电力市场下主动配电网运营分析与展望

摘 要：主动配电网能够使低碳可再生能源最大化利用，还能主动调节改善电能质量，因而是现代实现低碳环保的有效途径。主动配电网的主动性和安全性，是动态电价机制下分布式电源能够有效最大化供应给用户的关键因素。本文在总结主动配电网各方面运营研究和具体工作情况的基础上，分析了主动配电网在电力市场环境下的运营方式调整，提出了主动配电网发展方向的展望。

关键词：主动配电网 电力市场 运营分析 展望

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0185-04

Abstract： Active Distribution Network is an efficient way to maximize the low-carbon and sustainable energy and regulate actively the electric quality. The initiative and security of Active Distribution Network are pivotal for the most electric supply to the users under the circumstance of dynamic electric prices. Based on the various operation analysis of Active Distribution Network and its realistic operations， this paper analyses the adjustment for operation in the power market and provides some directions of the Active Distribution Network development.

Key Words： Active distribution network； Power market； Operational analysis； Directions

隨着传统能源的短缺，用户负荷增长，具有低碳新能源潜力的分布式电源应运而生。分布式能源的大量接入，导致传统配电网出现了网络电压水平、保护装置错误率高、短路容量增大等问题[1]。因此传统配电网运营方式与分布式发电资源不相适应。为了有效大规模利用低碳潜力的新能源发电，2008年国际大电网C6委员会提出了主动配电网（ADN）。主动配电网，是强调对分布式电源（Distributed Generation，DG）进行主动控制和主动管理的配电系统[2-3]。ADN通过灵活的网络拓扑结构进行潮流管理和电压控制，提高对DG的接入能力。

2002年下发的《国务院关于印发电力体制改革方案的通知》，表明我国电力改革要打破行业垄断，促进电力有活力的发展，走输配分开的道路，为主动配电网市场发展提供了结构基础。2013年出台的《关于做好分布式电源并网服务工作的意见》，鼓励了单位个人可将有剩余的电卖给电网，增强了配电网和用户间的互动，促进主动配电网市场朝多买卖的局面发展。

主动配电网的投资规划、网络中电能质量和电压稳定、市场竞价的整体考虑，都将影响配电网整体运营的合理性和潜力。但现在针对市场下主动配电网整体的运营模式的研究相对较少，本文在总结主动配电网运营模式的研究的基础上，分析具体实施过程中存在的问题，并提出了相应的建议。

1 主动配电网运营分析

1.1 传统配电网运营模式

传统配电网是标准的无源网络，在电力网中起着分配电能的作用。前期的规划以满足规划周期内区域电力负荷的需求，确保线路载流能力，节点电压水平，供电可靠性等为基本任务，在此基础上优化系统投资成本。由于配电网设计的观念是“被动的”，网络结构一般是固定的，在稳态运行下不会主动改变电气设备的控制，因此在管理上是集中统一的，与用户间良性互动少，也不具备提供多种类型供电服务的能力。在面对持续增长的用电需求，配电网主要以扩容的方式解决，但由于资金和历史原因，效果并不显著。

随着分布式电源（DG）的迅猛发展和有活力的电力市场逐步建立，电力市场中电价不断波动，用户与配电网之间交流加深，垂直市场架构的被动配电网的运营和定价策略显然已经不能适应在新环境下的配电网的职能。

1.2 电力市场下主动配电网

市场机制下的主动配电网含有3个参与主体，其中包括用户（含小规模的分布式发电资源）、配电网等级的调度机构和能源零售商[4]。在考虑新环境下配电网作为企业，要考虑多种资源、多种网络和多种负荷协调运行，需要将多个参与主体综合研究。

