面向能源互联网的主动配电网技术

叶小忱, 王承民, 孙伟卿, 田坤鹏

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240;2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

面向能源互联网的主动配电网技术

叶小忱1, 王承民1, 孙伟卿2, 田坤鹏2

(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240;2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

主动配电网(ADN)是可以主动控制和管理分布式能源的配电系统，是电力系统乃至能源互联网中解决分布式清洁能源高占比问题的有效途径。介绍了主动配电网的定义和基本特性，总结了面向能源互联网的主动配电网的现实意义。阐述了能源互联网环境下主动配电网的关键技术，包括综合规划技术、需求侧响应、多源协同优化调控技术等，以及能源互联网环境下主动配电网技术支撑，包括交直流主动配电网、储能技术、信息通信技术、电动汽车技术和电动汽车与电网互动(V2G)技术等。主动配电网是大规模分布式能源(DER)并网的有效解决方案。随着相关技术的进步，主动配电网将过渡为能源互联网背景下智能配电网的核心，并且加速向适应能源互联网的方向转变，具有广泛的应用领域和可观的应用价值。

电力； 可再生能源； 能源互联网； 分布式能源； 配电网； 储能技术； 微电网； 可靠性

0 引言

随着各国对可再生能源开发的关注，能源结构逐渐呈现出多元化特征。基于化石燃料大规模利用的工业模式正走向终结，以可再生能源技术和信息通信技术为主要特征的新型能源利用体系——能源互联网初见雏形。能源互联网是能源产业发展的新形态。其以可再生能源为主要一次能源，支持大规模分布式能源(distributed energy resource，DER)接入，依靠互联网技术实现广域能源共享，其网络还具有资源优化配置与中枢核心优势[1]。能源互联网以大电网为“主干网”，以分布式能源和微网等单元为“局域网”，以能源路由器为智能控制单元，实现了能源的双向按需传输和动态平衡使用。

加快可再生能源在电力生产方面的应用主要有两种途径：一种是将大型可再生能源基地接入输电网，通过高电压远距离输电线路将电能输送到消费端；另一种就是将分布式电源(distributed generation，DG)接入配电网，通过就地消纳的方式供给负荷。风电、光伏等分布式电源具有数量较大、分布分散、间歇出力、潮流波动随机等特征，其大量涌入区域内会对电网的继电保护、故障恢复、电能质量等方面产生较大影响。分布式储能、可控负荷等分布式能源的渗透率在电力系统中的不断提高，对电力系统，特别是配电网的安全性、可靠性、经济运行能力提出了更高的要求。因此，要实现分布式能源与配电网的友好集成，提高可再生能源的渗透率，满足可再生能源安全消纳与用户对电能质量和供电可靠性的更高要求，必须采用与之适应的先进配电网技术。

基于此现状，主动配电网(active distribution network,ADN)技术[2]应运而生，其被认为是电力系统乃至能源互联网解决高占比分布式清洁能源问题的有效途径。本文将阐述主动配电网和能源互联网的基本定义和核心特征，并讨论能源互联网环境下主动配电网的关键技术和技术支撑。

1 主动配电网概念综合剖析

1.1 主动配电网定义

近年来，以分布式发电、可控负载、储能装置、电动汽车为代表的大规模分布式能源在用户侧并网，给依靠较大容量裕度、运行控制方法相对简单的传统配电网带来了诸多挑战，例如不仅使配电网络的规划设计与运行控制方式变得更加复杂，而且给运营监管方式、经济性评估、故障处理和保护造成了很大的影响。为了应对高渗透率分布式能源的接入，传统配电网正从被动模式向主动模式过渡，主动配电网应运而生。

主动配电网是可以主动控制和管理分布式能源的配电系统。主动配电网利用先进的通信与信息技术和电力电子设备，对大规模接入分布式能源的配电网进行主动管理，能够自主协调控制不同类型、规模的分布式能源单元，在积极消纳可再生能源的同时保证电力系统的安全经济运行[3]。以前期优化的规划设计为基础，在运行中实施主动控制和灵活的市场运营方案调节电能平衡；同时，采用全局优化、局部自治的思想来控制配电网的运行，并通过市场手段调节用户的用电行为。

