低碳化智能配電網規劃研究與展望

李 鵬，王 瑞，冀浩然，宋 毅，袁智勇，于 浩

（1. 智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津市 300072；2. 國網經濟技術研究院有限公司，北京市 102209；3. 中國南方電網科學研究院有限責任公司，廣東省廣州市 510080）

0 引言

推動社會經濟的綠色、低碳、可持續發展已成為全球共識［1］。中國政府于2020 年9 月在第75 屆聯合國大會上鄭重承諾：中國的二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取在2060 年前實現碳中和（carbon neutrality）［2］。碳中和是指某一地區在一定時期內由人類活動產生的二氧化碳排放量和吸收量相平衡，從而實現二氧化碳凈零排放（net zero carbon dioxide emission）［3］。以碳中和為核心目標，不僅有益于應對氣候變化［4］，更有利于引導和促進產業升級，是關系到世界各國能源安全和人類未來發展前景的重要議題［5］。

實現碳中和的路徑主要包括2 個方面：一是增強對二氧化碳的吸收固定能力［6］，如擴大植被覆蓋面積、發展碳捕集利用和封存（carbon capture，utilization and storage，CCUS）技術［7］等；二是推動能源轉型，進一步提升清潔能源的占比，降低對煤、石油等傳統化石能源的依賴，從根本上減少二氧化碳的排放［8］。目前，化石燃料的使用仍然是中國最主要的二氧化碳排放源，約占全部二氧化碳排放的88%［9］。因此，為實現2060 年碳中和目標，開展能源結構和消費體系的變革需求迫切。

電網是連接能源生產和消費的重要公共基礎設施，在承擔主要減排責任的同時，將在碳中和目標驅動的能源轉型中發揮積極作用［10］。例如，在能源供給側，電網作為新能源消納的主要承載平臺，大力發展以風能和太陽能為代表的可再生能源，將有效削減高碳排放能源占比；在能源消費側，城市交通、綠色建筑、工業制造等行業的電氣化程度不斷加深，不同形式的終端碳排放需求持續向電力系統轉移和匯集［11］；此外，能效提升和“電-氣-熱”多能互補等業務也大多以電能為核心實現能源的轉化及利用［12］，電力系統將成為能源綜合利用技術和模式創新的中心環節。在碳中和目標驅動下發生的這些積極變化與“構建以新能源為主體的新型電力系統”的發展定位具有高度的內在一致性，將有助于“清潔、低碳、安全、高效”能源體系的建立。

配電網直接面向用戶，不僅在生產上有滿足碳中和的內在要求，而且作為優質電力服務的提供者，在利導能源消費升級、推動用戶側碳資產管理等方面具有不可替代的作用［13］。對前者而言，分布式電源在配電側的廣泛接入是主要手段［14］，其目的是實現清潔能源的就地消納，促使源荷局域自平衡，有利于緩解新能源遠距離、大規模輸送給大電網帶來的隨機性以及外送通道不足等問題［15］，降低系統整體建設和運營成本。對于后者而言，電能替代已成為能源清潔化和產業智能化的主要趨勢［16］，例如港口岸電、民航機場推行“以電代油”，廠房燃煤燃油鍋爐開展電氣化改造，依托“車聯網”平臺建設的電動汽車充電網絡等；借助負荷監測、需求側響應等技術手段［17］，設計以碳減排為導向的用戶電力服務機制，加強對設備能耗的感知和調控水平，在電力消費數據深度解析的基礎上制定用戶碳排放檔案，通過完善價格機制挖掘電力市場各主體的調峰資源，將有效促進供需兩端碳循環的良性互動。

碳中和不僅僅是指風機、光伏等可再生能源裝機容量的單調增長，而是要構建集“發儲變用”為一體的碳中和綜合能源系統，打通電力與市政、交通、信息、市場等多個社會生產生活領域的接口，涵蓋清潔生產、廣泛存儲、靈活調制和即插即用等多個方面。目前，配電網以上級變電站為電源，與用戶之間單向的供需關系將難以滿足碳排放約束下的新發展要求，這意味著需要變革傳統的配電模式，未來智能配電網的形態將逐步向碳中和的方向演變。在規劃階段，探索碳排放需求和能量供給的本地化解決方案，避免碳的大范圍轉移性支付和補償［18］，充分釋放配電側“源-網-荷-儲”協調規劃下的碳調節潛力，對全局碳中和目標的達成將起到重要作用，也成為新形勢下發展智能配電網規劃新理論和新技術的難點和重點。

