“雙碳”目標下新型配電系統功能形態及規劃體系

張笑弟，高 強，潘 弘

（國網浙江省電力有限公司，杭州 310007）

隨著我國以新能源為主體的新型電力系統建設進程的不斷加速，高比例分布式新能源規模化接入、電能替代加速、負荷互動增強、交直流配電興起、電力電子裝備快速發展，均使得配電網在新型電力系統中面臨的形勢和承擔的任務發生明顯變化，配電系統不但在組成元素、拓撲結構、運行方式等方面將進一步復雜化，而且在電源結構、用電方式、規劃運行體系方面也將發生革命性的變化[1]，僅依靠傳統配電網的網架結構以及源荷接入方式將難以適應未來新型電力系統的發展要求。因此，推動配電系統構建全新的網絡架構，促進源荷單向供給向“源荷互動”轉變，充分發揮新型配電系統在“源網荷儲”協調互濟的優勢，是應對電力系統面臨的新挑戰的重要措施[2-5]。

受科技進步的推動作用與用戶需求的拉動、能源供給和消費的清潔化等驅動力的影響，配電網朝向未來新型配電系統發展。在電源側，新能源的接入促進了配電系統能量來源的低碳化和多元化；在電網側，交直流混聯技術[6-7]、柔性配電技術[8-10]，微電網技術[11-13]等先進配電技術的應用，有效支撐系統的源荷接納能力，實現系統的可觀、可控和可測；在負荷側，5G基站、新能源汽車等新型直流負荷的大量接入，將在不同的用電場景下形成差異化的可靠性需求，傳統的交流配電網難以滿足復雜的供電服務要求。在源網荷轉變的影響下，新型配電系統將代替傳統配電網從電能分配者最終轉變為能源交易服務者，成為區域能源優化協同平臺、交易平臺、分布式能源接入和消納平臺，具備開放互動靈活特征，滿足用戶多樣化的能源需求，呈現可測、可觀、可控和自愈的特點，保障安全可靠和經濟運行的要求。

隨著新能源的大規模接入，配電系統也將朝著能更好地消納光伏等清潔能源的新型配電系統轉型。本文基于新型配電系統中新型源荷發生的巨大變革，針對新型配電系統中多類型源荷儲融合后的特性，從配電系統源網荷出現的新元素及其影響下的系統形態特征轉變入手，結合各配電網相關新技術，重點分析新型配電系統的功能形態和規劃技術，為新型配電系統關鍵技術的發展提供一些思路。

1 新型配電系統的概念、內涵及特性

1.1 新型配電系統的概念

傳統配電系統主要通過變電站和線路來滿足具有時變特性的負荷需求。但隨著高比例分布式新能源的接入，新能源發電的間歇性、波動性和隨機性特征將會對配電網運行的安全造成極大的不確定性，這就需要系統的智能化、彈性發生根本性變化。同時，由于配電網中需求側響應技術的快速發展與用戶側儲能的規模化配置[14-15]，配電系統需要協調調度供應側和用戶側，運行方式將發生巨大變化。基于此，在考慮源荷具有不確定性的條件下，通過一些互動運行手段，滿足配電系統在不同時空尺度下的各樣需求成為當前應對配電系統所面臨新挑戰的主要方式[16-19]。

從本質來看，新型配電系統將以新能源為主體，依托多類型“源荷儲”資源交互平臺，在規劃、運行、交易等多方面深刻體現出“源網荷儲”一體化特征。

1.2 新型配電系統的內涵

新型配電系統由豐富的“源網荷儲”資源組成，是各利益主體的能源交互平臺，其內涵可根據各接入資源及網架結構被劃分為多個層級。

在源側，大規模的分布式清潔能源代替傳統交流電源，光能等清潔能源將主導源側[20-21]。在網側，由于電源和負荷種類的變化，配電網的網架結構以及承擔的作用也將發生巨大變化，由局部控制向系統調控轉變。在荷側，隨著新能源汽車等直流負荷的飛速發展，用電負荷也朝著復雜、多元化發展。在儲側，新型配電系統將基于儲能在提高新型配電系統彈性，維持安全高效運轉中起到關鍵的作用[22-23]，進而建設“清潔低碳、安全高效”的新型電力系統，實現高比例新能源的廣泛接入。

