能源互聯網視角下的未來配電網發展

孫 可，張全明，鄭朝明，任志偉，周 丹

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.浙江工業大學信息學院，杭州 310023）

0 引言

在全球氣候變暖及化石能源日益枯竭的大背景下，大力發展能源互聯網已成為世界各國能源體系轉型升級的重要方向[1]。電能在傳輸利用上具有廣泛性，同時也便于轉換為其他形式的能量，因此未來能源互聯網系統中電網注定成為主導網絡。配電網絡將從現階段簡單的配電網絡發展到未來新型配電網絡，該網絡承擔多種能源的轉換、交替和利用，如電力、燃氣、冷熱[2]。因此，從能源互聯網的角度構建一個安全優質、高效可靠、低碳綠色、智能互動的未來能源配送網絡迫在眉睫。

能源互聯網是一種新型的信息-能源整合“廣域網”，它建立在互聯網思想和理念之上。微電網和分布式能源等能源自治單元被用作“局域網”，通過開放的對等信息-能量集成架構實現雙向按需傳輸和能量動態平衡。美國首先提出了能源互聯網的概念并建立了FREEDM 系統[3]，德國為打造新型能源網絡[4]制定了E-Energy 計劃。目前來看，國內外的研究機構高度重視對能源互聯網的研究，各級政府也將能源互聯網的建設提到了國家層面。國內也越來越關注能源互聯網理念、技術的發展，有關能源互聯網基本概念的研究已逐漸成熟，現已開始轉向能源互聯網應用的啟動階段研究。文獻[5]從發電側、系統側、用戶側出發分析了儲能技術在能源互聯網中的關鍵作用；文獻[6]分析了未來能源互聯網發展帶來的電力體制改革，提出能源互聯網不僅影響能源變動的發展方向，也是現階段一些電力問題的解決途徑；文獻[7]歸納總結了能源互聯網研究的既有定義、性能評價指標、研究方法，具體闡述了能源互聯網的基本要素、時空尺度和技術特征；文獻[8]對能源互聯網的分層和分布式控制架構、能量互聯網水平和垂直互聯特性進行總結分析，并介紹了多智能體系統在能量互聯網分布式優化中的應用前景；文獻[9-10]從能源互聯網的實施與評價等方面研究了多能源耦合方法、協同技術以及智能配電網規劃評價指標和原則。這些研究揭示了能源互聯網的幾個重要組成內容，主要包括能源生產技術、能源轉換技術、能源存儲技術、能源傳輸技術、能源消費技術。

能源互聯網對配電網的發展具有多元化的影響[11]，電力系統將在能源互聯網中發揮主導作用。文獻[12]基于能源互聯網的概念和特征，指出電力系統是承擔能源互聯網功能的軀干部分；文獻[13]分析了能源互聯網的基本框架，結合未來電網的發展趨勢，提出一種符合能源互聯網結構的電網模型。文獻[14]結合能源互聯網的結構特征，提出面向能源互聯網的主動配電網構建的原則及關鍵技術，并在此基礎上提出了未來配電網的發展方向。供給側、傳輸側和需求側構成了配電網的整體能流架構，能源互聯網發展對配電網發展的影響可以從這三方面進行闡述。供給側由于大量分布式發電能源的接入，以及不同類型能源的并網，使得能源互聯網下多能流趨于并聯互通；對供給側的主要影響反映在能源互聯網背景下大規模獲取和使用集中、分散的分布式能源；在需求側，能源互聯網的發展將推動多元用電和電動汽車的發展。因此，能源互聯網的建設對浙江配電網供給側、傳輸側和需求側提出了新的要求。供給側要求能夠有效支撐大規模可再生能源的接入及高效利用；傳輸側要求建設堅強配電網并具備能源互聯網的新功能；需求側要求基于智能互動手段實現多元化負荷的高效可靠供電。

目前，關于配電網建設發展和評估方法已有大量研究成果，但對能源互聯網視角下的未來配電網發展趨勢研究較少，有必要從能源互聯網視角出發，對未來配電網的發展形態、發展路徑進行研究，把握配電網當前發展階段和重點任務，提出應對策略和相關建議，進而實現未來配電網適應和引領能源互聯網發展的戰略目標。文中的研究成果將優化和提升配電網的發展水平和供電服務水平，提高區域綜合能源利用效率、促進可再生能源消納。

