王成山，季 節(jié)，冀浩然，于 浩，吳建中，李 鵬

（1. 智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072；2. 卡迪夫大學工程學院，卡迪夫CF24 3AA，英國）

0 引言

隨著電氣與信息技術的不斷進步，在國家政策與日益完善的市場機制激勵下，配電網進入快速發(fā)展階段。分布式電源的接入比例不斷提升，電能替代在社會生產、居民生活、電氣化交通等領域被廣泛推進，配電網所涵蓋的技術要素、所面臨的技術需求更為豐富，由此帶來了諸多挑戰(zhàn)［1］。面向未來配電網發(fā)展需求，如何利用電氣裝備與運行調控等技術的創(chuàng)新，使系統(tǒng)能夠有效承載清潔能源的接入與消納、提供用戶側差異化電力服務，以及滿足配電網與社會生產生活多領域的協(xié)調互動，成為當前面臨的重要課題。

電力電子裝備的廣泛應用是柔性配電網的重要特征之一［2］，新型電力電子裝置將以各種不同的形式存在于配電網中，并能夠通過對電能的靈活變換與控制，使源荷行為更加“柔性”和“主動”，從而釋放各種源荷新要素的運行調度潛力，共同支撐配電網運行目標的實現(xiàn)［3］。例如，借助新型電力電子拓撲和控制策略，分布式光伏能夠在并網發(fā)電的同時參與系統(tǒng)的無功電壓控制［4］；各種源荷可組成微電網等形式，以整體可控形態(tài)參與配電網運行［5］；在高級量測和信息通信技術的支撐下，分散負荷也能夠利用虛擬電廠等組織形式，通過需求響應支撐電網運行；對電動汽車充電站、數(shù)據中心等新型負荷，還能夠利用自身的能量管理能力獲得節(jié)能和支撐電網運行優(yōu)化的雙重收益。

源荷側設備的柔性化豐富了配電網的運行調度資源，但由于其空間分布的不均衡性和傳統(tǒng)配電網的結構與技術約束，其調節(jié)效用往往限于局部而難以有效傳導至整個系統(tǒng)。如何高效、協(xié)同地利用柔性資源成為亟待解決的難題［6］。智能軟開關（soft open point，SOP）技術即在這一背景下提出，其基本結構由大功率全控型電力電子元件組成的背靠背型交-直-交變流器構成，通常SOP 各端變流器結構完全對稱［7］。SOP 是一種取代傳統(tǒng)常開聯(lián)絡開關（normally open point，NOP）的新型電力電子裝置，可實現(xiàn)配電系統(tǒng)的柔性閉環(huán)運行［8］。隨著SOP 應用價值的不斷發(fā)掘，其“常開”特性逐漸弱化，在名稱上也演化為“智能軟開關”或“柔性多狀態(tài)開關”［9］，以凸顯其對系統(tǒng)智能運行的支撐作用和多種運行狀態(tài)靈活切換等特征。SOP 能實現(xiàn)饋線層面的實時、精細功率控制［10］，進而在更大的空間尺度下統(tǒng)籌各種柔性源荷資源，調節(jié)和優(yōu)化系統(tǒng)層面的潮流分布［11］。近年來，圍繞配電網SOP 的配置規(guī)劃、運行優(yōu)化、控制保護等問題已開展了大量研究工作，實現(xiàn)了基于SOP 的分布式電源消納提升、電壓無功支撐、運行損耗降低、線路負載平衡、不確定環(huán)境下魯棒運行、自愈能力提升等多元化運行支撐，并在一批實際工程中得到應用，取得了良好的示范效果。

隨著SOP 研究的不斷深入，SOP 裝置本身及其柔性互聯(lián)思想在配電網中的應用場景也逐漸得到擴展。但由于SOP 的成本較高，必須更充分地發(fā)掘其技術潛能，探索SOP 與配電網供給側、需求側、市場機制等新技術和新體系的融合機制，提高其綜合收益以使柔性互聯(lián)裝置在投資建設上現(xiàn)實、可行。這些技術形式雖然應用場景各有不同，但共同遵循了柔性互聯(lián)的核心思想，在控制方式、調控能力、運行策略等方面具有共性特征，在技術方法上具有相互借鑒的價值。因此，從SOP 相關基礎研究出發(fā)，系統(tǒng)性歸納基于SOP 的柔性配電網規(guī)劃與運行技術發(fā)展路徑和研究進展，對解決各種柔性互聯(lián)場景的共性技術問題，以及開展柔性配電網整體的運行規(guī)劃等，都具有重要意義。

本文首先對SOP 技術理念發(fā)展以及SOP 衍生出的多場景柔性互聯(lián)技術特征與應用進行了歸納；在此基礎上，針對以SOP 為核心的柔性配電網在運行優(yōu)化、故障自愈、配置規(guī)劃等不同階段的技術問題，對當前主要的研究方向和研究進展進行了綜述，并對未來SOP 技術發(fā)展與應用方向進行了展望，希望能夠為SOP 技術研究與應用的進一步拓展和深化提供思路與借鑒。

1 SOP 多場景柔性互聯(lián)應用形態(tài)

配電網中，SOP 互聯(lián)應用從最初的雙端饋線柔性互聯(lián)場景衍生出多端柔性互聯(lián)、跨電壓等級柔性互聯(lián)、交直流混合互聯(lián)、柔性變電站等多種技術形態(tài)，如圖1 所示，可滿足配電網多種柔性互聯(lián)需求［3］。基于SOP 的柔性配電技術不斷成熟，極大地促進了配電網的柔性互聯(lián)形態(tài)演化，本章重點闡述了應用于不同柔性互聯(lián)場景的SOP 形態(tài)。

