王守相，葛磊蛟，王 凱

（天津大學 智能電網教育部重點實驗室，天津 300072）

0 引言

配電系統(tǒng) DS（Distribution System）直接向終端用戶傳輸和分配電能，直接關系到用戶的用電體驗和供電服務質量，因此在電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位［1］。一方面，歷史上更多重視發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)的建設，忽視了對配電系統(tǒng)的投資；另一方面，經濟和社會的快速發(fā)展導致社會用電需求快速增長，從而對配電系統(tǒng)的建設和發(fā)展提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)中，除了部分應急電源，如柴油發(fā)動機、不間斷電源等之外很少存在用戶側的電源，電能主要來自上級輸電網。隨著能源需求和環(huán)境保護的壓力日益增長，可再生能源發(fā)電受到越來越多的重視。尤其是利用各種分散存在的能源，包括太陽能、生物質能、小型風能、小型水能、天然氣等進行發(fā)電供能的分布式發(fā)電技術受到人們的關注。分布式電源通常直接接入配電系統(tǒng)，也可以與儲能等配合組成微網（或微電網）接入配電系統(tǒng)。另外，電動汽車、柔性可控負荷等也開始大量接入配電系統(tǒng)。它們的規(guī)?；尤氡厝粫ε潆娤到y(tǒng)規(guī)劃與運行產生深遠的影響。為了應對這一挑戰(zhàn)，人們提出了發(fā)展智能配電系統(tǒng)［2］。

本文在對智能配電系統(tǒng)的相關概念進行辨析的基礎上，對智能配電網的內涵及其關鍵技術進行了系統(tǒng)歸納和總結，以期對智能配電系統(tǒng)的發(fā)展提供借鑒。

1 概念辨析

1.1 配電網 DN（Distribution Network）和配電系統(tǒng)

嚴格意義上，配電網和配電系統(tǒng)這2個概念有所區(qū)別，前者側重于網絡，而后者側重于系統(tǒng)。但在實踐中，人們往往不做區(qū)分，等同使用。配電網或配電系統(tǒng)是由多種配電元件和配電設施所組成的用以變換電壓和直接向終端用戶分配電能的一個電力網絡系統(tǒng)。

1.2 有源配電網ADN（Active Distribution Network）和有源配電系統(tǒng)ADS（Active Distribution System）

隨著越來越多的分布式電源接入配電網，人們提出了有源配電網的概念。區(qū)別于傳統(tǒng)配電網，有源配電網作為電力公司和用戶所共同面對的網絡對象，是包含了大量分布式電源、儲能和電動汽車等多元負荷的集電能收集、電能傳輸、電能存儲和電能分配為一體的新型電力交換網絡［3］。有源配電系統(tǒng)和有源配電網的概念通常不做區(qū)分，等同使用。

1.3 未來配電系統(tǒng)FDS（Future Distribution System）和世界一流配電網WCDN（World Class Distribution Network）

未來配電系統(tǒng)是指面向未來需求和發(fā)展的配電系統(tǒng)［4］。而未來是相對的，它的內涵隨時代的發(fā)展不斷發(fā)展變化，不確定性強，現在的配電系統(tǒng)相對于過去就是未來配電系統(tǒng)。所以這個概念并不科學，它不能充分反映配電系統(tǒng)發(fā)展的本質特征。

世界一流配電網是我國近幾年為了追趕配電網建設國際水平而提出的一個目標和口號。但由于它也是一個時空相對的概念，幾十年前的世界一流并不一定是現在的世界一流，現在的世界一流也不一定是未來的世界一流，其概念的內涵不明確，評價的標準亦不清晰，不得不借用智能配電網的相關指標來進行評價。因此，它可以作為當前的發(fā)展目標在國際上進行比照，但不能作為體現技術引領的目標對象。

1.4 主動配電網 ADN（Active Distribution Network）和主動配電系統(tǒng)ADS（Active Distribution System）

