智能配电网互动性评估指标体系研究

王晓晶，陈星莺，余昆，张新燕（.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐市　830046；.河海大学能源与电气学院，江苏南京　009）



智能配电网互动性评估指标体系研究

王晓晶1，陈星莺2，余昆2，张新燕1
（1.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐市830046；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京210019）

KEY W0RDS：smart distribution grid；interaction；DG；e1ectric vehic1e；eva1uation index system

摘要：建立智能配电网互动性评估指标体系是评估智能配电网互动性水平、科学指导互动性发展的基础。分析了分布式电源、微电网、储能装置、电动汽车等接入配电网改变了能量的平衡模式是智能配电网互动的驱动力，分析了智能配电网互动性的结构包括信息互动、业务互动和能量互动，分析了互动为电网、电源和用户带来的多种效益，提出实现网源荷互动应解决的关键技术，基于以上研究建立相应的智能配电网互动性评估指标。最后对智能配电网的互动性建设提出了有益建议。

关键词：智能配电网；互动性；分布式电源；电动汽车；评估指标

随着分布式电源、储能装置、电动汽车等接入，电力负荷主动参与电网调节，配电网的物理形态和能量平衡将发生根本性变化，具有双向灵活互动特性。网源荷互动已成为配电网未来的发展趋势，是实现高效利用多种能源，提高电网灵活性，友好接入各类风能、太阳能等清洁发电单元和多元负荷的基本要求，是智能配电网的重要特征[1-3]。互动性的科学评估是引导智能配电网建设、充分合理利用各种资源的理论依据，建立智能配电网互动性评估指标体系是互动性评估的关键。

目前，国内外已对互动性展开研究。高级量测和双向通信网络是互动的基础[4]，在此基础上实现信息互动是进行网源荷互动的前提，同时互动也会增加信息安全风险[5]。对电动汽车实行智能充放电管理能够发挥其节能减排和能源替代效益[6-7]。通过建设智能家居、智能小区等智能配用电工程，能够实现分布式电源有序并网、电动汽车有序充放电以及各种供电信息的综合管理和服务，为用户参与互动提供良好平台[8]。实时电价是调节用户参与互动的杠杆，根据互动需求及用户的响应程度制定合理的电价能够调节互动效果[9]。分布式电源容量占比、智能电表安装占比、储能系统容量占比等指标可用于反映智能电网的互动性[10-12]。

上述研究从某一方面对智能电网的互动性进行了研究，但还未深入剖析智能配电网互动性的内涵，未建立完善、系统的互动性评估指标体系，对互动性以及智能配电网建设的指导性不强。本文在对网源荷互动的驱动力、互动结构、互动效益及实现互动的关键技术等几个问题进行研究的基础上，建立智能配电网互动性评估指标。

1　智能配电网的互动性分析

1.1网源荷互动的驱动力

由于集中发电、远距离输电和大电网互联存在的弊端逐渐开始显现[2]，加之常规发电成本增加，环境保护意识增强，使得小型分散电源发电，尤其是清洁、可再生能源发电越来越受到重视。风能、太阳能等清洁发电单元以分布式发电的形式接入配电网能够缓解能源、环境压力，是实现节能减排和电力系统可持续发展的途径之一，同时分布式电源具有灵活性好、响应快、运行成本低等优点，是集中式发电的有益补充。但是，一些分布式电源出力稳定性和可调可控性较差，高渗透率下对电网安全稳定运行的影响较大。

电网规模以能够满足最大负荷的供电需求为电网建设的基本要求，由于电力负荷具有明显的峰谷特性，而通常高峰负荷的持续时间较短，如美国配电网的高峰负荷持续时间仅占全年运行时间的5%[1]，因此，在非高峰负荷期间造成巨大的资源浪费。电动汽车、微电网、储能装置等多元负荷的接入，改变了配电网负荷的特性，增大了负荷预测的难度。

智能配电网中，分布式电源和负荷都具有广域分布特性，能量平衡以分散分布的形式存在，改变了传统配电网能量从上级电网到用户单向流动的特性，使得能量在配电网中双向流动。再者，储能装置的渗透使电源发出的电能不必与负荷实际消耗的电能时刻保持平衡，系统能量的平衡由实时平衡转变为准实时平衡。因此，要充分发挥分布式电源、电动汽车、微电网、储能装置等新元素的作用，并避免其接入带来负面影响，实现智能配电网的能量平衡，需要对电网、电源和负荷同时进行调控，也就是说，配电网的物理形态发生了根本性的变化，有必要进行网源荷互动，形成新的能量平衡模式。

