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，各類分布式發電蓬勃興起。為了加強分布式發電對配電網的支撐作用，微電網概念于2002年被明確提出。所謂微電網，就是以局部負荷為中心，采用先進的感測技術、控制技術和保護技術等將特定的負荷、儲能、DG進行“捆綁”，使它們以一個可控整體出現。當微電網大量分布時，傳統配電網就演變成了主動配電網。顯然，主動配電網在清潔能源利用、網絡潮流改善、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的主要發展方向。國內外諸多電力專家也紛紛傾注大量精力予以研究，如：文獻[1]從經濟、技術、環保等方面分析了實施主動配電網的可行性和必要性；文獻[2-3]對主動配電網的智能化規劃進行探究；文獻[4-5]對主動配電網的關鍵技術，如能量管理、繼電保護、計劃孤島等方面進行研究；文獻[6]借助matlab軟件對微電網電接入傳統配網所造成的正/負影響進行仿真，等等等等。總而言之，進行主動配電網研究是當前配網研究領域的熱點。文章認為：主動配電網設計屬于源頭工作，但當前關于該方面的研究比較少，應該予以加強。1 主動配電網介紹前已述及，主動配電網的核心是微電網，微電網的核心是分布式發電。單純的分布式發電是不可控的(基于電機旋轉原理的柴油發電等例外)，但當其以微電網的形式出現后將變得可控可調度。因此，主動配電網不止為各類DG提供上網流轉通道，更重要的是要將DG由被動轉為“主動”。根據文獻[3，6]的描述，主動配電網必須在以下層面與傳統配網“劃清界限”：(1)一次網架方面。主動配電網須滿足各類DG以各種可能的方式且高滲透率接入。這就要求配電網在潮流調節和電壓控制等方面有全新技術。(2)通信方面。主動配電網的正確運作依賴于對全網全景信息的實時掌控，這就需要高可靠、高帶寬的通信網絡予以支撐。(3)保護配置方面。因DG的接入改變了配電網的單電源放射式運行模式，因此當故障發生后配網的短路電路由單向變成雙向或者多向，這就要求主動配電網的繼電保護和自動裝置原則上是基于方向元件配置的。以上內容既是主動配電網的“特色”，也是設計時重點關注方面。2 主動配電網的設計要求主動配電網由傳統配電網衍化而來，因此其設計工作有沿襲傳統配網的一面，也有其獨特之處。(1)負荷預測。主動配電網的設計基礎仍是負荷預測。但與傳統配網相比，由于主動配電網含有DG，因此還需要在不確定環境下預測DG出力(可認為DG出力是負向負載)。表1 主/被動配電網設計時的負荷預測要求比對配網類型預測對象預測要求備注主動配電網分布負荷大小+分布式電源出力對小區域內分布的正負向負荷的預測精度均要求很高均需結合地理信息被動配電網總體負荷大小一般僅對較大區域的負荷預測精度要求高(2)一次網架設計。主動配電網發端于傳統配網，為了保證兩類網絡轉變時的經濟性和平滑性，在進行主動配電網設計時一方面要考慮原有設備的充分利用，另一方面應著重研究微電網與主體網絡的銜接問題。以上敘述可由圖1進行展示。圖1 主動配電網一次網架設計的要求(3)大二次設計。“大二次”概念本來僅存在于變電領域，但鑒于主動配電網的控制異常復雜，且涉及的自動化設備也較多，因此套用“大二次”概念來實現主動配電網對海量信息的有效獲取和處理。主要要做好各類接口設計，保證具有足夠的升級空間。(4)預留接口。主動配電網技術是漸進發展而不能一步到位，因此主動配電網建設也應分布實施。這就要求主動配電網的各部分(包括一次、二次)在設計時考慮足夠的預留接口，以期為今后可能的發展奠定基礎。3 基于一體化思維和分步優化的主動配電網設計方法根據前文論述，主動配電網技術環節多、各層面耦合性大，在設計時要特別避免顧此失彼的問題。筆者結合多年工作經驗，提出應以“一體化思維”和“分步優化策略”來貫穿主動配電網的設計過程。其中，一體化思維指的是將一次接線、分布式電源、數據采集、繼電保護、配網自動化等各項設計內容進行有機協調、統籌考量，使網絡建成后的整體性價比盡可能趨優；分步優化策略指的是科學劃分設計步驟，引入“一步一反饋”方法來實現每個步驟的最優化。