基于一体化思维和分步优化策略的主动配电网设计方法研究

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

随着能源格局的改变，各类分布式发电蓬勃兴起。为了加强分布式发电对配电网的支撑作用，微电网概念于2002年被明确提出。所谓微电网，就是以局部负荷为中心，采用先进的感测技术、控制技术和保护技术等将特定的负荷、储能、DG进行“捆绑”，使它们以一个可控整体出现。当微电网大量分布时，传统配电网就演变成了主动配电网。显然，主动配电网在清洁能源利用、网络潮流改善、供电可靠性提升等方面均有着非常巨大的潜力，因此其被视为今后配电网的主要发展方向。国内外诸多电力专家也纷纷倾注大量精力予以研究，如：文献[1]从经济、技术、环保等方面分析了实施主动配电网的可行性和必要性；文献[2-3]对主动配电网的智能化规划进行探究；文献[4-5]对主动配电网的关键技术，如能量管理、继电保护、计划孤岛等方面进行研究；文献[6]借助matlab软件对微电网电接入传统配网所造成的正/负影响进行仿真，等等等等。总而言之，进行主动配电网研究是当前配网研究领域的热点。文章认为：主动配电网设计属于源头工作，但当前关于该方面的研究比较少，应该予以加强。1 主动配电网介绍前已述及，主动配电网的核心是微电网，微电网的核心是分布式发电。单纯的分布式发电是不可控的(基于电机旋转原理的柴油发电等例外)，但当其以微电网的形式出现后将变得可控可调度。因此，主动配电网不止为各类DG提供上网流转通道，更重要的是要将DG由被动转为“主动”。根据文献[3，6]的描述，主动配电网必须在以下层面与传统配网“划清界限”：(1)一次网架方面。主动配电网须满足各类DG以各种可能的方式且高渗透率接入。这就要求配电网在潮流调节和电压控制等方面有全新技术。(2)通信方面。主动配电网的正确运作依赖于对全网全景信息的实时掌控，这就需要高可靠、高带宽的通信网络予以支撑。(3)保护配置方面。因DG的接入改变了配电网的单电源放射式运行模式，因此当故障发生后配网的短路电路由单向变成双向或者多向，这就要求主动配电网的继电保护和自动装置原则上是基于方向元件配置的。以上内容既是主动配电网的“特色”，也是设计时重点关注方面。2 主动配电网的设计要求主动配电网由传统配电网衍化而来，因此其设计工作有沿袭传统配网的一面，也有其独特之处。(1)负荷预测。主动配电网的设计基础仍是负荷预测。但与传统配网相比，由于主动配电网含有DG，因此还需要在不确定环境下预测DG出力(可认为DG出力是负向负载)。表1 主/被动配电网设计时的负荷预测要求比对配网类型预测对象预测要求备注主动配电网分布负荷大小+分布式电源出力对小区域内分布的正负向负荷的预测精度均要求很高均需结合地理信息被动配电网总体负荷大小一般仅对较大区域的负荷预测精度要求高(2)一次网架设计。主动配电网发端于传统配网，为了保证两类网络转变时的经济性和平滑性，在进行主动配电网设计时一方面要考虑原有设备的充分利用，另一方面应着重研究微电网与主体网络的衔接问题。以上叙述可由图1进行展示。图1 主动配电网一次网架设计的要求(3)大二次设计。“大二次”概念本来仅存在于变电领域，但鉴于主动配电网的控制异常复杂，且涉及的自动化设备也较多，因此套用“大二次”概念来实现主动配电网对海量信息的有效获取和处理。主要要做好各类接口设计，保证具有足够的升级空间。(4)预留接口。主动配电网技术是渐进发展而不能一步到位，因此主动配电网建设也应分布实施。这就要求主动配电网的各部分(包括一次、二次)在设计时考虑足够的预留接口，以期为今后可能的发展奠定基础。3 基于一体化思维和分步优化的主动配电网设计方法根据前文论述，主动配电网技术环节多、各层面耦合性大，在设计时要特别避免顾此失彼的问题。笔者结合多年工作经验，提出应以“一体化思维”和“分步优化策略”来贯穿主动配电网的设计过程。其中，一体化思维指的是将一次接线、分布式电源、数据采集、继电保护、配网自动化等各项设计内容进行有机协调、统筹考量，使网络建成后的整体性价比尽可能趋优；分步优化策略指的是科学划分设计步骤，引入“一步一反馈”方法来实现每个步骤的最优化。