董振斌，高　山

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京　210024；2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京　210096）

◆本刊專稿◆

主動配電網(wǎng)與需求側(cè)管理

董振斌1，高山2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京210024；2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京210096）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求的不斷增長，為應(yīng)對傳統(tǒng)能源緊缺以及氣候變化、環(huán)境污染等問題，以風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能為代表的可再生能源和以電動汽車為代表的清潔能源汽車得到快速發(fā)展。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)依靠規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和較大的容量裕度來應(yīng)對負(fù)荷的不確定性，但是隨著分布式能源滲透率和未來電動汽車使用量的不斷提高，傳統(tǒng)配電網(wǎng)簡單的控制方法已經(jīng)不再適應(yīng)［1］。為應(yīng)對這一電力需求現(xiàn)狀，主動配電網(wǎng)（active distribution networks，ADN）及其技術(shù)研究應(yīng)運(yùn)而生，以達(dá)到加大對可再生能源的接納能力、提升配電網(wǎng)資源的利用率和提高供電可靠性等目的。從供應(yīng)側(cè)看，可再生能源的滲透率提高給配電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)和問題；而從需求側(cè)看，不斷發(fā)展和成熟的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制能促使用戶根據(jù)實(shí)時供用電情況來改變電量消費(fèi)行為，因此在配電網(wǎng)中引入需求響應(yīng)機(jī)制能夠顯著提高配電網(wǎng)的靈活性。本文梳理主動配電網(wǎng)相關(guān)研究成果，介紹需求側(cè)技術(shù)在主動配電網(wǎng)管理中的應(yīng)用和發(fā)展要求。

1　主動配電網(wǎng)的基本概念

2006年，國際大電網(wǎng)會議（international council on large electric systems conference international des granel reseaux electriques，CIGRE）配電及分布式發(fā)電研究委員會（C6）成立了C6.11工作組，2008年該工作組在“主動配電網(wǎng)的發(fā)展與運(yùn)行”研究報告中首次提出了ADN的概念［2］。

CIGREC6對主動配電網(wǎng)的基本定義是：主動配電網(wǎng)是將包括發(fā)電機(jī)、負(fù)載和儲能裝置在內(nèi)的分布式資源進(jìn)行組合控制的系統(tǒng)；配電運(yùn)行人員能夠應(yīng)用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湔{(diào)整潮流的分布；分布式資源可以根據(jù)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管政策以及用戶接入?yún)f(xié)議，向系統(tǒng)提供一定程度的輔助服務(wù)支撐［3］。

CIGREC6.19工作組2012年在“主動配電系統(tǒng)規(guī)劃與優(yōu)化方法”的研究報告中將主動配電網(wǎng)的概念擴(kuò)展為主動配電系統(tǒng)（active distribution system，ADS），強(qiáng)調(diào)未來配電網(wǎng)是具備對由分布式發(fā)電、儲能、可控負(fù)荷組成的分布式能源進(jìn)行主動控制和優(yōu)化運(yùn)行的有機(jī)整體，更全面地反映由具備主動響應(yīng)和主動控制能力的新型“源—網(wǎng)—荷”構(gòu)成的未來配電系統(tǒng)的特征。圖1顯示了分布式能源的基本構(gòu)成。

圖1　分布式能源的基本構(gòu)成

由圖1可知，分布式能源（distributed energy resources，DERs）主要包括：分布式電源（distributed generator，DG）、分布式儲能系統(tǒng)、可控負(fù)荷等。其中DG主要為可再生能源，包括光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等；可控負(fù)荷主要為電動汽車（electric vehicle，EV）、響應(yīng)負(fù)荷（responsive load，RL）等。響應(yīng)負(fù)荷由于可以根據(jù)電價和互動信息等調(diào)節(jié)自身負(fù)荷需求，具備了參與配電網(wǎng)有功、無功協(xié)調(diào)的能力，即響應(yīng)負(fù)荷可以看成是具有發(fā)電和消費(fèi)雙重身份的生產(chǎn)性負(fù)荷，也成為一種分布式能源。