本文面向碳中和目標導向下的智能配電網規劃問題，提出了以“碳中和區”作為新型配電單元的規劃設計理念，分析了新要素、新路徑和配電網形態演變的相互影響，并針對低碳微生態配置方案和碳中和能力評估指標進行初步設計，闡述了在時間和空間維度上涉及的關鍵技術問題，最后對未來可能的研究方向和應用前景進行了展望。

1 低碳化演變的智能配電網

以碳中和目標為導向，碳排放約束將成為強約束，智能配電網所包含的資源要素、業務技術和服務機能等都將發生深刻變革。

首先，分布式電源消納的重要性被進一步加強，成為經濟性、可靠性之外另一關鍵指標，這就要求清潔能源的滲透率要和所在區域的負荷需求適度匹配，最大程度實現碳中和的就地化平衡。然而，這將帶來以下挑戰：①風機光伏比例、裝機位置和容量如何確定，配置方案如何根據負荷特性實現優化調整；②如何解決電力電子化裝備高比例接入后帶來的系統慣性降低等運行控制問題［19］；③包含風能、太陽能、氫能以及燃氣在內的多源協調運行面臨的能量管理問題；④以燃燒化石能源為主要電能供給的變電站如何為新能源主導的配電網提供可靠且經濟的后備容量支撐。總之，為滿足碳排放約束，分布式電源不再作為單一的調控資源去考慮，以它為核心關聯起多重要素相協同的整體，使配電網所包含的資源稟賦耦合更加緊密，形式更加多樣。

其次，光伏和儲能電池普遍輸出直流電，各類數字裝備、智能家居也大都是直流負載，在源荷都出現直流化的趨勢下，為滿足碳排放約束，有必要提升源荷匹配中間環節的低碳化效能。因此，低壓直流配用電技術的優勢將進一步凸顯［20］，不僅可以降低清潔能源的接入成本，實現低損耗、高可靠的傳輸和控制，而且可以承載更多電能替代產生的新型負荷。原來單一的交流配電系統將逐步發展成為交直流混聯配電系統，使電網的結構形式更加復雜。

此外，智慧交通網和智能配電網之間的碳交互過程也將愈加深刻地影響配電網的發展。例如，電動汽車充電網絡建設是交通碳減排的重要舉措，充換電站本身就具有分布式特征［21］，站點布局與道路規劃、行車流量等因素密切相關，因而供能模式也將更加靈活，例如在城市核心區可以采用電網為主、分布式光伏為輔的方式，在城際高速等開闊地域則可以采用自主式光儲一體化的供能生態。這就意味著交通碳排放向配電網的轉移，對配電網的內部組織，尤其是電氣邊界均具有較強的塑造作用。

能源的綜合利用模式同樣是影響智能配電網在“碳約束”下發生變革的重要外在因素。用戶的冷熱需求一直以來都是碳排放的主要來源，隨著電能替代在冷熱供應環節的推進，電制氣、電采暖等技術不斷成熟，配電運營商、供熱公司和燃氣公司之間的部門耦合將更加緊密。智能配電網作為用戶側綜合能源互聯的樞紐，一方面可以將電能消耗作為碳基準用于衡量轉換效能，另一方面可以提升清潔能源并網后對冷熱負荷的支撐比例。因此，為統籌碳要素在各能源介質中的流通，需要將智能配電網納入多能協同的整體性結構中去考慮，不僅可以增強電網側的阻塞管理能力，更有利于緩解能源綜合利用趨勢下系統性的脫碳壓力，逐步擴大碳中和在生產、生活各個環節中影響的廣度和深度。

最后，碳中和意味著對源荷匹配的精確對接和精細化調度，意味著可以對碳排放實行精準溯源和定位，因此對智能配電網的數據采集和狀態感知能力提出更高的要求，物理系統和信息系統將發生更加深刻的融合，不同能源形式的數據共享和價值挖掘機制也亟須建立。換流器、柔性設備等高度電力電子化裝置本身對控制信號具有較高依賴，稍加改造后即可成為物聯網系統中的碳信息嵌入節點，同時借助數據驅動、區塊鏈等技術手段，將給配電網的數字化和智能化轉型創造新的發展契機。更進一步，當數據的泛在采集和安全保護得到充分滿足時，碳交易市場與能源交易市場之間也將建立更加密切復雜的聯動關系，從而在市場層面對智能配電網發展形成新的推動力量。

