分布式電源配電網的消納能力

陳瑞華，鄭日平，馬炳健，劉寶軍

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門 529000）

0 引 言

近年來，隨著化石能源儲量的日漸短缺和公眾對環境問題的日益關注，大力開發可再生能源、廣泛應用清潔能源已經成為電力行業的基本共識。隨著分布式電源技術的發展，用戶對電能質量、供電穩定性、靈活性的要求越來越高，傳統配電網正在向可觀測、可控的主動配電網發展。文獻[1]和文獻[2]研究分析了目前分布式電源配電網在故障恢復過程中面臨的主要問題，即分布式電源的出力不確定性、故障恢復穩定性及多種能源耦合下的故障機制配合。文獻[3]、文獻[4]以及文獻[5]分析了在使用綜合能源背景下制約配電網消納能力的主要因素，認為有功無功調節依然是提高配電網消納能力的重要手段，并提出了一種基于移動氫儲能和SOP等有功或無功調節裝置的主動配電網優化模型。近年來，中國城市配電網絡出現的問題主要是配電設施引起的，無論是配電網絡的架構方面，還是配電網絡的基礎設施，充分利用這些設施的功能，就可以優化整個城市的配電網系統，而且還可以為公眾帶來有利的能源情景。但是現在城市配電網絡的基礎設施已經超過使用年限，其設備的老化問題經常影響到配電網絡的日常傳輸，也使得電能的分配存在不合理的現象。文獻[6]分析了目前配電網規劃面臨的基礎設施老舊和規劃時間較長等問題，并提出了相應的規劃策略。

目前，國內外在分布式能源方面已有大量研究，但在提高配電網的消納能力、故障恢復能力及完善后續配電網的規劃等方向仍需繼續探索[7,8]。

1 分布式電源配電網的消納能力（以氫能為例）

與傳統的煤炭生產方式相比，分布式電源的主要優點是高利用率、環境污染可以忽略不計、能源使用的靈活性和多樣性。但分布式電源也影響使用后的配電網絡運行，如各地區配電網絡對分布式電源的不均衡消納問題，可以導致引起電流故障，對配電網的管理非常不利，造成負面影響。因此，開發分布式能源的消納能力研究對于提高分布式網絡的靈活性、穩定性以及可靠性非常重要。

隨著分布式電源技術發展的逐漸成熟，分布式電源在配電網中的滲透率逐漸提高，但目前局部地區已經出現了配電網對分布式電源消納能力不足的問題。為了提高配電網的消納能力，可以從網絡重構、電網規劃、分布式電源優化配置和有功無功控制等方面考慮。網絡重構依賴于配電網的高度自動化，電網規劃和分布式電源優化配置依賴于長時間尺度，因此就運行層面而言，有功無功控制依然是提高配電網消納能力的重要方式。

以氫能為例，建立移動氫儲能等有功無功調節裝置的主動配電網優化調度模型，不考慮分布式電源本身的有功無功調節作用。通過多個歸屬簽約用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）之間協同優化調度約束和氫能運輸時間約束，充分發揮氫能的可移動特性，平抑分布式電源在空間分布上的不平衡性，提升經濟效益和配電網的消納能力。但此模型具有單目標性和全局優化的特點，而實際HSS、配電網和分布式電源運營商可能屬于不同的利益主體，因此在后續的研究中還需考慮綜合能源市場和電力服務市場對HSS等靈活性資源交易與運行模型的影響。

2 分布式電源配電網的故障恢復

故障恢復能力是衡量一個配電網性能優劣的重要指標。當配電網發生故障后，第一時間切斷故障區域與非故障區域的連接，避免故障區域的進一步擴大，同時恢復故障區域的正常供電。但由于技術限制，故障區域不能全部恢復正常供電，只能以最大化供電恢復區域、最小化功率損耗、最少開關次數為目標函數，從而計算出最優故障恢復方案。圖1為故障時SOP運行模型。

圖1 故障時SOP運行模型

傳統配電網的單點故障恢復只需考慮故障饋線的負荷轉供問題，而分布式電源配電網發生故障時更傾向于孤島運行，即由本地的分布式電源對負荷進行獨立供電。其故障恢復過程中涉及了網絡重構、孤島劃分和動態恢復順序（便于檢修人員對故障區域進行倒閘操作）3個決策過程，這雖然可以更多地恢復失電負荷，但也增加了故障恢復決策過程的復雜性。

