吳雪瓊，夏棟

（國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)加速構(gòu)建中大規(guī)模分布式電源在配電網(wǎng)的接入，如分布式發(fā)電（DG）、分布式儲能系統(tǒng)、插電式電動汽車和微型熱電聯(lián)產(chǎn)電站［1-2］，DG 滲透率不斷上升，造成了相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)境效益之間的矛盾，例如由于政府激勵導(dǎo)致的輸電損耗和溫室氣體排放減少之間的矛盾等［3-4］。隨著可再生分布式電源的接入和電網(wǎng)復(fù)雜程度的提升，不僅影響了配電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還降低了火電機組的燃料成本。DG 的快速發(fā)展，使傳統(tǒng)被動配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變［5］，促進了主動配電網(wǎng)（ADN）的出現(xiàn)。AND 基于先進的信息通信技術(shù)和主動網(wǎng)絡(luò)管理，需要對分布式電源進行控制和優(yōu)化［6］、對分布式儲能進行合理的分配［7］、對多種異質(zhì)能源進行有效集成［8-9］，以及對系統(tǒng)元件進行協(xié)調(diào)控制和需求響應(yīng)的規(guī)劃［10-11］。傳統(tǒng)配電網(wǎng)中，配電網(wǎng)的規(guī)劃和運行是為了實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［12］。配電網(wǎng)規(guī)劃方法側(cè)重于實現(xiàn)各種系統(tǒng)元件（變電站、饋線、變壓器、斷路器和電容器等）的最優(yōu)選址和設(shè)備選型，并確保供電運行的安全性和可靠性。典型的配電網(wǎng)規(guī)劃（DNP）方法旨在最小化投資、運營和維護成本以及線損。在傳統(tǒng)DNP 問題的解決方案中，假設(shè)在規(guī)劃中進行負(fù)荷需求預(yù)測，其中分布式電源一般按照單向負(fù)荷進行建模［13］。傳統(tǒng)的DNP 無法解決包含分布式電源的有源配電網(wǎng)規(guī)劃問題。這是因為分布式電源具有雙向功率流特性、并且會導(dǎo)致電壓升高和波動，使故障變得更為嚴(yán)重，降低線路損耗以及可靠性和穩(wěn)定性［14］。此外，分布式能源的間歇性和不可控性，負(fù)荷、電力需求和電力市場價格的變化，給配電系統(tǒng)規(guī)劃帶來了更多的不確定性以及障礙［15］。這些不確定性會給電網(wǎng)運行帶來運行和控制障礙，例如出現(xiàn)保護失效和電網(wǎng)穩(wěn)定性降低等問題［16］。如果在規(guī)劃問題中對不確定輸入?yún)?shù)進行窮舉并測試，將會使計算機的計算效率低下或難以處理，因此，需要采用不確定性建模技術(shù)［17］。在該技術(shù)中，主動配電網(wǎng)規(guī)劃（ADNP）模型有效地考慮了上述不確定性因素，從而實現(xiàn)了分布式電源的最優(yōu)聚合。此外，ADNP 模型重新定義了幾種概念，例如發(fā)電和負(fù)荷預(yù)測［18-19］、多標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃［6，20］及高級控制和管理［21-22］?；贏DNP 的配電網(wǎng)規(guī)劃的魯棒性和可靠性在很大程度上取決于影響因素的基本特征［15，23］。在本文文獻(xiàn)中，ADNP 存在幾種不確定性建模技術(shù)，例如概率優(yōu)化、隨機優(yōu)化、魯棒優(yōu)化（RO）、不確定性優(yōu)化、混合概率優(yōu)化和信息缺口決策理論（IGDT）。盡管有幾種不確定性建模方法可用，但迄今為止還沒有有效的解決方案。而選擇合適的技術(shù)在很大程度上取決于不確定輸入變量的類型和所考慮的規(guī)劃問題。

