30回出线的交直流混联开闭站;2)利用柔直环网装置连接3段母线，实现母线间负荷均衡和潮流流动;3)以10 kV交直流混联开闭站为中心，构建配电网网架，实现供电分区内潮流优化、负载均衡，提高配送能力和设备利用率，实现高可靠性、高质量供电。

(3)智能微电网群接入。1)在开发区新能源谷建设5 MW级智能微电网群，包含29个子微网，建有光伏、风电、储能、电动汽车等多种元素;2)微电网作为多能源综合利用的自治系统，可以进行内部调节，满足与主动配电网接口的交换功率要求;3)通过互动，实现能量相互支援，合作共赢。

(4)光热发电接入。实现对中国科学院新能源试验基地光热发电、光伏、风电、直流微电网的接入，通过主动配电网的综合优化，实现对新能源发电的消纳。

(5)屋顶光伏发电接入。1)分布式屋顶光伏通过10/0．4 kV就近接入到主动配电网;2)通过断路器、保护、测控、计量、通信高度集成的并网箱实现分布式光伏“即插即用”接入;3)主动配电网通过对分布式电源、柔性负荷、智能微电网进行主动控制以及全局优化和区域调配，实现分布式光伏发电的充分消纳。

(6)多元数据采集建设。通过配置智能配电终端单元进行数据采集，增强主动配电网的可观测性，为能源管理与公共服务中心大数据平台提供多元数据采集。

4 关键技术

随着分布式能源资源大量接入传统配电网，电网的安全性，可靠性，经济性都亟待提高。但是就现在已有的基础设施和应用技术而言，传统的潮流单向传输模式导致了配电网的发展程度远远落后与输电网［7-8］。配电网的发展面临着能源需求、安全保障和电能质量等诸多要求，为了提升配电网的科技应用和管理水平，很多新的技术被提出了［9］。

在本次多源协同主动配电网建设工作中，也应用到了许多关键支撑技术，主要分为组网技术、单元级综合感知技术、运行控制技术、保护技术和储能技术。

4.1 组网技术

4.1.1 柔性组网技术

柔性组网使用柔性直流装置等电力电子技术，在适当的区域选择合适的电网连接方式及设备结构型式，并采用负载均衡、潮流调整等控制技术，使交流、直流、交直流混合等多种网络结构发挥各自优势，互联共存，提升分布式能源接纳能力、提高可靠性和供电能力，支撑未来配电网的广泛互联。

4.1.2 能量路由器

能量路由器是未来配电网能量和信息广泛互联的主要节点设备，通过柔性变压、双向潮流控制、有功无功解耦控制、电能质量治理、电压支撑、不间断供电等多种柔性控制技术，为电网提供灵活调节能力。并结合感知元件和信息交互，采用自检测、自诊断、自保护等技术，提升设备安全和互动能力。

4.1.3 即插即用的标准接口

标准接口是实现未来配电网开放互动的基础设备，数据和电力均通过接口相互开放和共享。接口通过信息-物理相融合，包括标准化模型、实时感知、入网控制和可扩展的信息服务等技术，管理本地与配网间的数据和电力双向流动，同时具有自描述能力，能够被配电网自动识别，并在线自动纳入管理。

4.2 单元级综合感知技术

4.2.1 智能传感器网络技术

智能传感器网络作为未来配电网感知末梢，可感知物理、化学、生物、精确时标和空间坐标等信息，转化为可以利用的电气量、设备状态量、环境数据等;通过自组网通信构成灵活可靠、广泛互联的传感器网络，全面地提供配电网运行状态原始数据。智能传感器具备微型化、低功耗、高集成的特征，传感器自身可实现感知量误差补偿、环境自适应参数配置、远程控制、多传感器数据本地融合及分析等智能化功能。

4.2.2 智能配电终端单元技术

智能配电终端单元一方面通过同步量测技术获取配电设备电气信息，另一方面汇集和上传智能传感器网络量测信息。智能终端通过对内外部多源信息融合和处理，自动甄别不良数据，辨识电源和负荷特性，监测设备健康状态和预判设备故障风险。在配电设备层面对分布式电源出力、电动汽车的充放电需求、用户用电需求等进行精细预测，协调需求侧响应能力、潮流控制手段和供电质量控制措施，配合实现全局和本地协同优化运行控制。