1 能源互聯網視角下的未來配電網發展形態

1.1 未來配電網基本形態

考慮到能源分配網絡負責未來能源互聯網中多種能源的相互轉換、替代與利用以及與能源消費市場的互動，因此未來配電網要比傳統配電網更加先進，圖1 為未來配電網框架。

從未來配電網的框架可以看出：首先未來配電網對供電能力、傳輸效率與傳輸質量有更高的要求；其次表現為對各種能量之間的轉換接口，以及與信息網絡廣泛連接的網絡拓撲的要求；另外未來配電網將能夠滿足能源互聯網的新型需求，也即滿足能源網絡負載存儲協調、多能量協調和新控制形式的多需求效應協調。

1.2 暫態穩定控制策略響應特性仿真分析

電、氣、冷、熱是4 類具有代表性的能量流，能源互聯網能量流動形態如圖2 所示。

圖1 未來配電網框架

圖2 面向能源互聯網的未來配電網能量流

（1）能量輸入

未來配電網的輸入能流主要包括3 部分：上級的輸電網；上級的輸氣網；分布式新能源在本級網絡并入的部分。

由于風、光等新能源的隨機性較強，分布式能源并網的消納不完全導致了現階段存在棄風棄光現象。在能源互聯網方案中，多集成也意味著多負載集成，其新的能耗能力得到了顯著提升。因此，能源的浪費與產耗平衡將得到解決。

（2）能量轉換

電、氣、冷、熱等能源接入配電網后，由能量交換器與多能源接口設備進行轉換，再經由新型配電網絡輸入到用戶側。

現階段的P2G 分為2 類，分別是用電制氫能源、用電制天然氣。氫氣的生產、消費技術仍不夠成熟，對比之下，城市社區的天然氣供應網絡建設已基本完成，無需額外的規劃投資。在已有管道網絡的基礎上，由P2G 裝置生產的天然氣可以及時并入配電網以給消費側供能。能源互聯網本身要求對不同能源具有兼容性，氫氣的發展利用技術也將逐漸發展成熟，能源互聯網也會吸納氫氣網作為其一部分。P2G 設備的典型反應過程如圖3 所示。

圖3 P2G 過程簡圖

CCHP 指利用火電廠發電過程燃料燃燒產生的廢熱煙氣實現冷暖的轉換，CCHP 系統基本結構如圖4 所示。此過程并不需要額外為制冷、制熱提供能源，在提高燃料利用率的同時，提供電、冷、熱的能源供給。

圖4 CCHP 系統基本結構

另外，不同的能量存儲設備可以滿足各種能量不同的儲蓄要求，也成為不同類型負載的儲備能量來源，并且集成的能量存儲系統也將是未來配電網絡的重要組成部分。

（3）能量輸出

能源互聯網吸收并接納了不同種類的能源系統，相應地也為不同負荷提供了接口，并且分配網絡的能量輸出考慮了不同能源的負荷特性。

配電網用戶側的用電高峰在一天內通常出現在中午和晚上，季節的變化對負荷變化幾乎沒有影響。季節性的溫差導致對冷、熱供能的需求有所不同，夏季午間出現冷負荷峰值，冬季夜間和凌晨會有熱負荷高峰需求期，冷、熱負荷在春秋時期的負荷需求較為平緩。天然氣負荷一天內主要有早上、下午和晚上3 個高峰，上午和下午的高峰通常都很接近。天然氣負荷主要受氣象因素和日期類型的影響，一天內波動明顯且具有相似性。

配電網中各種能量轉換設備需根據負荷特征的不同來轉換對應的能量類型，這將會影響配電網的規劃與運行。

1.3 未來配電網基本拓撲結構

就網絡構架而言，未來配電網具有AC-DC混合、接口互聯、標準統一、網絡靈活的特點。AC-DC 環形母線作為區域電網的基本結構，微電網、負荷以及儲能設備作為下層接入，這種分層級的單元結構也是能源管理組織的設備支撐。通常該單元內部以環形、網形結構進行母線連接，并且同一級別不同單元間通過諸如SNOP（軟開關）等電力電子裝置連接，可以在不同的環形總線之間實現功率傳輸或雙向功率交換控制。配電網在未來作為能源的載體與通道，需要具有能源樞紐的作用，各種能源的轉換與交易應有更多的可選性，以適用于能源互聯網的產業形態。

