提高可再生能源（RES）發(fā)電量占比的關鍵是解決局部電網阻塞和實現(xiàn)DG安全接入的問題，而這需要電網規(guī)劃和運行的協(xié)同決策。本文在第23屆國際供電會議（CIRED2015）圓桌會議3（RT3）討論內容的基礎上，系統(tǒng)地介紹了基于主動配電網管理思路實現(xiàn)規(guī)劃與運行協(xié)同決策的思路和方法，以及歐洲各國在此方面有代表性的措施和案例，為中國智能配電網研究人員在制定集成大規(guī)模RES電網規(guī)劃和運行策略時提供借鑒與參考。

0 引言

  為了滿足環(huán)保和市場開放的要求，切實提高系統(tǒng)整體效率、供電安全和供電質量，未來配電網建設的發(fā)展趨勢必然是接入越來越多的可再生能源（RES）。一般而言，網絡容量是按最大負荷需求并考慮一定安全裕度設計的，因為RES發(fā)電具有最大利用小時數(shù)低和間歇性的特點，為了提高RES發(fā)電量占比，其接入容量往往設計為負荷的2—4倍。這樣接入的高占比分布式發(fā)電（DG）機組運行時可能會造成網絡阻塞（約束越限），傳統(tǒng)上可以采取諸如增加電纜截面、升級主變電站的變壓器容量等網絡增強改造方案（網絡解），這不僅成本高昂而且會延緩RES的接入時機。一個經濟可行的替代方案是基于主動配電網管理（activenetworkmanagement，ANM）模型充分利用各種靈活性資源（非網絡解），如動態(tài)削減RES出力或調整負荷需求，參見2015年本刊“歐洲配電網智能化”專題連載文章。

  為了實現(xiàn)基于ANM合理配置和使用靈活性資源，首先，在配電層級必須對靈活性措施進行有效地規(guī)劃配置；其次，在運行時必須能夠調度靈活性資源；第三，調度人員必須能夠接收到市場的價格信號。

  由于規(guī)劃和運行的時間尺度跨度很大，規(guī)劃期限通常為年和月，而運行通常以日、小時和分鐘為時間單位，而ANM涉及的時間跨度則在5—15min之間，從而能主動地解決DG接入時引起的潮流越限和電壓越限問題。因此，在ANM中規(guī)劃與運行兩者必須協(xié)同決策，這一過程是極其復雜的，因為無論是對規(guī)劃還是對運行而言，都不僅增加了分析變量，而且還縮短了處理時間。

國際供電會議（CIRED）致力于展示和推廣供電技術與管理方面先進的技術和理念，包括網絡元件、電能質量、運行控制和保護、分布式能源、配電系統(tǒng)規(guī)劃和DSO監(jiān)管等6個研究分會。其中，配電系統(tǒng)規(guī)劃分會（S5分會）包含風險管理和資產管理、網絡發(fā)展、配電規(guī)劃、方法及工具等4個議題。

  圓桌會議（RT）是CIRED討論導向性問題的重要環(huán)節(jié)。本刊圍繞CIREDS5分會及圓桌會議已經推出了5篇系列文章，分別介紹了配電網消納高占比可再生能源的風險管控方法，配電網的技術發(fā)展方向，智能配電網規(guī)劃的關鍵技術，配電網規(guī)劃的創(chuàng)新性方法模型和工具，以及實現(xiàn)靈活高效智能配電網的思路與實踐；其中文獻［13］和［15］均與靈活性資源的使用和配置有關，但前者側重于規(guī)劃，后者側重于提高系統(tǒng)效率。作為系列文章之六，本文根據(jù)CIRED2015圓桌會議3（CIRED2015-RT3）的討論內容，重點介紹如何利用靈活性資源實現(xiàn)智能配電網規(guī)劃與運行的協(xié)同決策。

  本文首先介紹了規(guī)劃與運行協(xié)同決策的總體思路，其次展示了一種ANM系統(tǒng)及其實際應用案例，最后給出了一些歐洲國家在提高RES發(fā)電量占比方面的實際策略和案例。