1.2.1 分布式发电资源优化规划

合理安排分布式电源的位置和容量，可以使配电网的线路损耗减少、减轻由于传输和分配引起的容量负担、新型能源的充分利用、节点电压稳定、电能质量提高和配电网运行的可靠性增强[5]。现代配电网结构已基本定型，对分布式电源规划主要考虑两种情况：（1）对于已接有分布式电源的配电网，考虑接入分布式电源后对配电网结构的优化；（2）对于还未接有分布式电源的配电网，则需考虑分布式电源的选址定容以及对配电网结构优化。

目前分布式电源优化规划考虑的约束条件有：（1）主动配电网运行的安全可靠性；（2）实现系统投资运行总成本最低；（3）分布式电源运行时工作状态最优；（4）该区域需求侧响应对主动配电网的影响；（5）主动配电网工作时低碳优化特性。

1.2.2 主动配电网的发电竞价

配电网发电侧一端的实时市场定价方法有三种。一是统一出清电价，首先发电厂商将次日某一交易时段的最大可用容量和相应的发电报价提交到电力交易中心。然后，交易中心将所接收到报价从低到高进行排序，同时把各发电厂商所报容量按照上述序号排列，最后加载的机组为该交易时段的边际机组，所有发电机组均按照所加载机组的报价进行结算；二是PAB电价方法，其竞价过程与第一种定价方法相同，其不同点在于支付环节，对竞价成功的发电机组将会按其报价支付；三是当量电价法，考虑发电容量、综合容量成本和电量成本形成当量成本[6-7]。此外，为了解决供电可靠性和实现分布式电源公平竞争，一般采用签订长期的双边容量合同。

主动配电网需求侧的变化很大，因此在零售市场制定运营电价时需要考虑对负荷控制和需求侧管理，具有良好的削峰填谷的能力，现采用最多的电价模式为实时电价。实时电价是通过电价波动反映供需关系，动态的反映用户用电行为，在动态电价机制下用户调节用电需求趋于合理化，有助于配电网主动调节负荷。

1.2.3 主动配电网中优化调度

主动配电网优化调度，指的是在满足供电可靠安全，主动调配区域内所有发电资源，利用电网和用户之间相互作用的特点，优化配电网的运行状态，以促进主动配电网安全经济运行。

主动配电网优化调度的控制变量包括配电网中的联络开关，兼具充放电特性的储能系统和可控的分布式电源（如微型燃气轮机，燃料电池）等。结合间歇性可再生发电单元，如风力发电和光伏发电，这些都是不可调度单元，但是具有低碳清洁新能源特性，在优化调度中要考虑对绿色可再生能源最大化利用。与传统配电网的“被动”特性相比，主动配电网要对整个调度周期进行分析解除主动配电网优化运行策略，除了传统配电网的约束条件，还应该考虑储能系统的能量与容量约束、低碳新能源最大化利用和用户需求变化。

配电网的优化调度方式还可以按时间尺度划分，包括日前优化和实时优化。日前优化运营模式，根据日前运营决策的制定及市场张贴的市场价格，领先预测间歇性可再生发电单元的出力（成本和供电容量）、初步估计的日前市场价格和负荷需求，从而解决大幅度长周期的负荷及可再生能源的出力波动问题。实时优化，是在短时间尺度上针对电力市场购买的电量、与用户间成交的电量、市场电价、实际间歇性可再生发电单元的出力以及各节点的负载等因素，小幅度的作出自适应调节，修改与预测曲线的偏差。

配电网调度的模式分为集中式调度模式和分散式调度模式。集中调度模式是收集配电网中所有的DG，进行统一的调度计算，再实现调度功能。这种方法信息采集量大，对网络通信技术要求高，计算分析速率慢，显然很难实现在市场环境下灵活控制的需要。分散型调度方式，则是将区域内配电网划分为若干个小单元，先对小单元协调优化调度，经过统一后的信息再汇总至总系统。