綜合配電網在區域、局域間由能源路由器連接不同等級的電壓，通過SNOP 連接同級電壓網絡，集成微網絡之間采用P2P 互連模式，最終在整個配電系統層面形成一個近似完全連接的網絡，并成為高等級綜合電網和能源互聯網的基礎組成單元。未來無線能量傳輸和超導能量傳輸技術可用于新型配電網絡之間的連接，這將更有利于網格結構的化繁為簡。

1.4 未來配電網基本拓撲結構

未來綜合配電系統的設備體系如圖5 所示。圖中所包含的關鍵設備有電儲能與綜合儲能、能源服務器、能源交換器、能源路由器、多能源間接口設備、能源通道、SNOP。

2 面向能源互聯網的未來配電網演化路徑

2.1 配電網發展路徑

圖5 未來配電網設備體系

世界上第一個商用電網是由安迪生于1882年建立的，此階段由于電壓等級較低，發電容量受限，決定了電能只能在較短的距離內傳輸。配電網在起步階段也受到發電條件的限制，因此火電廠也只能建設在用電負荷的短距離范圍內，配電網的組建依靠小型發電廠和負荷端連接起來。配電網以交流輸電為主導，經過半個世紀的發展，達到輸電電壓220 kV 等級、單機發電容量200 MW 等級的初級階段。

第一代配電網具有低壓、低容量、小規模的特征。輸配電線路保護措施簡單，電網的功率調度和運行采用統一規劃方式，此時配電網尚未形成系統的輸配電網絡，大部分負荷側與發電側僅僅是作為聯絡線的兩個端點。對于電網頻率、電壓的穩定，也只是通過發電廠內的發電機調節來實現。隨著二戰后和平時期的到來，發展成為世界的主題，大量工業用電的出現使得電力負荷從簡單的民用需求轉變為復雜的商用需求，電量需求的提升不得不推動電力系統的發展，此時配電網初具雛形。發電機的容量也得到大幅度提升，大容量的水電廠、火電廠相繼投入運行，配電網在功率上的限制已基本解除，隨著高壓長距離輸電技術的成熟，輸配電網的電壓等級也在不斷提升，高壓電網通過變電站逐級降壓，經過配電網送入需求側。經過20 世紀中末期的發展，電網系統在技術上日趨成熟，配電網規模不斷擴大，形成了互聯互通的高、中、低壓配電網體系。

第二代配電網在硬件和裝備上都有了巨大的改變。電力電子設備的使用以及通信技術的發展促使配電網的電力調度實現了自動控制，電能質量得到保證。同時計算機技術的發展，也為配電網的設計建設、仿真驗證、監控檢測提供了工具，電網的防護水平和安全預警得到有效保證。

21 世紀以來，大電網、超/特高壓輸電網的建設，進一步推動配電網的完善。由于世界范圍內能源資源緊張，以及對環境保護的重視，風力發電、光伏發電、核能發電、天然氣、生物能等清潔能源進入了大規模供能的行列。與此同時，用電側也發生了變化，隨著制冷制熱、電動汽車、儲能設備等新型用電負荷的不斷衍生，這個階段的能源結構變得既復雜又靈活，配電網為應對這些變化不得不向智能化發展。

第三代配電網具有多能源供給、多結構輸出的特征。配電網的智能控制技術，電力安全的保護系統，以及故障的定位排除能力讓第三代配電網有了網絡自愈的能力，供能可靠，可排除意外停電風險。同時用戶側參與電網調節，主動配電網逐步發展，形成“源-網-荷”互動的智能電網雛形。第三代電網的進一步發展將會改變現有電網資源供給，最終實現了多能源配網的智能配電網格局。

2.2 配電網發展階段特征描述

結合能源互聯網的發展特征，文中將配電網的發展分為雛形期、發展期、蛻變期、智融期4個階段形態。

雛形期配電網基本依賴大電網提供電能輸入，有少量可再生能源開始接入配電網。該階段可再生發電裝機滲透率在10%以內，非水可再生發電裝機滲透率在5%以內。除了少量抽水蓄能，尚無其他儲能系統接入，基本上沒有需求側響應能力，也尚未引入電力市場機制，大機組和大電網建設未成形，大范圍資源配置能力較弱，電力生產自動化信息化水平較低，依賴各工種專業技能和經驗。