圖1 配電網SOP 柔性互聯(lián)多場景應用Fig.1 Flexible interconnected multi-scenario application of SOP in distribution networks

1.1 雙端饋線柔性互聯(lián)

SOP 的核心理念是代替?zhèn)鹘y(tǒng)聯(lián)絡開關以實現(xiàn)饋線間柔性電氣互聯(lián)，支撐饋線負載平衡和分布式電源高效消納等。圖2 所示的背靠背電壓源型換流器（back-to-back voltage source converter，B2B VSC）拓撲是SOP 的一種典型實現(xiàn)結構，其兩側換流器為對稱形式，可實現(xiàn)有功功率傳輸、無功功率實時控制和四象限靈活運行。SOP 通過不同控制模式切換，以滿足正常狀態(tài)下的功率控制、外部故障狀態(tài)的電壓支撐等多場景應用需求。

圖2 雙端SOP 的背靠背VSC 拓撲結構Fig.2 Back-to-back VSC topology of two-terminal SOP

如何研發(fā)更緊湊、高效的裝置結構，實現(xiàn)快速、準確、靈活的控制響應是SOP 技術長期面臨的基礎性問題。從拓撲實現(xiàn)來看，面向中壓配電網的SOP結構可采用升壓變壓器與兩電平變流器、模塊化多電平變流器（modular multilevel converter，MMC）［12］及其衍生形式等［13-14］。但不同拓撲的穩(wěn)態(tài)運行約束條件［15］、故障特性［16-17］等存在一定的差異。因此，針對具體場景需求，考慮SOP 技術性能、裝備體積與投資成本等多因素影響，制定SOP 拓撲設計方案成為一個復雜的優(yōu)化問題［18］。

從運行控制來看，SOP 控制目標的實現(xiàn)需兩側換流器共同完成，具體包括直流側電壓的控制、SOP傳輸有功功率控制，以及兩側換流器發(fā)出的無功功率控制等。文獻［8］中給出了SOP 在正常和故障場景下的典型控制策略。近年來，圍繞如何提升直流側電壓抗干擾能力［19］、提高功率控制響應速度和魯棒性［20］、正常-故障多場景控制策略無縫切換［21］等問題也取得了一些成果，為SOP 運行功能的實現(xiàn)和應用形式的拓展奠定了基礎。

在工程應用方面，2007 年日本電網技術示范工程中投用了容量為1 MV·A、電壓等級為6.6 kV 的雙端環(huán)網功率平衡器（loop balance controller，LBC）［22］，雖未明確提出SOP 的概念，但在利用潮流改善電壓質量與均衡負荷分布等方面已具有了柔性互聯(lián)思想的雛形；2015 年英國FUN-LV 示范工程中建造了容量為240 kV·A 的雙端SOP［23］，起到了良好的示范作用。

1.2 多端饋線柔性互聯(lián)

隨著配電網供電可靠性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的放射形網絡結構正在發(fā)生變化，N供一備、多分段多聯(lián)絡等接線模式開始得到推廣應用［22，24］。為了以更為經濟的方式滿足多端饋線柔性互聯(lián)需求，在雙端SOP 結構基礎之上進一步衍生出了端口數(shù)量可靈活配置的多端SOP 裝置［25］。

多端SOP 將多個AC/DC 換流器的直流側并聯(lián)于公共母線，交流側分別連接不同饋線［26］，如圖3 所示。與雙端SOP 相比，多端SOP 在經濟性、可靠性等方面都更具優(yōu)勢，原因在于:1）采用公共直流母線減少了變流器數(shù)量，降低了設備占地、投資與損耗；2）可采用高度模塊化裝置結構，能夠靈活適應不同數(shù)量的饋線連接需求；3）與多條饋線連接，由多變流器組成協(xié)同運行模式，增強了SOP 在饋線負載平衡等應用中的調控能力［27］；4）通過合理的變流器容量配置和饋線聯(lián)絡設計，發(fā)生故障時多條饋線靈活切換、互為備用，具有更高的供電可靠性［28］。

圖3 多端SOP 拓撲結構Fig.3 Topology of multi-terminal SOP

在工程應用方面，與雙端SOP 相比，多端SOP能夠提供的接口數(shù)量更多、適用場景更廣、綜合收益更高、示范意義更強，因此成為目前國內外工程示范中普遍采用的SOP 形式。例如，2015 年英國在FUN-LV 示范工程中進一步建造了400 kV·A 容量的三端SOP，并于2020 年在ANGLE-DC 項目中投運了容量為16 MV·A 的四端SOP，SOP 內部直流電壓為±27 kV，外部可接入33 kV 交流電網［23］；在中國天津北辰柔性互聯(lián)配電網示范工程中，配置了各端換流器容量均為6 MV·A 的四端SOP，構成以2 個110 kV 變電站為中心的柔性雙環(huán)網架構，通過與居民負荷用電互補提高了線路負荷均衡度［29］。在中國北京延慶地區(qū)智能電網創(chuàng)新示范區(qū)中，采用三端SOP 作為柔性環(huán)網控制裝置，使2 個10 kV 單環(huán)網柔性閉環(huán)運行，解決了設備利用率低、供電可靠性和供電能力提升受限等問題［30］。

1.3 交直流混合柔性互聯(lián)

直流配電已成為配電技術發(fā)展的一個重要方向［31］。為滿足交直流混聯(lián)配電網中的饋線柔性互聯(lián)需求，可將SOP 的換流器形式加以拓展，采用AC/DC 換流器與DC/DC 換流器組合的形式，各換流器一端并聯(lián)至公共直流母線，另一端則對應連接交流或直流饋線，使其同時具備交流和直流饋線接入和功率交換的能力，如圖4 所示。采用上述結構的SOP 可靈活交換交直流混聯(lián)配電網的饋線功率，有助于降低網損、優(yōu)化電壓水平等運行狀態(tài)，改善系統(tǒng)運行狀態(tài)［32］。