要落實以上思路，關鍵工作是三項：①制定合理的設計流程；②厘清具體的設計任務節點；③規范各任務節點之間的相互作用關系。下面分別予以闡述。3.1 設計的主體流程進行設計工作，首先就是以頂層設計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配電網設計流程勾畫流程中各步驟簡要解說：(1)步驟①應上承規劃文件。主要是要運用科學的基于不確定性和風險性原理的預測方法來完成設計區域內的DG出力預測。另外，應對上級電源接入、地理分布情況等進行分析。(2)步驟②是整個設計的靈魂。需要將國家標準、行業規范等與現場實際進行充分結合以得到實事求是的指導原則(既不過分前瞻，也不落后于最低門檻)。(3)步驟③~⑦應完全符合步驟②框架，分步、有序推進。在這些步驟完成后，所形成的網絡應該滿足靈活、可控、可擴展等要求。3.2 設計中的任務節點為了保證設計任務的可操作性，進行任務節點梳理是必不可少的。在“一體化”和“分步優化”的設計思路指引下，任何一個任務節點都不應是獨立存在的，而應具有“輸入-輸出”特點：即某任務節點的存在以前一節點的輸出為條件，而該節點的輸出又作為下一節點的化設依據。下面以某10kV配網網架設計為例進行說明。網架設計的工作相當于圖2中的步驟“③”，可將其稱作任務節點3；類似的，步驟①、②可分別稱作任務節點1、2，等等。任務節點3的輸入-輸出表述見表2。表2 以輸入-輸出方式表達的任務節點舉例節點輸入節點內容節點輸出1)設計區域內的分布負荷(正/負)預測和上級電源情況→相當于任務節點1輸出。2)設計規則→相當于任務節點2的輸出。1)線路設計；2)配電站接線確立；3)DG接入優化；4)設計方案仿真。1)一次系統原理接線圖；2)一次系統地理接線圖；3)仿真計算結果。在以上關于任務節點的描述中，“節點內容”無疑居于核心地位，其一般需要反復細化才具備可執行性。文獻[7]提出“彗星圖”概念，文章認為可用來作“節點內容”的展示。詳見圖3(以節點1為例)。圖3 任務節點1的節點內容的彗星圖展示3.3 任務節點之間的作用關系在用表格和彗星圖完成對所有任務節點的梳理之后，就要設計一套運行機制：將各任務節點有機串聯，并體現基于節點間相互作用的過程控制。筆者結合工作經驗，設計出如圖4所示的設計推進體系(以4節點為例)。圖4 包含4個任務節點的設計推進體系闡述：(1)帶數字圓圈的項目代表“任務節點”，帶文字線段的項目表示推進操作。(2)整個推進機制是“前向單鏈式”的，即后一節點的輸出不能作為前節點的輸入。(3)對于基礎工作(圖4中節點1)，應在認真核對和確認無誤的基礎上才允許其輸出。(4)在完成對基礎節點的輸出確認后，可進行中間任務(如節點2)的設計。節點2的初步結果應反饋至節點1進行校核，只有校核通過才能對節點2的輸出進行確認并導向下一節點。(5)若中間節點的初步輸出經反饋校核不合格，則需要進行修改，而修改不是全盤否定，其帶有一定繼承性。(6)當某個任務節點所包含的內容特別復雜，則可按照文中設計的方法體系進一步繪制第二層次的任務推進體系。顯然，文章所設計的任務推進體系具有“自上而下”和“分層構筑”特點。其中，“自上而下”指：全局→局部，總體→個別，框架→細節。“分層構筑”指：任務節點推進方式可根據任務情況靈活設置，總體目標是使設計達到精細化和全面化。3.4 應用效果某供電公司是國家推廣智能配網的試點之一，已經在一定程度上開展主動配電網建設。根據相關數據統計，在采用本文提出設計方法后，針對相同規模的主動配電網，設計效率可提升20%~27%；在不影響考核指標情況下，設計概算下降12%~18%。因此，成效顯著、值得推廣。4 結論在分析主動配電網特點基礎上，列述了主動配電網的設計要點，然后以“一體化思維”和“分步優化策略”為導向，提出了有效的主動配電網的設計流程和設計體系，該體系富含過程控制思想，能夠做到各設計步驟在統籌協調下的最優化，從而為推進主動配電網建設奠定基礎。該方法層次清晰、操作性強，且經歷了實際運用，值得作適當推廣。參考文獻[1]范明天, 張祖平, 蘇傲雪, 等. 主動配電系統可行性技術的研究[J]. 中國電機工程學報，2013, 33(22): 12-18.