發展期配電網主要依托大機組、大電網提供電能輸入，并承載一定比例的可再生能源。主要特點為依托特高壓交直流輸電及各電壓等級交流電協調堅強的輸電方式，實現配電網大范圍的資源優化配置能力。可再生發電裝機滲透率在10%～35%，非水可再生發電裝機滲透率在5%～20%。該階段網架不夠堅強，智能化水平較低，智能互動負荷較少，電網與外部系統的協調互濟能力較弱。

蛻變期是實現可再生電源高滲透率友好接入，具備一定比例負荷側響應能力，配電網人工智能化的階段。在此期間，通過規范制定及技術提升，實現可再生能源特別是新能源的友好接入，明確可再生能源上網“權責利”界限。可再生發電滲透率提高至40%。電化學儲能技術實現100 MW 以上量產化，具備一定比例雙向負荷參與電力響應控制。形成微電網、微能源網、綜合能源站等供能體系。物聯網、人工智能技術融入電力生產各環節，極大提升生產力。

表1 配電網四段式發展特征

智融期是未來配電網的完善成熟階段，交直流混合配電網全面建成，可再生能源成為主要電源，分布式電源、儲能及廣泛負荷群體具備響應調控能力。實現清潔電力為主導、全環節智能可控、廣泛互聯綜合調配，鞏固提升電力核心地位，實現以電為核心的電網、氣網、熱力網和交通網的柔性互聯、聯合調度。

2.3 配電網階段形態演化的影響因素

大規模開發利用清潔能源是推動配電網形態變化的核心因素。世界對能源的需求在不斷地增長，可再生能源發電已成為能源建設的重點。自2015 年全球非水可在生能源超過傳統能源發電以來[15]，可再生能源發電的裝機容量以每年不低于8%的增速不斷加入大電網。根據國際可再生能源署的數據分析，可再生能源在2030 年將達到36%以上。當可再生能源裝機滲透率和發電量占比分別超過35%和20%時，配電網需要依托新技術及新設備進一步擴展新能源消納能力，以適應更高比例的可再生能源。屆時發電結構、網架建設、調度控制、運行檢修、市場行為的明顯改變，將致使配電網形態發生變化，發展進入蛻變期；預期可再生能源裝機滲透率和發電量占比分別超過60%和40%時，可再生能源發電成為主導形式，需要通過能源-市場-技術的深化應用，推動未來配電網的規范化和成熟化，此時配電網發展將進入智融期。

電池儲能技術的成熟量產與負荷側大規模響應能力是推動配電網形態變化的有力支撐。初步判斷，在實現100 MW 以上儲能設施推廣、儲能度電成本接近峰谷電價差、約10%左右負荷具備響應能力時，配電網將出現全新的調峰及控制手段，形成有力的技術支撐，此時配電網發展將進入蛻變期。預計，當市場中廣泛應用電池類儲能設施、過半居民用戶及80%以上工業用戶形成可控響應時，配電網資源得到高度開發，此時配電網發展將進入智融期。

人工智能技術的發展應用是推動電力系統形態變化的關鍵抓手。各個國家政府都將人工智能提升到國家戰略平臺，人工智能有望成為帶動經濟發展、產業升級新的驅動力。初步判斷，在近中期可逐步實現物聯網、人工智能技術與配電網的融合，革新配電網各環節生產方式，提升運行管理效率，實現效能提升10%～20%，此時配電網發展將進入蛻變期。中遠期，隨著外部技術的支撐帶動，配電網全環節實現人工智能化，極大提升生產力，電力生產方式發生變化，此時配電網發展將進入智融期。

3 面向能源互聯網的未來配電網綜合評估體系

3.1 綜合評估體系的構建

在合理繼承與完善現有評估體系的基礎上，未來配電網綜合評估體系的建立不僅是衡量面向能源互聯網的未來配電網發展的重要尺度，也對未來配電網的規劃發展起到科學有效的指導作用。

評估指標體系通常是針對特定的應用場景而構建的，并且充滿了主觀和客觀因素。其構建的主要原則是能夠客觀公正反映所評判對象的實際情況。選取的指標首先要符合能源互聯網的專業理論和數學原理，并能夠充分反映影響配電網發展水平的因素；其次將配電網的發展看作一個整體，從宏觀和微觀兩個層面考慮。因此將評估指標分為4 個一級指標和23 個二級指標，詳見表2。

