馮國瑞，陳繼堯

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司,寧夏 銀川 750411)

隨著能源變革配電網(wǎng)的形態(tài)正在持續(xù)改變，配電網(wǎng)由“無源”網(wǎng)變?yōu)椤坝性础本W(wǎng)，潮流由單向變?yōu)殡p向，電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的不確定性進(jìn)一步增大，配電網(wǎng)調(diào)節(jié)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)平衡的壓力日益增大，如何有效實現(xiàn)“源一網(wǎng)一荷”之間的協(xié)調(diào)互動，充分發(fā)揮配電網(wǎng)作為資源配置平臺的作用，成為配電網(wǎng)發(fā)展中面臨的主要挑戰(zhàn)[1]。近年來，為適應(yīng)配電網(wǎng)發(fā)展需要，業(yè)界學(xué)者提出了主動配電網(wǎng)的理念，即在規(guī)劃設(shè)計、運(yùn)行控制和運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)，通過應(yīng)用先進(jìn)的信息通信、智能控制、電力電子和儲能等新技術(shù)提升配電網(wǎng)的適應(yīng)性，主動滿足分布式電源、電動汽車、儲能裝置等電源和多元化負(fù)荷的大量接入，促進(jìn)資源的合理配置和設(shè)備的高效利用[2]。以寧夏寧東地區(qū)負(fù)荷為例，隨著分布式電源、電動汽車的接入以及用戶側(cè)用電可靠性要求的不斷提高，普通配電網(wǎng)已越來越無法滿足地區(qū)電網(wǎng)供電的實際需求,因此亟需開展主動配電網(wǎng)的研究工作。

1 寧東地區(qū)電網(wǎng)負(fù)荷特點

1.1 產(chǎn)業(yè)鏈耦合緊密、用戶多為?；髽I(yè)，供電可靠性要求高

寧東危險化學(xué)品企業(yè)較多，負(fù)荷性質(zhì)多為煤礦、化工、牽引站、揚(yáng)水等類型。其中，一類高危用戶35家(煤礦、化工)，特殊用戶8家(天然氣、藥業(yè)、新材料)，對電力可靠性要求很高，例如化工企業(yè)停電會引發(fā)爆炸、火災(zāi)等嚴(yán)重事故，醫(yī)藥企業(yè)停電會造成生產(chǎn)管線堵塞、引起設(shè)備損壞和液體外流，天然氣企業(yè)重要設(shè)備為大型壓縮機(jī)，停電會造成壓縮天然氣放空，引起環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 寧東電網(wǎng)自備機(jī)組總?cè)萘看螅?fù)荷側(cè)方式復(fù)雜，不確定性大

寧東電網(wǎng)所轄用戶自備電廠共6座，自備機(jī)組18臺，總裝機(jī)容量1 334 MW。自備電廠未納入地區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃，存在電源電網(wǎng)布局不合理、重復(fù)建設(shè)等問題，增加了電網(wǎng)運(yùn)行困難，影響電網(wǎng)電源布點規(guī)劃。自備電廠受企業(yè)內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行環(huán)境影響較大，且受平衡蒸汽影響，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性無法可靠保障，機(jī)組非停及負(fù)荷波動較頻繁，不確定性較大。

1.3 風(fēng)電、光伏分布式電源大量接入，電網(wǎng)從“無源”變“有源”，電網(wǎng)特性趨向復(fù)雜

隨著寧東電網(wǎng)新能源接入容量逐年攀升，總?cè)萘恳堰_(dá)5 223.56 MW。其中風(fēng)電場共23座，容量2 903.68 MW；集中式光伏電站19座，容量2 199.766 MW；分布式光伏21座，容量120.1135 MW。預(yù)計2020年底前，還將規(guī)劃投運(yùn)集中并網(wǎng)新能源場站4座、容量600 MW，分布式光伏2座、容量8 MW。日趨攀升的新能源并網(wǎng)，已導(dǎo)致330 kV網(wǎng)架支撐變電站主變?nèi)萘坎蛔?，已無法滿足N-1情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。且分布式新能源并網(wǎng)多采用10 kV公網(wǎng)“T”接方式，10 kV配網(wǎng)從“無源”變“有源”，扶貧分布式光伏項目信息上傳難度較大，對電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測、運(yùn)行管理及檢修維護(hù)造成了較高的風(fēng)險隱患。