目前，針對配電網故障恢復的研究已經十分成熟，不少研究成果已應用于傳統配電網，但在分布式電源發展的新趨勢下，已有的研究成果在許多方面仍存在繼續改進的空間，主要包括以下幾點。

（1）分布式電源的出力不確定性。配電網在出現大型故障時，失去上級網絡的支撐，僅由分布式電源進行供電。但由于分布式電源存在出力不確定性（尤其是風光機組），不能長時間支撐配電網的正常運行，有可能造成更加嚴重的損失。

（2）多種能源耦合下的故障恢復配合機制。為減少對化石能源的消耗，同時在一定程度上保證配電網的穩定性和可靠性，研究多種能源耦合的配電網至關重要，但這給正常態和故障態下的配電網調度運行帶來了嚴峻的挑戰。在多種能源耦合下，如何制定一個有效的配電網故障恢復配合機制至關重要。

（3）分布式電源配電網故障恢復穩定性。分布式電源雖然可以在配電網發生故障時提供電能，但其容量較小，抗干擾能力差，特別是在故障恢復過程中需要進行大量的倒閘操作，容易導致系統頻率、電壓振蕩，對重要設備造成損害。

3 分布式電源配電網的規劃

分布式電源技術的發展和用戶用電需求的多元化進一步推動了配電網的改革。配電網系統的規劃和過渡迫在眉睫，我國配電網絡系統需要升級和重新規劃，以便為消費者提供更好的服務，保障電氣安全。因此，配電網規劃的設計是否科學、合理及正規將直接影響電網運行和居民的用電安全。在此背景下，為了給用戶提供更加優質的電能和更加可靠的供電服務，配電網絡的重新規劃日益重要。在規劃過程中，這些問題亟待解決。

（1）配電網設施老舊、供電可靠性低。近年來，我國城市配電網出現的問題主要是由于配電設備的老舊和配電網自身架構的不合理。而在新形勢下，不僅要關注其對分布式電源的接納性，而且還要充分考慮配電網現有基礎設備的使用壽命，尤其是在配電網建設初期，為了節約投資成本，存在線路建設不合理等問題，如在城鎮用高架空線輸送電能，一旦出現問題，將會直接影響用戶的用電情況，甚至威脅用戶的生命財產安全。

（2）城市配電網建設時間長。城市配電網在建設過程中不僅需要對原有配電網絡進行重新規劃，還要將其與新的配電網絡進行融合，從而導致電力部門對配電網的規劃時間較長。若在此過程中遇到負荷偏差或投入資金不足等問題，則會進一步延長規劃時間，在一定程度上影響群眾對電能的使用。

為了實現配備綜合電源、完善配電網系統，必須注意科學規劃，為居民生活和工業生產提供更有利的電氣環境。隨著網絡管理基礎設施的建設，能源部門開發商必須積極依賴政府和社會企業，充分了解當地人用電情況。為貫徹落實科學的配電網規劃，將嚴格執行現行的配電網制度，必須注意配電網安全體系的建設，以降低風險，重點規劃主線路和配電網分線路。此外，在變壓器的幫助下可以實現監控整個配電網絡，完善特定區域的配電網。

4 結 論

隨著分布式電源在配電網的滲透率逐漸提高，配電網的消納能力已顯現不足，這將嚴重影響配電網絡的安全運行，引起電流故障，而網絡重構、分布式電源優化配置等技術手段主要依賴于配電網的高度自動化和長時間尺度，因此有功無功調節依然是提高消納能力的重要方式。以氫能為例，建立移動氫儲能和SOP等有功無功調節裝置的主動配電網優化調度模型，通過多座HSS之間協同優化調度約束和氫能運輸時間約束，充分發揮氫能的可移動特性，平抑分布式電源在空間分布上的不平衡性，促進經濟效益的提升和配電網的消納能力。

分布式電源下的故障恢復機制依然是目前配電網的研究熱點，這對保證配電網的穩定性和可靠性至關重要，面臨的主要問題包括多種能源耦合下的故障機制配合、分布式電源的出力不確定性及故障恢復穩定性。

城市配電網絡的基礎設施已經超過其使用年限，設備的老化問題經常影響到配電網絡的日常傳輸。在新形勢下，配電網的重新規劃日益重要，針對規劃過程中凸顯的設備老舊、建設時間長等問題要盡快解決，避免對居民用電產生影響。