羅 凱

（國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司,浙江 寧波 315800）

隨著化石能源的短缺及其對環(huán)境造成的顯著負(fù)面影響，構(gòu)建全新的環(huán)保節(jié)能新能源體系已經(jīng)成為全球能源市場的主要趨勢。在該趨勢的影響下，智能電網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，越來越多的諸如分布式發(fā)電廠、微電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車以及需求響應(yīng)資源等分布式能源開始被整合到龐大的配電網(wǎng)中，新興技術(shù)將勢必影響到人們生產(chǎn)、分配以及消耗能源的方式，由分布式能源和集中式發(fā)電混合運營的智能配電模式正在到來。

然而，由于分布式能源的出力機制，其本身的間斷性、波動性、隨機性將給電網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來諸如電壓閃變、諧波污染等巨大的挑戰(zhàn)，也使電網(wǎng)管控變得更加困難。在分布式能源的滲透率和競爭力快速上升的勢頭下，電力市場迫切需要新的技術(shù)和政策來處理新出現(xiàn)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題。為了解決這一難題，可以聚合大量與多種分布式能源的智能化技術(shù)應(yīng)運而生，當(dāng)此類智能配電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化各式的分布式能源后，將顯著減少分布式能源對電網(wǎng)的沖擊，統(tǒng)籌各種分布式能源的出力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效和穩(wěn)定的目的。

1 分布式能源

1.1 分布式能源的基本概念

目前，世界各國所采用的供電系統(tǒng)多為集中式供電系統(tǒng)，表現(xiàn)為大機組、大電網(wǎng)、集中式發(fā)電等特征。隨著國家的繁榮建設(shè)與社會水平的提高，人民對于電能安全供應(yīng)的質(zhì)量要求也越來越高。龐大的集中式電網(wǎng)固然有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高，但也帶來了許多安全問題，如任一節(jié)點電壓引發(fā)的波動都將對電網(wǎng)整體造成較大的沖擊，甚至造成電網(wǎng)崩潰以及災(zāi)難性的停電事故。此外，電力負(fù)荷波動無法被集中式發(fā)電網(wǎng)精確跟蹤，而分布式發(fā)電與集中式電網(wǎng)的有機結(jié)合也被認(rèn)為是解決峰荷問題的有力措施。

分布式能源（distributed energy，DE）是指用多種分散化、小型化的可再生清潔能源發(fā)電和儲能的電力系統(tǒng)。通常在電力用戶周圍就近布置這些分布式能源發(fā)電系統(tǒng)，以高效輸出電、光、熱或其他形式的能源。由于分布式能源系統(tǒng)遵循就近發(fā)電、就近用電的原則，不需進(jìn)入長距離輸電線路，故線損極小，能源利用效率較高，因此具有節(jié)能減排等優(yōu)勢，已經(jīng)成為新時代下電力工業(yè)發(fā)展的重要方向。

常規(guī)的火力發(fā)電站、核能發(fā)電站、水力發(fā)電站以及大型的太陽能電站，都屬于集中式發(fā)電，需要將大量的電能匯入輸電網(wǎng)當(dāng)中并進(jìn)行長距離輸送，這勢必要造成巨大的線路損失。相比之下，分布式能源系統(tǒng)具有就地生產(chǎn)與使用的特點，能夠減少由于輸電所造成的電能損失。

目前，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池等形式是較為普遍、發(fā)展勢頭良好的分布式發(fā)電技術(shù)。從分布式發(fā)電的能源結(jié)構(gòu)看，主要使用作為清潔能源的太陽能、生物質(zhì)能、波浪能和本地方便獲取的化石燃料（主要是天然氣）[1]，因此也被認(rèn)為是一項環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的舉措，從而受到國家各項政策的支持。