1.2智能配电网的互动结构

根据1.1小节的分析，建立信息互动、业务互动和能量互动3个层次的智能配电网互动结构，如图1所示。

图1　智能配电网的互动结构Flg. 1 Interactlon structure of smart dlstrlbutlon grld

目前，已有少量用户能够通过响应分时电价、实时电价等政策而进行互动。该互动模式是通过制定合理电价政策，引导用户进行互动，可调整用户的用电计划，实现削峰填谷目标[13-14]。由于缺少信息的互动，这是一种狭义的互动，并可能增加电网运行的不确定性，存在过度移峰或欠移峰的风险。

信息互动是实现网源荷互动的基础。由于分布式电源出力、配电负荷都具有较大随机性，尤其是各种新元素的接入增大了电网调度和控制的难度，通过信息互动将使电源和负荷“可见”。另外，电源和负荷的运行都具有一定的柔性，信息互动将为电源和负荷制定优化运行计划提供依据。

业务互动是实现网源荷互动的支撑。要实现网源荷三者的协调互动，必须形成各供电部门的业务互动机制。根据信息互动所获得的信息，营销部门核算用户的用电支出，并对电价策略进行优化；检修部门根据故障、缺陷等情况对设备进行检修；调度部门根据负荷的变化制定调度策略，并与检修计划进行协调；规划部门根据实际运行情况，校核容载比、供电可靠率等指标，分析安全性、可靠性等薄弱环节，考虑分布式电源和负荷规模及其发展趋势，以及配电网能够承受短时高峰负荷的能力，制定下一阶段的发展规划。可见，业务互动是各部门在信息互动的基础上形成的独立分工又协调合作的新运行模式，打破了传统信息不共享的条块状运行模式，使得全局优化成为可能。

能量互动是进行网源荷互动的目标。在信息互动和业务互动基础上，可为用户提供个性化供电需求服务，支持分布式电源、微电网、储能装置、电动汽车的“即插即用”式接入。具体来说，通过用户参与电价响应、电动汽车智能充放电等需求侧管理手段，优化用电量和用电时间，自动实现支持电网安全运行、降低峰谷差的目标，分布式电源则可就近为负荷供电，也可通过配电网对能量进行优化分配。

2　智能配电网的互动效益

通过网源荷互动能够改变电力供需关系，实现智能配电网的能量实时动态平衡，降低安全稳定运行风险，使电网、电源和用户均能获益。

投入配电网运行的分布式电源期望发电效益的最大化；电网期望用户优化其负荷特性，降低峰谷差，从而提高电网运行效率，最大化供电效益；负荷则期望电网能满足其多样化的供电需求，降低用电成本。通过信息互动、业务互动和能量互动，使三者收益同时最大化。

业务互动打破了传统配电网条块状运行管理模式，消除信息孤岛，实现智能配用电业务链上各个环节的数据共享，改变各业务部门基于局部信息进行决策的现状，为实现网源荷协调优化提供基础条件。

通过网源荷互动，用户改变用电时间，在负荷高峰时段减少用电量，能够缓解电网输电阻塞，降低负荷峰谷差，延缓应对高峰负荷新建厂站的投资，降低电网运行成本，在低电价时段用电，能够降低电费支出。分布式电源分布在用户侧，与负荷形成就地平衡，减少电能的远距离输送，降低损耗；紧急状态下作为重要用户的备用电源，能够减少停运电量，缩短停电时间；充分利用风能、太阳能等清洁能源，能够替代火力发电，减少煤炭消耗，降低碳排放[15-16]。在负荷低谷时段增加用电量或进行储能，利用分布式电源等进行移峰填谷能够提高能源利用率，通过网源荷互动，还可根据用户对电力的要求进行定制，满足多样性供电需求。

综上所述，网源荷在信息互动、业务互动基础上进行能量互动，能使智能配电网的运行更安全、可靠、经济、高效、清洁、优质，使得电网、电源和用户均能获益，如图2所示。

3　智能配电网互动的关键技术

智能配电网互动涉及多种对象和复杂的业务，以及多时间尺度的信息。为了实现智能配电网互动，需要重点突破多元混合双向通信、分布式电源控制、智能用电、储能和网源荷一体化调度等关键技术，这也是未来智能配电网互动的研究方向。

图2　智能配电网的互动效益Flg. 2 The beneflts of the lnteractlon ln smart dlstrlbutlon grld

3.1多元混合双向通信技术

智能配电网的终端包括各种智能电表[4]、种类繁多的数据采集终端和设备控制终端。这些终端数量巨大，分散分布在广域的空间中，并且采用相对专用的通信协议，很难采用统一的数据采集和信息交互方式。因此，采用物联网技术融合多种通信手段，建立多元混合通信平台，实现标准化、统一化、自动化的配电终端设备接入，是智能配电网互动的基础和重要保障，也是未来智能配电网通信的发展方向。