1 規(guī)劃與運行協(xié)同決策的思路和建議

  法國配電公司和葡萄牙配電公司針對提高可再生能源發(fā)電量占比，提出了結合本國實際情況的規(guī)劃與運行協(xié)同決策的思路和建議。

1.1?法國配電公司的思路和建議

  有關如何將運行和規(guī)劃相結合，法國配電公司（ERDF）從可再生能源側、網絡側和負荷側3個角度提出了一些可供參考的思路。

1）動態(tài)調整可接入可再生能源DG容量。ERDF認為規(guī)劃出的配電網應集成90%（而不是100%）的RES發(fā)電容量，即在極端事件發(fā)生時可以停運RES，但這需要輸、配電網之間有良好的配合。該思路已付諸實踐，其最大優(yōu)勢是可以對所有發(fā)電機組制定運行計劃。

2）動態(tài)設置電網容量。當前的做法是根據(jù)季節(jié)變化確定電網容量，若采用動態(tài)設置線路容量（DLR）和實時計算容量的方法，則允許接入更多的RES容量，但這需要投資新的設備（包括硬件和軟件）。

3）動態(tài)調整需求側。ERDF認為可能需要改進現(xiàn)有的“N-1規(guī)則”；一般而言，一些工業(yè)場所可以提供需求側管理的服務，住宅場所是否可行正在調查中；另外，電動汽車將會在此領域中扮演重要角色。

1.2?葡萄牙配電公司的思路和建議

葡萄牙配電公司（EDP）根據(jù)其可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀提出了一些規(guī)劃和運行協(xié)同決策的思路和建議。在2000—2014年間，葡萄牙可再生能源（包括風電、不超過10MW的小水電、熱電聯(lián)產等）裝機容量的平均增長率為11％。截至2014年，葡萄牙RES裝機容量占比為69%、發(fā)電量占比60%，配電網消納了所有RES發(fā)電量的70％。葡萄牙電網的特點是負荷密度高度不對稱，沿海和南部地區(qū)的負荷密度遠大于內陸地區(qū)，但RES接入容量在全國基本均勻分布，因此造成在負荷密度大的地區(qū)RES發(fā)電量與其需求量相比微不足道，而在負荷密度小的地區(qū)RES發(fā)電量則遠大于需求量，從而引發(fā)網絡阻塞、電壓越限等運行問題。為此，EDP提出了以下兩種思路和方法。

1.2.1?基于ANM且考慮RES波動性的決策方法

現(xiàn)代電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運行方式與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的差別很大，其重心已逐漸轉移到低壓（LV）網絡以及提高運行主動性和產銷者與電網之間的交互性上。由于DG的不斷接入，發(fā)電模式既有波動性又有不確定性，這些新特征必須在規(guī)劃和運行決策中予以考慮，EDP就此對傳統(tǒng)規(guī)劃和未來規(guī)劃特點進行了比較（參見表1），并提出了一種基于ANM的決策思路，如圖1所示。隨著運行變量不斷增加，新的運行模式必須考慮配電自動化的廣泛程度和分散程度，涵蓋對網絡的監(jiān)測與控制，因此必須進行更為主動的網絡管理，如要考慮電壓控制、考慮天氣對分布式發(fā)電的影響，以及要更加合理地管理阻塞，并集成所有信息，在合理的時間內做出更好的決策。

1.2.2?規(guī)劃與運行協(xié)調決策的思路和方法

EDP對規(guī)劃和運行的決策過程進行了比較（見表2）。首先，需要協(xié)調決策時間和決策變量。與過去相比，規(guī)劃和運行決策所需的時間均縮短了，但二者所涉及的變量數(shù)都大大增加，從而使決策過程更加復雜。其次，需要協(xié)調場景設置。對于多場景設置而言，在運行中通常預設事故場景，在規(guī)劃中則因某個場景影響長遠而要對其進行嚴格的篩選，但由于未來電網發(fā)展狀況越來越不確定，每次都要完全考慮所有影響因素將越來越困難。再次，需要協(xié)調風險變量。運行決策和規(guī)劃決策都應遵循一定的分析流程，并且要考慮風險，一方面運行決策會引發(fā)風險，另一方面規(guī)劃決策傾向于減輕風險，所以在考慮運行的規(guī)劃中必須允許一定程度的風險存在。

