适应新型电力系统发展趋势的配电网集中-分布式形态及其分层分区方法

赵鹏臻，谢 宁，殷佳敏，王承民

（上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）

0 引言

近年来，风电、光伏等新能源大量替代常规机组，电动汽车、分布式能源、储能等交互式用能设备广泛应用。然而分布式电源出力的不确定性和波动性会很大程度上影响电网的可靠性[1]，电力电子技术和储能技术的发展也给配电网带来了双向潮流等一系列问题。同时，多能源互补发电正在逐渐替代传统的单一能源发电，发电由集中式逐渐向分布式过渡，一定程度上加剧了电网的不稳定性。在这种情况下，传统电网的形态与规划方法已经不再适用，亟需一种全新的、符合当前配电网复杂化发展趋势的运行管理模式及形态。

为此，电力行业进行了一系列的尝试。欧盟资助的智能电网综合研究计划ELECTRA 在2015 年国际供电会议上提出了自治电网的概念，现下多称为元胞电网，其是采用分布式形态结构的电力系统的典型代表[2]。含微网的主动配电网以集中式配电网为主，分布式微电网为辅，可通过拓扑变化降低损耗，提高效益。微网作为独立自治主体，有效接入新要素，能在主网故障情况下满足更多负荷需求[3-6]；同时主动配电网可以发挥集中式作用，通过对内部电源的主动控制来达到电网经济运行的目的[7-10]。耦合协同型配电网以集中式为主发挥规模经济效益，在大面积故障时转为分布式结构，有效保障负荷需求，正常运行状态下全网协调运行，崩溃状态下分解为耦合单元独立运行。

在规划模型方面，文献[11-15]通过网格化的规划方法规范配电网的建设从而实现供电高可靠性的目标。文献[16]提出了基于网格化单元制的配电网调控运行系列关键技术。文献[17]采用了基于地理系统的网格化规划方法。文献[18]利用层次分析法建立了网格建设需求评价体系，实现城市配电网目标网格的有序过渡。文献[19]提出了基于负荷聚类分块的中压配网网格化规划方法。文献[20]提出了一种利用船舶储能的近海灵活供电网络规划方法，实现了高可靠性的分布式电网构建。文献[21]提出了基于“双Q 理论”的配电网单元制规划技术。文献[22]实现了以单元制配电网为特征的运行控制，显著提高了配电网的供电可靠性。文献[23]利用单元制规划对分布式电源电网网架实现重构。

综上可以看出，目前业内已经对电网组织形态的发展开始了研究，使配电网逐步适应未来电力系统的发展趋势。但是这些研究尝试较为纷繁复杂，同时也尚未形成统一协调的规划体系，不利于后人在此基础上进行更进一步的研究。为梳理未来配电网集中-分布式形态的定义功能，明确其与传统配电网的本质区别，构建清晰规划体系，本文基于复杂系统控制理论，提出未来配电网的集中-分布式形态以及在该形态下配电网的规划流程与聚散运行方式，并针对规划流程中的分层分区与电力电量平衡进行了详细的探究。

1 未来配电网的集中-分布式形态及其规划流程

1.1 集中-分布式形态结构

未来配电网的集中-分布式形态是基于复杂系统控制理论[24]，配合其大系统集中-分布式运行管理体系的未来配电网形态，它将系统分为集中层、协调层、分布层3 层结构，具体架构如图1 所示。

图1 未来配电网的集中-分布式形态Fig.1 Centralized-distributed pattern of future distribution network

在集中-分布式形态中，集中层、协调层、分布层3 层间层次分明，在控制权限上分属不同层级，体现出集中思想，提高了资源分配效率。另一方面，协调层和分布层的同一层级下可存在多个电网结构，且各自的控制权限分属于上层级的不同模块，彼此完全独立，体现出分布思想，增强了电网的灵活性，提高了可再生能源就地消纳能力。

1.2 规划流程及聚散运行方式

1.2.1 规划流程

传统配电网的规划流程主要包含负荷预测和网架规划[25]。而未来配电网在集中-分布式形态下的规划流程产生了较大的变化，具体规划流程如图2 所示。

图2 集中-分布式形态配电网的规划流程Fig.2 Planning process of centralized-distributed distribution network

