嚴(yán)藝芬吳文宣,2張 逸

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 3501081；2.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350007；3.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350001）

主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵問題研究

嚴(yán)藝芬1吳文宣1,2張 逸3

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 3501081；2.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司，福州 350007；3.國家電網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350001）

隨著大規(guī)模分布式電源接入配電網(wǎng)，主動(dòng)配電網(wǎng)已成為未來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。本文分析了主動(dòng)配電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別，在此基礎(chǔ)上提出主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的基本流程；通過分析傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的不足之處，進(jìn)而論證了適用于主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵要素，包括規(guī)劃目標(biāo)、主動(dòng)管理措施、負(fù)荷預(yù)測與發(fā)電預(yù)測、規(guī)劃方案綜合評(píng)估。并對(duì)未來主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃研究方向進(jìn)行了展望。

主動(dòng)配電網(wǎng)；分布式電源；規(guī)劃；關(guān)鍵要素

隨著對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，人類迫于尋找改善環(huán)境的措施。其中，電力行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響比重很大。因此，分布式電源（Distributed Generation，DG）得到了越來越多的發(fā)展。CIGRE C6提出了主動(dòng)配電網(wǎng)（Active Distribution Network，ADN）的概念，即：通過使用靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來管理潮流，以便對(duì)局部的分布式能源（Distributed Energy Resource，DER）進(jìn)行主動(dòng)控制和主動(dòng)管理的配電系統(tǒng)[1]。其中，分布式能源（DER）的基本構(gòu)成是：分布式發(fā)電（DG）、分布式儲(chǔ)能（Electrical Energy Storage，EES）、可控負(fù)荷（Controllable Load，CL）等[2]。

2012年，國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助了ADN的研究，資助課題為“主動(dòng)配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用”。2013年 3月20日，“國家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心”成立。2014年4月22日，“主動(dòng)配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范”863課題在京啟動(dòng)[3]。我國已將ADN研究作為未來配電網(wǎng)的主要的研究方向，其中規(guī)劃技術(shù)是ADN的關(guān)鍵技術(shù)之一。

DG接入傳統(tǒng)配電網(wǎng)會(huì)帶來很多問題，如電壓波動(dòng)問題[4]、損耗增加問題[5]、潮流反送[6]等，限制了對(duì)分布式電源的接納能力。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃只是針對(duì)最大負(fù)荷預(yù)測值采用最大容量裕度，從而在規(guī)劃階段就可以找到處理所有運(yùn)行問題的最優(yōu)解，其規(guī)劃方法相對(duì)簡單，資產(chǎn)無法充分利用，不具有靈活控制的特性[7]。ADN規(guī)劃是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，增加主動(dòng)管理措施，提高DG的滲透率。

本文對(duì) ADN規(guī)劃關(guān)鍵問題的相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行闡述，并分析其未來的研究方向。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃

1.1 概述

范明天教授在主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃及優(yōu)化方面做了很多相關(guān)研究，包括提出主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃流程[8]、傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃與主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別[1]、信息與通信在主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃中的運(yùn)用[7]；在規(guī)劃算法上，有 Kruskal-遺傳混合算法[9]、粒子群算法[10]、螢火蟲算法[11]等。

1.2 主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別

AND能控制和運(yùn)行各種分布式能源，其中分布式能源包括DG、CL、EES等。隨著大規(guī)模分布式能源接入配電網(wǎng)，ADN已成為未來的發(fā)展趨勢。ADN能夠提高系統(tǒng)對(duì)DG的消納能力，能夠促進(jìn)終端用戶主動(dòng)參與系統(tǒng)運(yùn)行的能力，能夠有效提升能源綜合利用率。

在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)規(guī)劃主要考慮滿足負(fù)荷需求，運(yùn)行與控制模式都相對(duì)簡單。而ADN不僅要滿足負(fù)荷需求，且需綜合考慮運(yùn)行與規(guī)劃相結(jié)合以獲得更好效益。隨著大量間歇式DG的接入，還應(yīng)考慮發(fā)電預(yù)測。面對(duì)大量的不確定性，其運(yùn)行控制方式也發(fā)生了很大變化。本文總結(jié)國內(nèi)外研究，提出了見表1的傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃與主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別。

表1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃與主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別

規(guī)劃是從源頭上解決 ADN運(yùn)行中可能存在的問題，是ADN的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃并不考慮DG接入對(duì)系統(tǒng)的影響[12]，無法解決大量DG接入，而ADN需要采取主動(dòng)規(guī)劃、主動(dòng)管理的方式，并且應(yīng)該考慮間歇式DG的隨機(jī)性，建立多場景規(guī)劃模型。其中風(fēng)電與光伏的出力可用以下模型進(jìn)行考慮：并且應(yīng)該考慮間歇式DG的隨機(jī)性，建立多場景規(guī)劃模型。其中風(fēng)電與光伏的出力可用以下模型進(jìn)行考慮：風(fēng)速的概率分布常用兩參數(shù) Weibul1分布來描述，其概率密度函數(shù)可表示為[13]