主動配電網的概念最早在歐洲提出。主動配電網是為了應對新形勢下有源配電網的挑戰(zhàn)而采取的主動的技術和管理手段［5-6］。而主動配電系統(tǒng)所涵蓋的內容則更廣些，既包括電力公司的主動配電網措施，也包括微電網及其他用戶積極參與的需求側響應的內容。但在實踐中，人們對這2個概念往往不做區(qū)分，等同使用。

1.5 自愈配電網 SHDG（Self-Healing Distribution Grid）和自愈配電系統(tǒng) SHDS（Self-Healing Distribution System）

隨著經濟和社會的發(fā)展，人們對供電可靠性和電能質量的要求越來越高，尤其是一些高精尖設備的生產企業(yè)和金融、信息等產業(yè)，對持續(xù)可靠供電的要求更高。但是電網無法保證100%的可靠性，總會發(fā)生一些故障，因而在故障后保持對重要負荷的持續(xù)供電，并對停電負荷快速恢復供電就變得非常重要。于是人們提出了自愈的概念［7］。發(fā)展自愈配電網或自愈配電系統(tǒng)就是以自愈為目標。在實踐中，人們對自愈配電網和自愈配電系統(tǒng)這2個概念往往不做區(qū)分，等同使用。

1.6 彈性配電網RDG（Resilient Distribution Grid）和彈性配電系統(tǒng)RDS（Resilient Distribution System）

彈性是反映配電系統(tǒng)對擾動快速靈活響應的能力，其最重要的特征即是恢復力。彈性電網能夠更好地應對小概率-高損失極端事件，能及時將事件影響范圍最小化，在災害破壞無法避免的情況下，還能靈活適應環(huán)境變化并有能力快速恢復電網供電能 力［8-9］。

1.7 智能配電網SDG（Smart Distribution Grid）和智能配電系統(tǒng)SDS（Smart Distribution System）

為了應對有源配電網的挑戰(zhàn)，在智能電網的大背景下，人們提出了智能配電網的理念來推動新型配電網的技術發(fā)展。“Smart”本身既具有靈活、高效的含義，也具有智能化的含義。智能配電系統(tǒng)是全面體現了高度的靈活性、主動性、經濟性、安全性和可靠性的高級配電系統(tǒng)。就如智能機器人的發(fā)展一樣，智能配電系統(tǒng)的發(fā)展是一個永無止境的、不斷動態(tài)發(fā)展和完善的過程。

2 智能配電系統(tǒng)分析的內涵

2.1 智能配電系統(tǒng)可靠性評估（SDSReliability Assessment）

一般意義上，配電系統(tǒng)可靠性評估是對配電系統(tǒng)過去歷史的性能狀態(tài)進行評價，反映了配電系統(tǒng)對持續(xù)供電的保障能力。只要用戶不停電就不會影響對系統(tǒng)供電可靠性的評價。例如，如果在一個時間段內用戶從未停電，則在該時間段內的系統(tǒng)的供電可靠性可以認為是100%。配電系統(tǒng)可靠性評估可分為元件可靠性評估和系統(tǒng)可靠性評估兩部分?，F有的配電系統(tǒng)可靠性評估一般建立在對以往漫長時間內的元件和系統(tǒng)可靠性數據分析的基礎之上，并以此為基礎預測未來較長一段時間內的系統(tǒng)可靠性，主要為配電網規(guī)劃提供參考。

分布式電源、儲能、電動汽車、微電網等的引入會對配電系統(tǒng)的可靠性產生重要影響。智能配電系統(tǒng)的可靠性評估就包含了分布式發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估、微電網可靠性評估、含分布式電源和微電網的配電系統(tǒng)可靠性評估［10］等內容。智能配電系統(tǒng)條件下提出適應新需求的可靠性評估指標和評估算法是該領域的技術關鍵。