圖4 交直流混合柔性互聯(lián)SOP 拓撲結構Fig.4 Topology of AC/DC hybrid flexible interconnected SOP

基于SOP 進行交直流混聯(lián)的另一思路是利用SOP 的內部直流母線實現(xiàn)直流儲能、分布式電源、新型負荷等裝置接入，如圖5 所示。例如，將儲能裝置和SOP 進行一體化集成，可形成兼具時間與空間調度能力的智能儲能軟開關（SOP with ESS integration，E-SOP），與常規(guī)SOP 相比能更好地應對高滲透率分布式電源的出力波動，在經濟性、可持續(xù)性等方面都具有優(yōu)勢［33］。SOP 內部直流母線也可開放為配電網的對外直流接口，從而更好地支撐光伏、風機等直流分布式電源和充電負荷的接入；同時，通過SOP 端口控制策略和分布式電源與儲能控制策略的協(xié)調設計，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、滿足分布式電源即插即用、交直流負載不間斷供電等需求［34］。

圖5 基于SOP 直流母線接入的直流源荷儲Fig.5 Distributed generators, loads and energy storage systems integrated via DC-bus of SOP

交直流混合柔性互聯(lián)的技術理念在很多工程示范中得到了實踐。由于現(xiàn)有的直流配電線路較少，交直流混合柔性互聯(lián)在現(xiàn)階段需求有限，因此，大多數(shù)的交直流混合柔性互聯(lián)工程都采用了開放SOP直流母線接口的形式。例如，在中國貴州電網柔性直流配電示范工程中［35］，由4 個容量為1 MV·A 的AC/DC MMC 及1 個直流變壓器構成3 條10 kV 交流饋線、0.4 kV 低壓交流微電網、0.375 kV 低壓直流微電網之間的柔性互聯(lián)。實現(xiàn)了交直流負荷和分布式電源、儲能裝置的靈活接入，可支持交流和直流微電網子系統(tǒng)間、各交流饋線間的功率控制，同時實現(xiàn)了系統(tǒng)經濟運行和優(yōu)化調度，以及系統(tǒng)故障情況下的運行模式切換以提供相互支撐。

1.4 多電壓等級柔性互聯(lián)與柔性變電站

多電壓等級柔性互聯(lián)可應用于饋線間聯(lián)絡，通過對不同電壓等級的SOP 換流器進行拓撲設計、在SOP 內部直流環(huán)節(jié)增加電壓變換模塊以及在SOP交流端增加變壓器［13］，使其能夠連接不同電壓等級饋線并控制互聯(lián)饋線間的功率流動，實現(xiàn)多電壓等級饋線間功率的相互支撐［36］。多電壓等級柔性互聯(lián)也可應用于獨立供電場景，作為柔性變電站連接上下級配電網，發(fā)揮電壓變換和電能靈活分配的作用［37］。2 種場景下的柔性互聯(lián)裝置在結構實現(xiàn)上具有一定的相似性，均可以在B2B VSC 的基礎上增加電壓變換環(huán)節(jié)，如圖6 所示。

圖6 多電壓等級柔性互聯(lián)結構Fig.6 Flexible interconnected structure with multiple voltage levels

相比較而言，多電壓等級柔性互聯(lián)裝備的成本更高，故大多以柔性變電站形式出現(xiàn)，以期更充分地發(fā)揮其運行控制價值。從基本結構來看，柔性變電站的內部直流部分加設了以高頻變壓器為核心的電壓變換模塊，以實現(xiàn)可控的直流電壓變換；外部交流端連接對應電壓等級的饋線［38-39］，形式較為緊湊。當配電網正常運行時，可提供電壓變換、功率分配、無功補償、諧波抑制等功能，以滿足系統(tǒng)的潮流優(yōu)化、電壓控制、電能質量治理、定制化供電等需求［40］；當配電系統(tǒng)故障時可限制短路電流、實現(xiàn)故障隔離、提供電壓支撐等［41］。此外，柔性變電站還可集成前文所述的交直流混合柔性互聯(lián)功能，為配電側源荷提供更多元化的入網選擇。

工程應用方面，在中國杭州江東新城智能柔性直流配電網示范工程中［42］，采用了三端B2B MMC結構的SOP 實現(xiàn)2 個交流10 kV 和1 個交流20 kV供電區(qū)域的柔性連接，解決了該地區(qū)多電壓混供互聯(lián)存在的電壓差和相角差問題，提高了供電區(qū)域的互濟能力；在中國張北交直流配電網及柔性變電站示范工程中［43］，以10 kV 柔性變電站為核心，實現(xiàn)了10 kV 交流、±10 kV 直流、750 V 直流、380 V 交流4 個電壓等級的雙向輸入輸出，提高了區(qū)域清潔能源和交直流負荷靈活接入、源網荷協(xié)調互動的能力。

2 含SOP 配電網運行控制架構

當前，SOP 等柔性互聯(lián)裝置主要通過配電網主站能量管理系統(tǒng)進行集中式調度。但未來源儲荷側將大量接入如分布式電源、儲能、電動汽車、數(shù)據中心等多類型新型設備，運行需求更為靈活多變。集中式的能量管理系統(tǒng)在通信架構、計算能力、信息安全等方面將面臨沉重負擔。