2 主動配電網(wǎng)的發(fā)展

2.1 國內(nèi)外的主動配電網(wǎng)建設(shè)情況

主動配電網(wǎng)概念在全球范圍內(nèi)首先由歐洲地區(qū)的一些國家提出，并據(jù)此開展了一些研究工作，其中英國、西班牙和丹麥等國家為了綜合利用可再生能源、減少能量消耗和污染排放，在主動配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)示范工程項目的建設(shè)，最早實現(xiàn)了主動配電網(wǎng)的應(yīng)用[1]。此外，這些國家所負(fù)責(zé)的ADDRESS項目建立起了通信網(wǎng)絡(luò)，實時采集用電數(shù)據(jù)，便于用戶及時掌握電價信息并合理選擇使用，主要是將主動配電網(wǎng)應(yīng)用于用戶側(cè)，對其需求進(jìn)行收集并及時響應(yīng)；而隨后的ADINE示范項目則對用戶側(cè)需求響應(yīng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括繼電保護(hù)整定閾值、電壓幅值、頻率及系統(tǒng)諧波含量等的綜合控制方法進(jìn)行了深入研究[3]。除了歐洲地區(qū)外，北美地區(qū)的一些國家同樣較早開始了主動配電網(wǎng)的研究工作，如美國的奧林匹克半島主動配電網(wǎng)示范項目，在世界范圍處于技術(shù)前列的水平。日本主動配電網(wǎng)示范工程主要是在其最大的研發(fā)組織NEDO的主導(dǎo)下完成的，如新電力系統(tǒng)示范工程、大規(guī)模光伏接入示范工程、區(qū)域新能源接入示范工程等。日本主動配電網(wǎng)示范工程的建設(shè)目的是實現(xiàn)對各類分布式能源的大規(guī)模集成接入與消納，特別是對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響與平抑措施的示范應(yīng)用,建設(shè)一種基于主從結(jié)構(gòu)的能量管理系統(tǒng)，對主動配電網(wǎng)管轄內(nèi)的分布式電源和儲能裝置進(jìn)行調(diào)度管理，進(jìn)一步提升配電網(wǎng)的供電品質(zhì)[4]。

我國在“十三五”期間將主動配電網(wǎng)列入了863計劃的主要研究方向，并同時啟動了相關(guān)課題研究，如2012年的課題“主動配電網(wǎng)的間歇式能源消納及優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用”，對主動配電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電等間歇性能源的消納方法、協(xié)調(diào)控制等進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。本項目的研究成果最終在三水電網(wǎng)獲得了示范應(yīng)用，對于當(dāng)?shù)胤植奸g歇式能源的就地消納發(fā)揮了一定作用[5]。2020年10月，國網(wǎng)河北省電力公司在河北雄安新區(qū)召開科技創(chuàng)新大會，會上首次公布了《雄安新區(qū)數(shù)字化主動配電網(wǎng)建設(shè)方案》。按照方案，雄安新區(qū)將建設(shè)國際領(lǐng)先數(shù)字化主動配電網(wǎng)，打造能源互聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)，將初步建成概念型數(shù)字化主動配電網(wǎng)，2022年底將基本建成示范性數(shù)字化主動配電網(wǎng)，2030年底將全面建成規(guī)?；瘮?shù)字化主動配電網(wǎng)，電網(wǎng)的資源配置能力、安全保障能力和智能互動能力將得到極大提升，屆時，雄安新區(qū)電網(wǎng)將更加堅強(qiáng)可靠，供電質(zhì)量更高，用戶用電更加高效和智能化[6]。寧夏地區(qū)主動配電網(wǎng)的研究尚處在初級階段，主要在電網(wǎng)光伏、風(fēng)電等間歇性能源的消納方法、協(xié)調(diào)控制等方面進(jìn)行了一些研究；此外在10 kV配電網(wǎng)智能開關(guān)、TTU接入以及用戶側(cè)狀態(tài)感知等方面進(jìn)行了初步應(yīng)用，其主動配電網(wǎng)的深度應(yīng)用前景十分廣大[7]。