2.2 智能配電系統(tǒng)安全性分析（SDS Security Analysis）

智能配電系統(tǒng)安全性是指有源配電系統(tǒng)針對一組預想事故集合（負荷變化、支路開斷、短路故障、分布式電源投退等），能夠保持對全部或大多數負荷的不間斷供電，并能夠通過開關操作或其他技術手段，快速隔離故障區(qū)域和恢復對非故障區(qū)域的供電，并保持潮流及電壓幅值在允許的限值范圍內的能力。可見，安全性是針對一組預想事故集而言的，沒有絕對的安全性。

智能配電系統(tǒng)的安全性分靜態(tài)安全性和動態(tài)安全性。靜態(tài)安全性主要關注配電系統(tǒng)在某一配電一次設備（線路、變壓器等）或者分布式電源、微電網停運后的安全供電問題，主要的校驗方法包括基于n-1+1準則和基于K（n-1+1）準則的靜態(tài)安全性校驗方法［11］。動態(tài)安全性則主要關注分布式電源和多樣化負荷給配電網帶來的電壓穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性問題。自愈能力是對配電系統(tǒng)安全性評價的一個重要指標。

2.3 智能配電系統(tǒng)風險評估（SDS Risk Assessment）

風險一般被定義為事故發(fā)生概率與產生后果嚴重性的乘積［12］。

其中，Pt（Ei）為 t時刻事故 i發(fā)生的概率；ηsevt（Ei）為由事故i產生后果的嚴重性；N為系統(tǒng)考慮的事故數。

風險反映了不確定性對主體目標的影響，通過風險分析可找出系統(tǒng)的不安全因素。即使用戶不停電一樣可能影響安全性，沒有絕對的安全性，也就說明了風險存在的普遍性，只是風險的大小不同。

智能配電系統(tǒng)的風險評估既包括對單個配電設備的風險評估，也包括對整個系統(tǒng)的風險評估；既包括考慮一次設備故障影響的配電系統(tǒng)風險評估，也包括考慮通信、保護等二次設備故障影響的配電系統(tǒng)風險評估，還包括間歇式新能源發(fā)電、儲能、電動汽車等接入下的有源配電系統(tǒng)風險評估。智能配電系統(tǒng)條件下也需要提出適應新需求的風險評估指標和算法。

2.4 智能配電系統(tǒng)生存能力與脆弱性分析（SDS Survivability&Vulnerability Analysis）

配電系統(tǒng)的生存能力與脆弱性分析的目的是分析評估系統(tǒng)面對重大災害的生存能力（Survivability），找到系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)（Vulnerability）。這也是所謂彈性配電系統(tǒng)所關注的問題［13］。

解決配電系統(tǒng)生存能力與脆弱性的手段包括：加強配電系統(tǒng)中閉環(huán)網的試點和建設，提高網架水平；構建能量互通的多微網系統(tǒng)，以在面臨重大災害等原因造成大電網停電時，保證對重要負荷的持續(xù)供電。

2.5 智能配電系統(tǒng)送電能力分析（SDS Transfer Capability Analysis）

智能配電系統(tǒng)的送電能力也可稱為供電能力，反映了有源配電系統(tǒng)傳輸電能的能力。其包括配電系統(tǒng)單個元件（線路或變壓器）的功率輸送能力，也包括配電各電壓等級（110 kV、10 kV和0.4 kV）線路的輸送能力及各級變壓器的輸送能力，還包括配電系統(tǒng)某個區(qū)域的供電能力。它是自上而下反映配電系統(tǒng)為用戶供應電力的能力。它受上、下游所有母線和支路的限值約束。正如一個輸水管道，其輸送能力受到上、下游水管的限制。

以支路k為例，其p相最大功率輸送能力的目標函數為：

約束條件包括但不限于：

（1）母線電壓約束；

（2）支路載流量約束；

（3）支路容量約束；

（4）變壓器容量約束。

2.6 智能配電系統(tǒng)負荷接入能力分析（SDS Load Accommodation Capability Analysis或SDS Loadability Analysis）