1 新型主動配電網(wǎng)智能規(guī)劃分析

1.1 可再生DG對系統(tǒng)可靠性的影響

如果能夠有效協(xié)調(diào)不同的分布式電源，可再生分布式電源可在很大程度上提高配電系統(tǒng)的可靠性。但分布式電源在不同運行條件和負(fù)載條件下可能對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響［22］。分布式能源被用作關(guān)鍵和敏感負(fù)荷的備用發(fā)電，也用于調(diào)峰。分布式電源的合理安排可以緩解因插電式電動汽車增加導(dǎo)致的負(fù)面影響［23］。由于分布式電源在網(wǎng)絡(luò)中滲透性的增加，很大程度降低了這種負(fù)面影響。在文獻(xiàn)［24］中，分布式電源對變壓器老化的影響在可靠性評估的過程中有所體現(xiàn)。如果DG 裝置在電網(wǎng)處于最大負(fù)荷條件下發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致用戶停電和線路過載。DG 還可以幫助解決饋線負(fù)荷擁擠問題，尤其是在負(fù)載恢復(fù)活動期間。如果DG 裝置附近的設(shè)備設(shè)計不當(dāng)，可能會出現(xiàn)可靠性問題。DG 的不同運行模式以不同的方式影響可靠性。如果DG 在滿足本地負(fù)荷需求后向網(wǎng)絡(luò)注入過量功率，則只有DG 服務(wù)商才能獲得補償，并且不會對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生任何影響。當(dāng)與主電網(wǎng)并聯(lián)運行時，應(yīng)正確進行各種柴油發(fā)電機組的可靠性建模［15］。如果啟用了防孤島運行功能，則DG 會在電網(wǎng)擾動期間斷開，從而降低可靠性。對于多微電網(wǎng)系統(tǒng)，必須采用分散控制策略，以滿足各種微電網(wǎng)的可靠性要求［25］。采用能夠調(diào)節(jié)DG 的輸出無功功率的基于逆變器的DG 機組有助于提高系統(tǒng)可靠性，尤其是在主動孤島運行模式下［12］，當(dāng)與配電網(wǎng)、主電網(wǎng)并聯(lián)工作，DG 電源連接到饋線的最后一個節(jié)點時，可以提升電網(wǎng)的可靠性，不同的DG 和負(fù)載之間的最優(yōu)功率流提高了微電網(wǎng)的可靠性［26］。在某些情況下，瞬時故障可能會成為持續(xù)永久故障。例如，在重合閘清除瞬時故障之前，DG 的保護也會動作，導(dǎo)致三相永久跳閘。因此，DG 的加入降低了重合閘的正確率［27］。如果保護裝置之間失去協(xié)調(diào)，考慮到保護的恢復(fù)時間，會影響某些元件的斷電時間。通過確定系統(tǒng)中DG 容量的閾值，則能夠克服重合閘熔斷器不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的可靠性降低。故障電流大小隨與電網(wǎng)連接的DG 類型而變化，需要通過實施自適應(yīng)保護策略來解決［28］。繼電器的自適應(yīng)保護可以在很大程度上緩解保護協(xié)調(diào)問題［12］。文獻(xiàn)［29］研究了保護系統(tǒng)對微電網(wǎng)可靠性的影響，DG將會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性，基于光伏的孤島系統(tǒng)的短路容量非常低，因此此類系統(tǒng)需要靈敏度高的保護系統(tǒng)以檢測小故障電流［30］，但由于可再生能源的產(chǎn)量和用戶的負(fù)荷狀況本質(zhì)上是隨機的，保護系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電力電子接口中不同部件的故障（包括人為錯誤）本質(zhì)上也是隨機的，如果不考慮云層效應(yīng)帶來的光伏輸出間歇性，則并網(wǎng)光伏（PV）系統(tǒng)的可靠性效益將會被錯誤評估［31］。對于基于風(fēng)能的系統(tǒng)，在可靠性評估期間，應(yīng)考慮尾流效應(yīng)和其他影響風(fēng)力渦輪機輸出的環(huán)境因素。文獻(xiàn)［32］中提出可用的隨機建模技術(shù)有概率技術(shù)、概率分配方法和混合方法。