  EDP的結論是，未來電網的規(guī)劃和運行將越來越復雜。為了提高效率和效益，在決策過程中必須同時考慮來自規(guī)劃和運行兩方面的分析變量。另外，為了滿足嚴格的運行響應時間，需要進一步實現(xiàn)自動化、分散控制以及對各種內、外部數(shù)據(jù)源的集成。整個規(guī)劃周期將縮短，而風險將是未來決策中必須考慮的因素。

2 基于ANM的規(guī)劃與運行協(xié)同決策

2.1?主動網絡管理系統(tǒng)的概念

  ANM系統(tǒng)是進行局部電網的集中控制與局部電網分布式控制的軟件系統(tǒng)，既不同于SCADA系統(tǒng)和DMS（全局電網的集中控制），也不同于變電站自動化系統(tǒng)（SA）和配電自動化系統(tǒng)（DA）。ANM系統(tǒng)是管理分布式資源（DER）部分的控制技術，提供實時的自動確定性控制信息，以保證可重復性并滿足控制信號的延時條件，包括有功和無功潮流控制、能量平衡控制。

新開發(fā)的ANM控制器根據(jù)與現(xiàn)有SCADA/EMS/DMS系統(tǒng)交換的信息，要對安裝在各種DER（ES、DG等）上的智能裝置發(fā)送控制信息，并滿足控制條件。

  英國電網介紹了一種基于ANM模型來解決智能配電網運行問題的方法。ANM對局部電網進行集中和分散控制，其管理對象主要是各種分布式能源（儲能、DG等），基本理念如圖2所示。在配電網關鍵點安裝ANM控制元件，該元件向安裝在各種RES上的智能裝置發(fā)送實時的控制信息（如潮流、能量平衡），從而實現(xiàn)對這些關鍵點運行狀態(tài)的主動控制和管理。

2.2?ANM管理潮流的示例（見圖3）

2.3?ANM系統(tǒng)的主要功能和工具

  ANM涉及的主要分析功能是評估DG和負荷的削減量，其目的是在典型研究時幀內模擬ANM的運行特性，輸出結果是整個研究期內所削減的估計值（MWh）。根據(jù)研究結果可知某個ANM行為對發(fā)電機影響的頻率和嚴重程度，從而使得網絡規(guī)劃人員和DG開發(fā)商能夠了解ANM接入方案對系統(tǒng)的影響。

  評估方法包括基于電子表單的分析法和環(huán)網潮流分析法兩種：前者允許對削減量進行適度的近似，可以直接檢查和驗證錯誤，比較適合輻射網結構以及考慮熱穩(wěn)定約束的情況；后者采用全交流潮流計算，所以可計及無功的影響和分析電壓，對約束條件的估計也更具代表性，所用的腳本可以自動進行電力系統(tǒng)仿真，創(chuàng)建腳本和驗證結果可能會比較復雜。

ANM的主要工具是DG接入分析，輸入數(shù)據(jù)為：所有可調發(fā)電機/負荷的時序出力/需求曲線和各種約束條件，由靜態(tài)限值和動態(tài)限值組成，前者包括線路限值（大小）、節(jié)點電壓限值（大小）、變壓器反向潮流（大小和方向），后者包括季節(jié)性容載比和線路動態(tài)容載比。