4.3 运行控制技术

4.3.1 网络拓扑灵活控制技术

在安全约束条件下，考虑经济性以及设备利用率，灵活地对网络拓扑结构进行重构;基于态势感知，在多路电源切换时实现无电压暂降和短时中断的安全合环控制;以提高供电可靠性为目标，在故障和紧急状态下进行自愈拓扑控制。

4.3.2 柔性潮流控制技术

基于柔性直流控制技术，在正常运行时，以经济优质为目标，在故障和紧急状态下，以安全可靠为目标，对潮流大小和方向进行柔性控制。

4.3.3 电压暂降治理技术

针对电压敏感的重要用户和分布式电源，通过基于快速开关的快速切换技术，解决电压暂降和短时供电中断对分布式电源和敏感负荷的影响。

4.3.4 新能源接入电压控制技术

新能源接入增大了配电网电压调节难度。配合本地和全局协调的新能源接入电压控制，一方面通过对接入点所有无功电压控制环节和控制能力进行实时跟踪和实时预测，向系统预报本汇入点无功需求和无功可调节量，由系统进行全局优化;另一方面根据系统指定的电压控制值，通过线路调压器和移相器等进行本地各无功电压控制环节的联合控制，保证接入点新能源接入的电压安全。

4.3.5 三相不平衡治理技术

单相接入的新能源发电和电动汽车充电负荷具有随机性、转移性以及大功率的特点，加剧了配电网的三相不平衡。根据三相负荷不平衡情况，三相并网分布式电源按不平衡补偿接入，单相并网分布式发电采用分相自适应接入，对配电网的三相不平衡进行治理。

4.3.6 可再生能源高渗透区域谐波治理技术

为了适应大量间歇波动性可再生能源、电力电子装置、不平衡和非线性负载接入，未来配电网需解决这些单元之间引起的谐波超标和谐振问题。利用可再生能源并网变流器、有源滤波器等电力电子装置吸收谐波，并为系统提供一定的阻尼抑制谐振，保证配电网的安全稳定运行和高质量供电。

4.4 保护技术

随着分布式电源大量接入，柔性直流技术、即插即用的能量路由器等技术的广泛应用，电网结构、形态和功能发生了新的变化，需要综合多项技术来实现对新型主动配电网的保护。

4.4.1 交直流混合配电网保护技术

随着未来电网朝着开放接入、灵活可控的方向发展，直流配电网络必然成为配电网中不可缺少的一部分。针对低压直流配电网，通过直流断路器，实现故障快速隔离。针对交直流混合配电网，利用多端故障信息和差动保护原理，通过交流侧断路器，实现故障可靠隔离;基于行波故障信息和全网络精确对时技术，实现直流线路的快速精确定位。

4.4.2 自适应保护

未来配电网由于分布式电源的大量接入，系统运行方式灵活、潮流多变，保护如何适应是关键。基于本地量测的电压电流，实时获取系统的运行方式，在线调整保护定值，实现保护对系统运行方式的自适应;基于微机保护的可记忆特性，利用线性网络特点，实现保护对潮流变化的自适应;基于电力电子设备的控制特征和实时量测信息，实现交直流混合配电网保护配置的自适应。

4.4.3 网络保护

由于未来配电网拓扑结构复杂多变，设备之间的后备保护配合困难，影响整个系统的安全，网络保护将成为未来配电网后备保护的重要选择。基于高速可靠通信技术和精确时间同步技术，网络保护利用配电网全局信息，既可保护单个设备，也能保护整个配电网。基于电流差动原理等，网络保护可实现免整定和即插即用设备的保护;通过保护分区和动作配合，实现快速故障隔离和精确故障区段识别。

4.5 储能技术

不同储能形式在规模、功率密度、能量密度、转换效率、速率、寿命、成本、可用性、技术成熟上各有优缺，针对规模化储能系统，将不同的储能介质结合使用，通过对不同储能方式配比优化设计和功率协调控制，发挥各自优势，实现混合储能系统的高效、经济和可靠运行。分布式的电力储存，目前多为锂电池。电池成组的一致性、长期运行的均衡性等存在诸多问题。通过新型的电池成组技术、储能系统的可用容量与功率的动态评估技术、多优化目标下储能系统的充放电技术，实现系统的优化高效运行。