本章主要闡述含SOP 配電網控制架構方面的研究進展與發(fā)展趨勢，重點是在集中式控制策略的基礎上，設計并采用分層分布式控制架構，在系統(tǒng)控制效果的最優(yōu)性與計算負擔之間尋找最佳的平衡。例如，基于部分就地信息優(yōu)化的系統(tǒng)運行策略，可能在保證具有近似集中式控制效果的同時，減小通信與計算規(guī)模，如圖7 所示。

圖7 SOP 運行控制實現(xiàn)Fig.7 Implementation of SOP operation control

2.1 SOP 集中式運行控制

在集中式運行控制架構下，SOP 及各種柔性互聯(lián)裝置的二次系統(tǒng)將集中接入配電網調度主站，由主站中央控制系統(tǒng)經過復雜的優(yōu)化計算，對系統(tǒng)中各SOP 的有功功率傳輸和兩端無功功率輸出進行調整，以調節(jié)系統(tǒng)潮流分布和改善電壓質量，實現(xiàn)系統(tǒng)經濟安全運行。

集中式控制以系統(tǒng)全局最優(yōu)為目標，統(tǒng)一調配可控資源，但面臨以下挑戰(zhàn):1）所有量測數(shù)據都要傳輸至主站，一旦中央控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個運行控制體系就會瓦解；2）主站在接收到全網數(shù)據并完成大規(guī)模優(yōu)化計算后方可得到SOP 控制策略，對數(shù)據存儲、計算資源的需求較高，對源荷波動的快速響應能力不足；3）隨著配電網規(guī)模的增大和調控資源的豐富，數(shù)據量也將呈爆發(fā)式增長，對信息通信系統(tǒng)的承載能力和可靠性要求大幅提高。

目前，受傳統(tǒng)配電網運行管理模式的影響，大部分SOP 工程實踐都沿用了集中式運行控制模式。但隨著配電網的不斷發(fā)展，對系統(tǒng)全局進行集中信息采集、處理、分析和控制的難度增加，發(fā)展更加高效的SOP 運行控制新架構成為一種可能的方向。

2.2 SOP 分布式運行控制

與集中式控制相比，分布式控制架構具有通信量低、計算規(guī)模小、策略時效性強、響應速度快等優(yōu)勢［44］。同時，在分布式架構下對就地控制和集中控制方式進行協(xié)調，能夠在一定程度上彌補單獨采用集中或就地控制模式的不足。

SOP 分布式控制需要對配電系統(tǒng)進行控制區(qū)域劃分，通過相鄰區(qū)域間交互邊界信息，兼顧控制快速性與全局協(xié)調能力，提高系統(tǒng)整體的優(yōu)化效果［45］。例如，文獻［46］利用靈敏度分析量化SOP 對系統(tǒng)節(jié)點電壓的影響范圍，將大規(guī)模配電網劃分為若干個子區(qū)域，利用SOP 實現(xiàn)配電網柔性互聯(lián)和運行優(yōu)化；文獻［47］提出一種虛擬微電網區(qū)域劃分方法，利用系統(tǒng)的電氣關聯(lián)強度指標實現(xiàn)了對微電網虛擬邊界的自動劃分與優(yōu)化，其中以SOP 為可控邊界組建虛擬分區(qū)，是未來SOP 的一種可能應用場景；文獻［48］基于靈敏度分析進行分區(qū)后，利用各分區(qū)內就地信息制定SOP 運行策略，再通過區(qū)間協(xié)調計算SOP 有功功率傳輸值，實現(xiàn)近似全局優(yōu)化。

但分布式控制過程經多次信息交互與算法迭代達到收斂，因而需要優(yōu)化各區(qū)域間的交互機制以降低通信與計算資源需求［49］。未來，還需繼續(xù)深化對分布式控制迭代時間的代價評估，確保分布式控制在設備控制時間尺度內完成策略的制定與下發(fā)。

2.3 SOP 就地化運行控制

相比于集中式與分布式控制，就地控制方式僅基于局部信息，由SOP 控制終端就地分析制定策略，需要的通信量更小，可快速響應分布式電源和負荷的頻繁波動［50］?，F(xiàn)有的就地控制策略主要基于局部量測電壓和量測功率整定就地控制曲線，用于實時調節(jié)SOP 等可控設備的無功補償或有功出力，但其控制性能高度依賴于曲線參數(shù)的調整，且整定過程較為復雜。

此外對于SOP 等柔性互聯(lián)裝置，根據不同控制目標和可用調控資源的特點，將就地控制與分布式、集中式控制架構混合應用。各區(qū)域SOP 控制器通過交互關鍵信息，制定區(qū)域間交互策略，保證SOP在具有近似于集中式控制效果的同時減小通信與計算規(guī)模，往往比只采用就地控制更加有效。例如，考慮SOP 有功和無功功率相對解耦，可在區(qū)內采用無功-電壓就地控制曲線，根據本地信息對SOP 無功出力策略進行就地整定，增強不確定運行環(huán)境下SOP 電壓控制的魯棒性；對有功功率傳輸既可以采用集中式控制［51］，也可以采用分布式控制，以在減小系統(tǒng)通信量的同時保證控制策略的有效性［11］。

3 含SOP 的配電網運行優(yōu)化

支撐配電網運行優(yōu)化是SOP 的核心功能之一，為高效發(fā)揮SOP 的柔性可控能力，需要實現(xiàn)SOP 與多類型設備的多時間尺度協(xié)同調度，并進一步利用大數(shù)據、人工智能等先進技術，配合大規(guī)模高級量測設備，挖掘配電系統(tǒng)海量多元異構數(shù)據價值，降低SOP 控制策略制定中對實際物理模型的高度依賴，提高SOP 策略的準確性與適應性。本章主要從基于SOP 的多手段多目標協(xié)同優(yōu)化、不確定性要素處理，以及數(shù)據驅動的SOP 自適應運行優(yōu)化方面展開闡述。