綜上所述，“碳約束”是智能配電技術發展與融合的重要動力，“低碳”將成為智能配電網的又一重要特征，“源-網-荷-儲”各環節都在向促進清潔能源消納、節能降損的方向發生轉變，對智能配電網的規劃理論和方法提出新的要求和挑戰。

2 考慮區域碳中和能力的智能配電網規劃

2.1 “碳中和區”的內涵

在目前的電力供需關系中，用戶的電能需求主要由發電側燃燒化石燃料提供，盡管大規模風電場、光伏電站的對外輸送容量逐年提升，但是隨著大電網承載新能源總量的增大，消納難度將進一步增加，并給大電網的安全穩定運行帶來風險［22］。同時，大規模風電場、光伏電站在發電側的集中并網，將給電力系統的源端帶來巨大的不確定性［23］，對系統調峰能力和應對極端天氣能力提出更高的要求。因此，促進分布式風機、光伏發電在配電側的就地消納，把可再生能源的大規模消納適當轉移至配電側實現其自身的供需平衡，并將局域碳排放最小化作為全局碳中和的重要舉措，可能成為解決電力系統新能源消納問題的有效途徑，也是配電網規劃思路新的出發點。

傳統配電網規劃的組織方式基本上以行政單元、街道走向以及山川地理等因素為原則，按歸屬變電站臺區的供電網格進行劃分。引入“碳約束”概念后，負荷所引起的碳排放和可再生能源消納間的連接匹配關系需要得到新的審視，原有的組織方式也因此需要進行調整和修正。

為了形成新的配電網組織方式，首先要明確碳和電能的生產關系和流動路徑，將以發生碳排放為代價而生產的電能稱為碳基電能，將不發生碳排放而生產的電能稱為清潔電能。隨著未來能源結構愈發多元，配電網中的電能供給將主要由2 個部分組成：一是來自上級電網輸送，包括火電廠發出的碳基電能，以及風電場、光伏電站、水電站、核電站發出的清潔電能；二是來自安裝在配電側的分布式發電裝置，包括微型燃氣輪機等小型電源發出的碳基電能，以及分布式風機、光伏發出的清潔電能。

因此，在狹義上認為，當某區域在一段時間內實現負荷全部由本地清潔能源供給，具備不需要同外部發生能量交換的能力，則認為該區域形成了“零碳排放區”，即“碳中和區”。而廣義上的“碳中和區”則允許清潔能源發生內外流動，共同參與更大范圍內的碳交換過程。所以，對廣義“碳中和區”而言，清潔能源不僅來自域內生產，還可能包括上級電網輸送，所以在考慮碳排放約束作用時，要提前確定來自上級電網輸送的清潔能源利用比例。可以看到，不論是狹義上的還是廣義上的“碳中和區”，顯性特征都是清潔能源對負荷電能需求的完全滿足。其中，狹義“碳中和區”實現的是就地源荷自平衡，其邊界約束更加嚴格，而二者的隱性特征則均體現為電力調節的靈活性和充裕性。

從數學優化的角度來看，在智能配電網規劃模型中考慮碳排放約束，分解后將對其可行域形成“供需平衡”“經濟可靠”“低碳高效”的多重切割，使模型充分滿足具體場景下技術準確度和時空分辨率的要求［24］，從而實現對“碳中和區”邊界的精準刻畫。同時，優化模型應具備對新興低碳技術進行拓展兼容的能力，充分計及配電網設備全生命周期的碳排放特性［25］，在規劃目標中增加碳不平衡量所造成的懲罰成本，將引導配電網向“碳中和區”的模式發生形態重塑，使之最大程度地實現配電側可再生能源對發電側碳基能源的等效替代。