1.2 分布式能源存在的問題

1.2.1 發(fā)電質(zhì)量不穩(wěn)定

電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量不僅包含電壓、電流的大小，還對頻率、波形作出了嚴(yán)格的要求，諸如電壓波動、諧波干擾等因素對電能質(zhì)量都將產(chǎn)生較大的影響。大量的整流、逆變以及調(diào)壓器等其他電力電子裝置隨著分布式電源接入配電網(wǎng)后，造成了巨大的諧波污染，影響發(fā)電電壓的頻率、波形和大小數(shù)值。此外，分布式能源通常就地取材，因發(fā)電原料的質(zhì)量參差不齊或燃料供應(yīng)短缺，容易造成發(fā)電的不穩(wěn)定，此電能質(zhì)量時高時低，無法得到可靠保障。若地區(qū)無大電網(wǎng)的保障支撐，則當(dāng)發(fā)生發(fā)電環(huán)境不佳、天災(zāi)等原因造成分布式電廠被破壞，短期難以恢復(fù)供電。

1.2.2 繼電保護(hù)整定復(fù)雜化

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置承擔(dān)了對系統(tǒng)故障或異常情況的檢測報警任務(wù)和隔離、切除故障部分的重要工作。以電流為工頻電氣量的三段式電流保護(hù)，需要各自整定其每一段的動作電流值，當(dāng)實際電流超過動作電流，斷路器則動作跳閘以切除隔離故障。然而，當(dāng)含有分布式發(fā)電技術(shù)的配電網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時，線路的繼保裝置所測得的短路電流會異常減小或增大，嚴(yán)重影響保護(hù)動作的靈敏性，這對三段式電流保護(hù)定值的整定提出了更高的要求。

1.2.3 自動重合閘裝置誤動問題

自動重合閘裝置是一種能夠?qū)⒐收咸_的斷路器按需要重新投入的自動裝置。由于省去了人工合閘的判斷、操作時間，自動重合閘裝置可以在很大程度上提高供電的可靠性，減小停電損失。自動重合閘裝置常被安裝在配電網(wǎng)中的各個環(huán)節(jié)，從而避免運行過程發(fā)生由于瞬時故障引發(fā)的長時間停電事故，例如在大風(fēng)天氣，農(nóng)田上的塑料薄膜受風(fēng)漂浮跨接在配電線路上所造成的短時停電，在風(fēng)力漸小后具備自動恢復(fù)供電工況的運行條件，重合閘裝置將立即操作斷路器合閘送電，從而避免了長時間停電事故的發(fā)生。而一旦在電網(wǎng)中使用了分布式電源，當(dāng)電網(wǎng)產(chǎn)生瞬時事故現(xiàn)象時，分布式電源一般擁有為故障地繼續(xù)供電的能力，這將嚴(yán)重影響斷路器電弧的熄滅。此時，自動重合閘裝置若錯誤合閘于故障未消除的事故狀態(tài)，電力設(shè)備、用戶都將遭受又一次重創(chuàng)。因此，當(dāng)自動重合閘裝置應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)中時，應(yīng)適當(dāng)延長自動重合閘裝置的反應(yīng)時間，以確保故障電弧徹底熄滅。

2 智能配電網(wǎng)

2.1 智能配電網(wǎng)的行業(yè)現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電五大環(huán)節(jié)組成，其中配電環(huán)節(jié)作為電力系統(tǒng)向用戶分配電能的橋梁，有著十分重要的地位。智能電網(wǎng)指電網(wǎng)的智能化，包括了智能輸電網(wǎng)和智能配電網(wǎng)，根據(jù)智能電網(wǎng)的定義和核心內(nèi)涵[2]可知，智能配電網(wǎng)（smart distribution grid，SDG）是一種通過高速雙向通信的網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的傳感和測量技術(shù)、控制方法及決策系統(tǒng)，來達(dá)到可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保和安全的六個發(fā)展目標(biāo)的智能服務(wù)系統(tǒng)。智能配電網(wǎng)支持分布式能源的接入，并利用現(xiàn)代電子通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將電網(wǎng)中在線和離線、發(fā)電以及用電的信息集成，實現(xiàn)配電網(wǎng)的智能化監(jiān)測、保護(hù)、控制和管理。

目前，我國的智能配電網(wǎng)技術(shù)仍處于起步發(fā)展和試點摸索的初期階段，國內(nèi)城市配網(wǎng)饋線的自動化率低于20%。但在國家政策的大力推動下，智能電網(wǎng)建設(shè)逐漸成為我國電力行業(yè)的發(fā)展趨勢。過去十幾年時間里，智能配電網(wǎng)技術(shù)始終走在智能電網(wǎng)建設(shè)的前列。據(jù)統(tǒng)計，全國共有300多個城市于“十二五”期間啟動了智能配電網(wǎng)的建設(shè)工作，“十二五”期間，配電智能化主站加上終端的總市場容量達(dá)到280億元。未來幾十年里，智能化配電發(fā)展的潛力不可估量。