2　主動配電網(wǎng)的現(xiàn)實(shí)意義

面對資源環(huán)境與節(jié)能減排的雙重壓力，電力工業(yè)亟待低碳轉(zhuǎn)型。主動配電網(wǎng)利用先進(jìn)的信息與通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及電力電子技術(shù)對規(guī)模化接入分布式能源的配電網(wǎng)進(jìn)行主動管理和控制，并且能夠主動的自主協(xié)調(diào)控制各種DG單元及需求側(cè)資源（demand side resource，DSR），在確保配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況下最大可能地利用現(xiàn)有資產(chǎn)和電網(wǎng)設(shè)備，滿足負(fù)荷的變化和分布式能源接入的需求，為實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)與高效利用提供了一種有效解決方案，對支撐低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

對分布式能源供應(yīng)商來說，主動配電網(wǎng)的投運(yùn)，可解決可再生能源的消納問題，提高可再生能源滲透率，可以較好提高節(jié)能減排水平。

對用戶和消費(fèi)者來說，靈活接入主動配電網(wǎng)，意味著更高的供電可靠性和供電質(zhì)量，享受高品質(zhì)電能質(zhì)量服務(wù)、電動汽車充電服務(wù)、能效服務(wù)和智能家居服務(wù)。主動參與需求響應(yīng)和電網(wǎng)運(yùn)行，不僅能大大提高用電的自主性，也能直接節(jié)約電費(fèi)支出。

對電網(wǎng)企業(yè)來說，主動配電網(wǎng)的投入將使運(yùn)營成本大大降低。高效運(yùn)行的主動配電網(wǎng)可以提高電能傳輸效率和電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率，帶來節(jié)能效益和投資效益；綜合能源協(xié)同則可有效解決地區(qū)輸配電能力不足等問題，保證電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行；需求響應(yīng)調(diào)度還可以進(jìn)行有效的移峰填谷和負(fù)荷控制，對各級電網(wǎng)可靠性起到支撐作用。

3　主動配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

（1）ADN的物理架構(gòu)。ADN一次系統(tǒng)物理架構(gòu)主要基于“源—網(wǎng)—荷”三元結(jié)構(gòu)，“源”包括各類分布式電源，如：熱電聯(lián)供、風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、小水電和其他可再生能源、各種存儲設(shè)備及其附屬設(shè)施；“網(wǎng)”主要指高低壓配電柜、變壓器、電線電纜、開關(guān)等設(shè)施；“荷”主要指用戶側(cè)的用電設(shè)施。此外，“儲”主要指各種能存儲電能的用電設(shè)施，兼有“源”與“荷”的雙重特性。ADN二次系統(tǒng)物理架構(gòu)包括信息通信系統(tǒng)、傳感監(jiān)測系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、能量管理中心等設(shè)施。

（2）ADN的技術(shù)架構(gòu)。ADN技術(shù)主要體現(xiàn)在主動規(guī)劃（active planning，AP）、主動控制（active control，AC）、主動管理（active management，AM）、主動服務(wù)（active service，AS）、主動響應(yīng)（active response，AR）和主動參與（active join，AJ）6個層面［4］。

主動規(guī)劃：采用“源—網(wǎng)—荷”三元結(jié)構(gòu)規(guī)劃，同時將一次規(guī)劃與二次規(guī)劃高度融合在一起進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，基于概率性高效規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化統(tǒng)一，不僅提高配電網(wǎng)設(shè)備的投資回報率，延緩了配電網(wǎng)投資擴(kuò)容周期，還大大提高配電網(wǎng)對分布式能源的消納能力。

主動控制：基于預(yù)測、狀態(tài)感知和優(yōu)化協(xié)調(diào)的控制理念，在直接負(fù)荷控制和非直接負(fù)荷控制2種策略的前提下，綜合監(jiān)測和集成各類分布式資源，包括用戶側(cè)可控、可調(diào)資源，電網(wǎng)側(cè)開關(guān)、調(diào)壓器、AVC、蓄能設(shè)施等，結(jié)合預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)對ADN“源—網(wǎng)—荷”的協(xié)調(diào)控制。