式中，v為風(fēng)速；k和c分別稱為形狀參數(shù)與尺度參數(shù)。

風(fēng)電的有功出力與風(fēng)速的關(guān)系可表示為

式中，Prated為DWG的額定功率；vci、vrated、vco分別為切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速。

長期的太陽光照強(qiáng)度通常可近似看成 Beta分布，其概率密度函數(shù)可表示為[14]

式中，r為光照強(qiáng)度；rmax為最大光照強(qiáng)度；α和β均為Beta分布的形狀參數(shù)。

給定太陽能電池方陣的輸出功率為

式中，A為太陽能電池方陣總面積；η為方陣光電轉(zhuǎn)換效率；r為實(shí)際光照強(qiáng)度。

1.3 主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃基本框架

ADN規(guī)劃是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造、新建設(shè)備，使配電系統(tǒng)能消納高滲透率的分布式電源。目前含DG的配電網(wǎng)規(guī)劃很多，可分為了網(wǎng)架規(guī)劃[15-16]、DG的選址定容[17-18]、綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃[19]。雖然這些方法得到廣泛運(yùn)用，但是并不適合 ADN規(guī)劃。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方法相對(duì)簡單，沒有考慮主動(dòng)性，忽略儲(chǔ)能與DG的配合，且沒有考慮ADN不同建設(shè)投資主體，因此配電網(wǎng)設(shè)備容量得不到高效利用，且不具有靈活控制措施，特別是對(duì)于具有不確定性的DG及負(fù)荷等。據(jù)此，ADN的規(guī)劃基本步驟如圖1所示。

圖1 ADN規(guī)劃基本框架

規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)如下。

1）收集信息：包括用戶的基本信息、當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r、地理位置以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)情況等。

2）負(fù)荷、發(fā)電預(yù)測：在AND規(guī)劃中不僅需要進(jìn)行規(guī)劃年負(fù)荷預(yù)測，且應(yīng)進(jìn)行發(fā)電預(yù)測。兩者的準(zhǔn)確性直接影響設(shè)備投資情況，是配電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)；故應(yīng)進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測，減少誤差大小。

3）現(xiàn)有配電網(wǎng)分析：在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行ADN規(guī)劃。結(jié)合歷年的信息分析，現(xiàn)有的配電網(wǎng)是否符合供電需求，從而確定是否需要新建或擴(kuò)容。

4）規(guī)劃方案研究：根據(jù)不同的研究目標(biāo)確定規(guī)劃方案。

5）評(píng)估規(guī)劃方案：建立適用于ADN的規(guī)劃方案指標(biāo)體系，如經(jīng)濟(jì)、網(wǎng)損、電壓、滲透率等。

6）決策：即運(yùn)用決策方法選擇實(shí)施方案。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃關(guān)鍵問題

2.1 概述

ADN規(guī)劃是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)備的改造、擴(kuò)建，優(yōu)化現(xiàn)有的配電系統(tǒng)，建立包含分布式發(fā)電、新型負(fù)荷等多要素的主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃模型，建立考慮可靠性、充裕度、滲透率等多個(gè)維度的目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用啟發(fā)式、智能式算法求解模型。

2.2 規(guī)劃目標(biāo)

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)不同，ADN規(guī)劃應(yīng)考慮包含經(jīng)濟(jì)性、可靠性、電能質(zhì)量、DG的滲透率等多個(gè)維度的優(yōu)化目標(biāo)，建立包含 DG、柔性負(fù)荷、EES等多要素的ADN規(guī)劃模型。

文獻(xiàn)[20]從配電公司的角度建立了以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)的ADN規(guī)劃方案；文獻(xiàn)[21]考慮了間歇性DG的隨進(jìn)性，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)及間歇性DG年有效發(fā)電量最大為目標(biāo)，建立ADN雙層場景規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[22]在主動(dòng)管理模式的基礎(chǔ)上，建立以年綜合費(fèi)用最小、DG出力切除量最小為目標(biāo)的雙層規(guī)劃模型。