3.1 基于SOP 的多手段協(xié)同運行優(yōu)化

配電網中既包含有載調壓變壓器、補償電容器等傳統(tǒng)控制手段，又包含分布式電源、儲能裝置、電動汽車等新型調度資源。通過SOP 對多種差異化運行控制手段進行有效協(xié)調，成為充分發(fā)揮SOP 運行價值的關鍵。例如，針對SOP 與網絡重構的協(xié)調問題，文獻［52］將SOP 的主動精細潮流調節(jié)與基于傳統(tǒng)開關的網絡重構方法相結合，在保證系統(tǒng)安全運行前提下有效提高了分布式電源的消納水平；文獻［53］對比了SOP 和網絡重構作用下的分布式電源消納能力，表明將二者結合能夠更有效地提升消納水平。

SOP 的無功出力能夠與傳統(tǒng)電壓和無功調節(jié)設備在快、慢時間尺度上相互配合，實現(xiàn)電壓無功控制。例如，文獻［54］將SOP 的運行優(yōu)化問題拓展為與有載調壓變壓器、補償電容器組等在多時間尺度下協(xié)調配合的電壓無功時序優(yōu)化問題；文獻［55］采用預動作表確定離散的無功調節(jié)設備動作時刻，并根據SOP 的功率儲備動態(tài)調整預動作表，調節(jié)無功出力。

SOP 還能夠與可控分布式電源、儲能等設備相互配合，發(fā)揮負載均衡、潮流優(yōu)化、電壓控制等作用。例如，文獻［10］提出基于SOP 單相功率控制特性的三相不平衡運行優(yōu)化策略，在緩解三相電壓、電流不平衡的同時，有效減小了系統(tǒng)損耗；同時可配合儲能設備進行時序優(yōu)化調度，針對分布式電源的出力波動對SOP 三相出力進行連續(xù)調節(jié)；文獻［56-57］研究了分屬于不同利益主體的多端SOP 與微電網日前-日內協(xié)調優(yōu)化方法，利用博弈確定日前有功出力，通過微電網無功余量減小電壓偏差，日內對多端SOP 采用電壓-有功和電壓-無功雙下垂控制，與微電網聯(lián)合優(yōu)化下垂斜率，降低了網損和系統(tǒng)電壓偏差。

在求解算法方面，含SOP 的配電網運行優(yōu)化問題模型一般具有大規(guī)模、混合整數(shù)、非凸非線性規(guī)劃特征。對此，可通過半正定規(guī)劃、二階錐規(guī)劃、凸差規(guī)劃等數(shù)學方法進行轉化［58-60］，利用各種成熟工具包進行高效求解；也可采用蟻群算法、粒子群算法等啟發(fā)式算法在可行空間搜索獲取最優(yōu)解。

3.2 計及不確定性的SOP 運行優(yōu)化

配電網運行中，分布式電源的出力波動與負荷需求的不確定性會削弱SOP 運行策略的有效性。這一問題可從進一步精細化運行調度周期以及更準確地描述不確定性要素2 個方面來加以解決，從而提升運行策略的魯棒性。

在相量測量單元（phasor measurement unit，PMU）等先進量測技術的支持下，配電網狀態(tài)感知的精細度和實時性大幅提升，在日內運行中能夠利用更小尺度的運行數(shù)據對日前確定的SOP 控制策略進行修正。例如，文獻［61］在日前階段確定網絡重構方案后，在日內階段利用短時間尺度預測數(shù)據對SOP 出力進行閉環(huán)滾動優(yōu)化，以減小分布式電源出力不確定性的影響；在實時控制階段，還可以基于極短時間尺度預測數(shù)據評估系統(tǒng)風險，控制SOP 和換流器出力以改善電壓分布。文獻［62］利用長短期多時間尺度協(xié)調，對SOP 出力進行魯棒優(yōu)化，以提升三相不對稱配電系統(tǒng)的運行安全性。

SOP 運行優(yōu)化問題中的不確定性建模方面，主要包括基于不確定集合的魯棒優(yōu)化建模方法［63］、基于典型場景的概率分析描述法［64］、利用置信水平限制不滿足約束情況的機會約束法［65］，以及隨機優(yōu)化建模方法［66］等。例如，文獻［64］提出一種結合隨機優(yōu)化與魯棒優(yōu)化優(yōu)點的SOP 分布魯棒優(yōu)化調度模型，基于歷史數(shù)據評估不確定性源荷出力的概率分布范圍，計算有源配電網靈活性指標，在最劣場景下決策SOP 出力，以平衡策略的優(yōu)化水平與魯棒性。

3.3 面向復雜場景的SOP 多目標優(yōu)化

在SOP 實際運行中，往往需要經濟性、安全性等多方面目標的協(xié)調，而不同優(yōu)化目標間存在互相制約的可能。目前，針對SOP 的多目標運行優(yōu)化問題也開展了一些研究。

將多目標線性加權求和轉化為單目標優(yōu)化問題，是SOP 多目標運行優(yōu)化中常用的方法，但存在權重系數(shù)設置主觀性過強的問題。為減小主觀性影響，文獻［67］采用權重分析法確定權重系數(shù)，同時明確了不同優(yōu)化目標的起效范圍；文獻［68］提出一種網絡損耗與電壓優(yōu)化權重自適應的SOP 時序優(yōu)化方法，結合電氣距離及源荷出力相關性分析節(jié)點電壓越限風險，根據節(jié)點電壓越限的風險差異自適應調整電壓優(yōu)化目標的權重。