主動管理：體現(xiàn)在對各類分布式資源的主動實(shí)時監(jiān)測和“源—網(wǎng)—荷”的主動控制，以及在靈活運(yùn)營技術(shù)與需求側(cè)管理技術(shù)2個方面。靈活運(yùn)營技術(shù)是積極發(fā)揮靈活電價的市場作用，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)方面的用電負(fù)荷自行調(diào)節(jié)；需求側(cè)管理技術(shù)是通過需求側(cè)各類分布式資源、負(fù)荷的有機(jī)協(xié)調(diào)集成，形成高效率的綜合單元（如：微網(wǎng)），由能量管理運(yùn)營商對內(nèi)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，對外實(shí)現(xiàn)能量交換效率最大化，雙方共贏。

主動服務(wù)：根據(jù)客戶需要提供滿足其需求的定制電力服務(wù)、高品質(zhì)電能服務(wù)；為客戶積極參與需求響應(yīng)、改善能效提供技術(shù)支撐，以及實(shí)現(xiàn)“即插即用”服務(wù)；充分利用ADN中的可控資源，為上級電網(wǎng)提供電能、在線備用等服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與客戶、配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)之間全面的互動互惠。

主動響應(yīng)：開展需求側(cè)響應(yīng)，使電動汽車、空調(diào)、電熱水器等可調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)運(yùn)行控制，達(dá)到移峰填谷、改善電網(wǎng)負(fù)荷特性，提高電網(wǎng)資產(chǎn)利用效率。

主動參與：激勵廣大分布式能源改善調(diào)節(jié)控制能力，實(shí)現(xiàn)分布式電源與電網(wǎng)的友好互動，提高可再生能源的消納率和滲透率。

（3）ADN的信息架構(gòu)。ADN信息架構(gòu)主要體現(xiàn)在3個方面，第一個方面是各類可控資源（包含源、網(wǎng)、荷、儲4個方面的控制資源）信息采集單元、控制單元與主動控制系統(tǒng)之間的通信與信息交互，實(shí)現(xiàn)主動控制；第二個方面是電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)、分布式電源側(cè)三者間的信息交互平臺，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)集成；第三個方面是電網(wǎng)側(cè)能量交易管理與用戶、能量管理運(yùn)營商進(jìn)行市場信息交互，實(shí)現(xiàn)交易。

4　需求側(cè)管理在主動配電網(wǎng)中的作用

在主動配電網(wǎng)“源—網(wǎng)—荷”的三元結(jié)構(gòu)中，可控負(fù)荷是其中重要的一員，需求側(cè)管理已成為主動配電系統(tǒng)運(yùn)行和管理的內(nèi)在組成部分。良好的需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施技術(shù)是達(dá)到供需側(cè)資源的有效整合、實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

需求響應(yīng)的概念是美國在進(jìn)行了電力市場化改革后，針對需求側(cè)管理如何在競爭市場中充分發(fā)揮作用以維護(hù)系統(tǒng)可靠性和提高系統(tǒng)運(yùn)行效率而提出的，廣義上指電力市場中的用戶針對市場價格信號或者激勵機(jī)制做出的響應(yīng)，并改變正常電力消費(fèi)模式的市場參與行為。

美國于2005年發(fā)布的《能源政策法案》，明確規(guī)定將大力支持DR的實(shí)施與發(fā)展。美國能源部和聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會基于美國國會2007年頒布的《能源獨(dú)立和安全法案》對DR開展了大量的研究工作。美國多個獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營商ISO以及電力公司都展開了基于市場的DR運(yùn)作項(xiàng)目。美國在DR實(shí)施初期已取得一定成效，2013年美國全年的需求側(cè)響應(yīng)資源滿足了7.2%（7 200 MW）的高峰負(fù)荷需求，較2010年提高了22%［6］。