現(xiàn)有的研究大多由配網(wǎng)公司承擔(dān)DG、ESS建設(shè)成本，這與目前國內(nèi)的實(shí)際情況不符合。由區(qū)域能源供應(yīng)商承擔(dān)DG、ESS建設(shè)成本更加符合目前國內(nèi)配電網(wǎng)的實(shí)際情況。如今在電力市場改革的大方向上，開放售電業(yè)務(wù)，競爭主體出現(xiàn)多樣，對(duì)用戶有更多的選擇權(quán)。電力市場改革后，對(duì)ADN技術(shù)的推廣更加迫切。售電側(cè)改革與電價(jià)改革，提高能源的優(yōu)化配置及清潔能源消納水平，提高供電安全可靠性。ADN規(guī)劃目標(biāo)應(yīng)該打破傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)的局限性，可以從配電公司的角度出發(fā)，也可以站在區(qū)域能源供應(yīng)商的角度考慮，或從用戶方面考慮。文獻(xiàn)[23]提出主動(dòng)管理費(fèi)用的概念，并建立了一個(gè)考慮DG運(yùn)營商和配電公司不同利益需求的雙層規(guī)劃模型，運(yùn)用具體算例進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證合理的主動(dòng)管理措施可以提高 DG的滲透率；文獻(xiàn)[24]考慮了DG運(yùn)營商和配電公司的利益，建立了含多個(gè)規(guī)劃目標(biāo)的模型；文獻(xiàn)[25]提出了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃-運(yùn)行聯(lián)合優(yōu)化模型，考慮了承擔(dān) DG、ESS建設(shè)投資的區(qū)域能源供應(yīng)商的營收狀況。

2.3 主動(dòng)管理措施

隨著越來越多的DG接入配網(wǎng)，系統(tǒng)出現(xiàn)更多問題，包括功率越限、電壓波動(dòng)及可靠性降低等。傳統(tǒng)配電網(wǎng)對(duì)DG采用的是“安裝即忘記”的被動(dòng)管理模型，限制DG的接入容量，阻礙了DG發(fā)揮重要優(yōu)勢。而 ADN所采取的是積極主動(dòng)的管理方式，適用于大量DG的接入。主動(dòng)管理措施有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，在 ADN規(guī)劃時(shí)就應(yīng)該全面考慮，解決系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在的問題，使配電網(wǎng)的運(yùn)行-規(guī)劃相配合，提高系統(tǒng)的綜合能效水平。

目前常用的主動(dòng)管理措施[26]包括：①無功補(bǔ)償；通過在DG接入點(diǎn)接入無功補(bǔ)償裝置，并調(diào)節(jié)無功大小進(jìn)行主動(dòng)管理；②調(diào)節(jié)有載變壓器抽頭。通過調(diào)節(jié)變壓器抽頭將電壓控制在一定范圍內(nèi)；③調(diào)節(jié)DG出力。通過調(diào)節(jié)DG出力，改善潮流分布。

文獻(xiàn)[27]在主動(dòng)管理模式下，建立了主動(dòng)配電網(wǎng)雙層場景規(guī)劃模型，并用IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)算例驗(yàn)證了模型的可行性；文獻(xiàn)[21]基于主動(dòng)管理措施下，建立了含DG的ADN雙層規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[28]基于主動(dòng)管理模式下，提出一種多階段優(yōu)化方法來評(píng)估間歇性分布式電源的可開發(fā)程度。

2.4 負(fù)荷預(yù)測與發(fā)電預(yù)測

隨著大量間歇式DG接入系統(tǒng)，由隨機(jī)性產(chǎn)生的問題越來越多。傳統(tǒng)配電網(wǎng)對(duì)DG的接入采取的是限制容量的措施，所以在規(guī)劃時(shí)只進(jìn)行了負(fù)荷預(yù)測，而忽略了DG的不確定性對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃的影響。ADN是能接納高滲透率DG的配電系統(tǒng)，不能忽略DG出力的隨機(jī)性，因此負(fù)荷預(yù)測以及對(duì)間歇性DG發(fā)電預(yù)測的研究是ADN規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)電預(yù)測的目的是提供分布式電源的發(fā)電水平，規(guī)劃該地區(qū)規(guī)劃年供電情況，優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)。發(fā)電預(yù)測不僅與當(dāng)?shù)靥鞖?、地理位置等相關(guān)，而且還與新型負(fù)荷密切相關(guān)。

可以將負(fù)荷分為可控負(fù)荷與不可控負(fù)荷。不可控負(fù)荷是指用電比較固定、不可以調(diào)節(jié)的負(fù)荷；而可控負(fù)荷指可以根據(jù)分時(shí)電價(jià)或是與電力公司協(xié)定進(jìn)行調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)移的負(fù)荷?？煽刎?fù)荷在ADN中具有削峰填谷，平衡電力的作用。在AND中進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測時(shí)，應(yīng)該將負(fù)荷進(jìn)行分類，對(duì)可控負(fù)荷與不可控負(fù)荷分別進(jìn)行預(yù)測。傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃中的負(fù)荷預(yù)測是屬于中長期負(fù)荷預(yù)測，而 ADN規(guī)劃與運(yùn)行緊密相關(guān)，所以ADN規(guī)劃中的負(fù)荷預(yù)測不僅需要中長期預(yù)測，也要進(jìn)行短期預(yù)測。常用的預(yù)測方法有小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型預(yù)測、時(shí)間序列預(yù)測等。