1.2 新型主動配電網(wǎng)可靠性評估分析方法

可靠性評估的分析方法分為2 類，即網(wǎng)絡(luò)建模和馬爾可夫建模。在可靠性研究中，為了準(zhǔn)確地表示所發(fā)生的事故，如負(fù)載恢復(fù)、故障隔離、保護響應(yīng)等，馬爾可夫模型是首選，目前往往使用馬爾可夫模型、頻率和持續(xù)時間技術(shù)進行可靠性評估［33］。在文獻(xiàn)［34］中，使用氣象數(shù)據(jù)的概率多狀態(tài)模型評估了包含光伏、風(fēng)力和抽水蓄能水電站的獨立微電網(wǎng)的可靠性。文獻(xiàn)［35］基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的圖形方法和潮流算法用于評估具有可再生能源DG 的島內(nèi)微電網(wǎng)的可靠性。文獻(xiàn)［36］詳細(xì)研究了備用DG 機組對電網(wǎng)可靠性的影響，并使用串并聯(lián)簡化方程評估了可靠性。在文獻(xiàn)［37］中，與發(fā)電機組和負(fù)荷相關(guān)的不確定性在通用發(fā)電函數(shù)的目標(biāo)下使用多狀態(tài)模型表示，并不考慮因老化或退化導(dǎo)致的部件故障。但是，隨著系統(tǒng)變得復(fù)雜，計算工作量增加。文獻(xiàn)［38］在綜合能源系統(tǒng)可靠性評估中，采用了一種分層解耦優(yōu)化框架和基于沖擊增量的狀態(tài)檢測方法。還使用了一種簡化技術(shù)來減少狀態(tài)的數(shù)量，以提高計算速度。在文獻(xiàn)［39］中，系統(tǒng)是分段建模，分段和運行斷路器之間的連通性用2 個矩陣表示，對于具有DG 電源的網(wǎng)絡(luò)，由于DG 向高優(yōu)先級客戶供電，因此段中每個負(fù)載點的斷電時間不同。因此，考慮到故障發(fā)生及其隔離然后恢復(fù)供電的過程，對負(fù)荷點可靠性指標(biāo)進行了分析評估。隨后對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)進行了評估。在文獻(xiàn)［40］中，假設(shè)配電網(wǎng)本質(zhì)上是徑向的。使用編碼馬爾可夫割集算法獲得配電網(wǎng)的故障率和修復(fù)率。馬爾可夫模型用于表示DG 以及常規(guī)發(fā)電源的容量和需求，概率表用于計算系統(tǒng)充分性。該方法將DG 的啟動故障和切換時間納入馬爾可夫模型，該方法也適用于網(wǎng)狀配電網(wǎng)。文獻(xiàn)［41］中提出了評估電力系統(tǒng)可靠性的馬爾可夫模型，并考慮了智能監(jiān)測設(shè)備的效果。在［42］中，使用包含斷路器的馬爾可夫模型對網(wǎng)絡(luò)物理孤島微電網(wǎng)進行了可靠性評估。文獻(xiàn)［43］根據(jù)客戶中斷和客戶分鐘損失進行可靠性評估，將網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域。文獻(xiàn)［44］中，針對智能電網(wǎng)使用了基于場景的可靠性評估方法（使用k均值算法）。文獻(xiàn)［45］中使用模糊機會約束規(guī)劃評估了微電網(wǎng)運行對其可靠性的影響。

2 主動配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行控制技術(shù)

2.1 主動配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建模方法

2.1.1 徑向網(wǎng)絡(luò)

主動配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行控制技術(shù)的方案如圖1所示。徑向網(wǎng)絡(luò)是配電網(wǎng)最常用的配網(wǎng)系統(tǒng)［46-49］。徑向柵格是拓?fù)錁湫螤?，其中不存在閉合環(huán)，由于輻射網(wǎng)絡(luò)中沒有閉合回路，因此可以將電源從一條母線傳送到另一條母線，而無需跟蹤原始母線。然而，在向后轉(zhuǎn)彎時，需要找到原來的母線，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電網(wǎng)中最簡單、最便宜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果線路由于某種原因斷開，那么所有下游線路也會斷電。

圖1 主動配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行控制技術(shù)方案Fig.1 Active distribution network structure and its control and operation technique scheme