配電系統(tǒng)的負荷接入能力［14］既包括單點接納負荷能力，也包括區(qū)域系統(tǒng)或網絡接納負荷能力。它自下而上反映配電網接入負荷的能力。

以母線k為例，其p相最大負荷接入能力的目標函數為：

約束條件包括但不限于：

（1）母線電壓約束；

（2）上游支路載流量約束；

（3）上游支路容量約束；

（4）上游變壓器容量約束。

配電系統(tǒng)負荷接入能力分析的內容既包括對傳統(tǒng)負荷的接入能力分析，也包括對電動汽車等多元負荷的接入能力分析。

2.7 智能配電系統(tǒng)分布式能源接納能力分析（SDS DR Hosting Capability Analysis）

智能配電系統(tǒng)的分布式能源接納能力，既包括單點接納分布式能源能力，也包括區(qū)域系統(tǒng)或網絡接納分布式能源能力。其自上而下反映電網接納分布式能源的能力。分布式能源接納能力受到節(jié)點電壓約束、支路載流量約束、網架結構、分布式電源與負荷特性、短路電流限制、電能質量等多種影響因素的制約。

某區(qū)域配電網絡允許的分布式能源最大接入容量的目標函數為：

其中，G為某區(qū)域配電網絡接入的所有分布式能源集合。

約束條件包括但不限于：

（1）母線電壓約束；

（2）支路載流量約束；

（3）支路容量約束；

（4）變壓器容量約束。

2.8 智能配電系統(tǒng)經濟性分析（SDS Economy Analysis）

配電系統(tǒng)經濟性分析主要包括配電系統(tǒng)的資產利用率評估、配電系統(tǒng)建設的成本效益分析、基于可靠性的配電系統(tǒng)的經濟性評估等。

2.9 智能配電系統(tǒng)靈活性或彈性分析（SDS Resilience Analysis）

針對所謂彈性配電系統(tǒng)的需求，分析配電系統(tǒng)對擾動快速靈活響應的能力，即恢復力評估。分析反映配電網網架靈活易擴展，供電路徑靈活可變，可更多接入負荷的能力。分析反映配電網可更多地靈活接入分布式電源、儲能、電動汽車等的能力。在通過負荷接入能力分析和分布式能源接納能力分析得到上限值的基礎上，可與當前狀態(tài)比較，得到存在的裕度，從而實現對配電系統(tǒng)靈活性的分析。

2.10 智能配電系統(tǒng)主動性評價（SDS Activeness Assessment）

針對主動配電系統(tǒng)的需求，對主動配電系統(tǒng)的主動性特征進行評價，主要包括配電系統(tǒng)的態(tài)勢感知與風險預警能力評價、負荷需求響應能力評價等。

3 智能配電系統(tǒng)的關鍵技術

智能配電系統(tǒng)的關鍵技術很多，難免會掛一漏萬。在此，僅從智能配電系統(tǒng)數據獲取、數據分析、數據應用的角度提出智能配電系統(tǒng)的十大關鍵技術，如圖1所示。

圖1 智能配電系統(tǒng)的十大關鍵技術Fig.1 Ten key technologies of smart distribution system

下面對這10項關鍵技術逐一做簡要評述。

3.1 智能配電系統(tǒng)的不確定性建模技術

反映負荷波動特性的不確定性建模一直是電力系統(tǒng)建模中的難點問題，而隨著分布式電源、電動汽車等間歇性、隨機性強的電源和多元化負荷在配電系統(tǒng)的高滲透率接入，配電系統(tǒng)的不確定性越來越強。