“碳中和區”的概念與常規微網等自治運行區域存在顯著差異［26］。首先，“碳中和區”作為低碳化智能配電網規劃新的組織方式，著眼點是碳中和目標的就地實現，建立的是以碳要素流通為核心的有機主體，需要考慮“碳約束”和電氣約束之間的強耦合關系，更加強調清潔能源對域內負荷電能需求的全面支持。其次，“碳中和區”的構建對象是智能配電網包含“源-網-荷-儲”在內的整體形態，涵蓋范圍比微網更加廣泛。最后，“碳中和區”的組織結構在時空維度上會發生動態演變，與碳資產管理相關的技術和裝置也會逐步引入，層次和元素構成相較于微網會更加豐富。

2.2 與傳統配電網規劃的區別

傳統配電網規劃通常采用負荷預測的峰值來確定變電站的容量和位置，然后根據設計導則和經濟性原則來分配各臺區引出的饋線數量和傳輸容量，配電網架“閉環建設，開環運行”，具有明顯的輻射狀拓撲特征，而且往往只考慮投資和運維成本的最小化，因此傳統配電網規劃主要采用的是“自上而下”的規劃路徑［27］。

考慮碳排放約束的智能配電網規劃，除了要兼顧傳統配電網規劃中變電站、架空線或電纜、無功補償裝置的選址定容與優化設計，其規劃對象也將更加廣泛且多樣，不僅涵蓋“源-網-荷-儲”等多個環節，而且由于投資利益主體不同而更加復雜。碳排放約束也將促使各規劃要素實現規范化配置，所形成的低碳微生態將在下文中進行詳細介紹。與此同時，由于資源要素配置的就地化和“碳約束”機制的局域化，規劃思路也將向“自下而上”的路徑轉變，愈加扁平化的架構成為開展配電網規劃的重要前提，如圖1 所示。

圖1 2 種配電網規劃方法的比較Fig.1 Comparison between two types of distribution network planning methods

對于新建城鎮或開發區的配電網規劃，無論是土地使用、電站布局還是線路鋪設都可以沿著碳中和設計思路進行整體性的匹配優化［28］。一種可能的技術路線如下：首先，明確上級電網輸送清潔電能的最大容量，劃定規劃期內配電網的碳減排目標，開展多時空尺度下新建區域電網對負荷與新能源承載能力的分析計算；然后，以達到一定規模的分布式電源聚集中心作為“碳中和區”的組織起點，逐步向四周負荷延展連接形成配電網絡，同時完成對域內各資源要素的優化配置；最后，將“碳中和區”與鄰近電站相連以保證其后備容量和電壓支撐，而各“碳中和區”之間也可以通過智能軟開關（soft open point，SOP）等建立電氣聯絡關系，由此形成以局域就地消納和廣域柔性互聯為主要特征的智能配電網發展新形態。

然而，基于現狀電網進行碳中和方案改造將會面臨更多條件的制約。例如：分布式電源由于缺乏政策引導和收益調節，在安裝和運行上的無序性將進一步凸顯，碳排放和新能源替代難以獲得最佳適配；原有市政功能分區可能導致用電特性的單一化聚集，土地飽和式開發也給新式裝備的配置造成空間布局上的困難；“碳中和區”劃分和現有電網運營分區之間的沖突，等等。但同時有利的一方面是，現狀電網除了電動汽車充換電可能帶來一定程度的負載擴容需求，工商與居民負荷容量基本保持穩定，相關預測和特性分析會比較準確。所以，基于現狀城區電網進行碳中和方案改造，研究經濟可行的技術路線，不僅要在宏觀上充分發揮全局統籌的協調作用，更要注重微觀上具體策略的靈活施用。

2.3 “碳中和區”的意義

智能配電網規劃在碳中和驅動下，規劃路徑、電網形態和評價指標等都將發生變化，要盡可能地在尊重傳統延續性的同時保證技術方案的先進性。綜合考慮配電網發展的現實需求和未來愿景，以“碳中和區”作為智能配電網規劃的組織方式，將具有以下優勢和意義。