大量灵活性资源的接入给未来配电网的运行带来了更多的不确定性，为了更准确地预测负荷的增长情况，需要将负荷预测和电源规划相结合，即将净负荷预测与分布式电源规划协同进行，从而制定分布式发电和储能的装机计划并得到净负荷预测。

集中-分布式形态中，配电网被分为集中层、协调层、分布层3 层结构，且灵活性资源的接入使得未来配电网具有较低的净负荷密度。因此相较于传统配电网，未来配电网的规划流程中增加了分层分区环节，以保证短时孤岛能力下最小化功率缺额，从而减少损耗与成本。

在网架规划的过程中，则需要根据负荷预测与电源规划、分层分区的结果逐级确定主接线模式及电力平衡，确定变电设施和输电线路的建设及扩建计划。

1.2.2 聚散运行方式

集中-分布式形态下的控制模式是基于协调层和联络线控制的“聚散”多状态运行模式，具体架构如图3 所示。配电网正常运行状态为“聚”状态，该状态下的分布层电网与协调层电网通过联络线进行电能和服务交易，同时随时改变部分联络线的通断状态以达到潮流最优的效果；当分布层电网发生故障时，会紧急切入“散”状态运行，防止故障扩大影响主网运行。

图3 “聚散”运行方式架构Fig.3 Architecture of“gathering and scattering”operation mode

集中-分布式形态下的“聚散”运行方式其模式切换较传统配电网更加灵活，可利用协调层的控制灵活切换模式，及时准确地处理电网中各种突发情况。这种高灵活性、高自由度的运行方式控制策略使得未来配电网具有更高的可拓展性。

2 分层分区及电力电量平衡

2.1 分层分区方法

2.1.1 集中层和协调层划分方法

集中层和协调层是开展高压配电网规划的基本单位，主要用于高压配电网变电站布点和目标网架构建。其中，集中层为220 kV 变电站，直接与输电网相连；而协调层为110 kV 线路，直接与集中层相连。一般一个集中层下设一个或多个协调层，原则上每个协调层下负荷不超过1 000 MW。

2.1.2 基于多层聚类的分布层划分方法

分布层电网是开展中压配电网目标网架规划的基本单位，确定分布层电网划分是未来集中-分布式形态配电网规划工作的重点，其划分依据主要是最小化功率缺额，即净负荷最小。由于功率缺额需从协调层传输，而较大的传输功率意味着更高的运行损耗和故障电流，且网架成本也更高，因此最小化分布层电网的功率缺额可有效提高系统的经济性和可靠性。

基于多层聚类的分布层电网分区划分方法是一种自上而下确定标准、自下而上聚类划分的方法，其主要流程包括确定净负荷密度及多级聚类2个部分，如图4 所示。

图4 基于多层聚类的分布层划分方法Fig.4 Distribution layer division method based on multilayer clustering

具体流程如下：

1）确定配电网规划范围，以及集中层所覆盖的范围。

2）使用负荷预测和电力电量平衡方法确定整个集中层的净负荷密度及未来增长情况，确定分布式电源和储能容量的分布情况，最终得到其数据的分布密度统计图表。

3）明确分布层电网建设目标数量和范围，以分布层电网和集中/协调层功率交换最小为目标，计算得到每个分布层电网应有的最小净负荷值Pmin,avr：

式中：Nd为分布层电网建设目标数量；Nc为负荷预测和电力电量平衡统计区域数；PLoad,max,j为区域j的最大负荷；CDG,avr,j为基于分布式发电处理模型和多能互补发电模型的区域j平均分布式发电出力；CES,max,j为区域j的储能最大出力。

4）确定规划区域内所有地块（或用户区块）的类型、净负荷密度、地理位置和面积。

5）以类型统一、地理位置接近为目标，利用聚类方法得到各供电单元。

6）以净负荷值平均最小、地理位置接近为目标，利用聚类方法得到各分布层电网。各分布层的净负荷值计算公式如式（2），聚类过程如图5 所示。

图5 分布层电网聚类流程Fig.5 Process of distribution layer grid clustering

式中：Pavr为净负荷值；T为统计持续时间；CDG,t为t时刻分布式电源的出力；CES,t为t时刻储能的出力（充电为负值）；PL,t为t时刻的负荷；CDG,avr为分布式电源的平均出力；CES,avr为储能的平均出力；PL,avr为平均负荷。