傳統(tǒng)的確定性建模方法顯然難以滿足對配電系統(tǒng)中這些強不確定性因素進行表達的需求。傳統(tǒng)的優(yōu)化分析方法需要各物理量的準確的點值信息，而分布式電源發(fā)出的電能、用戶消費的負荷功率時刻都會發(fā)生較大的波動變化，難以預知其準確的數值。而且，傳統(tǒng)優(yōu)化分析方法得到的優(yōu)化結果往往依賴于所給的具體點，受參數變化的影響較大，優(yōu)化結果的適應性和可信度差，難以適應系統(tǒng)結構和狀態(tài)的變化，一旦條件改變，其優(yōu)化的效果和性能會大幅降低，有時甚至適得其反。因此，研究考慮不確定性的智能配電系統(tǒng)建模和分析方法十分必要。

3.2 智能配電系統(tǒng)的態(tài)勢感知技術

智能配電系統(tǒng)的態(tài)勢感知既涵蓋了傳統(tǒng)的數據采集，更聚焦于實時感知配電系統(tǒng)的各種不確定性因素的變化及影響，如負荷隨機需求響應、電動汽車無序接入、分布式電源間歇性出力、外部災害因素等。其從態(tài)勢覺察、態(tài)勢理解、態(tài)勢預測、態(tài)勢呈現4個層面逐層遞進。

智能配電系統(tǒng)的態(tài)勢感知關鍵技術主要包括：

（1）提高可觀測性的量測優(yōu)化配置技術；

（2）PMU優(yōu)化配置及數據應用技術；

（3）高級量測體系構建技術；

（4）含分布式電源的配電三相狀態(tài)估計技術；

（5）計及不確定性的分布式電源建模及出力預測技術；

（6）負荷分層分級預測技術；

（7）智能配電系統(tǒng)的大數據與云平臺技術。

以智能配電系統(tǒng)的大數據與云平臺技術為例，智能配電系統(tǒng)采集的多源異構的數據既包括系統(tǒng)管理和運行的數據，也包括用戶的用電數據，還包括氣象信息數據、社會經濟數據，以及用戶側的分布式電源、微電網、電動汽車等數據，具有海量、更新速度快等大數據的固有特性，因此，有必要提出針對智能配電系統(tǒng)的大數據體系架構和處理方法，開發(fā)智能配電系統(tǒng)的大數據和云平臺應用技術。

3.3 智能配電系統(tǒng)快速分析與仿真技術

智能配電系統(tǒng)快速分析與仿真技術通過基于數據的快速分析和仿真，拓展了數據價值。其主要內容包括：

（1）數據缺失條件下的潮流分析技術；

（2）快速三相不對稱潮流計算技術；

（3）含分布式電源的交直流混合配電網潮流計算技術。

3.4 智能配電系統(tǒng)分布式能源、電動汽車和負荷接納能力評估與提高技術

該項關鍵技術的主要內容包括：

（1）分布式能源、電動汽車和負荷接納能力的影響因素分析方法；

（2）分布式能源、電動汽車和負荷接納能力評估技術；

（3）分布式能源、電動汽車和負荷接納能力提升技術。

智能配電系統(tǒng)分布式能源、電動汽車和負荷接納能力受多種影響因素的制約，主要影響因素包括：

a.節(jié)點電壓約束；

b.支路載流量約束；

c.網架結構；

d.分布式能源與負荷特性；

e.短路電流限制；

f.電能質量；

g.可靠性；

h.保護配置；

i.并網穩(wěn)定性；

j.控制手段；

k.能量管理手段。

3.5 智能配電系統(tǒng)中的儲能價值分析與應用技術

通過智能配電系統(tǒng)中的儲能價值分析與應用技術發(fā)掘儲能在智能配電系統(tǒng)中的應用價值。

儲能在配電系統(tǒng)中具有消減不確定性、削峰填谷、平抑功率波動、調頻、調壓等功能。通過儲能的合理配置，可以促進可再生能源消納、提高電網運行經濟性、保證電網安全穩(wěn)定運行、提高供電電能質量、通過構建微電網獨立運行提高供電可靠性、提供系統(tǒng)備用等。通過儲能的價值分析和定價研究，可以促進儲能的發(fā)展，并促進其在智能配電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