表2 一流未來配電網綜合評估體系

3.2 綜合評估流程

面向能源互聯網的未來配電網綜合評估流程如圖6 所示。

按照各類供電區域的權重，加權計算指標得分：

圖6 綜合評估指標流程

式中：Si為第i 個單個指標得分；ai為單個供電區域指標得分；εi為該類區域指標權重，ε1，ε2，…，ε5分別為5 類供電區域權重系數，取值如表3 所示。

表3 5 類供電區域權重系數

3.3 綜合評估步驟

（1）設置評估指標的權重系數

根據權重系數設置原則，分3 步對4 個一級指標和23 個二級指標進行設置。首先使用AHP 確定評估指標的主觀權重系數[16]；然后使用熵權法確定評估指標的權重系數[17]；最后綜合AHP 和熵權法確定最終的評估指標的權重系數。AHP-熵權法從主觀、客觀兩方面對評估指標的權重系數進行修正，使得評估結果可以綜合體現配電網體系。

（2）計算各類指標評估得分

安全可靠、優質高效、綠色低碳、智能互動四大類指標滿分均為100 分，將各單項評估指標按各自的加權系數加權后得到四大類的評估得分。

式中：yi為第i 類指標綜合分值。

（3）計算綜合評估總分

將安全可靠、優質高效、綠色低碳、智能互動的評估得分按照0.3，0.25，0.22，0.23 的權重系數加權后即可得到能源互聯網的未來配電網綜合評估的總分。

式中：T 為能源互聯網的未來配電網綜合評估的總分；yi為第i 類指標綜合得分；γi為第i 類指標權重系數。

同樣，對每類權重系數有：

（4）評估指標體系及權重

根據一流未來配電網各項評估指標含義、評分公式及指標權重，計算綜合評估指標得分。

（5）評估結果分析

得到評估結果分析如表4 所示。

表4 評估結果分析表

4 案例分析

為驗證所提出的綜合評估體系和評估方法的有效性和可行性，以某主動配電網示范工程為例進行綜合評估分析。該示范工程為某城市能源互聯網綜合試點示范配套項目，通過試點工程建設，實現配電網所在地區的“6 個主動”，即電網公司側的主動規劃、主動管理、主動控制、主動服務以及用戶側的主動響應和分布式新能源發電側的主動參與。

該主動配電網的綜合評分為0.756，隸屬于“發展期”，進一步分析各一級指標評估結果：“安全可靠”評分為0.8，主要是冷熱電互聯程度和儲能裝置指標得分較低；“優質高效”評分為0.9，在該項上示范工程各項指標得分都較為出色；“綠色低碳”評分為0.8，由于出現棄光情況及消費終端電能替代工作處于發展階段，在清潔能源消納率和電能占終端能源比指標上得分稍低；“智能互動”評分為0.5，能源綜合管理平臺和需求響應系統尚處于建設當中，互動負荷即源網荷儲協調方面還有待提升。可見評估分值與示范工程的發展建設情況相吻合。

5 結語

由于一流未來配電網在能源互聯網發展中處于核心地位，因此，建設面向能源互聯網的一流未來配電網對于能源體系發展具有重要的戰略意義。文中先總結了能源互聯網的基礎概念，隨后提出了能源互聯網的整體發展趨勢和關鍵環節。文中總結了能源發展的現狀和存在的問題，展望了一流未來配電網的基本形態、能量流動特征、基本拓撲結構、關鍵裝備和運營模式，指出其核心在于依托大數據分析平臺作為控制樞紐，整合多能量供需數據，多能源網絡是以能源節點形式與能量交換器進行能量交互的多能互聯環節。在分析一流未來配電網發展形態的基礎上，分析回顧了配電網的發展進程，提出了配電網形態演化中關鍵影響因素及其在面向能源互聯網的一流未來配電網整體演化過程中的作用機理，對面向能源互聯網的一流未來配電網演化路徑進行了分析，給出了發展期、蛻變期、智融期3 個階段一流未來配電網發展建設中的核心特征和主要任務。發展一流未來配電網需要著力在升級電網結構、完善協同控制能力、提升可再生能源消納、挖掘儲能應用潛力、開展綜合能源供應、建設能源電力市場、深化應用人工智能等方面進行突破。