2.4?協(xié)同決策的實際案例及其經驗

  英國電網針對某實際網絡評估了ANM系統(tǒng)應用于協(xié)調決策的可行性。輸入數(shù)據(jù)為每半小時的負荷和發(fā)電數(shù)據(jù)，研究周期為2.5年。該網絡由38個節(jié)點、9臺發(fā)電機、7個負荷、43條支路組成，最大負荷43MW，DG裝機容量168MW，即DG容量約為負荷的4倍。案例分析結果表明，通過ANM削減DG出力能夠有效緩解網絡阻塞，從而提高RES發(fā)電量占比。英國ANM削減發(fā)電的結果比較見表3。

  英國電網對ANM系統(tǒng)的運行與控制經驗進行了總結：①在接入RES的規(guī)劃階段，利益相關者的反應對于規(guī)劃過程和控制方案很重要；②網絡規(guī)劃人員要考慮ANM控制方式對規(guī)劃更廣泛的潛在影響；③ANM控制方式中的發(fā)電機運行經驗可以反過來驗證和調整規(guī)劃的模型和工具。

3?實現(xiàn)規(guī)劃與運行協(xié)同決策的具體措施

3.1?基于DG運行靈活性規(guī)劃DG的接入容量

  對于可再生能源發(fā)電量占比，德國政府的目標是2013年達到25%，2050年達到80%；而德國EWE配網公司的這一比例領先了德國政府計劃數(shù)10年，在2012年就已達到63%，2013年底則為94%。預計到2032年，EWE的RES發(fā)電裝機容量將上升到9?200MW，超過其峰值功率需求（2?428MW）的380％（接近于4倍）。

  為了在不進行網絡擴建的條件下安全快捷地增加配電層級的RES接入容量，EWE于2013年提出利用RES靈活性的方法，即動態(tài)削減DG發(fā)電量的原則。通過概率潮流計算，得出了動態(tài)削減RES年發(fā)電量與增加RES接入容量的關系。如圖4所示，動態(tài)削減5％的RES發(fā)電量可以使RES的接入容量增加一倍，該曲線成立的邊界條件為RES容量大于負荷。

  EWE比較了靜態(tài)削減方法和動態(tài)削減方法，如圖5所示。需要說明的是，動態(tài)削減的總量按照電量執(zhí)行，而實際運行操作時削減的是功率。若削減量均為年發(fā)電量的5%，則從年持續(xù)負荷曲線和日負荷曲線可以看出這兩種方法的區(qū)別。靜態(tài)方法的削減量固定在400—500MW之間，而動態(tài)方法的削減量則在0—600MW區(qū)間內變化；顯然，靜態(tài)方式缺乏靈活性，因此不適于中壓等級的負荷。

  EWE自2014年11月開始對動態(tài)削減5%RES發(fā)電量方法進行現(xiàn)場測試，其原理如圖6所示。根據(jù)變電站、開關、配變站所有設備的電流和電壓測量值，可利用代理技術對MV網絡的所有發(fā)電機組出力進行遠程控制。EWE的試驗結論以及對配網規(guī)劃和運行協(xié)同決策的建議如下：

1）動態(tài)削減方法比靜態(tài)削減負荷的方法更加有效，動態(tài)削減5%的發(fā)電量可使長期可再生能源并網容量增加1倍；EWE已開發(fā)出相應的代理技術和算法，此方法的技術可行性已在EWE的現(xiàn)場測試中得到驗證。

2）為了實現(xiàn)動態(tài)削減，配網運營商必須能夠直接通過談判與RES發(fā)電機組簽約，并且在任何時間都可以控制電流和RES發(fā)電機的電壓，以便最大限度地提高網絡運行效率。

3）EWE一年掛網試驗的結果證明了這一結論的有效性。因此，該結論已被作為德國經濟法修正案的依據(jù)。德國經濟部還委托3個研究機構對此結論進行了驗證，其中亞琛工業(yè)大學證明其適用于德國70%的配電網。

目前德國能源產業(yè)法已要求相關企業(yè)基于EWE提出的動態(tài)削減方法對規(guī)劃結果進行修正，未來將進一步發(fā)展輸、配電網之間的交互計劃。

