Active Distribution Network Design Method Research Based on Integrative Thinking

Abstract Rich, powerful active distribution networks, is the main direction of future distribution networks, and to design it needs to uphold the principle of the integration of thinking and distribution strategy. Articles first on active distribution grid for briefly introduced, described its implementation points; second detailed analysis active distribution grid in design Shi on load forecast, and once network frame, and sophomore times system, and reserved interface, level of personalized requirements; again proposed based on "integration" and "points step optimization" considerations design thought; last in Qian saidased Shang for active distribution grid design of process depicting, and task node established, makes active distribution grid design of method system to established. Practical application shows that article the method is reasonable, effective and appropriate promotion.eywords: active distribution network; integrated thinking; step by step optimization; distributed power

隨著能源格局的改變，各類分布式發(fā)電蓬勃興起。為了加強(qiáng)分布式發(fā)電對配電網(wǎng)的支撐作用，微電網(wǎng)概念于2002年被明確提出。所謂微電網(wǎng)，就是以局部負(fù)荷為中心，采用先進(jìn)的感測技術(shù)、控制技術(shù)和保護(hù)技術(shù)等將特定的負(fù)荷、儲能、DG進(jìn)行“捆綁”，使它們以一個(gè)可控整體出現(xiàn)。當(dāng)微電網(wǎng)大量分布時(shí)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)就演變成了主動(dòng)配電網(wǎng)。顯然，主動(dòng)配電網(wǎng)在清潔能源利用、網(wǎng)絡(luò)潮流改善、供電可靠性提升等方面均有著非常巨大的潛力，因此其被視為今后配電網(wǎng)的主要發(fā)展方向。國內(nèi)外諸多電力專家也紛紛傾注大量精力予以研究，如：文獻(xiàn)[1]從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)保等方面分析了實(shí)施主動(dòng)配電網(wǎng)的可行性和必要性；文獻(xiàn)[2-3]對主動(dòng)配電網(wǎng)的智能化規(guī)劃進(jìn)行探究；文獻(xiàn)[4-5]對主動(dòng)配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，如能量管理、繼電保護(hù)、計(jì)劃孤島等方面進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]借助matlab軟件對微電網(wǎng)電接入傳統(tǒng)配網(wǎng)所造成的正/負(fù)影響進(jìn)行仿真，等等等等。總而言之，進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)研究是當(dāng)前配網(wǎng)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。文章認(rèn)為：主動(dòng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)屬于源頭工作，但當(dāng)前關(guān)于該方面的研究比較少，應(yīng)該予以加強(qiáng)。1 主動(dòng)配電網(wǎng)介紹前已述及，主動(dòng)配電網(wǎng)的核心是微電網(wǎng)，微電網(wǎng)的核心是分布式發(fā)電。單純的分布式發(fā)電是不可控的(基于電機(jī)旋轉(zhuǎn)原理的柴油發(fā)電等例外)，但當(dāng)其以微電網(wǎng)的形式出現(xiàn)后將變得可控可調(diào)度。因此，主動(dòng)配電網(wǎng)不止為各類DG提供上網(wǎng)流轉(zhuǎn)通道，更重要的是要將DG由被動(dòng)轉(zhuǎn)為“主動(dòng)”。根據(jù)文獻(xiàn)[3，6]的描述，主動(dòng)配電網(wǎng)必須在以下層面與傳統(tǒng)配網(wǎng)“劃清界限”：(1)一次網(wǎng)架方面。主動(dòng)配電網(wǎng)須滿足各類DG以各種可能的方式且高滲透率接入。這就要求配電網(wǎng)在潮流調(diào)節(jié)和電壓控制等方面有全新技術(shù)。(2)通信方面。主動(dòng)配電網(wǎng)的正確運(yùn)作依賴于對全網(wǎng)全景信息的實(shí)時(shí)掌控，這就需要高可靠、高帶寬的通信網(wǎng)絡(luò)予以支撐。(3)保護(hù)配置方面。因DG的接入改變了配電網(wǎng)的單電源放射式運(yùn)行模式，因此當(dāng)故障發(fā)生后配網(wǎng)的短路電路由單向變成雙向或者多向，這就要求主動(dòng)配電網(wǎng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置原則上是基于方向元件配置的。以上內(nèi)容既是主動(dòng)配電網(wǎng)的“特色”，也是設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注方面。2 主動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求主動(dòng)配電網(wǎng)由傳統(tǒng)配電網(wǎng)衍化而來，因此其設(shè)計(jì)工作有沿襲傳統(tǒng)配網(wǎng)的一面，也有其獨(dú)特之處。