2.2 智能配電網(wǎng)的工作模式

在智能配電網(wǎng)中，先進(jìn)的計量基礎(chǔ)設(shè)施使負(fù)荷服務(wù)實體和各種類型的用戶之間的雙向通信成為可能。合理的合約安排使消費者能夠在給定時間前幾分鐘接收實時價格信號，并通過隨后調(diào)整他們的用電量來響應(yīng)該信號。一個理性的消費者應(yīng)該通過優(yōu)化他的用電量來最大化他的效用[3]。由于實時電價反映了發(fā)電和輸電的時變的邊際成本，能夠合理運用實時電價是實現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行的有效措施。智能配電網(wǎng)根據(jù)實時電價的信息，通過自身的優(yōu)化求解器使用優(yōu)化算法與下層的消費者們交互有關(guān)供需的各方面信息。如從消費者處得知該消費者在一天當(dāng)中各個時段的電能消耗偏好、一天能耗的大致上限或者下限等，再與地區(qū)供電網(wǎng)的供應(yīng)能力、消費者所配置的各式分布式能源出力等約束情況結(jié)合，向消費者提供優(yōu)化計算所需要用到的信息，例如阻塞價格等優(yōu)化計算乘子。來回的實時信息交互可以對消費者的實時需求做出響應(yīng)，調(diào)度各時段的能耗使其具備最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。

3 分布式電源接入智能配電網(wǎng)的必要性

由于可持續(xù)能源當(dāng)?shù)乩玫沫h(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，分布式電源系統(tǒng)在我國電力系統(tǒng)中的發(fā)展呈現(xiàn)上升趨勢。然而，獨立式的分布式能源系統(tǒng)的輸出能源嚴(yán)重受到當(dāng)?shù)匕l(fā)電能源質(zhì)量的制約，供電質(zhì)量上存在明顯的不穩(wěn)定性，這對電力市場的正常交易與電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成了較大的影響。此外，由于電能不可大量儲存，獨立運行的分布式能源系統(tǒng)很有可能因輸出電能質(zhì)量的問題，造成附近重要負(fù)荷的用電質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)停電的問題。

為了解決獨立的分布式能源系統(tǒng)的輸出能源不穩(wěn)定問題，大量的實踐研究表明，應(yīng)當(dāng)將分布式能源接入智能配電網(wǎng)以并網(wǎng)運行。這相當(dāng)于整合了多個分布式能源系統(tǒng)，可以降低分布式能源系統(tǒng)的電氣量的擾動對電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)接入可再生能源分布式電源時，通常需要在網(wǎng)內(nèi)配備儲能系統(tǒng)以適應(yīng)不同時段峰谷負(fù)荷的變化，從而充分發(fā)揮可再生能源的持續(xù)性。由此，當(dāng)配電網(wǎng)以外的區(qū)域出現(xiàn)故障時，智能電網(wǎng)可以自動調(diào)整為分布式電源系統(tǒng)的獨立運行模式，單獨為配電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷提供用電服務(wù)。這不僅保障了網(wǎng)內(nèi)的電能質(zhì)量，還進(jìn)一步改善了重大用戶的供電可靠性問題。此外，智能配電網(wǎng)系統(tǒng)還可依托分布式能源系統(tǒng)提供電網(wǎng)輔助性服務(wù)，如黑啟動和外送電能。

綜上所述，分布式能源系統(tǒng)的并網(wǎng)接入將改變配電網(wǎng)的運行特性和結(jié)構(gòu)：對于配電網(wǎng)來說可以平衡局部節(jié)點的功率波動，對于分布式能源系統(tǒng)自身而言又可以優(yōu)化能量調(diào)度，使得新形成的電力系統(tǒng)具備更高的自控性。并網(wǎng)運行的分布式可再生發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)互為儲備，能夠充分發(fā)揮可再生能源的經(jīng)濟(jì)性而又彌補其來源的不穩(wěn)定性。因此，將分布式電源以微網(wǎng)形式接入到配電網(wǎng)中是電網(wǎng)智能化發(fā)展的必經(jīng)之路，具有重大的社會經(jīng)濟(jì)效益。