另一種思路是基于帕累托前沿對多目標同時進行優(yōu)化，尤其適用于解決清潔性、可靠性等目標函數(shù)存在沖突制約時的優(yōu)化問題，具體計算多采用智能算法搜索可行空間中的非劣解。例如，文獻［69］采用強度帕累托進化算法計算網絡重構和柔性多狀態(tài)開關出力的帕累托最優(yōu)解集，并通過隸屬度函數(shù)選擇最終的運行方案；文獻［70］將多目標粒子群算法和局部搜索算法相結合，提高了求解效率和準確性。

3.4 數(shù)據驅動的SOP 自適應運行優(yōu)化

當前針對SOP 的就地式、分布式控制框架研究，盡管可在保證具有近似全局集中式優(yōu)化效果的同時減小通信與計算規(guī)模，但需掌握配電網拓撲參數(shù)，且高度依賴于精確的物理機理模型。

在先進量測、通信技術及人工智能相關成果的支持下，未來的配電系統(tǒng)將具備大量可用量測數(shù)據。挖掘配電系統(tǒng)海量多元異構數(shù)據價值，基于量測數(shù)據分析建立數(shù)據模型替代傳統(tǒng)物理模型，降低SOP 控制策略制定中對實際物理模型的高度依賴，是SOP 技術應用的未來發(fā)展方向之一。

目前，已有研究考慮數(shù)據驅動的SOP 自適應控制策略，初步結果表明，通過建立數(shù)據驅動的SOP無模型自適應優(yōu)化控制策略，能夠有效發(fā)揮SOP 的快速響應能力。例如，文獻［71］提出一種在分布式電源和網絡拓撲結構未知情況下，基于靈敏度分析調整SOP 出力實現(xiàn)電壓優(yōu)化的方法，由SOP 施加功率擾動得到SOP 外部端口所接入節(jié)點的電壓-功率靈敏度系數(shù)，根據電壓偏差反饋結果調整SOP 出力。在此基礎上，利用數(shù)據驅動方法建立無模型自適應控制的SOP 優(yōu)化控制策略，SOP 無須反饋直接自適應調整出力，能夠進一步發(fā)揮SOP 的快速響應能力［72］。

基于數(shù)據驅動實現(xiàn)SOP 的優(yōu)化調度，能夠有效提升SOP 的控制效果和自趨優(yōu)能力。此外，研究在不同的運行場景下，將傳統(tǒng)優(yōu)化控制策略與基于數(shù)據驅動的優(yōu)化策略相互配合，對提高配電網在復雜場景下的運行水平至關重要。

4 含SOP 的配電網故障自愈

高度靈活可控的SOP 與保護裝置協(xié)同可以實現(xiàn)快速故障恢復，是配電網故障時快速故障隔離與供電恢復的關鍵設備［73］。為充分發(fā)掘SOP 的自愈控制支撐能力，需考慮SOP 多端口間、多SOP 間的配合，以及SOP 與保護裝置間的多步供電恢復操作協(xié)同。根據SOP 端口連接饋線的電源情況及其自身運行方式等，制定供電恢復策略，合理切換運行模式。本章主要從基于SOP 的配電網供電恢復機制及供電恢復策略方面展開闡述。

4.1 基于SOP 的配電網供電恢復機制

基于全控型電力電子裝置的SOP 在系統(tǒng)故障下能快速閉鎖，響應速度快于傳統(tǒng)機械開關動作。故障發(fā)生后，SOP 可迅速實現(xiàn)各端互聯(lián)饋線間的電氣隔離，防止失電范圍擴大。

在供電恢復能力上，SOP 可替代聯(lián)絡開關單獨進行故障恢復，但SOP 接入系統(tǒng)的位置與容量限制了其供電恢復的有效作用范圍。另外，由于SOP 基本結構多由B2B VSC 在直流側相連組成，接地點既可以選取在換流器直流側，也可以選擇在換流器交流側［74］；饋線不對稱故障下，零序與負序分量導致SOP 流入電流不對稱，可致使SOP 內換流器橋臂過流、直流電壓基頻共模波動等問題［75］；系統(tǒng)發(fā)生故障時若接地電流過大，可導致設備損壞。由于當前SOP 應用仍處于示范階段，對SOP 接地故障特性分析以及SOP 與保護裝置的協(xié)調方法研究較少。文獻［74］考慮不同接地方式，提出一種可識別與隔離故障端的換流器交流側接地故障保護方案；文獻［75］分析了柔性互聯(lián)裝置的控制保護策略，并對柔性互聯(lián)裝置引起系統(tǒng)連鎖故障進行了風險評估；文獻［76］提出了一種基于SOP 的主動故障定位方法；文獻［77］利用SOP 附加三相對稱低頻電壓，設計了一種主動式故障區(qū)段定位方法，為解決諧振接地配電網單相接地的故障定位困難問題提供了新思路。SOP 接地故障可能嚴重影響系統(tǒng)運行可靠性，SOP合理接地方式及與繼電保護裝置的協(xié)調保護方案仍有待深入研究。

在基于SOP 的配電網供電恢復機制設計中，需關注以下方面:

1）對于B2B VSC 型SOP，必須分析合理接地方式，并實現(xiàn)SOP 與保護裝置的整定值有效配合，避免影響系統(tǒng)安全運行；

2）SOP 控制模式的切換需要與保護裝置的動作次序配合，以確保故障經保護動作隔離后，系統(tǒng)正常運行區(qū)域不間斷供電，失電區(qū)域獲得電壓支撐；