1.3 新型配電系統的特性

新型配電系統的主要特征體現在高承載、高互動、高自愈、高效能[24]。在高承載方面，新型配電系統能夠大幅消納分布式新能源，實現源荷之間友好互動；在高互動方面，新型配電系統通過互動機制，使彈性資源更有活力，喚醒沉睡的資源；在高自愈方面，能夠更快地調動資源來抵抗干擾，具有很強的受到干擾后的自愈能力；在高效能方面，新型配電系統通過充分調動系統中不活躍的資源，實現電網的高質量發展。

2 新型配電系統的形態和功能

2.1 新型配電系統的新形態

隨著大量分布式能源的接入，配電系統網架和功能將發生改變，已逐漸具備電能收集、傳輸、存儲與分配等功能。與此同時，微網、微網群、單元控制區域（CELL）、交直流混合配電等配用電技術也將得到一定的發展。在此基礎上，融合了各種先進科學技術的配電系統能更好地調度、利用、管理與優化系統中的各種資源，可以實現局部與全局的協同控制。

新型配電系統具有更加包容和開放的特點，能夠容納各種各樣的負荷以及電源，配電網的網架形態與傳統配電網的形態也會有很大的不同。在新型電力系統中直流負荷的多樣化，用戶側存在的各種各樣的用電要求需要通過更加實時化和精細化配電網絡來滿足。基于上述需求，文獻[25]提出考慮柔性軟開關SOP（soft open point）的蜂窩狀配電網，以可控六邊形饋線網格構成多環自相似結構。本文基于蜂窩狀配電網的典型結構，考慮新型直流源荷的高比例接入，構建交直流混聯的網孔型多端柔性互聯網架。網孔型多端柔性互聯網架包含多個網孔平衡區域，網孔平衡區域以源荷儲平衡單元為主，基于SOP進行平衡單元間能量互濟，能夠有效控制系統的能量傳遞，并且網架結構具有較高的擴展性，其結構如圖1所示。

網孔型多端柔性互聯網架作為配電系統的全新結構，大多被應用于未進行配電網建設的新建區域。基于已建成的城市配電網無法進行大規模拆改的現狀，本文提出一種多端柔性互聯網架，以作為傳統交流配電網向新型電力系統形態演化的路徑，其結構如圖2所示。該網架將以安裝SOP為核心，替換中壓單環網環內聯絡開關，同時增加環間柔性聯絡[26]，將存量配電網改造為多端柔性互聯形態，提高網架的交直流負荷承載能力和潮流調節能力。

圖2 多端柔性互聯網架Fig.2 Multi-terminal flexible interconnected network frame

受多元要素的集成與融合影響，新型配電系統將以二次信息系統作為信息流的關鍵[27]。隨著通信與信息技術的快速發展，新型配電系統中的一次設備與信息系統高度耦合，成為典型的信息物理系統。信息系統將量測、傳輸、決策、執行融為一體，使得分層分區各級配電網之間、用戶源荷儲資源配電系統之間可以實現靈活的數據交互與信息共享[28-29]。

電力市場為可再生能源的充分消納和能源互聯網的高效運行提供了驅動力和平臺[30]。但在電力市場中，博弈的復雜性和人工決策的主觀性加劇了配電網的不確定性，而且新能源汽車等負荷和分布式電源的接入加劇了這一不確定性，需通過網側儲能的配置和用戶側和電網間的互動，達到減輕系統不確定性的目的。基于此，新型配電系統將運用多邊交易模式和區塊鏈交易技術，以就地平衡和區域自治為目標，上層電網以結算的方式對下層進行容量支持，交易出清結果指導優化調度，最終形成完整的交易體系。

2.2 新型配電系統的主要功能及應用場景

新型配電系統打破了傳統配電網的局限性，改變了調整系統運行狀態的方式，基于SOP實現多條饋線的聯絡結構，增加了負荷的轉供路徑，極大提升了系統的自身調控能力。其中，SOP采用全控型電力電子裝置形成饋線間的常態化“柔性連接”，可實現饋線之間的有功功率靈活控制，并進行相應的功率支撐實現系統整體的潮流分布改善[31]。在發生局部故障時，SOP可快速對故障區域進行隔離，并進行非故障區負荷轉供，確保負荷的不間斷供電，有效保障系統的可靠性[32]。同時，相比于傳統配電網的網架結構限制，新型配電系統將主要應用于源荷分布不均、源荷特性不匹配的配電網區域。