具体聚类流程为：（1）输入分布层电网最大面积、各供电单元净负荷密度、面积、地理位置、类型，预计分布层电网数、净负荷值后，以均匀分布为依据初始化聚类中心；（2）对每个聚类中心周边净负荷密度进行估计，计算每个分布层电网预计面积，再遍历所有储能类型供电单元，将其划入最近分布层电网聚类中，并遍历其余所有类型供电单元，将其划入可使净负荷值向目标靠近的最近分布层电网聚类中；（3）更新聚类中心，若是达到迭代上限则输出分布层划分结果。

2.2 电力电量平衡

2.2.1 逐级电力平衡

逐级电力平衡分为集中层电力概率平衡、协调层电力概率平衡和分布层电网分区电力概率平衡，具体步骤如下：

1）集中层电力概率平衡。集中层在整个配电网范围内依据式（3）对所有协调层电网进行电力平衡，从输电网调度电力，满足区域内分布式电源出力无法覆盖的负荷。

式中：CTtF为集中层从输电网调度的出力；NC为集中层所属的协调层电网数；CFtC,k为第k个协调层电网从集中层调度的出力；σ为可接受误差，表示要求电力平衡概率所接受的失误率，该参数与可靠性相关，可靠性越高，该系数越小。

式（3）表示集中层优先在所有协调层配电网之间进行电力平衡，剩余部分从输电网调度。

2）协调层电力概率平衡。协调层依据式（4）在所覆盖的分布层电网间完成概率平衡。

式中：CFtC为协调层从集中层调度的出力；CES,C为协调层中储能出力；ND为协调层电网下所属的分布层电网数；αl为第l个分布层电网的平衡比；PLoad,max,l为第l个分布层电网的最大负荷；D为备用系数，考虑到分级调度以及可再生能源就地消纳，一般取0.2～0.3。

式（4）表示在一定的概率要求下，集中层调度出力和协调层储能出力之和，可以匹配协调层所属所有分布层电网中分布式电源不能覆盖的部分负荷。

3）分布层电网分区电力概率平衡。分布层电网分区需要综合考虑源荷储出力概率模型，依据式（5）完成概率平衡。

式中：CDG,d为分布层电网中分布式电源出力；CES,d为分布层电网中储能出力；PLoad,max,d为分布层电网中最大负荷；α为平衡比，表示分布式电源要承担的负荷比例，该系数与规划区域的可再生能源分布情况、投资成本等相关。

式（5）表示分布层电网中分布式电源和储能的出力，匹配其所需承担的最大负荷比例的概率要满足一定的要求，根据各级电力平衡公式，每一层的概率平衡都有不同的可接受误差。集中层的可接受误差最小，协调层根据其所属的分布层电网的整体性质有相对较低的可接受误差，而对于分布层，具有较高可靠性要求和大占比重要负荷的分布层电网的可接受误差较小，其他分布层的可接受误差则可以适当放宽要求。

2.2.2 电量平衡

未来配电网在集中-分布式形态下的电量平衡同样是基于分层分区平衡，综合考虑配电网范围内所有灵活性资源的源荷储之间的平衡。且考虑到储能的出力/负荷时间平均为0 的情况，规划中的电量平衡不能计及储能电量，但储能容量配置需要满足相关规定要求。为保证可再生能源发电就地消纳，电量平衡应以分布式发电全部消纳为基础进行。其具体步骤如图6 所示。

图6 电量平衡步骤Fig.6 Procedures of power balance

3 算例分析

3.1 算例模型基本信息

采用国内某城市2025 年空间负荷预测数据作为算例网络（备用系数D=0.2），分别对不考虑分层分区及电力概率平衡、仅考虑分层分区、考虑分层分区及电力概率平衡3 种情况进行电源规划，分析其经济性和可靠性。国内某城市2025 年空间负荷预测数据如图7 所示。

本文中电源规划使用式（6）—式（9）所示的经济性最优目标函数，综合考虑电源及储能配置成本fs、维护成本fm以及考虑可再生能源发电后碳减排的环保节约成本fc。

式中：n为分布层电网总数；cPV，cPVm分别为单位容量光伏电站的初始投入费用和维护费用；PPVi为第i个节点安装光伏电站的装机容量；cWT，cWTm分别为单位容量风电机组的初始投入费用和维护费用；PWTi为第i个节点安装风电机组的装机容量；cTH，cTHm分别为单位容量火力发电的初始投入费用和维护费用；PTHi为第i个节点安装燃气轮机发电的装机容量；cES，cESm分别为储能装置单位储能量的初始投入费用和维护费用；CES为协调层储能最大储能量；αt=1/(1+r)t，r为利率；TP为规划年限；为燃煤机组单位发电量的碳排放量；为单位排放量成交价；tPV为光伏电站年平均工作时长；tWT为风电机组年平均工作时长。