要落实以上思路，关键工作是三项：①制定合理的设计流程；②厘清具体的设计任务节点；③规范各任务节点之间的相互作用关系。下面分别予以阐述。3.1 设计的主体流程进行设计工作，首先就是以顶层设计者身份确立工作流程。详见图2所示。图2 基于一体化思维的主动配电网设计流程勾画流程中各步骤简要解说：(1)步骤①应上承规划文件。主要是要运用科学的基于不确定性和风险性原理的预测方法来完成设计区域内的DG出力预测。另外，应对上级电源接入、地理分布情况等进行分析。(2)步骤②是整个设计的灵魂。需要将国家标准、行业规范等与现场实际进行充分结合以得到实事求是的指导原则(既不过分前瞻，也不落后于最低门槛)。(3)步骤③~⑦应完全符合步骤②框架，分步、有序推进。在这些步骤完成后，所形成的网络应该满足灵活、可控、可扩展等要求。3.2 设计中的任务节点为了保证设计任务的可操作性，进行任务节点梳理是必不可少的。在“一体化”和“分步优化”的设计思路指引下，任何一个任务节点都不应是独立存在的，而应具有“输入-输出”特点：即某任务节点的存在以前一节点的输出为条件，而该节点的输出又作为下一节点的化设依据。下面以某10kV配网网架设计为例进行说明。网架设计的工作相当于图2中的步骤“③”，可将其称作任务节点3；类似的，步骤①、②可分别称作任务节点1、2，等等。任务节点3的输入-输出表述见表2。表2 以输入-输出方式表达的任务节点举例节点输入节点内容节点输出1)设计区域内的分布负荷(正/负)预测和上级电源情况→相当于任务节点1输出。2)设计规则→相当于任务节点2的输出。1)线路设计；2)配电站接线确立；3)DG接入优化；4)设计方案仿真。1)一次系统原理接线图；2)一次系统地理接线图；3)仿真计算结果。在以上关于任务节点的描述中，“节点内容”无疑居于核心地位，其一般需要反复细化才具备可执行性。文献[7]提出“彗星图”概念，文章认为可用来作“节点内容”的展示。详见图3(以节点1为例)。图3 任务节点1的节点内容的彗星图展示3.3 任务节点之间的作用关系在用表格和彗星图完成对所有任务节点的梳理之后，就要设计一套运行机制：将各任务节点有机串联，并体现基于节点间相互作用的过程控制。笔者结合工作经验，设计出如图4所示的设计推进体系(以4节点为例)。图4 包含4个任务节点的设计推进体系阐述：(1)带数字圆圈的项目代表“任务节点”，带文字线段的项目表示推进操作。(2)整个推进机制是“前向单链式”的，即后一节点的输出不能作为前节点的输入。(3)对于基础工作(图4中节点1)，应在认真核对和确认无误的基础上才允许其输出。(4)在完成对基础节点的输出确认后，可进行中间任务(如节点2)的设计。节点2的初步结果应反馈至节点1进行校核，只有校核通过才能对节点2的输出进行确认并导向下一节点。(5)若中间节点的初步输出经反馈校核不合格，则需要进行修改，而修改不是全盘否定，其带有一定继承性。(6)当某个任务节点所包含的内容特别复杂，则可按照文中设计的方法体系进一步绘制第二层次的任务推进体系。显然，文章所设计的任务推进体系具有“自上而下”和“分层构筑”特点。其中，“自上而下”指：全局→局部，总体→个别，框架→细节。“分层构筑”指：任务节点推进方式可根据任务情况灵活设置，总体目标是使设计达到精细化和全面化。3.4 应用效果某供电公司是国家推广智能配网的试点之一，已经在一定程度上开展主动配电网建设。根据相关数据统计，在采用本文提出设计方法后，针对相同规模的主动配电网，设计效率可提升20%~27%；在不影响考核指标情况下，设计概算下降12%~18%。因此，成效显著、值得推广。4 结论在分析主动配电网特点基础上，列述了主动配电网的设计要点，然后以“一体化思维”和“分步优化策略”为导向，提出了有效的主动配电网的设计流程和设计体系，该体系富含过程控制思想，能够做到各设计步骤在统筹协调下的最优化，从而为推进主动配电网建设奠定基础。该方法层次清晰、操作性强，且经历了实际运用，值得作适当推广。参考文献[1]范明天, 张祖平, 苏傲雪, 等. 主动配电系统可行性技术的研究[J]. 中国电机工程学报，2013, 33(22): 12-18.