4 智能配電網(wǎng)中分布式電源接入的關(guān)鍵問題與對策

智能配電網(wǎng)所要求的技術(shù)指標(biāo)主要如下：配電數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控自動化（SCADA）、饋線自動化（feeder automation，F(xiàn)A）、變電站自動化（substation automation，SA）和配電管理自動化（distribution management automation，SDA）。智能配電網(wǎng)以實現(xiàn)分布式能源的經(jīng)濟(jì)安全接入并發(fā)揮各地方的最大潛力為目標(biāo)。為了實現(xiàn)該目標(biāo)，需要解決智能配電網(wǎng)下的一系列關(guān)鍵問題，包括配電網(wǎng)運行的控制與保護(hù)、配電網(wǎng)能量輸出的優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化需求互動響應(yīng)和配電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測與治理等多個方面。

4.1 配電網(wǎng)的控制與保護(hù)

智能配電網(wǎng)接入分布式可再生能源的主要特點，是在大電網(wǎng)的穩(wěn)定支撐下，能夠利用原有電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制與保護(hù)。與非智能化的電力系統(tǒng)相比，分布式能源系統(tǒng)的容量較小，通過逆變電路的方式并網(wǎng)，在運行過程中存在一定的時變性。此外，智能電網(wǎng)內(nèi)的電力電子設(shè)備種類不一，各種清潔能源運行有著截然不同的條件，導(dǎo)致配電網(wǎng)的運行控制與保護(hù)問題變得復(fù)雜[4]。為此，應(yīng)當(dāng)將以下兩個方面的控制保護(hù)問題納入穩(wěn)定運行配電網(wǎng)的首要任務(wù)中。

（1）頻率與電壓的穩(wěn)定性問題。分布式清潔能源的離網(wǎng)與接入甚至是微小擾動都會造成配電網(wǎng)的電壓波動，保證配電系統(tǒng)在不同工況和運行模式下頻率和電壓的穩(wěn)定是加強智能電網(wǎng)的首要任務(wù)。

（2）運行模式的自動切換。智能電網(wǎng)一般具有聯(lián)網(wǎng)運行和獨立運行兩種模式，不同模式切換時由于電氣量的迅速變化，容易造成解列等問題。因此，需要將模式切換時的工作重心放在故障篩查上，以穩(wěn)定完成自同期并網(wǎng)和解列的關(guān)鍵性操作技術(shù)。

4.2 配電網(wǎng)能量輸出的優(yōu)化調(diào)度

分布式能源使用了本地多種易于獲取的環(huán)保能源（風(fēng)能、太陽能、潮汐能等），并輸出形式不一的復(fù)合產(chǎn)品（電、冷、熱等）。分布式能源接入智能配電網(wǎng)后，能量輸出具備一定的時變性和不確定性，必須采取合適的調(diào)節(jié)方式，以完成對配電網(wǎng)內(nèi)各種能量輸出的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高能源利用效率。配電網(wǎng)的能量管理模式主要分為集中式調(diào)度法和分布式調(diào)度法兩類。

（1）集中式調(diào)度法。智能配電網(wǎng)的主要任務(wù)便是調(diào)度大量的資源，對于傳統(tǒng)的集中式調(diào)度法而言，協(xié)調(diào)無處不在的海量分布式資源是一項非常艱巨的任務(wù)，因為它面臨著幾項技術(shù)難題和制度的障礙，包括：①隨著用戶數(shù)增加而顯著增加的維數(shù)導(dǎo)致的計算困難和計算成本的提高；②隨著規(guī)模增加而導(dǎo)致的區(qū)域和調(diào)度中心之間沉重的通信負(fù)擔(dān)；③要以高保真度維護(hù)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)十分困難；④無法進(jìn)行區(qū)域級別的獨立操作；⑤集中式優(yōu)化算法需要知道每個消費者的隱私細(xì)節(jié)，這使得保護(hù)消費者隱私在信息不對稱的情況下很難實現(xiàn)[5]。