2.2 寧東地區(qū)開展主動配電網(wǎng)建設(shè)的意義

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)本質(zhì)上是一種被動的配電網(wǎng)，它的運(yùn)行是被動式的，相應(yīng)的控制和管理也缺乏主動性，基本的運(yùn)行為輸電網(wǎng)傳輸來的電能經(jīng)配電系統(tǒng)分配至終端用戶，其潮流基本也都是輻射型的單向形態(tài)，不存在向上一級輸送電能的可能[1]?？v觀寧東電網(wǎng)的負(fù)荷特點，既有分布式電源、電動汽車的大量接入，又有大量自備機(jī)組參與運(yùn)行，同時還要滿足?；髽I(yè)高可靠性的要求，電網(wǎng)特性十分復(fù)雜。顯然，傳統(tǒng)配電網(wǎng)已經(jīng)無法滿足寧東地區(qū)電網(wǎng)對配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)的需求，例如，由于新能源的引入、儲能技術(shù)的發(fā)展使得潮流雙向流動的情況時有發(fā)生，這導(dǎo)致電源-電網(wǎng)的定義是不完全確定的，這兩端在一些運(yùn)行工況下存在互易性；此外，由于光伏、風(fēng)電等大量分布式能源的接入，配電系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化的趨勢，在對電能進(jìn)行優(yōu)化控制的同時，會引起諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)的波動。這些分布式電源存在間歇性，所提供的電能大小往往取決于變化多端的天氣條件，在上網(wǎng)時存在運(yùn)行控制及調(diào)度上的困難，且與負(fù)荷需求無法實時匹配，因此，有時不得不進(jìn)行棄風(fēng)、棄光操作，影響分布式能源的利用率[8]。綜上所述，在寧東地區(qū)電網(wǎng)引入主動配電網(wǎng)的概念，同時圍繞泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃和重點建設(shè)，將大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、移動通信等現(xiàn)代化的計算機(jī)及信息技術(shù)引入到配電網(wǎng)規(guī)劃中，有望對電網(wǎng)中的大量信息進(jìn)行高效收集、處理和分析，進(jìn)而準(zhǔn)確感知配電系統(tǒng)的整體狀態(tài)，既能滿足環(huán)境友好、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)安全的需要，也能滿足用戶側(cè)對于電能的多方面要求。

3 主動配電網(wǎng)規(guī)劃主要思路

主動配電網(wǎng)規(guī)劃往往在滿足產(chǎn)業(yè)布局特點、經(jīng)濟(jì)發(fā)展目標(biāo)的前提下，既要考慮關(guān)于變電站布點和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)解決方案，又要考慮基于電網(wǎng)智能化技術(shù)的非網(wǎng)絡(luò)解決方案，主動配電網(wǎng)規(guī)劃即是在網(wǎng)絡(luò)解決方案和非網(wǎng)絡(luò)解決方案之間的平衡。以寧東基地園區(qū)規(guī)劃為例，寧東基地規(guī)劃總面積3 500 km2，其中核心面積885 km2，涵蓋10大工業(yè)園區(qū)，在立足寧東基地現(xiàn)狀、功能定位和遠(yuǎn)景發(fā)展的基礎(chǔ)上，其主動配電網(wǎng)的規(guī)劃還應(yīng)考慮以下方面。

3.1 整體架構(gòu)思路

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，主動配電網(wǎng)最大的特點是可以通過非網(wǎng)絡(luò)解決方案滿足負(fù)荷增長和分布式電源接入需求，其整個構(gòu)架思路主要考慮以下幾點：

(1)首先要具備可靈活調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及完善的調(diào)節(jié)、控制手段用來隨時協(xié)調(diào)優(yōu)化管理控制系統(tǒng)；

(2)其次通過協(xié)調(diào)控制分布式電源、主動負(fù)荷與儲能裝置，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)潮流的均衡化，從而達(dá)到提高配電網(wǎng)消納分布式電源的能力，促使分布式電源積極參與系統(tǒng)調(diào)頻與電壓無功控制，提高配電網(wǎng)的供電質(zhì)量；

(3)最后要通過積極優(yōu)化管理分布式電源、主動負(fù)荷與儲能裝置，提高配電網(wǎng)設(shè)備的利用率，減少配電網(wǎng)對主網(wǎng)的容量需求，降低電網(wǎng)投資成本。