3）當SOP 同時連接失電區(qū)域和未失電區(qū)域時，SOP 可以對故障側一端進行供電恢復，并對重要負荷進行快速供電恢復［78］；

4）若SOP 不具備功率存儲能力，則對故障側的潮流轉供能力有限，難以完全恢復失電負荷，應量化分析SOP 轉供能力，確定供電恢復范圍［79］。

針對上述問題，文獻［80］提出一種兼顧評估速度與精度的可靠性評估方法，量化分析表明，SOP接于系統(tǒng)末端、靠近重要負荷以及接入容量較大時對系統(tǒng)可靠性的提升最大；文獻［81］提出一種兼顧故障饋線失電負荷恢復與正常饋線電壓安全的多端SOP 快速在線負荷轉供策略，采用多端SOP 對多條饋線進行柔性互聯(lián)，先利用正常饋線上節(jié)點電壓與SOP 端口出力的靈敏度系數(shù)約束SOP 在供電恢復中的功率分配，再根據負荷重要等級優(yōu)化負荷切除量，在保證供電質量的同時實現(xiàn)了故障端負荷全部恢復供電；文獻［82］以系統(tǒng)故障后的總供電負荷最大化為目標，建立了SOP 配置的魯棒優(yōu)化模型，通過優(yōu)化SOP 的安裝位置、容量與出力，使其能夠對非故障的失電區(qū)域進行不間斷供電，以縮短系統(tǒng)供電恢復時間，最大化地提升配電系統(tǒng)自愈能力；文獻［83］建立了基于多階段彈性力學映射的配電網模型，分析和探討了SOP 安裝位置和容量對配電網彈性的影響；文獻［84］提出采用SOP 與常規(guī)開關并聯(lián)的混合結構，在系統(tǒng)發(fā)生故障時通過聯(lián)絡開關進行負荷轉供，由SOP 提供輔助支撐，可降低故障場景下對SOP 的容量需求。

4.2 基于SOP 的配電網供電恢復策略

基于SOP 的配電網故障隔離與恢復流程可概括為:在故障發(fā)生時SOP 快速閉鎖，而后配電網保護裝置進行故障定位和隔離，形成失電區(qū)域；SOP連接失電區(qū)域一端的運行模式切換為電壓-頻率控制，SOP 在維持自身穩(wěn)定運行的同時為失電區(qū)域提供電壓與頻率支撐，根據所連饋線情況迅速轉移功率，進行供電恢復。

供電恢復策略的制定需遵循上述基本流程，此外SOP 可與多種設備協(xié)同運行，以提升故障隔離與供電恢復效果。例如，文獻［74，82］將SOP 與基于傳統(tǒng)開關設備的網絡重構相結合，在最大化恢復失電負荷的同時，減小了開關動作次數(shù)，延長了設備壽命；文獻［85］提出一種考慮SOP、分布式電源和儲能協(xié)同的孤島運行優(yōu)化策略，在孤島運行中協(xié)調SOP、分布式電源和儲能控制策略，以擴大供電恢復范圍，并確保供電恢復的持續(xù)性與魯棒性；文獻［86］提出一種多SOP 協(xié)同的有源配電網故障自愈方法，并為實際運行建立了SOP 故障策略集；文獻［87］針對新能源出力及負荷需求不確定性，進一步面向不對稱配電網提出一種多端SOP 與傳統(tǒng)開關協(xié)同的數(shù)據驅動供電恢復方法，提高了對不確定性的應對水平。

當前，基于SOP 的供電恢復策略多是直接給出SOP、開關等設備的最終運行狀態(tài)，而SOP 與多種設備的多時間尺度運行特性會影響配電網供電恢復期間的負荷并網狀態(tài)與系統(tǒng)安全運行狀態(tài)［88］。因此，未來有待開展基于SOP 的多階段協(xié)同供電恢復策略研究。

5 含SOP 的配電網配置規(guī)劃

通過SOP 的多端功率精細控制能力，可滿足配電網多主體間的端對端電能交易與共享經濟等新場景對傳輸功率高度可控的硬性需求，具有廣闊的應用前景。但由于SOP 建設成本較高，且接入數(shù)量與配電系統(tǒng)運行水平提升程度間具有邊際遞減效應，故合理規(guī)劃配置SOP，確定最佳的接入位置、容量和數(shù)量組合，成為SOP 技術應用中亟待解決的問題。本章主要從含SOP 的配電網規(guī)劃場景生成、運行策略對SOP 規(guī)劃的影響方面展開闡述。

5.1 SOP 規(guī)劃問題的多場景生成

SOP 通過提高配電網的運行靈活性來有效應對各種不確定性擾動。因此，其優(yōu)化規(guī)劃中必須首先對配電網中的不確定因素進行準確描述，包括分布式電源的空間分布和出力規(guī)律、配電網運行調控機制、用戶側用電特征及交易機制等。與此同時，SOP 的應用價值體現(xiàn)在正常場景下的運行狀態(tài)優(yōu)化、故障場景下的供電恢復等多個方面，對SOP 進行配置規(guī)劃必須全面考慮其在不同場景下的綜合價值，計及SOP 柔性互聯(lián)的綜合技術效益。

針對SOP 規(guī)劃的場景設置問題，文獻［89］根據資產績效評估理論，從電網安全、經濟效益、性能效用3 個方面評估SOP 對配電網的影響。其中性能指標包括SOP 對配電網運行性能的提升作用，如可靠性提高、電壓質量改善和分布式電源消納能力提升等；經濟效益考慮成本減小和收益增加2 個部分，包括建設成本、網損減少和延緩升級改造收益等；文獻［90］構建了計及配電網正常、故障運行效益的雙層規(guī)劃模型，正常運行層考慮SOP 的潮流調節(jié)作用對系統(tǒng)的優(yōu)化作用，故障運行層基于序貫蒙特卡洛模擬可靠性評估方法計算故障成本。