放射狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)從生成連接的根節(jié)點開始。在徑向網(wǎng)絡(luò)中，側(cè)線跟隨根節(jié)點或主節(jié)點，該線路從主饋線和連接負(fù)載開始。次側(cè)線從側(cè)線開始。最后，副線從次側(cè)線開始。輻射狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)可以作為傳統(tǒng)電網(wǎng)配電系統(tǒng)的擴展進行分析，因此它是配電系統(tǒng)中最常用的結(jié)構(gòu)之一［50］。

徑向結(jié)構(gòu)的一般配置僅包括通過配電變壓器連接至負(fù)荷中心起點處的發(fā)電機。節(jié)點按升序編號，每個相鄰節(jié)點都由編號唯一的分支連接。輻射網(wǎng)絡(luò)包括4 個重要部分：主控制器、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和配電線路。主控制器是具有系統(tǒng)參數(shù)識別、調(diào)查控制和客戶接口活動的中央控制器?？刂葡到y(tǒng)階段通常指允許使用交換系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的多層控制［51］。

該系統(tǒng)是一個適應(yīng)性極強的系統(tǒng)，確定性和隨機性部分已被考慮到該系統(tǒng)中。該類分布式網(wǎng)絡(luò)的有限閑置有助于增強對隨機段的靈敏性［52］。

輻射網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有一個相對簡單的繼電保護方案來協(xié)調(diào)和設(shè)計，對于徑向網(wǎng)絡(luò)，確定系統(tǒng)組件額定值要求非常簡單［53］。使用徑向網(wǎng)絡(luò)的另一個好處是，電壓補償技術(shù)（如無功功率補償器）可以輕松實現(xiàn)。盡管由于導(dǎo)線長度不相等，每個設(shè)備/負(fù)載上的電壓會有所不同，但仔細(xì)選擇導(dǎo)線尺寸可以最大限度地減少差異，從而消除線路上重型設(shè)備可能在功率靈敏設(shè)備上誘發(fā)的一些電氣噪聲［54］。徑向網(wǎng)絡(luò)被稱為最簡單的網(wǎng)絡(luò)，因為它只在一端具有電源。當(dāng)電站位于負(fù)荷中心時，首選這種網(wǎng)絡(luò)，因為它可以簡化系統(tǒng)的分析和運行［55］。

2.1.2 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

環(huán)形配電網(wǎng)遵循循環(huán)結(jié)構(gòu)，將服務(wù)從一個源循環(huán)到一組負(fù)載，然后再回到源。換言之，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點彼此連接，形成一個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，使其穿過或圍繞服務(wù)于一個或多個配電變壓器或負(fù)荷中心的區(qū)域，然后返回到同一變電站［56］?；芈飞嫌幸粋€“零點”，沒有功率通過。這種布局是動態(tài)徑向系統(tǒng)，開點（零點）隨著載荷變化而移動。當(dāng)僅從一端饋電時，回路必須能夠滿足所有功率和壓降要求，而不是同時從兩端饋電［57］。在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，公用設(shè)施可以向環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的任何方向提供電力。因此，可以在不干擾環(huán)上許多負(fù)載的情況下隔離故障［58］。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于具有故障隔離和根據(jù)負(fù)載靈活定位源的能力，對分布式網(wǎng)絡(luò)的高性能具有極大的吸引力。具有許多連接環(huán)的配電網(wǎng)稱為多環(huán)結(jié)構(gòu)。在多環(huán)結(jié)構(gòu)中，可以使用多種功率傳輸路徑。這在需要維護或系統(tǒng)部分出現(xiàn)故障的情況下具有很大的靈活性。

然而，路徑多樣性使多環(huán)系統(tǒng)的自動中繼或保護復(fù)雜化，因為很難快速檢測和確定故障位置以及采取正確的措施來最小化用戶中斷時間［38-39］。與其他更簡單的配置相比，多環(huán)結(jié)構(gòu)的故障隔離任務(wù)更加復(fù)雜［59］?？梢詧?zhí)行多個決策來隔離故障，最佳決策可能會因運行條件而異。