（2）分布式調(diào)度法。與集中式調(diào)度法相比，分布式優(yōu)化調(diào)度只需要少量的用戶信息，更易于保護(hù)消費者的個人隱私。此外，分布式優(yōu)化調(diào)度可以將大規(guī)模的消費者集群模型分解成一系列的子問題，隨后這些更易進(jìn)行處理和計算的子問題模型能夠以獨立和并行的方式進(jìn)行解決，這將大大提高整個調(diào)度過程的效率。因此，分布式優(yōu)化調(diào)度策略作為一種更優(yōu)良的調(diào)度方法正逐漸被智能化的系統(tǒng)所采用。

集中調(diào)度模式由上層中央能量管理系統(tǒng)和底層分布式電源、負(fù)荷等就地設(shè)備控制器組成，兩層之間要求雙向通訊。分散控制模式中，微網(wǎng)內(nèi)能量優(yōu)化的任務(wù)主要由分散的設(shè)備層控制器完成，每個設(shè)備層控制器的主要功能并不是最大化該設(shè)備的使用效率，而是與微網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備協(xié)同工作，以提高整個微網(wǎng)的效能。集中調(diào)度模式技術(shù)上相對成熟，目前應(yīng)用得也較為廣泛，但距離真正實現(xiàn)微網(wǎng)運行的優(yōu)化還有很大的挖掘潛力。

4.3 配電網(wǎng)需求互動響應(yīng)的優(yōu)化

智能配電網(wǎng)將開放互動作為重要特征，為了實現(xiàn)信息的多向互動和建立不同類型互動的新模式，需要構(gòu)建一套更為完善的電力市場體系。用戶實現(xiàn)與智能電網(wǎng)互動的主要方式是需求響應(yīng)（demand response，DR），需求側(cè)響應(yīng)作為實現(xiàn)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)發(fā)展與交互的重要手段，一方面能夠幫助大量的用戶主動參與資源配置和系統(tǒng)運行，節(jié)省電網(wǎng)的監(jiān)視成本，另一方面可以滿足需求多樣化的市場發(fā)展，改善用戶體驗。分布式能源作為一個獨立的能源接入系統(tǒng)，包含了電力生產(chǎn)的傳輸和交易兩大方面。因此，智能電網(wǎng)的任務(wù)并不能局限于接入分布式能源和并網(wǎng)，更應(yīng)該改善作為需求側(cè)的用戶協(xié)調(diào)交互工作，從而提供智能化的能源服務(wù)。

4.4 配電網(wǎng)的電能質(zhì)量檢測與治理

在配電網(wǎng)中，分布式電源的間歇式啟停和功率變化，都會給用電側(cè)帶來波形畸變和電壓實際值波動的質(zhì)量問題；分布式能源系統(tǒng)中的電源通常采用電力電子裝置實現(xiàn)控制，會造成大量的諧波污染。值得一提的是，由于單相負(fù)荷和分布式電源在配電網(wǎng)中的影響，三相系統(tǒng)的不平衡水平異常增大。因此，很有必要對分布式電源接入配電網(wǎng)后的電能質(zhì)量進(jìn)行實時監(jiān)測。

目前用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的電力電子裝置包括無源濾波器和有源濾波器。近些年來，隨著靜止無功補償裝置（SVC）等高性能電力電子元件的普及和研究，諧波治理等電能質(zhì)量優(yōu)化技術(shù)正在快速發(fā)展。

5 結(jié)語

分布式能源系統(tǒng)就近利用用戶周邊的可持續(xù)環(huán)保能源，具備更好的能源利用率與可持續(xù)性，在世界各地的政策支持下正蓬勃發(fā)展著。將分布式能源接入智能配電網(wǎng)具有十分重要的意義，能夠改善因發(fā)電能源不穩(wěn)定導(dǎo)致的供電質(zhì)量問題，同時形成與大電網(wǎng)互為儲備的智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。本文介紹了分布式能源的基本概念和尚存在的三大問題，闡述了分布式能源接入智能配電網(wǎng)的必要性，提出了目前存在的四大關(guān)鍵性問題與解決對策。