1）可以將碳中和的發展理念落實到電力系統中，有利于推動能源綠色轉型。

2）為配電網區域劃分提供依據，符合電網分層分群、區間柔性互聯的發展趨勢［29］。

3）以分布式電源為核心組織電網結構，可以充分提高新能源消納比例，減少變電站和線路的建設容量并延緩投資。

4）對用戶側豐富的可控資源進行有效組織，提高設備利用率和配電網控制水平。

5）為配電側市場交易主體的形成創造條件，為碳補償和碳交易等經濟行為提供實現路徑。

6）以碳中和為目標形成若干局域自治單元，為“自治-互聯”的配電網規劃新格局奠定基礎。

3 低碳微生態及評估指標

3.1 低碳微生態

碳中和在配電網中最顯著的特征是分布式電源的高滲透接入，利用風能、太陽能等清潔能源滿足負荷用電需求，從而降低發電側的碳排放量。然而，“碳中和區”作為一個具有自循環功能的系統，不等于風機、光伏的簡單安裝和并網發電，以“風光儲直柔”為核心的低碳微生態架構，可能是未來構建“碳中和區”較為可行的整體性方案。其中，風機、光伏等分布式電源作為清潔能量轉化裝置是“碳中和區”成立的必要條件；儲能系統是平抑峰谷波動的主體，用來保證“碳中和區”的靈活性裕度；直流配電環節的加入可以省去直流設備和交流主網間數目眾多的變換裝置，對電能轉換環節的能效提升有重要意義；柔性設備在提高電網響應控制水平的同時，可以賦予碳中和更多時空調節上的靈活性，如圖2 所示。

圖2 配電網低碳微生態要素配置Fig.2 Configuration of low-carbon microecology factors in distribution networks

風機、光伏發電設備隨著成本的降低和體積的小型化［30］，在配電系統中的安裝可行性和普及程度越來越高［31］，并網控制技術的日益成熟和多種能源間的互補特性也將進一步提升新能源滲透率，但是仍存在以下2 個方面的問題：一是在負荷側目前以用戶自行投建為主，呈現無序、分散、容量小等特點；二是電能轉化受風速、光照、溫度等自然因素影響較大，具有顯著的間歇性和波動性［32］。然而，隨著配電側可再生能源并網技術標準和政策規范的陸續出臺，低能耗建筑逐步將風機、光伏建造納入總體設計方案［33］，虛擬同步機等技術推廣應用后對分布式電源并網兼容性的有效改善［34］，“碳中和區”將獲得更加可靠可控的新能源支撐。

儲能系統通過優化調節充放電特性，可以在時間上有效改善分布式電源和負荷間功率不匹配的情況［35］，它的調節能力在很大程度上決定了所在區域的對外碳特性，是維持當前“碳中和區”約束邊界穩定的關鍵系統。儲能裝置自身在要求高能量密度、低轉化損失之外，需要進一步考慮能量存儲介質和方式的低碳化，電制氫儲能技術日益得到關注和發展［36］。電氫轉化不僅可以實現零碳排放，而且氫作為重要的工業原料和二次能源的有效補充，電解制氫也有助于消納過剩的分布式發電［37］。因此，以電制氫為代表的新型儲能系統，以及氫能和電能之間相互獨立而又較為高效的綜合利用機制，將成為低碳微生態的重要組成部分。

直流配電環節可以充分釋放光伏和儲能并網的潛力，節省大量電力電子變換裝置的分散式配置成本，直接滿足數字通信設備、數據中心、直流快充電站等新型直流負載的用電需求，避免多元源荷為接入傳統交流主網而產生的復雜網絡結構和控制策略，從而進一步提高碳中和的適配度和能效比。低壓直流供用電系統在獨立組網、節能降損和電磁兼容等方面具有明顯優勢［38］，可以作為低碳微生態供配電技術的重要借鑒。

柔性設備具有靈活可調、精準可控等特點，目前主要有2 類：一類是柔性負荷［39］，如空調和電熱水器可以利用溫度變化的遲滯特性進行短期電功率調節，洗衣機和洗碗機可以自動延時啟動或錯峰工作［40］，通過需求側響應等手段改變原有的碳排放特性；另一類是柔性配電裝置［41］，如靜止無功補償器既可以吸收也可以發出無功功率，智能軟開關可以對饋線間的潮流進行轉移調配，從而對歸屬各區的可控資源進行優化重組，削減因為空間阻隔造成的碳不平衡量，在廣域范圍內重塑碳排放約束下的配電網組織和運行方式。

綜上所述，“風光儲直柔”的低碳微生態配置方案在經濟性、可拓展性等方面具有較強優勢，是“碳中和區”落實碳排放約束的重要組織形式，為智能配電網規劃提供了新的技術路線，可以面向實際場景開展更加深入的探討。