3.2 變電站的布點

在主動配電網(wǎng)變電站布點中，考慮到新型負(fù)荷(如電動汽車、分布式儲能等)和分布式電源(如太陽能、風(fēng)能等)的引入，此時電網(wǎng)中能夠供電的電源以及需要直接供電的負(fù)載容量都隨之發(fā)生了變化，即：變電站直接供電的負(fù)荷總量實際上是減少的，主動配電網(wǎng)負(fù)荷減少的部分為電動汽車、分布式儲能等可控負(fù)荷，電源減少的為分布式電源供電的部分。顯然，這導(dǎo)致了負(fù)荷密度與以往的配電網(wǎng)相比發(fā)生了變化，因此，在布點主動配電網(wǎng)的變電站時，必須根據(jù)變化以后的負(fù)荷密度、主動配電網(wǎng)的變電站定容數(shù)據(jù)總和考慮進(jìn)行合理布局[9]。

當(dāng)已知計劃的目標(biāo)年度負(fù)荷分配時，為了滿足一定的負(fù)荷需求，將最低投資和年度運(yùn)營成本(包括變電站和支線的運(yùn)營和投資成本，線路損耗成本等)作為目標(biāo)優(yōu)化值，首先對變電站的數(shù)量和位置進(jìn)行規(guī)劃確定，然后再考慮變壓器的臺數(shù)和各自的容量，最后再給出變電站能夠提供電力的距離范圍。在主動配電網(wǎng)的規(guī)劃中，有必要重點關(guān)注分布式電源接入配電網(wǎng)對變電站的位置和容量的影響[10]。變電站的位置和容量的傳統(tǒng)確定方法包括方案比較和啟發(fā)式驗證這兩種方法。在新形勢下，上述方法已經(jīng)無法滿足電網(wǎng)規(guī)劃和發(fā)展的要求。配電網(wǎng)中分布式電源的接入對系統(tǒng)影響很大，包括：線路投資和系統(tǒng)損耗減少，主網(wǎng)側(cè)對變電站容量的需求降低，變電站的規(guī)模以及所需建設(shè)的數(shù)目減小，上述影響直接導(dǎo)致了傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的改變；因此，在對主動配電網(wǎng)的變電站進(jìn)行規(guī)劃時，必須考慮分布式電源的影響，對分布式電源和新建站的供電負(fù)荷、位置和容量等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，實現(xiàn)供電安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時優(yōu)化。

變電站的位置和容量的確定應(yīng)集中對以下幾點進(jìn)行考慮：

(1)對于以供電為主的變電站，位置應(yīng)集中在負(fù)荷中心，并應(yīng)考慮供電范圍，供電容量大小和供電質(zhì)量的優(yōu)劣等。若變電站主要的電源為新能源，則應(yīng)考慮建站在該地區(qū)的新能源資源中心，重點是方便新能源的并網(wǎng)，路線和走廊避開繁華商業(yè)區(qū)或密集居民區(qū)，且投資盡量節(jié)省優(yōu)化。在這兩種情況同時存在時可以考慮在負(fù)載和新能源的相對中心處選擇一個位置，并遵循區(qū)域變電站、線路及相關(guān)配套設(shè)施等總投資最小的原則。

(2)對于供應(yīng)負(fù)荷含有大量電動汽車、分布式儲能等新型負(fù)荷的情況，變電站選址除了根據(jù)線路走廊、與分布式新型負(fù)荷的綜合優(yōu)化距離外，還需要考慮到負(fù)荷波動性大的特點，接入電網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)潮流、電能質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性的影響，綜合考慮負(fù)荷需求、建設(shè)投資等進(jìn)行選址[11]。

3.3 新增變電站容量的預(yù)估

根據(jù)所在區(qū)域已經(jīng)確定的規(guī)劃好的負(fù)荷水平，減去上下層變電站的直供負(fù)荷和同一水平的電源(包括分布式電源)提供的負(fù)荷，并考慮規(guī)劃區(qū)域中的區(qū)域負(fù)載或外部區(qū)域提供給該區(qū)域的負(fù)載，就可以獲得所需的變電站總?cè)萘俊Ｔ谥鲃优潆娋W(wǎng)中，新增加變電站容量的估算必須考慮并入配電網(wǎng)的分布式電源的影響[12]。配電網(wǎng)中分布式電源的并網(wǎng)，減少了線路投資和系統(tǒng)損耗，并且相應(yīng)地減少了對主網(wǎng)絡(luò)側(cè)變電站容量的需求。當(dāng)然，此時變電站的數(shù)量和規(guī)模也會得到控制，從而改變傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；因此，有必要考慮分布式電源對變電站選址、定容等的多方面影響，處理好分布式電源與新變電站的供電負(fù)荷、位置和容量之間的關(guān)系，并從能源供應(yīng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對新增變電站容量進(jìn)行合理估算。