3.2分布式电源控制技术

风能、太阳能等分布式能源发电受自然环境的影响，具有较大的随机性。提高对分布式电源出力的控制能力是消纳分布式能源并减少其接入对配电网负面影响的重要途径。将分布式电源与负荷、储能装置组合形成微电网[17-18]，可减小电源和负荷的随机性，整体呈现相对平稳的外特性；利用不同类型能源的差异特性形成互补，如风光储互补，可获得更稳定出力特性；提高分布式电源出力的预测精度，可为其出力的控制提供支持。

3.3智能用电技术

智能配电网通过建设不同层次的智能用电管理系统，实现对负荷的智能管理。智能家居能够根据光线、温度、湿度等的变化自动调节用电设备的状态，减少电能消耗，并根据实时电价优化用电行为，减少用电开支[19]。智能小区能够实现电动汽车的有序充放电、分布式电源的接入与控制[8]。实施实时电价调节供需平衡[9，20]，并对不同类型的用户制定有针对性的需求响应策略，调动用户参与互动的积极性。

3.4储能技术

储能技术在互动过程中对保障智能配电网的安全稳定发挥着重要作用。容量较小的储能装置可与分布式电源结合以改善其输出特性；建立规模较大的储能电站，集合多种储能原理和规模的储能装置，能够为智能配电网实时、短期、中长期的不同运行需求提供能量调节空间，促进实时平衡，削峰填谷和能源的高效利用，系统的供需波动相应地转化为储能能量的波动[21-22]。储能容量的优化配置和储能设备的高效利用是储能技术需要解决的核心问题。

3.5网源荷一体化调度技术

智能配电网物理形态发生变化使能量平衡方式转变为网源荷三者的协调互动，互动使电源和负荷也成为智能配电网调度的对象，必须对网源荷同时进行控制才能实现能量平衡。将电网、电源和负荷结合起来，对各自的特征和发展趋势进行分析，考虑三者之间的相互作用，并对不同调度方案的安全性、可靠性、优质性、经济性、清洁性、高效性等进行评估，建立满足约束条件的一体化调度模型和算法，根据不同的运行状态优化调度策略，实现全局优化。

4　智能配电网互动性评估指标体系

4.1评估指标体系建立的必要性

智能配电网互动性的实现需要多方共同参与和协调，在此过程中，对互动性的内涵、目标、考核标准达成共识，是确保互动性实现的基础。建立适合本国需求的互动评估指标是各国公认的具有指导意义的方法。

我国配电网的网络结构、接线方式及自动化水平存在地域性差异，风能、太阳能等自然资源分布不均，新型负荷的接入比例及负荷特性也不完全相同，这使得智能配电网互动性建设没有统一的模式。透过影响互动性发展的外部因素，深入挖掘互动性建设过程中的核心要素，形成一组关键性能指标，客观反映智能配电网互动性的建设水平和发展效果，找到与目标的差距和发展方向，具有重要的实用价值和现实意义。

4.2评估指标体系建立的基本原则

为建立科学合理的评估指标，智能配电网互动性评估指标的建立应遵循以下3项原则：

1）定性与定量相结合。人类对事物的认知过程是由浅入深、从定性到定量，且实现智能配电网中网源荷互动需要一个较长的过程，建立的互动性评估指标须有一定的前瞻性。因此，对目前已经明确的问题建立定量指标，对了解还不够透彻的问题建立定性指标，并在以后的研究中逐步深入研究其量化方法。

2）科学与实用结合。评估指标的建立要考虑参数获取的难易程度、数据来源的可靠程度，为保证评估过程便于进行和结果的准确性，尽量选取容易获得且可靠的数据。

3）发展与兼容结合。评估指标与现有配电网评估指标中含有相同的指标，应采用通用、公认的形式，使建立的互动性评估指标具有兼容性，也便于对比和分析。

4.3评估指标体系的建立

实现智能配电网的互动性首先需要进行基础设施的改造和建设，使之具备互动的基本条件；在此基础上尽量发挥网源荷参与互动的潜力，扩大互动的范围和深度；通过互动使网源荷三者共同获益。综上所述，以互动支撑能力，互动水平和互动效果为二级指标建立智能配电网互动性评估指标。二级指标的综合程度较高，为建立精确的量化模型，结合前文所述的互动结构、互动效益、互动关键技术将3个二级指标进一步进行分解，形成多个三级指标，如图3所示。

5　智能配电网互动建设的建议

智能配电网互动性评估指标的建立能够为互动性建设提供一些有益建议。

5.1互动性的实现是一个长期的阶段性过程

将配电网建设成为网-源-荷互动的智能配电网需要一个长期的过程，可分为互动准备、互动形成和互动成熟3个阶段。

图3　智能配电网互动性评估指标Flg. 3 Interactlon evalulatlon lndlces of smart dlstrlbutlon grld

互动准备阶段是使配电网具备互动条件而对基础设施进行改造的阶段。高级量测体系（AMI）是智能电网的第一步，也是互动性的第一步。在此基础上建设电动汽车充电桩、充电站、储能电站等基础设施。在这个阶段，互动支撑能力上升较快，互动水平和互动效果初步显现。