3.2 碳中和能力評估

考慮到智能配電網的低碳化發展特征，在采用供電安全性、用電可靠性［42］和經濟性等指標的基礎上，有必要從碳排放的視角對規劃方案開展進一步的量化分析，碳中和能力評估將成為智能配電網綜合評價體系［43］的重要組成部分，為規劃方案的前期研討和后期審定提供更加全面的引導和規范。

3.2.1 碳消費指標

為了衡量某區域范圍內配電網（碳評估區）在不同評估時長下的碳中和能力，提出碳消費指標ci，τ如下所示，ci，τ值越小，說明碳評估區i的碳中和能力越強。

式中：τ為評估時長；、和分別表示碳評估區i在時間τ內上級電站端口輸送、配電網本地產生和負荷消耗的電能；αi和βi分別為上級電站輸送和配電網本地產生電能中清潔能源所占比例；φ和ω分別為上級電站輸送和配電網本地產生的碳基電能和碳排放之間的轉化系數。

3.2.2 碳凈比指標

考慮空間尺度的差異，“碳中和區”的范圍可能是某條街道、某個供電轄區，也可能是整個城市配電網；考慮到不同位置的區塊又可以劃分為商業、居民、工業等多種建設用途，由于空間覆蓋范圍和負荷類型的不同導致碳不平衡量的絕對值也會有顯著差異，從而影響對區域碳中和能力評估的判斷。因此，提出如式（3）所示碳凈比指標ri，τ，表示單位負荷電能消耗所對應的碳排放量，以抵消“碳中和區”自身負荷規模所帶來的影響。

3.2.3 碳均衡指標

針對城市配電網規劃中的碳中和問題，在初始階段以各供電轄區為基礎形成若干碳評估區，然后對各區域內現狀電網和可開發利用的調節資源進行分析研判，進而推動原轄區布局下各優勢資源的優化重組，為“碳中和區”的形成創造地理拓撲和資產管理上的條件。例如，通過安裝柔性配電裝置來實現各區域之間優勢資源的優化重組時，可以將某區域原來無法消納而不得不棄置的風光出力轉移到存在電量缺額的相鄰區域，在提高本地清潔能源利用率的同時，減少總體上對碳基能源的消耗，從而達到碳中和能力互濟的效果。

為了評估城市配電網各區域間碳中和能力的互濟程度，提出碳均衡指標g如下所示，g值越小，說明碳評估區之間的互補能力越強，城市配電網的碳消費在整體上更加均衡。

式中：M和N分別為優化重組前后碳評估區的數量；r′k，τ為優化重組后碳評估區的碳凈比值；c′k，τ為優化重組后碳評估區的碳消費值；′為優化重組后碳評估區負荷消耗的電能。由于優化重組前后城市配電網總體負荷的電能需求保持不變，所以滿足

4 “碳約束”下的智能配電網規劃關鍵問題

4.1 時間維度上的強耦合性

智能配電網規劃在時間維度上呈現多層次、強耦合的特點［44］，如圖3 所示。多層次是指規劃涵蓋了年、日、小時等多種顆粒度不同的時間尺度，反映了規劃和運行之間的相互作用；強耦合是指下一步的規劃方案建立在上一步規劃結果的基礎之上，需要同時考慮當前的時效性和未來拓展的充裕性，從而盡可能地減少閑置或短缺。

圖3 多時間尺度下的智能配電網規劃Fig.3 Planning of smart distribution network based on multiple time-scales

遠景規劃一般考慮的是15 至20 年及以上的發展需要，根據實際進度安排將總體規劃進一步細分為短期、中期等若干階段［45］。在以年為單位的時間跨度上，要首先考慮碳均衡指標的導向作用，從配電網全局規劃的視角出發，開展對環境承載能力和經濟發展能耗的預測分析。量化未來若干年內潛在的新能源可開發儲量和可能產生的碳排放分布，大致確定各區塊內的供需關系以及各區塊間的互濟程度，決定配電網變電站和網架的基礎布局和容量配置以及“碳中和區”的大致數量和規模，從而為劃定“碳中和區”邊界和預留由柔性配電裝置形成的功率輸送通道提供條件。