(1)負(fù)荷預(yù)測。主動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)仍是負(fù)荷預(yù)測。但與傳統(tǒng)配網(wǎng)相比，由于主動(dòng)配電網(wǎng)含有DG，因此還需要在不確定環(huán)境下預(yù)測DG出力(可認(rèn)為DG出力是負(fù)向負(fù)載)。表1 主/被動(dòng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)的負(fù)荷預(yù)測要求比對配網(wǎng)類型預(yù)測對象預(yù)測要求備注主動(dòng)配電網(wǎng)分布負(fù)荷大小+分布式電源出力對小區(qū)域內(nèi)分布的正負(fù)向負(fù)荷的預(yù)測精度均要求很高均需結(jié)合地理信息被動(dòng)配電網(wǎng)總體負(fù)荷大小一般僅對較大區(qū)域的負(fù)荷預(yù)測精度要求高(2)一次網(wǎng)架設(shè)計(jì)。主動(dòng)配電網(wǎng)發(fā)端于傳統(tǒng)配網(wǎng)，為了保證兩類網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和平滑性，在進(jìn)行主動(dòng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)一方面要考慮原有設(shè)備的充分利用，另一方面應(yīng)著重研究微電網(wǎng)與主體網(wǎng)絡(luò)的銜接問題。以上敘述可由圖1進(jìn)行展示。圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)一次網(wǎng)架設(shè)計(jì)的要求(3)大二次設(shè)計(jì)。“大二次”概念本來僅存在于變電領(lǐng)域，但鑒于主動(dòng)配電網(wǎng)的控制異常復(fù)雜，且涉及的自動(dòng)化設(shè)備也較多，因此套用“大二次”概念來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)對海量信息的有效獲取和處理。主要要做好各類接口設(shè)計(jì)，保證具有足夠的升級空間。(4)預(yù)留接口。主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)是漸進(jìn)發(fā)展而不能一步到位，因此主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)也應(yīng)分布實(shí)施。這就要求主動(dòng)配電網(wǎng)的各部分(包括一次、二次)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠的預(yù)留接口，以期為今后可能的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。3 基于一體化思維和分步優(yōu)化的主動(dòng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法根據(jù)前文論述，主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)環(huán)節(jié)多、各層面耦合性大，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別避免顧此失彼的問題。筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，提出應(yīng)以“一體化思維”和“分步優(yōu)化策略”來貫穿主動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程。其中，一體化思維指的是將一次接線、分布式電源、數(shù)據(jù)采集、繼電保護(hù)、配網(wǎng)自動(dòng)化等各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌考量，使網(wǎng)絡(luò)建成后的整體性價(jià)比盡可能趨優(yōu)；分步優(yōu)化策略指的是科學(xué)劃分設(shè)計(jì)步驟，引入“一步一反饋”方法來實(shí)現(xiàn)每個(gè)步驟的最優(yōu)化。要落實(shí)以上思路，關(guān)鍵工作是三項(xiàng)：①制定合理的設(shè)計(jì)流程；②厘清具體的設(shè)計(jì)任務(wù)節(jié)點(diǎn)；③規(guī)范各任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的相互作用關(guān)系。下面分別予以闡述。3.1 設(shè)計(jì)的主體流程進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，首先就是以頂層設(shè)計(jì)者身份確立工作流程。詳見圖2所示。圖2 基于一體化思維的主動(dòng)配電網(wǎng)設(shè)計(jì)流程勾畫流程中各步驟簡要解說：(1)步驟①應(yīng)上承規(guī)劃文件。主要是要運(yùn)用科學(xué)的基于不確定性和風(fēng)險(xiǎn)性原理的預(yù)測方法來完成設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的DG出力預(yù)測。另外，應(yīng)對上級電源接入、地理分布情況等進(jìn)行分析。(2)步驟②是整個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂。需要將國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范等與現(xiàn)場實(shí)際進(jìn)行充分結(jié)合以得到實(shí)事求是的指導(dǎo)原則(既不過分前瞻，也不落后于最低門檻)。(3)步驟③~⑦應(yīng)完全符合步驟②框架，分步、有序推進(jìn)。在這些步驟完成后，所形成的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足靈活、可控、可擴(kuò)展等要求。3.2 設(shè)計(jì)中的任務(wù)節(jié)點(diǎn)為了保證設(shè)計(jì)任務(wù)的可操作性，進(jìn)行任務(wù)節(jié)點(diǎn)梳理是必不可少的。在“一體化”和“分步優(yōu)化”的設(shè)計(jì)思路指引下，任何一個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)都不應(yīng)是獨(dú)立存在的，而應(yīng)具有“輸入-輸出”特點(diǎn)：即某任務(wù)節(jié)點(diǎn)的存在以前一節(jié)點(diǎn)的輸出為條件，而該節(jié)點(diǎn)的輸出又作為下一節(jié)點(diǎn)的化設(shè)依據(jù)。