1.2.4 客户定制型电力服務

为了在更大范围内贯彻节能减排，除了发电侧和供应端，广大用户也应承担起一定的社会责任，主动响应国家和电网公司制定节能减排举措。而配电网作为给客户提供服务的一扇窗户，应该针对不同客户对电能使用情况的特点提供定制型服务，充分调动起用户参与需求侧响应的积极性，实现配电网与客户之间的良性互动。

目前情况上看，电力服务类型有：（1）公共基础服务：主动配电网和用户之间正常运行的电力供应服务和数据采集分析，如一般的用电设备、用电信息采集等；（2）需求响应服务：根据普通用户一般的用电惯性和对事件的响应程度，提供适应的合同套餐，以及用户在实际运行状态下的调整；（3）能效评估服务：对负荷用电特征、电网损耗和电能质量的监测和调整；（4）电网紧急服务：在紧急电力供应和运行支撑出力的情况下，有源用户对电网进行提供；（5）局部市场交易服务：有源用户、配电网中的分布式电源、储能装置和能源供应商等进行电力交易。

2 当前主动配电网发展

2.1 国外主动配电网发展现状

2008年CIGRE提出了主动配电网（ADN）这一概念。在之后的几年时间里，一些发达国家针对主动配电网开展一系列的研究工作，取得了丰硕的成果。

2007年开展欧盟ADINE项目，主要目标是利用新型技术对大规模接入DG的配电网进行主动管理，研究主动配电网管理系统如何与实际接有大规模DG主动配电网交互作用。ADINE示范工程中，通过5个实例（其中包括反孤岛保护、保护定值自适应整定、基于DG的电压控制、电压协调控制以及基于静止同步补偿器（STATCOM）的电能质量控制），在实景环境中模拟了接入大量DG的主动配电网能源调度管理。具体探究的问题有：如何协调电压控制、新型保护解决方案（由西门子公司和坦佩雷理工大学负责）；如何使用微型燃气轮机提高电压品质（由联宝和隆德大学联合演示）；使用静止无功补偿器实现电能质量的提高和风电场的故障穿越能力（海珐公司负责）。

2008年日本相继推出了《关于促进新能源利用特别措施法》、《可再生能源配额制法》等政策，表明了日本向地台社会发展的目标。2010年在神奈川由松下集团联合埃森哲集团、日本设计、住友信托银行等日本国内外知名企业共同开发的藤泽Sustainable Smart Town（藤泽SST）[8]，其中在电气供应方面，提出了智能能源网关（由松下开发），可根据客户实际能源使用状况对能源管理设备进行最适管理的控制设备，从而实现能源的自主协调运行，确保紧急时能源供给自给自足。

2010年在横滨市由横滨市联合松下集团等五家企业提出了横滨Smart City Project（YSCP）在区内大规模导入可再生能源，并给一般家庭提供HEMS系统，实现静听内可再生能源管理。所谓HEMS系统，指的是家庭能源管理系统，通过网络对家庭内电器能源消耗状况可视化分析和远距离操作。该项目采用家庭为小单元、楼宇统一管理和区域内能量管理系统联动，从而提升经济和社会效益[9]。

来自捷克、意大利、法国、西班牙、德国、瑞典的6个配电网运营商在2011年提出了GRID4EU项目。该项目为期四年，核心工作是在上述国家建设6个大型主动配电网示范工程，以测试ICT、OCS等新型系统的概念和技术，为解决智能电网部署中的关键问题提供借鉴。

2.2 国内主动配电网运营现状

为了推动主动配电网的研究工作，国家863计划“主动配电网的间歇式能源消纳及优化技术研究与应用”和“多源协同的主动配电网运行关键技术研究及示范”分别在2012年和2014年立项。广东电网公司在佛山三水建设了全国首个主动配电网示范工程，国家电网公司先后在佛山、北京、贵阳、厦门建立示范工程。