主动配电网构建结构灵活，能够灵活接入分布式能源、实现智能微网的协同互动，以提高能量传输网络的优化配置能力。针对电力系统实际运行状态的主动配电网，能够改善用户的供电可靠性和电能质量，提高配网设备的利用率，延缓配电网的升级投资，是解决分布式能源与微小能源生产的大规模可靠接入和消纳的有效途径，是配电网发展的高级阶段。

1.2 主动配电网基本特性

由于主动配电网可以满足高渗透率分布式能源的充分消纳，因此其被认为是电力系统乃至能源互联网解决分布式清洁能源接入问题的有效途径。主动配电网主要有以下六大特点。

①新的综合规划体系。主动配电网规划不仅要考虑布线、网络重构、安装联络开关等传统配电网规划的内容，还要考虑间歇性可再生能源接入以及需求侧响应等管理手段带来的不确定性，提高规划的适应性和灵活性。

②协调优化控制。主动配电网的核心功能是对配电网的主动管理，即采用灵活的协调控制技术和管理手段，实现配电网对可再生能源的高效接纳和对现有资产的高效利用。分布式能源的协调优化控制有助于潮流管理、网络快速重构、区域能源优化配置和高效利用。

③灵活的市场运营。灵活的市场运营核心目标是发挥市场机制的作用，依靠基于供需情况的实时电价和供售电合同等市场手段，优化配置负荷和可再生能源，保证配用电平衡，促使电力系统经济、安全地运行[4]。在主动配电网中，电力用户可以直接参与电力市场互动。

④先进的电力电子设备。安装有功与电压无功调节设备，如静止无功补偿装置(static var compensator，SVC)、静止同步发生器(static synchronous compensator，STATCOM)、统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)等。光伏、风力发电机以及储能装置需要经过电力电子变流装置接入配电网，因此变流器是配电网对分布式电源进行主动管理的基本单元。变流器通过适当的控制策略，协助配电网管理系统完成潮流控制、无功补偿和故障保护等工作[5]。当上级供电网络发生故障且配电网进入孤岛运行状态时，通过对变流器的控制，能够迅速恢复本地分布式电源对配电网内负载的供电，提高配电网的孤岛运行能力，进而提升配电网络的可靠性[6]。

⑤先进的信息通信技术(information communications technology，ICT)。配电网中分布式电源、储能装置、负荷等设备之间的数据信息交换是实现主动管理的基础，需要依靠信息通信技术。信息通信技术主要分为高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)和相量量测单元(phasor measurement unit，PMU)，AMI是具有测量、收集、储存和分析用户信息功能的完整系统。ICT的应用有助于广泛互联、高度智能、开放互动的主动配电网建设。

⑥离网运行。主动配电网能够不依赖输电网，利用接入的分布式电源与储能装置给全部或部分负荷供电，即可实现离网运行。离网运行不仅能降低配电网对主网的容量需求、提高电力系统的资产利用率，还能提高对故障的应对能力，实现能源的高效利用和高品质、高可靠性供电。

2 能源互联网及其现实意义

2.1 能源互联网定义与特征

能源互联网是以电为核心，以清洁能源为主导，采用先进信息通信技术和电力电子技术，满足分布式系统接入，对各类能源设备实施广域协调控制，使电、气、热等多种能源可相互转化，实现能源优化配置与效率提升、供需互动的智慧能源系统。从功能的角度出发，能源互联网涉及能源的生产、传输、形式转换和供给消费多个环节。从具体实现的角度出发，能源互联网不仅强调输、发环节，而且关注配用环节。在宏观层面，以特高压技术、交直流柔性输电技术为依托，建立跨洲际的全球能源互联网；通过多能源协调调度控制的主动配电网技术，打造城市能源互联网。全球能源互联网和城市能源互联网通过联合互补，构建完整的能源生态体系[7]。

能源互联网具备以下六个主要特征。

①能源清洁互联。能源清洁互联满足了大规模清洁能源的接入与消纳，各类能源实现了开放互联。

②多能协调互补。多能协调互补实现了对电力、天然气、热能等各类能源的广域协同调度控制与最佳匹配，能源形式多元化，相互转化灵活多变，能够提高能源综合使用效率、降低能源使用成本。