歐盟ADDRESS示范工程2008年開始實(shí)施，歷時4年，11個國家參與，重點(diǎn)研究了智能電網(wǎng)理念下以“主動需求（active demand，AD）”為核心的用戶側(cè)需求主動響應(yīng)技術(shù)。該示范工程項(xiàng)目建立了用于實(shí)時數(shù)據(jù)處理的大型、開放式電力通信網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用實(shí)時激勵等需求側(cè)主動管理技術(shù)，驗(yàn)證了AD對系統(tǒng)效益的積極作用。

CIGRE C6.19工作組的工作目標(biāo)之一是研究需求側(cè)集成對于主動配網(wǎng)規(guī)劃的必要性和有益性［7］。文獻(xiàn)［8］從降低成本、市場效益、用戶服務(wù)、市場能源調(diào)整、風(fēng)險管理、環(huán)境保護(hù)、系統(tǒng)安全性和可靠性、可中斷負(fù)荷以及產(chǎn)銷合一消費(fèi)者等方面對需求側(cè)集成所面臨的挑戰(zhàn)以及對各參與者的影響進(jìn)行了全面的分析。文獻(xiàn)［9］探討了怎樣使靈活需求（需求響應(yīng)、需求側(cè)管理）和分布式發(fā)電、儲能技術(shù)和未來智能電網(wǎng)更好的結(jié)合，還指出一體化將提升需求響應(yīng)、需求側(cè)管理和分布式發(fā)電的價值，減少可再生能源的間歇性在實(shí)際電網(wǎng)和電力市場中帶來的問題。與現(xiàn)存的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，一體化之后的網(wǎng)絡(luò)引入DSM，并將配電網(wǎng)絡(luò)與傳輸網(wǎng)絡(luò)集合，采用分布控制降低了網(wǎng)絡(luò)總的容量和排放量。

我國當(dāng)前的電力需求響應(yīng)工作主要體現(xiàn)在緩解用電缺口方面，以有序用電為主要措施，同時峰谷分時電價和階梯電價在全國也已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，但是基于價格和激勵的需求響應(yīng)措施實(shí)施仍有待深入研究。隨著我國轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的進(jìn)一步推進(jìn)，逐步推廣以可中斷負(fù)荷、尖峰電價為代表的多種形式的需求響應(yīng)措施已成為政府與公眾的共識。

需求側(cè)響應(yīng)措施的有效實(shí)施需要相關(guān)的技術(shù)作支撐［11］。需求側(cè)響應(yīng)市場容量的增長將主要取決于其基礎(chǔ)設(shè)施的成本、功能和自動化程度。為了促進(jìn)主動配電網(wǎng)的雙向互動運(yùn)行，需求側(cè)響應(yīng)需要獲得進(jìn)一步的技術(shù)支持，包括：具有雙向通信功能的分段式電能表；多層次的顧客友好型通信途徑；能提供近乎實(shí)時的分段負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析相對于基準(zhǔn)情景的負(fù)荷削減績效，以及為用戶側(cè)管理人員提供能源診斷從而提供可能的負(fù)荷削減目標(biāo)等能源信息工具；滿足在高電價或電力系統(tǒng)緊急情形下的最優(yōu)需求削減策略；在終端消費(fèi)層面能方便實(shí)施最優(yōu)化自動負(fù)荷削減功能的植入式能源管理控制系統(tǒng)；滿足緊急負(fù)荷備用或用作主電源供應(yīng)的現(xiàn)場發(fā)電設(shè)備。主動配電網(wǎng)中分布式電源及大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)以后，造成的波動往往需要電網(wǎng)調(diào)度部門在短時間內(nèi)利用供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)資源對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。對于需求側(cè)響應(yīng)資源來說，需要構(gòu)建需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)控供用電情況、整合供需雙方數(shù)據(jù)信息、建立雙向信息流、實(shí)現(xiàn)客戶數(shù)據(jù)智能分析決策，使得需求側(cè)資源能夠在短時間內(nèi)對系統(tǒng)波動做出反應(yīng)。