约束条件主要考虑电力（概率）平衡约束、储能约束、光伏发电约束、风力发电约束及分层分区协同约束。

3.2 规划方案及对比分析

1）不考虑分层分区以及电力概率平衡情况。该情况下，可再生能源发电在整个区域内进行消纳，通过调整约束条件中可再生能源发电装机占比相关参数，得到经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比的关系曲线，如图8 所示。

图8 无分层分区和概率平衡时经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比关系曲线Fig.8 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy generation penetration without layered and partitioned operation and probability balance

2）仅考虑分层分区的情况进行规划。在这种情况下，根据该地区的行政规划简单地将其划分为5 个区域，这5 个区域同属于一个协调层电网下。由于风光等可再生资源多集中于东区、西区及郊区3 个区域，因此可再生能源发电在这3 个区域内分区消纳且参与全协调层电力平衡，在这3 个区域中安装风电机组和光伏机组；在老城区和城南安装燃气轮机组保证对重要负荷的不间断供电，同时也安装一定的光伏机组以提高发电清洁性。同样通过调整约束条件中可再生能源发电装机占比相关参数，得到经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比的关系曲线，如图9 所示。

图9 仅考虑分层分区时经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比关系曲线Fig.9 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy generation penetration only considering layered and partitioned operation

3）同时考虑分层分区及电力概率平衡（可接受误差σ=0.01，平衡比α=1.2）。分层分区方案及分布式电源安装计划和2）相同。同样通过调整约束条件中可再生能源发电渗透率相关参数，得到经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比的关系曲线，如图10 所示。

图10 考虑分层分区及电力概率平衡时经济性、供电可靠率与可再生能源发电装机占比关系曲线Fig.10 Relationship curves between economy，power supply reliability and renewable energy power generation penetration considering both layered and partitioned operation and probability balance

本文选取了高可再生能源发电装机占比（60%）、中可再生能源发电装机占比（40%）及低可再生能源发电装机占比（10%）3 个断面下3 种方法的规划方案，用以对不同方法进行对比，具体规划方案如表1所示。其中，方法1 是不考虑分层分区以及电力概率平衡的规划方法；方法2 是仅考虑分层分区不考虑电力概率平衡的方法；方法3 是既考虑分层分区也考虑电力概率平衡的方法（可接受误差σ=0.01，平衡比α=1.2）。

表1 不同断面下3种方法的规划方案对比Table 1 Comparison of three planning schemes among three methods under different sections

从表1 中可以发现，无分层分区及电力概率平衡的规划方法有着较好的可靠性，但是经济性极差，尤其是随着可再生能源发电装机占比的进一步提高后，该方法与分层分区及电力概率平衡方法的经济性差异进一步提高。同时，通过图9、图10 的曲线可以发现通过牺牲一部分经济性，分层分区及电力概率平衡的规划方法也可以达到一个较高的可靠性，从而满足配网可靠性需求。

通过对比表1 中方法2 和方法3 的规划方案结果以及图9 和图10 可以发现，利用电力概率平衡方法可以在保证一定可靠性要求的情况下显著降低投资成本，因此可以在可靠性要求较低的地区使用该方法，以提高投资回报率。

4 结语

随着负荷量与负荷类型的增长、分布式电源和储能的接入，我国电力系统日趋复杂。为了适应当前配电网复杂化发展趋势，本文借鉴复杂系统智能递阶控制思想，提出了未来配电网的集中-分布式形态，将配电网划分为集中层、协调层、分布层，并基于该形态提出了聚散运行方式，实现配电网形态灵活转变，大大提高配电网灵活性与可靠性。

对比传统配电网规划，本文规范了未来配电网在集中-分布式形态下的规划流程，并针对与传统规划流程差异较大的分层分区环节与电力电量平衡环节进行了详细的探讨，给出了具体的分布层分区划分方法步骤与电力电量平衡方法，并通过算例模拟证明了该方法在高可再生能源发电装机占比系统中经济性和可靠性的优势，给未来配电网的研究提供了重要参考价值。