互动的形成需要多种条件的成熟和配合，如新技术、新设备的研发，相关政策、法规的出台和完善，全社会互动意识的形成，新的控制、调度模式的形成等。随着互动支撑技术的逐渐成熟，互动将由小规模的局部互动逐渐发展到大规模区域互动。在互动形成阶段互动水平上升较快，互动效果逐步显现。

在互动的成熟阶段，智能配电网能够充分利用互动手段实现削峰填谷，降损节能，提高能源利用率，改善电网运行水平，从而支撑智能电网实现节能减排，改善能源结构等社会效益。在这个阶段互动支撑能力和互动水平保持较高水平，互动效果显著提升。

5.2互动性建设的各参与者应紧密配合

互动性建设的参与者包括电力企业、科研机构和政府部门等。电力企业是互动性建设项目的主要实施者。科研机构承担主要的技术研发和标准制定工作。政府部门从全局进行协调和考核。

在互动性建设的不同阶段，各参与者的工作重点和进度不同，应对其进行合理安排。在互动准备阶段，基础设施建设投资较大，但效益的回报是滞后的，对于承担主要建设任务的电力企业来说，经济效益是首要的，滞后的效益回报将影响其参与互动建设的积极性，此时政府部门应给予政策、资金等方面的支持。

科研机构的研发工作可以根据互动性的阶段划分，合理安排新技术、新设备的研发、试点和推广工作。政府部门应对科研进度进行督促和考核，并及时出台相关法律、法规，形成新的行业标准和国家标准，推广研发成果。

政府部门从全局出发对互动性建设进行监督和促进，并对互动效益进行考核。同时，还应通过社会舆论、媒体宣传等方式引导民众互动观念的形成。

6　结语

网源荷互动是智能配电网的新型能量平衡模式。互动性评估指标的建立是科学指导互动性实现的基础。本文深入分析了互动性的驱动力，互动结构是信息互动、业务互动和能量互动，对互动性产生的效益进行了分析，提出了实现网源荷互动的主要支撑技术。在此基础上建立了智能配电网互动性评估指标，并为互动性建设提出了阶段性的参考意见，具有一定的研究意义和实用价值。在本文研究的基础上，应进一步结合智能配电网互动性发展的实际情况，深入研究互动性评估指标的量化模型及互动性水平的评估方法，完善智能配电网互动性评估理论。

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王晓晶（1982—），女，博士，讲师，主要研究方向为智能配电网评估技术；

陈星莺（1964—），女，博士，教授，博士生导师，研究方向为智能配电网运行分析与控制、配用电自动化及其高级应用、电力市场与电力经济；

余昆（1978—），男，博士，副教授，研究方向为智能配电网运行分析与控制、配用电自动化及其高级应用；

张新燕（1964—），女，博士，教授，博士生导师，研究方向为风电场并网运行与控制技术。

（编辑冯露）

Project suPPorted by Nationa1 Natura1 Science Foundation of China（NSFC）（51367015）；Xinjiang University PhD Graduates Scientific Research Foundation（BS150253）.

Research on Interactlon Assessment Indlces of Smart Dlstrlbutlon Grld

WANG Xiaojing1，CHEN Xingying2，YU Kun2，ZHANG Xinyan1
（1. Co11ege of E1ectrica1 Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830046，Xinjiang，China；2. Co11ege of Energy & E1ectrica1 Engineering，Hohai University，Nanjing 210019，Jiangsu，China）

ABSTRACT：The estab1ishment of assessment indices of interaction is the basis for the assessment of the interactive 1eve1 and it a1so serves as a scientific guidance for interaction deve1oPment. This PaPer conc1udes that the driving force of the interaction of the smart distribution grids is that the energy ba1ance mode1 has been changed with distributed generation，micro grid，energy storage device and e1ectric vehic1e accessed to the smart distribution grid. The PaPer ana1yzes the structure of the smart distribution grid interaction inc1uding the bidirectiona1 communication of information，business and energy，and it a1so ana1yzes benefits the interaction brings about to distributed generations，customers and distribution grid，and Puts forward the key techno1ogies to be so1ved for the interaction. Based on the research，severa1 interaction assessment indices are ProPosed and fina11y severa1 usefu1 suggestions are ProPosed in the PaPer.

作者简介：

收稿日期：2015-09-14。

基金项目：国家自然科学基金项目（51367015）；新疆大学博士毕业生科研启动基金（BS150253）。

文章编号：1674-3814（2016）01-0001-06

中图分类号：TM862

文献标志码：A