文獻(xiàn)[29]對(duì)ADN的負(fù)荷進(jìn)行分類，提出負(fù)荷預(yù)測方法，并且DG的預(yù)測模型，在此基礎(chǔ)上，分析了負(fù)荷預(yù)測和發(fā)電預(yù)測對(duì) ADN規(guī)劃的影響。文獻(xiàn)[30]采樣多維時(shí)間序列局部預(yù)測方法對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行了預(yù)測；文獻(xiàn)[31]建立了小波變換的月負(fù)荷預(yù)測模型，并用具體算例進(jìn)行了預(yù)測。

3 規(guī)劃方案綜合評(píng)估

規(guī)劃方案的評(píng)估包括方案的可行性評(píng)估、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估、可靠性評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等[32]。文獻(xiàn)[33]研究了通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的方法，即靜態(tài)重構(gòu)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)，提高主動(dòng)配電網(wǎng) DG滲透率，并評(píng)估此方法對(duì) DG滲透率的影響；文獻(xiàn)[34]提出電能損耗和電壓質(zhì)量兩個(gè)指標(biāo)，并證明在主動(dòng)管理模式下可以優(yōu)化這兩個(gè)指標(biāo)。

相比于僅用可靠性或經(jīng)濟(jì)性作為單一指標(biāo)，綜合評(píng)估運(yùn)用多個(gè)指標(biāo)更能全面反映 AND的能效水平，有助于準(zhǔn)確找到能效提升點(diǎn)進(jìn)而有效進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃。文獻(xiàn)[35]從間歇式DG并網(wǎng)特性、ADN控制特性和運(yùn)行特性，提出了ADN的指標(biāo)體系，有利于ADN的推廣運(yùn)用；文獻(xiàn)[36]提出是適用于AND的可靠性指標(biāo)，并對(duì)ADN進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

本文從ADN特征出發(fā)，研究了適用于ADN的評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 AND評(píng)估指標(biāo)體系

配電網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)價(jià)是根據(jù)系統(tǒng)的特征，建立指標(biāo)體系，對(duì)規(guī)劃或建設(shè)項(xiàng)目做出總的評(píng)估結(jié)果。通過對(duì)規(guī)劃方案綜合評(píng)估，從而為下一步?jīng)Q策工作打下基礎(chǔ)。所以建立主動(dòng)配電網(wǎng)綜合指標(biāo)體系以評(píng)價(jià)規(guī)劃方案才能更好的推廣ADN規(guī)劃技術(shù)的研究及運(yùn)用。

目前，在規(guī)劃方案決策方法主要包括：層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）[37-38]、多屬性決策理論[39]、灰色關(guān)聯(lián)法[40]及混合決策方法[41]等。其中AHP是在決策過程中對(duì)非定量事件做定量分析，將定量與定性相融合的有效決策手段[42]。而灰色關(guān)聯(lián)法采用指標(biāo)的實(shí)際值進(jìn)行分析，結(jié)論比較精確。本文將兩者融合對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，更科學(xué)地對(duì)方案進(jìn)行決策。具體的規(guī)劃方案評(píng)估過程如圖3所示。

4 結(jié)論

ADN能接納大規(guī)模間歇性DG的接入，已成為將來配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。本文分析了AND規(guī)劃與傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃的區(qū)別，提出ADN規(guī)劃的基本流程；進(jìn)而論證了ADN規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)：規(guī)劃目標(biāo)、主動(dòng)管理措施以及發(fā)電預(yù)測的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出了規(guī)劃方案綜合評(píng)估指標(biāo)體系。

圖3 規(guī)劃方案綜合評(píng)價(jià)流程圖

為了使主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)得到更廣泛運(yùn)用，還應(yīng)對(duì)理論與實(shí)際深入研究。ADN規(guī)劃技術(shù)在未來的研究應(yīng)集中在主動(dòng)管理措施、靈活網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行-規(guī)劃聯(lián)合優(yōu)化等方面，提高配電網(wǎng)對(duì)DG的接納能力。

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Important Issues in Planning of Active Distribution System

Yan Yifen1Wu Wenxuan1,2Zhang Yi3
(1.College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou 350108;2.Sate Grid Fujian Provincial Electric Power Company Limited,Fuzhou 350001;3.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007)

As more and more distributed generation access to distribution network,the active distribution network has become the future development trend of the distribution network.This paper introduces the difference of planning between the active distribution network and the traditional distribution network,and proposes the basic process of the planning in active distribution network;Through the introduction of the deficiency of the planning in traditional distribution network,and then discusses the key elements of the planning in active distribution network,including planning objectives,active management measures,power prediction,comprehensive assessment of planning scheme.

active distribution network;distributed generation;planning;key element

嚴(yán)藝芬（1991-），女，福州省漳州市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014AA051901）