广东佛山三水区示范工程，项目所在地全年日照小時数达1600～1700h，太阳辐射总量为4803.408MJ/m2。为了充分利用当地的光照资源，示范工程大力建设分布式光伏发电（photovoltaic， PV），总装机容量达5.5MWp。此外，还配套安装了三套电池储能系统，总容量共计1.1MWh，并在萧海线和塘溪线架设1条10kV联络线。项目具体实现通过主动配电网二次监控系统，以分层控制方式采集各方面总体信息并对现场可控单位进行协调控制，同时采用FCE区域自治控制技术实现主动配电网的实时控制[10]。

北京电网主动配电网示范工程试点在北京未来科技城，要求系统最大负荷不低于200MW。为了满足供电需求，建设了2座220kV变电站，5座110kV变电站，以及不少于30座10kV变电站。该示范工程中还建设了多类型DG，包括冷热电联产机组、垃圾焚烧发电、分布式光伏发电，分布式风电、电动机集中充放电站、储能系统等。多类型DG的接入使得DER总容量达到了配电网总负荷的20%。示范工程完成后，可以实现100%全额消纳可再生能源，核心区供电可靠率几近于100%，同时还可提供无电压暂降和短时中断的高品质电能[11]。

贵州电网主动配电网示范工程，示范点选择在贵州省贵阳市清镇市区西北侧，示范重点是对接入中低压配网的DG进行研究。示范区内建有多类型DG，除了贵州丰富的水电外，还建设了分布式风电、分布式光伏、冷热电三联供、储能、电动汽车充电设施等，所有DG均接入中低压配网。该示范工程下设四个研究要点，分别是可调度单元最优配置方案、运行控制技术、电压品质控制、集成可再生能源的高效低碳冷热电联供技术。总体技术路线以建立各种分布式电源出力模型，研究多样性负荷的特性开始，建立主动配电网系统控制模型，在此基础上研究运行控制技术，实现电源-用户优化运行。

3 主动配电网运营管理的关键问题

3.1 电力负荷预测

在电力市场下的主动配电网，负荷预测是保证其持续有效供电的基础条件。传统的长期负荷预测下，还应该考虑电力市场整体发展、主动配电网技术发展、国内政策和电网在动态电价机制下不同类型用户参与比例等因素。此外，负荷预测还需关注分布式电源供电对终端用户用电需求的影响。

3.2 综合评价电网建设

前期规划工作包括有线路改造、DG配置、定制型客户需求侧管理和通信装置的安装等，前期的工作都会带来一定的投资成本，此外在不同的应用背景之下，还应考虑供电可靠性、电能质量和投资运营成本等经济因素，运行中的低碳特性对生态环境的影响。

3.3 用户需求侧响应的特征

用户侧负荷分为时间可控、功率可控和不可控三种。时间可控负荷的运行时段对其运行效用影响不大，可根据需要自由安排[12]；功率可调负荷大多为与供冷、供热相关的负荷，如空调、电炉等，其运行情况与温度等环境参数和用户用电习惯息息相关；不可控负荷大多为生产生活中不可缺少的负荷，如照明等。现如今研究大多集中于某种激励模式下的分布式电源的特性，而对负荷可调控和影响因素较少系统型的模型。

3.4 主动配电网的优化规划

主动配电网旨在利用信息通信技术和控制技术进行主动管理和主动控制，对系统可控资源进行优化配置，从而提高整个配电网对可再生低碳能源的消纳能力。如何有效将运行环节中可再生能源高效率利用、如何结合用户负荷特性、考虑系统内设备的寿命等因素统筹起来，考虑配电网中对可再生能源利用，建立一个可靠有效的模型。

4 结语

随着分布式电源的接入并网和电力市场的逐渐放开，主动配电网促进新能源消纳与优化、改善电能质量的特点成为影响配电网合理优化运营的关键因素。本文通过对主动配电网的运营模式进行总结，分析了在电力市场环境下主动配电网运营方式的调整及实施过程中存在的问题，最后提出了主动配电网未来的发展方向及相应建议。

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