③供需分散互动。集中式与分布式能源并行发展，满足大规模分布式能源与分布式系统的接入，实现系统即插即用、能量就地消纳，能源的生产、传输和使用在空间上不再分隔，供需双方平衡互动。

④设备智能自动。各类监测、控制、调度、通信设备的智能化、自动化水平高，系统通过海量数据量测和处理实现自治控制与故障自愈。

⑤信息对称共享。打破行业间、角色间的信息不对称，构建开放的能源信息网络，允许能源信息的自由共享，支持提供信息增值服务。

⑥交易平等开放。保证能源市场无障碍、无差别准入，建立多方互动参与、平等开放、充分竞争的能源市场交易体系，实现能源产销合一。

2.2 面向能源互联网的主动配电网

能源互联网以电力系统为核心，依靠互联网技术和新能源发电技术，建立了集电力网、信息网、能源网、交通网等多网融合的能源生态系统。建立能源互联网的主要目标是实现能源利用由集中式化石能源向分布式可再生能源的转变，同时更加注重多种能源形式之间的综合互补利用。随着分布式设备的增加，供电可靠性和经济性的要求不降反增，必然要求配电网具有灵活的“源-网-储-荷”协调控制手段，能够针对电力系统的实际需求和运行状态，改变其网络拓扑、发电及负荷运行状态，自适应地调节配电网潮流分布。因此，为了构建以智能电网、特高压电网、清洁能源为核心内容的能源互联网，需要主动配电网的技术支撑。

主动配电网利用先进的信息通信技术和电力电子技术对接入分布式能源进行主动管理，通过协调控制实现跨区域资源间的优化配置，并通过灵活的拓扑结构来按需定制潮流。主动配电网承上启下，向下依靠微网的自治控制管理分布式电源，向上与输电网进行动态交互，通过配电层的协调优化来减小分布式电源大规模接入对输电网的冲击，提高对大规模分布式电源的接纳能力。主动配电网的应用保证了配电网在分布式电源高渗透率条件下的安全稳定运行，为能源互联网大规模使用可再生能源代替化石能源提供了有效途径。主动配电网是能源互联网电力系统层面的建设基础，为能源互联网的建设提供了技术和设备支持。随着不同种类分布式清洁电源渗透率的提高，以及储能、柔性负荷等技术的发展，主动配电网将过渡为能源互联网环境下泛在智能电网的配电网部分，并且加速向适应能源互联网的方向转变。

3 主动配电网关键技术

3.1 主动配电网综合规划技术

配电网络规划的目标是找到既满足电力需求，又可用较低的成本实现安全和运行控制目标的相对最优网络设计方案。传统配电网规划过于保守，既没有考虑大规模分布式电源的接入对配电网的影响，也未考虑主动配电网主动管理、灵活控制的特性，电网资产利用率较低。与传统配电网规划不同，主动配电网规划在保证系统安全稳定运行的基础上，考虑间歇式可再生能源发电及其优化配置、负荷需求增长、需求侧响应等因素，实现基于概率性负荷预测和差异化设计，完成基于多时间尺度的综合规划。主动配电网规划综合考虑网络解和非网络解，引入先进二次智能设备，建设可靠的通信网络，通过快/慢动态仿真分析，提升了系统的供电可靠率、可再生能源利用率和总体经济效益。一般来说，配电网规划的步骤包括规划前的资料收集和准备、电网现状分析与评估、负荷需求预测、根据目标函数拟定配电网结构布局方案。

提高分布式可再生能源发电量占比，可以采用两种方法：传统的网络改造方法和非网络改造方法(即二次方法，如无功补偿、电压调整、发电负荷动态调整等)。目前已开展了许多以主动配电网规划为中心的研究工作，研究重点在于如何将传统配电网改造规划方法拓展优化并与二次方法结合。文献[7]在配电网规划过程中结合了高级集中电压调整系统，考虑在现有配电系统数据库、负荷预测模型的基础上，增加高级集中电压调整系统所提供的信息作为辅助。文献[8]提出了一种在主动配电网规划过程中考虑诸多优化目标因素和计算方法的综合模型。