需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)需要一個具有信息共享、功能相連的整體結(jié)構(gòu)。通過制定需求側(cè)響應(yīng)通信協(xié)議，使各相互聯(lián)系的系統(tǒng)之間按照特定的傳輸協(xié)議保持?jǐn)?shù)據(jù)通信及信息共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換功能，為需求側(cè)響應(yīng)整體的實(shí)施和開展提供一個公用的、開放式的、標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)接口。同時，在功能上，需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)能夠?qū)π枨髠?cè)響應(yīng)信號作出自動響應(yīng)，安全、可靠、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)信息雙向流通；將需求側(cè)響應(yīng)事件信息自動轉(zhuǎn)化為互聯(lián)網(wǎng)信號，在控制設(shè)備、照明設(shè)備中實(shí)現(xiàn)互操作性；當(dāng)接收外部信號時，預(yù)先設(shè)置好的需求側(cè)響應(yīng)策略實(shí)現(xiàn)自動化啟動；通過已構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型和體系結(jié)構(gòu)傳達(dá)價格、負(fù)荷特性、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等其他需求側(cè)響應(yīng)活動信號。

基于主動配電網(wǎng)的特征，需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)支持系統(tǒng)應(yīng)包含實(shí)時監(jiān)控、實(shí)時發(fā)布、雙向信息交流以及緊急處理等功能。依托以上設(shè)施功能，電網(wǎng)調(diào)度部門能夠?qū)崿F(xiàn)電力用戶與電網(wǎng)企業(yè)的互動與操作，對需求側(cè)響應(yīng)資源實(shí)時控制，及時協(xié)調(diào)配合電網(wǎng)側(cè)資源，更好地應(yīng)對由于主動配電網(wǎng)中可再生能源并網(wǎng)造成的系統(tǒng)短時間波動，或者緊急情況的出現(xiàn)，保證主動配電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

5　結(jié)束語

主動配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)高滲透率可再生能源接入、供需側(cè)資源有效整合的有效手段，以可控負(fù)荷、需求響應(yīng)為代表的需求側(cè)管理措施已成為主動配電網(wǎng)運(yùn)行管理的有機(jī)組成部分，是主動配電網(wǎng)主動規(guī)劃、主動控制和主動管理等主要技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。

為了滿足主動配電網(wǎng)的有效推進(jìn)和順利運(yùn)行，要進(jìn)一步推動我國需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施和推廣，加強(qiáng)需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施技術(shù)保障，研究適應(yīng)主動配電網(wǎng)的需求響應(yīng)激勵措施、需求響應(yīng)模式、用戶需求響應(yīng)潛力評估、需求響應(yīng)效益評估、靈活負(fù)荷優(yōu)化策略等關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)主動配電網(wǎng)互動和主動控制奠定基礎(chǔ)。D

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（本欄責(zé)任編輯徐文紅管永麗）

The active distribution network and the demand side management

DONG Zhen?bin1，GAO Shan2
（1.State Grid Corporation DSM Instruction Center，Nanjing 210024，China；2.Southeast University，Nanjing 210096，China）

介紹主動配電網(wǎng)的基本概念、現(xiàn)實(shí)意義及其基本架構(gòu)，闡述電力需求側(cè)管理在主動配電網(wǎng)中的作用，提出主動配電網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)可再生能源高滲透率接入、整合供需側(cè)資源的有效手段。

主動配電網(wǎng)；“源—網(wǎng)—荷”三元結(jié)構(gòu)；需求響應(yīng)

The article introduced the basic concept，practical significance and the basic framework of the active distribution net?work，illustrated the roles of DSM in the active distribution net?work，put forward that the active distribution network is an effec?tive means to realize the high permeability access of renewable en?ergy and to integrate the supply and demand side resources.

active distribution network；“source?network?load”tri?structure；demand response

TK019；TM727

B

2015-10-29