3.4 合理考慮分布式電源接入位置

在能源互聯(lián)網(wǎng)這一背景下，要充分考慮主動配電網(wǎng)的合理規(guī)劃，合理選擇系統(tǒng)分布式電源、儲能裝置、電動汽車等新型系統(tǒng)或相關(guān)設(shè)備的接入位置，合理確定分布式電源等設(shè)備的接入容量與數(shù)量，可提高新能源設(shè)備及新型負(fù)荷的接納能力、減少對網(wǎng)架以及各種電力設(shè)備的升級投資。例如：分布式電源在配電網(wǎng)中安裝位置和容量的不同對配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率流向的影響有所差異；此外，風(fēng)光的隨機(jī)性導(dǎo)致了分布式電源出力的間歇性，都會對分布式電源在配電網(wǎng)中位置的選擇和容量的確定產(chǎn)生較大影響；因此，為了使配電網(wǎng)能夠更加經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的運(yùn)行，必須對分布式電源的選址和容量確定進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，通過多種能源和多種系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制和互為補(bǔ)充，減少風(fēng)能和太陽能的浪費(fèi)現(xiàn)象，在主動配電網(wǎng)中實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行和多種能源的可持續(xù)利用； 此外，主動配電網(wǎng)的規(guī)劃還需要考慮今后新能源電源增加接口，在輸電和變電兩個環(huán)節(jié)預(yù)留相應(yīng)的發(fā)展空間，同時出線部分也應(yīng)預(yù)留足夠的配套端口，為今后儲能、電動汽車等新型負(fù)荷的增加或接入提供方便[13]；因此，合理考慮分布式電源的接入位置是主動配電網(wǎng)規(guī)劃中的重要環(huán)節(jié)，必須得到足夠重視。

3.5 智能配電設(shè)備的應(yīng)用

近年來，隨著配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在配電網(wǎng)領(lǐng)域尤其是10 kV配電網(wǎng)已基本可以實現(xiàn)通過全面互聯(lián)、多角度感知而提升電網(wǎng)故障處理的能力[14]：一是安裝暫態(tài)型故障錄波裝置，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時收取架空線路首級桿塔處故障指示器采集信息，對某變電站系統(tǒng)電壓、故障指示器各出線零序電流進(jìn)行分析，對該區(qū)域單相接地故障情況進(jìn)行綜合研判，從而提高單相接地故障處理能力，避免了區(qū)域故障逐條拉路選線，減少用戶停電時長，提高供電服務(wù)的可靠性；二是全面提升線路故障恢復(fù)處理能力，安裝自愈開關(guān)，通過“一線一案”、集中型、就地型饋線自動化部署，提高線路故障的恢復(fù)能力，實現(xiàn)區(qū)域故障自動隔離、非故障區(qū)域自動恢復(fù)功能；三是提高低壓臺區(qū)故障搶修能力，安裝智能融合終端，通過物聯(lián)網(wǎng)實時上送臺區(qū)低壓電能信息，對臺區(qū)故障、低壓饋線故障進(jìn)行檢測分析，提高故障感知力；四是建設(shè)安全高效的通信網(wǎng)絡(luò)。通過配電通信系統(tǒng)為配電自動化設(shè)備、用電信息采集系統(tǒng)提供安全、可靠的傳輸通道，為智能用電發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的新形勢，對寧夏寧東地區(qū)分布式電源的接入以及用戶側(cè)負(fù)荷用電的特點進(jìn)行分析，提出了在寧東地區(qū)開展主動配電網(wǎng)建設(shè)的意義。同時從主動配電網(wǎng)規(guī)劃思路、變電站布點、新增變電站容量的預(yù)估以及智能配電設(shè)備應(yīng)用等方面提出了初步的治理措施，對寧東地區(qū)“十四五”期間電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃具有一定的現(xiàn)實意義和參考價值。