3.2 需求侧响应

需求侧响应是主动配电网框架下的重要互动资源，通过价格信号或激励机制引导用户快速作出响应，进而调整用电方式，从而灵活部署分布式电源、可控负荷、储能设备、电动汽车等需求侧资源。需求响应改变了传统配电网发电跟踪负荷变化的运行模式，使用户主动参与到配电网管理中；通过双向信息交互和分时电价引导，平抑间歇性可再生能源的随机波动，达到削峰填谷的目的。结合柔性负荷的运行和动态响应特征，考虑不同类型能源时域的差异性，通过多能互补、阶梯使用、存储转换等协调控制方法，实现高渗透率分布式能源的充分就地消纳。需求侧响应可有效解决或减轻系统备用短缺、输配电能力不足等问题，维持配电网供用电平衡，从而提高供电可靠性和电网设备资产的使用效率和寿命，及系统整体运行的综合能效。

3.3 多源协同优化调控技术

在当前配电网中，分布式电源的实际运行状态限制了其自身的调控能力，柔性负荷的调控能力受限于自身特性，两者的独立控制无法达到理想的效果，且增加了配电网的运行成本。多源协同优化调控技术的核心是对可控资源的联合调度，通过电网运行状态实时感知、态势分析和智能计算，建立了可控资源的跨区域分布式控制模型。在能源互联网的背景下，可控资源不仅包括常规电能，还包括气、热、冷等多种能源形式之间的优化调控。但是，与电能的即时性不同，气、热、冷等能源具有滞后的调度特性，在建立目标模型时还要考虑时间尺度上的协调一致，储能设备有助于平衡多种能源形式的时空差异性。

多源协同优化调控技术通过柔性负荷自动需求响应、微网自治控制和可再生能源梯级调用，并根据设定的优化策略，实现能量跨区平衡和主动配电网的协调优化运行。根据对时效性和可靠性的不同需求，结合主动配电网中不同层级的运行目标，多源协同优化调控可以分为就地控制、分层控制和全局控制三种模式。

4 主动配电网技术支撑

4.1 交直流主动配电网

在主动配电网中，光伏、风电等可再生能源生产的电能均为直流电或经过简单整流的直流电；用电侧大规模互联网、移动通信服务器、发电厂和变电站控制机房也都采用直流供电方式，同时办公、商业、居民用电中越来越多的设备采用直流变频技术。直流供电可省去电力电子变流器的大量使用，迅速调节有功、无功功率，从而降低系统功率损耗和运行成本，提升综合能源利用率。可再生能源、新型电力电子技术、柔性负荷的不断创新必将促进直流配电网的发展，对于以消纳可再生能源、提升电能质量和供电经济性为主要目标的主动配电网而言，交直流混合配电网将起到重要的支撑作用。

交直流主动配电网通过柔性互联电力电子设备灵活控制馈线上的有功、无功潮流，实现多母线间的负荷均衡，优化系统的供电能力。柔性环网控制装置提供动态无功支持，在设备过载、检修、故障时限制故障电流，实现了负荷经济安全转移，减少了转供过程的短时电力中断。此外，交直流主动配电网能够提升高渗透率分布式电源的供电容量，实现了其在更广域的潮流范围内的优化调度。

4.2 储能技术

在能源互联网中，电力较其他传统能源具备无可比拟的优势，但是电力无法像其他传统化石能源那样进行大规模的储存。风、光等分布式能源带来的波动性与间歇性，容易对电网形成冲击进而影响运行安全；准确预测风、光发电功率的技术也尚未成熟，导致分布式能源发电能力无法满足调度计划的需求，从而在很大程度上限制了大规模分布式能源的开发与使用。因此，随着主动配电网的逐步发展和以风电与光电为代表的大规模可再生能源的接入，储能技术，特别是大规模的储电技术，就显得尤为重要。在能源的生产环节中，大规模的储能设备可以提供足够的缓冲，提高可再生能源的供电稳定性，提高配电网消纳分布式能源的能力；在能源的输配环节中，大规模的储能设备能够解决调频、调峰问题，同时作为电网故障时的备用和启动电源；在需求侧方面，大规模的储能设备有助于满足供电可靠性与电能质量的要求，可延缓配电网的升级投资。