通过在对车辆用能的分析和用户行为规律信息开放及交互基础上，实现电动汽车即插即用及移动储能系统状态的自主评估与分析，通过车辆集群及自主智能控制，实现与新能源发电之间的相互协同增效，平抑可再生功率波动，提高新能源发电消纳和存储能力，并提高配电系统能量利用的整体效率;利用其移动储能更有自由的时空特性，提供紧急救援。

5 结论

北京延庆智能电网创新示范区建设的交直流混合主动配电网，支持分布式能源的灵活接入和充分消纳，平抑分布式新能源波动对配电网的影响，提高用户的电能质量和供电可靠性，提升能量传输网络的优化配置能力，示范建设区域能源互联网，实现区域多种能源优化协调控制，提高配网设备利用率。交直流混合主动配电网的建设，对未来配电网发展模式进行了探索，将对配电网发展产生深远的影响。

［1］赵波．主动配电网现状与未来发展［J］．电力系统自动化，2014，38(18):125-135．Zhao Bo．Present and future development trend of active distribution netw ork［J］．Automation of Electric Power Systems，2014，38(18): 125-135．

［2］曾祥君，罗莎，胡晓曦，等．主动配电网系统负荷控制与电能质量监测［J］．电力科学与技术学报，2013，28(1):41-47．Zeng Xiangjun，Luo Sha，Hu Xiaoxi，etal．Load controland pow er quality monitoring in active distribution systems［J］．Journal of Electric Pow er Science and Technology，2013，28(1):41-47．

［3］Repo S，Maki K，Jarventausta P，et al．ADINE-EU demonstration project of active distribution netw ork［C］//SmartGrids for Distribution．Frankfurt:IET，2008:1-5．

［4］Bracale A，Caramiaa P，Carpinelli G，et al．A hybrid AC/DC smart grid to improve power quality and reliability［J］．Energy Conference and Exhibition，Florence:IEEE，2012:507-514．

［5］Biserica M，Besanger Y，Caire R，et al．Neural networks to improve distribution state estimation-volt VAR control performances［J］．IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1137-1144．

［6］Chen Y，Oudalov A，Wang J S．Integration of electric vehicle charging system into distribution netw ork［C］//Power Electronics and ECCE Asia(ICPE＆ECCE)．Jeju:IEEE，2011:593-598．

［7］Hu Z C，Li F R．Cost-benefitanalyses of active distribution network management，Part I:annual benefit analysis［J］．IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1067-1074．

［8］Hu Z C，Li F R．Cost-benefitanalyses of active distribution network management，Part II:investment reduction analysis［J］．IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3):1075-1081．

［9］Chen Z，Xiao X N，Luo C．New technologies of active distribution network in smart grid［C］//Electronics Information and Emergency Communication．Beijing:IEEE，2013:177-180．

(编辑:蒋毅恒)

Research on Key Technology of AC/DC Hybrid Active Distribution Network

HUANG Renle1，CHENG Lin2，LI Hongtao1
(1．State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 100031，China; 2．State Key Lab of Power Systems，Department of Electric Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

Traditional distribution networks undertake the function of distributing energy and providing electricity consumption，therefore the flowtransferringis unilateral．The increasing amount of distributed generation(DG)in today's highly complex restructured power networks change itto bidirectionalflow．Due to the randomness and intermittence of DG，flow fluctuates wildly in a degree，which makes the distribution infrastructure cannot work in economical and efficientways．For the better energy transferring ability of DG，provide high-quality power，Beijing Power Grid build the controllable and observable active distribution(ADN)in energy transferring and distribution operator system field，for the entire energy consumption of high-permeability DG，achieve the aim of efficient energy use and high-quality and high-reliability power supply．

active distribution networks;multi-source;distribution generation;energy internet;AC/DC hybrid smart grid

TM 72

A

1000-7229(2015)01-0046-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.007

2014-11-12

2014-12-09

黄仁乐(1963)，男，硕士，教授级高级工程师，长期从事电力系统自动化和电网技术的研究和管理工作;

程林(1973)，男，博士，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;

李洪涛(1975)，男，硕士，高级工程师，国家电网公司专业领军人才，主要从事配电网设备和运维技术研究工作。

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)。