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)通常用于功率流向不止一個方向的住宅區(qū)，它提供了更好的電壓穩(wěn)定性和更低的功率損耗，但使故障保護更加困難。具有增強容錯能力的環(huán)形結(jié)構(gòu)也可用于可再生能源部件和電動汽車充電站［60］。

這種結(jié)構(gòu)的一個主要缺點是，網(wǎng)絡(luò)高度依賴將其他組件連接到網(wǎng)絡(luò)的電纜。就復(fù)雜性而言，環(huán)形饋線系統(tǒng)僅比徑向系統(tǒng)稍微復(fù)雜一點，在滿足環(huán)形系統(tǒng)的容量和成本方面是一個主要缺點［61］。

2.2 新型主動配電網(wǎng)智能控制方法

考慮各種不確定性及其時間和空間相關(guān)性，配電網(wǎng)中的最佳規(guī)劃方案至關(guān)重要。盡管ADNP 中有多種不確定性建模方法可用，但應(yīng)進一步研究數(shù)據(jù)驅(qū)動不確定性建模技術(shù)，以確保更準(zhǔn)確、更有效地描述不確定性。下面的討論說明了配電網(wǎng)規(guī)劃中回顧的不確定性建模技術(shù)的優(yōu)缺點。

規(guī)劃中，應(yīng)根據(jù)不確定輸入變量的類型和所考慮的規(guī)劃問題選擇合適的技術(shù)。雖然概率技術(shù)能夠充分估計負(fù)荷需求的可變性和不可調(diào)度DG 的間歇性，但精確的不確定性表示需要大量歷史數(shù)據(jù)。例如，蒙特卡羅模擬需要大量場景來準(zhǔn)確表示系統(tǒng)的不確定性。這導(dǎo)致長期規(guī)劃問題中的計算困難。此外，概率解通常很難理解，因此，基于此類解決方案做出規(guī)劃決策可能會有很多問題［62］。鑒于概率方法基于優(yōu)化技術(shù)分析了許多系統(tǒng)場景或擴展方案的適用性，需要利用優(yōu)化技術(shù)來提高計算效率。文獻(xiàn)［18］通過在概率模擬中實施基于經(jīng)典或元啟發(fā)式的狀態(tài)空間縮減了優(yōu)化技術(shù)［63］。但是，在隨機優(yōu)化中，不確定參數(shù)的精確歷史數(shù)據(jù)可用性至關(guān)重要，此外，規(guī)劃解決方案的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于隨機優(yōu)化框架內(nèi)采用的情景生成方法的類型［64］。盡管隨機優(yōu)化確保了規(guī)劃解決方案的概率可行性，但需要許多場景，導(dǎo)致問題規(guī)模和計算負(fù)擔(dān)加重。為了確保問題的可處理性，文獻(xiàn)［65］中采用了聚類技術(shù)，如k均值算法，將大量輸入運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為幾個具有類似運行狀態(tài)集合特征的聚類。例如，在中長期規(guī)劃模型中，使用減少的負(fù)荷水平來估計負(fù)荷需求曲線。然而，在聚類過程中，輸入時間序列數(shù)據(jù)的順序會丟失。為了保持順序，文獻(xiàn)［66］中提出了系統(tǒng)狀態(tài)的概念，并采用使用預(yù)測區(qū)間范圍制定的魯棒優(yōu)化模型，該模型不需要概率分布函數(shù)的數(shù)據(jù)，基于不確定性參數(shù)的上限和下限，定義了系統(tǒng)的不確定性。

未來主動配電網(wǎng)需要向考慮各種不確定性及其時間和空間相關(guān)性的魯棒規(guī)劃方向發(fā)展［67-68］。

3 結(jié)論

本文從主動配電網(wǎng)智能規(guī)劃技術(shù)、主動配電網(wǎng)智能決策與控制技術(shù)、主動配電網(wǎng)供電恢復(fù)技術(shù)與主動配電網(wǎng)負(fù)荷管理技術(shù)等相關(guān)重點領(lǐng)域出發(fā)，分析了主動配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，給出了未來主動配電網(wǎng)的發(fā)展方向。