由于規劃和運行2 個層面上的問題聯系日益緊密［46］，同時為了確保碳評估區獲得最大中和能力，有必要在規劃各階段開展典型場景選取和融合方法研究，在以日為單位的時間跨度上，充分計及“源-網-荷-儲”交互的不確定性過程，建立日碳排放特性數據庫和碳減排日程清單，優化低碳微生態的日前調度和能量管理機制，盡可能地降低碳凈比指標值，從而對電網規劃的復雜適應性和運行時的靈活策略調整提出更高的要求。

配電網規劃中重要的一項是設備選型問題［47］，配電側分布式電源的功率輸出將削減負荷峰值，在一定程度上緩解了電力傳輸容量的限制。但由于分布式電源出力具有間歇性和波動性，在以小時乃至分鐘為單位的時間跨度上，線路傳輸的峰值容量仍是待求解的規劃變量。線路、開關以及換流器等設備的容量優選，對保證系統安全經濟運行、提高“碳中和區”各配置環節的資產利用率具有重要意義。

4.2 空間維度上的動態演變

智能配電網在整個規劃周期內分階段遞進式發展，也意味著配電網在空間形態上將發生動態演變，如圖4 所示，包括“碳中和區”的延拓、收縮、融合與解裂等過程，主要涉及以下幾個方面的問題。

圖4 智能配電網動態演變Fig.4 Dynamic evolution of smart distribution network

一是“碳中和區”電力邊界如何確定的問題。電力邊界是內外功率交換的位置，“碳中和區”內部源荷平衡與對外交換功率為零具有等價關系，所以負荷與風機、光伏的容量增減、位置變動在很大程度上決定了“碳中和區”的邊界，是促使“碳中和區”發生動態演變的主要驅動力，而邊界的穩定性則取決于儲能、柔性配電設備等可控資源的調控能力。電力邊界的改變在形式上表現為配電網各部分間的優化重組，實質上反映的是投資經濟性和碳中和能力兩者相權衡后的發展斷面。

二是“碳中和區”之間的聯絡問題。一些“碳中和區”在滿足自身約束的情況下，如果能量存儲和調度空間仍有裕度，那么就可以發揮輔助服務的作用，即通過多端柔性配電裝置與相鄰區域連接，形成“蜂窩狀”結構和常態閉環運行方式［48］，然后各區域以對等市場主體的角色開展碳中和機制下的能量交易［49］，提高系統整體的資源利用效益，擴大碳排放約束的影響范圍。

三是“碳中和區”在多電壓層級間的構建問題。變電站目前對由分布式電源引起的潮流倒送大都有較為嚴格的容量限制，所以變電環節是“碳中和區”之間良好的分界點。柔性變電站［50］和具有電壓變換功能的柔性配電裝置［51］響應速度快、數字化水平高，不僅是電能量測的關鍵節點，同樣也是信息收發鏈路的重要組成部分，它們對傳統變電站和變壓器的升級替代將進一步增強智能配電網不同電壓層級之間對“碳足跡”的監控和管理水平［52］，促進清潔能源多級調度協同響應。

四是電動汽車對“碳中和區”的影響。電動汽車既可以作為電力負載，也可以反向對電網充電，其跨區域的機動性也決定了其作為移動式碳載體的靈活性［53］，從而具備對“碳中和區”邊界彈性的塑造能力。開展對公交車、出租車等不同類型電動汽車出行規律的特性分析［54］，研究電動汽車集群式調度方法和充換電站選址定容的規劃方法［55］，對“交通-電力”交叉領域的碳中和具有重要意義。

5 低碳化智能配電網規劃展望

5.1 能源漸進替代

碳中和理念的落實不會一蹴而就，將漸進式地經歷“高碳—低碳—零碳”的發展階段，所以在此期間制定合理的能源組合利用方式將具有更為現實的意義［56］。變電站從上級電網，即目前以火力為主的發電廠輸入電能，其實際投運容量將逐漸減小，配套的高碳基礎設施也將隨著碳中和的深化推進而降低投資。但是，目前電網主體對傳統能源仍維持較強依賴，冬夏季呈現“雙峰”特征的用電需求主要依靠常規電源來保障電量平衡和調峰靈活性，傳統能源在基數和占比上的優勢將在未來較長一段時間內持續作用于電網形態的發展。特別指出的是，美國得克薩斯州于2021 年2 月15 日發生的大范圍停電事件［57］，其中一個直接原因是得克薩斯州電源結構以燃氣和風電機組為主（約占總裝機容量的77%）。在極寒天氣下，天然氣管網和風力發電設備因凍結而被迫停運，從而導致電源出力急劇下降，在外部供電能力不足的情況下只能大規模削減負荷，實行輪流停電。因此，如何協調新能源和傳統能源間的投建比例和運營方式，如何正確處理經濟持續穩定增長、電力安全可靠供應和能源低碳化轉型三者的關系，是當下研究智能配電網規劃需要首先考慮的務實問題。