3.6 智能配電系統(tǒng)風險評估與安全預警技術

智能配電系統(tǒng)風險評估與安全預警技術的主要內容包括：

（1）配電元件和系統(tǒng)的風險建模方法；

（2）考慮一次設備影響的配電系統(tǒng)風險評估；

（3）考慮通信、保護等二次設備影響的配電系統(tǒng)風險評估；

（4）間歇式新能源發(fā)電、儲能、電動汽車等接入下的配電網風險評估；

（5）配電系統(tǒng)的靜態(tài)安全分析與靜態(tài)安全預警；

（6）配電系統(tǒng)的動態(tài)安全分析與動態(tài)安全預警。

3.7 智能配電系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃技術

智能配電系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃技術包括：

（1）網絡優(yōu)化規(guī)劃技術；

（2）自愈結構優(yōu)化規(guī)劃技術；

（3）分布式電源優(yōu)化規(guī)劃技術；

（4）電動汽車優(yōu)化規(guī)劃技術；

（5）儲能的優(yōu)化規(guī)劃技術；

（6）源網儲荷協同優(yōu)化規(guī)劃技術。

以微電網中儲能的優(yōu)化規(guī)劃為例，微電網中合理配置功率型和能量型儲能，并從儲能系統(tǒng)運行的角度出發(fā)，通過對微電網經濟運行、儲能充放電計劃的優(yōu)化，實現系統(tǒng)的運行成本最小與儲能效益最大化。

3.8 智能配電系統(tǒng)新型保護理論與技術

考慮分布式電源和微電網的接入對配電系統(tǒng)保護的影響，考慮交直流混合配電系統(tǒng)的需求，需要開展智能配電系統(tǒng)新型保護理論與技術研究。

3.9 智能配電系統(tǒng)智能控制技術

智能配電系統(tǒng)智能控制技術主要包括：

（1）自適應分層分布式智能控制技術；

（2）自愈技術；

（3）含高滲透率分布式電源／儲能的配電網無功／電壓智能控制技術。

自適應分層分布式智能控制技術旨在適應分布式電源、微電網、電動汽車、柔性負荷等具有主動特性的元件接入傳統(tǒng)配電網后的運行和控制。多智能體的特點非常適合智能配電系統(tǒng)這樣復雜的多維的系統(tǒng)的分布式智能控制。

3.10 智能配電系統(tǒng)與用戶互動技術

智能配電系統(tǒng)與用戶互動技術包括：

（1）區(qū)域多微電網能量管理與協同調度技術；

（2）用戶參與自動需求響應技術；

（3）用戶群參與系統(tǒng)調頻技術；

（4）滿足用戶差異化需求的主動調度技術。

智能配電系統(tǒng)的互動化特性的表現之一是在分布式電源、微電網及區(qū)域多微電網參與配電網的協同調度上。

智能配電系統(tǒng)的互動化特性的表現之二是電能的互動，是指用戶參與自動需求響應，根據各種激勵措施調整用電方式，并應用自備分布式電源參與市場的行為，同時也可以以用戶群的群體效用參與系統(tǒng)調頻。

智能配電系統(tǒng)的互動化特性的表現之三是在服務層面的互動化，主要體現在能夠滿足用戶對供電可靠性和電能質量的差異化需求。

4 結論

智能配電系統(tǒng)所包含的內容廣泛，本文在對智能配電系統(tǒng)的相關概念進行辨析的基礎上，提出了智能配電系統(tǒng)分析的內涵，并從數據獲取、數據分析、數據應用的角度提出了智能配電系統(tǒng)的幾大關鍵技術。

本文純粹是從技術的角度探討智能配電系統(tǒng)的關鍵技術，并沒有涉及太多市場、政策等因素的影響。由于只是一家之言，難免掛一漏萬，尤其對概念的理解難免存在爭議，但希望能對當前智能配電系統(tǒng)領域的相關研究起到拋磚引玉和引發(fā)思考與討論的作用。

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