3.2?基于需求側靈活性規(guī)劃DG的接入容量

  愛爾蘭配電公司（ESBN）利用在規(guī)劃時配置需求側靈活性資源的方法，解決了高占比RES造成配網阻塞的問題。每個需求側單元（demandsideunits，DSU）包含若干需求點（individualdemandsites，IDS），其中IDS代表與ESBN有入網協(xié)議的用戶。當收到一個DSU請求時，可通過減少IDS需求量（相當于增加本地RES發(fā)電量）給予響應。DSU在電力市場中作為集總負荷（負值）出現(xiàn)，與ESBN沒有合同關系，但與輸電網運營商或市場運營商有合同關系。

從上述模式可知，配電系統(tǒng)運行人員應能實時調度DSU資源，確定IDS是否越限；如果越限，配網運行人員要向輸電網運行人員發(fā)布一系列指令，明確哪些IDS不在被調度之列，而這些指令將隨著時間推移間隔越來越長。

  由于RES接入容量為變電站主變容量與其所帶負荷之和，所以為了最大化RES接入容量，必須考慮變電站的最小負荷。利用DSU靈活性帶來的問題是，如果一個給定負荷點的實際負荷小于預先假定的最小負荷，就會使變壓器等網絡元件中有更多計劃外的有功潮流通過，從而可能造成網絡阻塞。目前，阻塞管理問題已經受到監(jiān)管機構的重視，但政策制定者們并沒有區(qū)分阻塞是由市場行為所引起的，還是由靈活性資源運行（為延緩投資）而引起的。區(qū)分這兩者的必要性尚有待商榷。

  ESBN列出了一些阻塞管理措施，包括入網控制、網絡擴展、實時干涉、優(yōu)化無功配置、有計劃的網絡改造等，或者上述措施的綜合應用。未來可能采用的阻塞管理模式參見表4。

4?結語

  提高智能配電網中可再生能源發(fā)電的占比可以采用網絡增強改造（網絡解）或主動配電網管理（非網絡解）兩種方法，后者更具經濟成本效益，但需要電網規(guī)劃與運行的協(xié)同決策。

  本文根據(jù)CIRED2015圓桌會議3的討論內容，介紹了歐洲各國在此方面具有代表性的思路和實踐案例。由于RES發(fā)電的波動性和不確定性越來越強、未來電網越來越復雜，在協(xié)同決策過程中必須全面考慮來自規(guī)劃、運行的各種變量以及風險因素，規(guī)劃周期也將越來越短?；贏NM的規(guī)劃和運行協(xié)同決策思路主要是利用動態(tài)削減DG出力和需求側管理等靈活性資源，以及采用如動態(tài)設置線路容量和實時計算容量等方法來增加RES的接入容量并緩解網絡阻塞。在整個決策過程中，利益相關者的反應非常重要，尤其是在接入RES的規(guī)劃階段；另外，運行經驗可以反過來對規(guī)劃模型和工具進行驗證和調整。目前的技術導則一般是充分考慮設備運行時相關參數(shù)越限的風險，而今后在規(guī)劃時則往往需要設定一定的風險程度，并制定相應的解決方案（例如在一定的時限內削減DG出力或負荷）予以規(guī)避。

  本文所介紹的各國經驗值得借鑒。例如，從宏觀的總裝機容量來看，德國規(guī)劃可再生能源的裝機容量高于負荷峰值的4倍，英國電網的數(shù)據(jù)也符合這一規(guī)律，但這些經驗是否適用于中國還需根據(jù)配網實際情況進行具體分析。首先，規(guī)劃與運行協(xié)同決策意味著具備可靠的信息量測、SCADA、EMS和DMS等系統(tǒng)，較高的配電自動化水平，以及豐富的主動配電網管理系統(tǒng)開發(fā)人力資源。其次，需要針對不同的系統(tǒng)規(guī)模和邊界條件分析靈活性資源，并針對傳統(tǒng)配電網升壓改造方案和主動配電網投資費用方案進行成本效益分析。