5.2 城鄉協同規劃

城市配電系統具有高負荷密度和高供電可靠性等特點［58］，但是可開發空間資源日益緊缺，碳排放量在短時間內無法自我抵消。農村配電系統雖然負荷分散、電網建設薄弱，但是風能、光能等可再生能源蘊藏豐富且建設成本較低。隨著農村居民生活水平不斷提高，農村和鄰近城鎮的碳排放需求日益增長，機械、灌溉、溫室大棚等農業生產領域的電能替代快速發展，清潔能源的就近開發利用可以有效減少農村燃油燃煤的消耗。研究如何將中心城市和周邊鄉鎮的源荷情況進行統籌考量，開展碳排放約束下的城鄉配電網協同規劃，建立城鄉一體化的碳排放管控和發展機制，不僅可以為拓展規劃創造新的實現路徑，而且將極大地改善新能源來源單一和過度集中的問題，從而提高區域整體的供電安全性和可靠性。

5.3 運行模式轉變

未來智能配電網將逐步發展成為“協同、開放、綠色、共享”的綜合性能源服務應用體系［59］，運行模式與傳統配電網存在諸多不同，將對碳中和理念下的智能配電網規劃產生重大影響。首先，不同品類能源間的耦合互補關系將進一步加強，源荷單向跟蹤轉化為源荷協調互動［60］，長短期儲能需求總量和結構配比不斷優化［61］，碳捕集電廠可以通過改變運行方式調節碳排放和凈發電之間的數量關系［62］，這一系列變化將導致碳足跡與能量產銷的對應關系愈加復雜，這意味著智能配電網的規劃方案需要具備更高的兼容性和靈活性，對互聯結構下碳流動通量和路徑優化調度提出更高的要求。其次，信息流和能量流將發生更加緊密的結合，通信技術和互聯網技術將給智能配電網的動態感知、計算決策和代理協作等提供新的控制手段［63］，這意味著碳排放監管的數字化和智能化水平進一步提高，智能配電網規劃必須計及“信息-能量-碳排放”多元網絡在運行層面的強關聯作用，從而確保系統整體配置在碳信息采集、計量轉換和潮流調控等底層物理實現上的完備性。

5.4 碳排放權交易

電力碳排放權交易市場作為電力市場的衍生體［64］，在能源互聯趨勢下將具備海量終端、多邊接入和平等參與等新特征［65］，為實現能源領域更加廣泛的碳源減排和碳匯增容創造新條件［66］，從而成為加速智能配電網碳中和進程的有效手段。通過制定安全高效的碳排放權結算與出清規則，利用經濟層面的轉移支付方式，對地區間的異質互補性資源進行統籌協調，將對配電網規劃中不同利益主體的投資行為形成積極引導。同時，資本的流通不僅會讓各地域的碳排放權交易更加緊密，也會反作用到配電網規劃的實體層面。例如，為了獲取市場博弈中的更大優勢，局域“碳中和區”將優化規劃方案，努力提升自身的碳調節裕度和靈活性，而跨電壓層級“碳中和區”間的關聯機制也將增擴傳輸通道和提高響應速度。

6 結語

“碳達峰、碳中和”作為國家重要戰略決策，決定了中國能源利用體系未來發展的價值方向。風機、光伏等分布式電源的高比例滲透是能源清潔化轉型的重要支撐點，為配電網實現碳中和創造了條件，同時對先進裝備的制造能力、安全穩定的生態建設和高效協同的控制方法提出了新挑戰，將對智能配電網規劃理論和技術變革產生深刻影響。本文在碳中和成為新時代電網發展目標的背景下，對低碳化智能配電網規劃的路徑轉變、評估方法和關鍵問題等展開探討，在后續工作中將對智能配電網規劃中所涉及碳排放約束的數學描述和建模方法展開進一步研究，期望能夠為碳中和導引下的智能配電網規劃發展提供有益的思考和借鑒。