电池储能作为一种应用较为广泛的储能技术，具备能量密度高、响应速度快、运行成本低等诸多优点，但是在储能规模、使用寿命、环境污染等方面依然存在不少问题。电池储能的关键是储能材料，世界各国均不断投入成本进行深入研究,以获取更高的能量密度、更大的存储容量、更好的转换效率和更稳定的性能。除了电池储能技术之外，储能技术还主要包括抽水蓄能、氢储能、压缩空气储能、混合储能等。

4.3 信息与通信技术

在能源互联网中，网络基础设施庞大且分布广泛，大到大型发电设备、小到家用电器，涉及产品从生产到使用的所有环节，并遍及社会各个角落。能源互联网的构建，需要能源网络和信息通信网络的高度、紧密融合，需要对不同层级、规模的各能源网络进行信息化、数据化处理，从而实现实时监测、感知、信息互通及智能控制等功能。信息通信技术，是能源互联网成为一个真正实施各种能源互补协调控制、提高用能效率的智慧型网络的有力保障。

同时，由于配电网中分布式能源、负荷和保护装置之间的数据信息交换是实现主动配电网管理的基础，因此，信息通信技术也被视为主动配电网管理能否成功实施的关键因素之一。信息通信技术的发展，可以从根本上改变信息流和电力流单向流动的现状。通过建立双向、实时、互动的通信平台，可实现大规模分布式能源、储能设备、可控负荷、微网的灵活接入和控制。在面向能源互联网的主动配电网中，需要重点关注采集监控技术、大数据和云计算技术。

主动配电网的运行，对数据信息的及时性、精确性和完整性有很高的要求，因此采集监控技术是主动配电网信息和运行控制的基础。采集监控技术主要包括采集传感技术和物理控制技术。考虑到主动配电网中数量庞大的基础设施，采集监控技术需要具有低成本(采集点数量庞大)、多功能(不同能源的多种信息)、高集成性(多种信息集成)、高可靠性等特性。

在能源互联网和主动配电网构建的过程中，庞大的物理设施与能量流，将会产生海量数据信息汇集与高速数据信息交换等需求。大数据技术能够提升信息跨区域集成、数据多级计算和智能化分析能力，实现协同数据处理、多层次异构和复杂关联分析的功能[9]。由于能源网络基础设施产生的海量数据与各种应用平台的数据、信息分析需求，大量的计算工作随之产生，云计算技术可以提供一个便捷可用的、按需的网络访问平台。云计算技术通过对各种数据进行整合，实现了实时监控、数据存储、数据分析、可视化、能效分析等功能，形成了包括网络、服务器、应用软件、存储、服务等功能的可配置、可共享的计算资源，为能源互联网和主动配电网搭建数据中心与智能管理平台。

4.4 电动汽车技术和V2G技术

从绿色交通的角度出发，电动汽车技术用电能替代汽油，能够大规模减少化石能源的使用，因而符合能源互联网的核心理念。通过对电动汽车智能充放电管理系统的研究发现，可以有效利用车载电池的储能功能，在一定程度上解决削峰填谷与平抑可再生能源电力波动的问题。但是，常见的电动汽车与电网之间频繁的接入与脱离行为(充放电)，会对电网造成冲击、危害主动配电网安全，也有可能加剧不同区域之间的供需不平衡。

汽车入网(vehicle to grid, V2G)技术的应用可以有效解决上述问题。V2G技术通过车辆用能自主评估和用户行为规律分析，实现了电动汽车的即插即用；通过车辆自主智能控制和有序集群管理，实现了和分布式电源之间的双向交互和协同增效。V2G技术充分利用移动储能的时空自由性，进而平抑分布式电源间歇性的功率波动，提升了分布式电源的消纳能力和存储能力。现有的电动汽车相关技术尚未完全成熟，要实现真正的产业化、市场化，还需要在电池技术、能量管理技术、电力驱动及控制技术、整车技术等方面进行大量研究。