綜上，新型配電系統的主要功能可總結為分布式電源接納能力提升、供電能力改善、供電可靠性提高及極端災害場景恢復能力增強等幾個方面。

3 新型配電系統的規劃體系

當前配電網規劃大多以給定的負荷時空特性為基礎，確定配電網的網架結構，導致所得規劃結果在包含大規模不確定性新能源為主的新型配電系統難以適用。在“雙碳”背景下，考慮大規模新型源荷的接入及微網的應用，構建上下協同的規劃體系，可為新型配電系統規劃提供新的解決思路和研究方向。

3.1 新型配電系統和傳統配電網對比

在分布式電源、負荷、儲能技術發展以及電力市場不斷變革等因素的推動下，新型配電系統相較于傳統配電網將發生巨大變化，本文從接入形式、供電形式、互聯形式、聯絡數量四方面將新型配電系統和傳統配電網進行對比分析，結果如表1所示。

表1 傳統配電網與新型配電系統對比Tab.1 Comparison between traditional distribution network and novel distribution system

通過對比可以看出，新型配電系統將打破傳統配電網在網架結構、聯絡方式等方面的局限性，實現全系統的柔性互聯、可調可控。

3.2 新型配電系統的規劃體系

從配電網側來看，傳統配電網的規劃主要根據技術條件、負荷需求以及電網現狀進行規劃。但新型配電系統在電力電子裝置接入下，系統結構由傳統“簡單開環運行”向“柔性閉環運行”轉變，源-網-荷的角色定位和行為特征將發生根本性變化，傳統規劃體系將難以適用于新型配電系統。

新型配電系統的規劃旨在以建立系統層面的源荷儲靈活供需匹配為目標，將系統分解為以網孔為基礎的層次結構，建立“上下協同”的配電系統規劃體系。“上下協同”的配電系統規劃體系是指以負荷用電需求為基礎、目標網架為導向，將配電系統劃分為不同層級，上下協同地開展系統規劃，內容包括源荷預測、變電站選址定容、源荷儲平衡單元劃分、網孔規劃等。

（1）在配電系統規劃時首先需計及源荷接入給配電系統增加新負擔的問題，對規劃目標年不同的多元負荷及分布式電源進行預測分析，得到多類型“源荷”的空間分布和時間序列特性。

（2）在源荷預測基礎上，評估多元負荷資源的響應潛力，考慮需求側資源和儲能裝置削峰填谷、動態調整作用，根據源荷儲資源的電力電量平衡情況及空間分布情況，完成變電站定容、選址及需求響應資源和儲能總容量確定。

（3）在此基礎上，考慮源荷特性匹配、源荷地理分布等因素，以凈功率平衡為目標，進行源荷儲平衡單元劃分。分析規劃后的源荷儲平衡單元間相互接壤情況及凈功率平衡情況，將各單元連接形成網孔平衡區域，以網孔區域與變電站功率交換最小為目標進行網孔結構規劃。通過準確衡量網孔區域內各單元間及網孔區域與變電站間的能量供需，以綜合經濟成本最優為目標確定SOP和線路的合理容量，避免投資與資源的浪費，實現上下協同、全局協調的配電系統規劃。

綜上所述，在上下協同的規劃體系下，通過準確的功率供需分析，新型配電系統規劃將更加精準和有效，并能夠合理部署SOP等設備的容量，降低電網建設投資，提升資產利用效率，保證系統經濟性和可靠性，確保在整個規劃周期內規劃目標的有效實現。

4 結 語

如何順應配電網形態演化趨勢，以“高彈性”為目標，全面提升配電網服務能力，為“雙碳”目標的實現提供解決方案，是當前配電網亟待解決的問題。本文通過配電系統源網荷儲特征分析，探索“雙碳”目標下的新型配電系統的形態特性，研究系統規劃技術要點，探究系統建設路徑，以期能夠為建設適應時代發展的新型配電系統、實現對能源電力行業的發展提供一些思路和借鑒。