下面以某10kV配網(wǎng)網(wǎng)架設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。網(wǎng)架設(shè)計(jì)的工作相當(dāng)于圖2中的步驟“③”，可將其稱作任務(wù)節(jié)點(diǎn)3；類似的，步驟①、②可分別稱作任務(wù)節(jié)點(diǎn)1、2，等等。任務(wù)節(jié)點(diǎn)3的輸入-輸出表述見表2。表2 以輸入-輸出方式表達(dá)的任務(wù)節(jié)點(diǎn)舉例節(jié)點(diǎn)輸入節(jié)點(diǎn)內(nèi)容節(jié)點(diǎn)輸出1)設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的分布負(fù)荷(正/負(fù))預(yù)測和上級電源情況→相當(dāng)于任務(wù)節(jié)點(diǎn)1輸出。2)設(shè)計(jì)規(guī)則→相當(dāng)于任務(wù)節(jié)點(diǎn)2的輸出。1)線路設(shè)計(jì)；2)配電站接線確立；3)DG接入優(yōu)化；4)設(shè)計(jì)方案仿真。1)一次系統(tǒng)原理接線圖；2)一次系統(tǒng)地理接線圖；3)仿真計(jì)算結(jié)果。在以上關(guān)于任務(wù)節(jié)點(diǎn)的描述中，“節(jié)點(diǎn)內(nèi)容”無疑居于核心地位，其一般需要反復(fù)細(xì)化才具備可執(zhí)行性。文獻(xiàn)[7]提出“彗星圖”概念，文章認(rèn)為可用來作“節(jié)點(diǎn)內(nèi)容”的展示。詳見圖3(以節(jié)點(diǎn)1為例)。圖3 任務(wù)節(jié)點(diǎn)1的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的彗星圖展示3.3 任務(wù)節(jié)點(diǎn)之間的作用關(guān)系在用表格和彗星圖完成對所有任務(wù)節(jié)點(diǎn)的梳理之后，就要設(shè)計(jì)一套運(yùn)行機(jī)制：將各任務(wù)節(jié)點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)，并體現(xiàn)基于節(jié)點(diǎn)間相互作用的過程控制。筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出如圖4所示的設(shè)計(jì)推進(jìn)體系(以4節(jié)點(diǎn)為例)。圖4 包含4個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)推進(jìn)體系闡述：(1)帶數(shù)字圓圈的項(xiàng)目代表“任務(wù)節(jié)點(diǎn)”，帶文字線段的項(xiàng)目表示推進(jìn)操作。(2)整個(gè)推進(jìn)機(jī)制是“前向單鏈?zhǔn)?rdquo;的，即后一節(jié)點(diǎn)的輸出不能作為前節(jié)點(diǎn)的輸入。(3)對于基礎(chǔ)工作(圖4中節(jié)點(diǎn)1)，應(yīng)在認(rèn)真核對和確認(rèn)無誤的基礎(chǔ)上才允許其輸出。(4)在完成對基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的輸出確認(rèn)后，可進(jìn)行中間任務(wù)(如節(jié)點(diǎn)2)的設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)2的初步結(jié)果應(yīng)反饋至節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行校核，只有校核通過才能對節(jié)點(diǎn)2的輸出進(jìn)行確認(rèn)并導(dǎo)向下一節(jié)點(diǎn)。(5)若中間節(jié)點(diǎn)的初步輸出經(jīng)反饋校核不合格，則需要進(jìn)行修改，而修改不是全盤否定，其帶有一定繼承性。(6)當(dāng)某個(gè)任務(wù)節(jié)點(diǎn)所包含的內(nèi)容特別復(fù)雜，則可按照文中設(shè)計(jì)的方法體系進(jìn)一步繪制第二層次的任務(wù)推進(jìn)體系。顯然，文章所設(shè)計(jì)的任務(wù)推進(jìn)體系具有“自上而下”和“分層構(gòu)筑”特點(diǎn)。其中，“自上而下”指：全局→局部，總體→個(gè)別，框架→細(xì)節(jié)。“分層構(gòu)筑”指：任務(wù)節(jié)點(diǎn)推進(jìn)方式可根據(jù)任務(wù)情況靈活設(shè)置，總體目標(biāo)是使設(shè)計(jì)達(dá)到精細(xì)化和全面化。3.4 應(yīng)用效果某供電公司是國家推廣智能配網(wǎng)的試點(diǎn)之一，已經(jīng)在一定程度上開展主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在采用本文提出設(shè)計(jì)方法后，針對相同規(guī)模的主動(dòng)配電網(wǎng)，設(shè)計(jì)效率可提升20%~27%；在不影響考核指標(biāo)情況下，設(shè)計(jì)概算下降12%~18%。因此，成效顯著、值得推廣。4 結(jié)論在分析主動(dòng)配電網(wǎng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，列述了主動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，然后以“一體化思維”和“分步優(yōu)化策略”為導(dǎo)向，提出了有效的主動(dòng)配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)體系，該體系富含過程控制思想，能夠做到各設(shè)計(jì)步驟在統(tǒng)籌協(xié)調(diào)下的最優(yōu)化，從而為推進(jìn)主動(dòng)配電網(wǎng)建設(shè)奠定基礎(chǔ)。該方法層次清晰、操作性強(qiáng)，且經(jīng)歷了實(shí)際運(yùn)用，值得作適當(dāng)推廣。參考文獻(xiàn)[1]范明天, 張祖平, 蘇傲雪, 等. 主動(dòng)配電系統(tǒng)可行性技術(shù)的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013, 33(22): 12-18.