另一方面，车辆属性对V2G的应用产生了束缚，而在V2G的基础上解耦电动汽车本体与动力电池，就可以定义一种新的概念“动力电池与电网交互(battery to grid，B2G)”。B2G技术依托于大规模集中式电动汽车充换电电站的建设，可实现动力电池与电网的电能直接交互，是V2G概念的扩展和升级[10]。

5 结束语

主动配电网支持高占比可再生能源的灵活接入和消纳，通过主动控制和主动管理，实现了多种能源协同优化，可大幅提升资产利用率和综合能源效率。能源互联网是能源系统的发展趋势。能源互联网环境下的主动配电网如何适应新环境、两者如何相辅相成，都十分具有研究价值。

本文介绍了主动配电网的特征以及能源互联网的六大特征和现实意义，分析了主动配电网支持能源互联网的运行模式。围绕着能源互联网环境下的主动配电网这一概念，对综合规划、需求侧响应、多源协同优化调控等关键技术进行了总结；对交直流主动配电网、储能技术、信息通信技术、虚拟电厂技术、电动汽车技术和V2G技术等技术支持进行了归纳。

[1] 刘涤尘,彭思成,廖清芬,等.面向能源互联网的未来综合配电系统形态展望[J].电网技术,2015,39(11):3023-3034.

[2] 范明天,张祖平,苏傲雪,等.主动配电系统可行技术的研究[J].中国电机工程学报,2013,33(22):12-18.

[3] 马钊,梁惠施,苏剑.主动配电系统规划和运行中的重要问题[J].电网技术,2015,39(6):1499-1503.

[4] 陈炯聪,宋旭东,余南华.主动配电网及其关键技术研究[J].广东电力,2014,27(10):79-94.

[5] 赵波,王财胜,周金辉,等.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.

[6] 尤毅,刘东,于文鹏,等.主动配电网技术及其进展[J].电力系统自动化,2012,36(18):10-16.

[7] 黄仁乐,蒲天骄,刘克文,等.城市能源互联网功能体系及应用方案设计[J].电力系统自动化,2015,39(9):26-33,40.

[8]NIKOSH,EVANGELOSK,ACHILLEAST,etal.OntheDERhostingcapacityofdistributionfeeders[C]//23rdInternationalConferenceonElectricityDistribution,Lyon,France,2015.

[9] 王继业,郭经红,曹军威,等.能源互联网信息通信关键技术综述[J].智能电网,2015,3(6):473-485.

[10]于强强,韩学山,郝广涛,等.考虑储备阈值的电动汽车换电需求分析 [J].电力系统自动化,2014,38(10):49-54.

Technologies of Active Distribution Network Orienting to Energy Internet

YE Xiaochen1, WANG Chengmin1, SUN Weiqing2, TIAN Kunpeng2

(1. School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240，China;2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Active distribution network (ADN) is the power distribution system which can actively control and manage distributed energy; it is an effective way to solve the problem of high proportion of distributed clean energy in power system and energy internet.The definition and basic characteristics of ADN are introduced,and the practical significance of the ADN orienting to energy internet is summarized.Some key technologies of AND are presented,including integrated planning,demand response and distributed cooperative dispatch,etc.Also some technical support of ADN are introduced,such as AC and DC active distribution network,energy storage technology,information and communication technologies,electric vehicles and vehicle-to-grid (V2G).ADN is one of the effective approaches to admit large scale distributed energy resource (DER) into grid.With the developing of technologies,ADN will transit to the core of smart distribution network orienting to energy internet,and accelerate to cooperate with energy internet,and it has a wide range of application areas and considerable application value.

Electricity; Renewable energy; Energy internet; Distributed energy resource (DER); Distribution network; Energy storage; Micro-grid; Reliability

叶小忱(通信作者)，女，在读硕士研究生，主要从事智能配电网和主动配电网可靠性评估方向的研究。E-mail: lnpjhongyang@126.com。 王承民(1970—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事电力系统规划与经济运行方向的研究。E-mail: wangchengmin@sjtu.edu.cn。

TM727;TH-39

A

10686/j.cnki.issn 1000-0380.201701002

修改稿收到日期：2016-11-22