針對SOP 規(guī)劃場景中的不確定性要素，現(xiàn)有研究多采用不確定性建?；驁鼍吧煞▽ζ溥M行描述。例如，文獻［91-92］根據風、光歷史數(shù)據得到分布式電源出力的概率密度分布函數(shù)，從而采用基于Wasserstein 距離的最優(yōu)場景生成技術進行典型場景構建；文獻［93］采用K均值方法對分布式電源有功出力和負荷歷史數(shù)據進行聚類，以減少場景數(shù)量和提取關鍵特征；文獻［94］采用拉丁超立方抽樣方法，隨機生成分布式電源出力波動和負荷不確定性典型場景；文獻［95］采用快速搜索和發(fā)現(xiàn)密度峰聚類方法對年負荷數(shù)據進行聚類，可以避免聚類結果陷入局部最優(yōu)。

5.2 計及運行策略影響的SOP 配置規(guī)劃

由于SOP 配置規(guī)劃與系統(tǒng)運行優(yōu)化策略存在強耦合性，不同運行優(yōu)化目標下同一配置的優(yōu)化效果差異很大。對此，常用的解決方法是建立多層優(yōu)化模型，迭代求解SOP 配置規(guī)劃與運行優(yōu)化2 個子模型。其中，配置規(guī)劃模型的控制變量包括SOP 安裝數(shù)目、安裝容量等，運行優(yōu)化模型控制變量包括SOP、分布式能源、儲能等設備出力等。

針對上述問題，文獻［96］建立了面向SOP、電容器組、分布式電源的雙層配置規(guī)劃模型，以多時間斷面的時序優(yōu)化模型為基礎，將機會約束算法嵌入模型上下層，在設定的置信水平下獲得最佳結果；文獻［97］提出SOP 與分布式電源的3 層協(xié)調規(guī)劃模型，利用場景分析法量化分布式電源出力的隨機性，上層對分布式電源配置進行規(guī)劃，中層對SOP 配置進行規(guī)劃，下層以每個場景運行成本最小為目標對分布式電源與SOP 進行運行優(yōu)化；文獻［98］考慮負荷側響應，兼顧電源側分布式電源不確定性、負荷側響應及網絡側運行優(yōu)化需求，構建了SOP 三層時序規(guī)劃模型，選取波動性源荷的典型場景，在網絡層以系統(tǒng)總運行成本最小為目標優(yōu)化SOP 位置與容量，在負荷層考慮用戶對電價波動的響應來調整負荷水平，在運行優(yōu)化層基于SOP 配置結果以最小化所有場景的運行成本為目標決定SOP 出力，通過源網荷綜合協(xié)調提高了SOP 配置的經濟性。

因此，SOP 配置規(guī)劃問題研究不僅要注重投資經濟性分析，還要考慮SOP 的接入位置、容量和數(shù)量組合對配電網整體運行的支撐能力等。同時，SOP 選址定容規(guī)劃尺度較長，需考慮以年為時間尺度的配電系統(tǒng)形態(tài)演變趨勢影響等。

6 結語

SOP 技術理念自提出以來，迅速成為國內外研究熱點，得到了大量研究并取得了豐富成果。隨著技術逐漸成熟，SOP 逐步在國內外實際工程中得到應用，并因功能側重不同而演化為交直流混合柔性互聯(lián)、多端柔性互聯(lián)、多電壓等級柔性互聯(lián)等不同的技術形態(tài)。本文總結了SOP 的運行控制架構，由于進行全局集中信息采集、處理、分析和控制的難度增加，發(fā)展更加高效的SOP 分布式運行控制新架構成為必然需求。本文進一步歸納了系統(tǒng)正常運行與故障運行下的SOP 控制策略，利用大量可用歷史數(shù)據并結合先進智能技術，提高復雜場景下的運行水平是未來趨勢；針對SOP 的規(guī)劃研究，未來配電網將接入大量新型設備，以SOP 為核心的配電網柔性化結構形態(tài)演變是未來的研究熱點。

在應用實踐中，既驗證了一些前期的技術構想，又發(fā)現(xiàn)了一些新的共性問題。例如，在采用SOP 代替聯(lián)絡開關時，為保證配電網的供電可靠性，往往要求SOP 的容量能夠獨立承擔一條饋線負荷，這使得建設投資大幅增加，同時也降低了正常運行時SOP的設備利用率；SOP 的運行目標更多是側重對系統(tǒng)運行損耗的降低和電壓水平的優(yōu)化，但與常規(guī)手段相比其技術優(yōu)勢不突出，技術的必要性尚未得到充分挖掘和體現(xiàn)。這些問題在一定程度上制約了SOP 技術的實踐推廣，需要繼續(xù)開展有針對性的研究來加以解決。

為進一步促進SOP 的發(fā)展和應用，需要重點開展以下3 個方面的工作:1）發(fā)展新的SOP 運行控制架構與方法，特別是面向未來配電網就地源荷平衡、柔性分區(qū)互聯(lián)等新形態(tài)的協(xié)調運行方法，使容量有限的SOP 發(fā)揮更大的優(yōu)化調控作用；2）進一步降低SOP 的投資成本，這不僅依賴于電力電子技術和SOP 裝置設計技術的發(fā)展，同時還應緊密結合SOP的應用場景需求，避免SOP 配置盲目求全、求大，導致資源浪費；3）繼續(xù)發(fā)掘SOP 的技術潛力，將SOP與端對端交易、共享經濟等新技術相結合，從而創(chuàng)造更多的附加效益。