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《智能配電網(wǎng)的新形態(tài)及其靈活性特征分析與應(yīng)用》
王成山1，李鵬1 ，于浩2
（1. 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津大學(xué)），天津市300072 ；2. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司 ，天津市300230）
摘要：廣泛接入的分布式電源、快速發(fā)展的電動(dòng)汽車 、大規(guī)模可控的用戶側(cè)資源等對(duì)配電網(wǎng)的靈活性提出了更高的要求 。從智能配電網(wǎng)的發(fā)展形態(tài)分析入手 ，分析了智能配電網(wǎng)應(yīng)具備的靈活性特征 ，闡述了靈活性需求及其多維屬性特征 ，對(duì)智能配電網(wǎng)靈活性的可觀、可控與量化分析等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討 ，并從、提高靈活性角度對(duì)智能配電網(wǎng)規(guī)劃 、運(yùn)行 、控制等技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：智能配電網(wǎng) ；發(fā)展形態(tài) ；不確定性；靈活性
0 引言 配電網(wǎng)的發(fā)展一直以滿足用戶需求為目標(biāo) 。在初級(jí)發(fā)展階段，配電網(wǎng)主要以滿足負(fù)荷基本需求 、實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷區(qū)域全覆蓋為目標(biāo) ，側(cè)重于配電網(wǎng)的一次網(wǎng)架建設(shè) ，逐步形成了可滿足基本負(fù)荷需求的粗放型電力供應(yīng)平臺(tái) ；隨著用戶負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量與供電可靠性需求的不斷提升，配電網(wǎng)進(jìn)入中級(jí)精細(xì)化發(fā)展階段 ，以實(shí)現(xiàn)全局性的用戶高供電可靠性為目標(biāo)，致力于對(duì)已有配電網(wǎng)的自動(dòng)化和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)升級(jí)改造 ，使配電網(wǎng)逐漸發(fā)展成為電力供應(yīng)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)平臺(tái) 。
近年來 ，隨著全球能源供應(yīng)向著清潔 、低碳、電氣化方向轉(zhuǎn)型 ，智能電網(wǎng)藍(lán)圖下的新型配電網(wǎng)也承擔(dān)起愈發(fā)重要的責(zé)任。受科技進(jìn)步的推動(dòng)作用與用戶需求的拉動(dòng) ，配電網(wǎng)從當(dāng)前中級(jí)形態(tài)向未來高級(jí)形態(tài)的發(fā)展正逐漸加速 。在電源側(cè) ，分布式發(fā)電 、電儲(chǔ)能及綜合能源等技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了配電網(wǎng)能量來源的清潔化和多元化；在電網(wǎng)側(cè) ，一次電氣網(wǎng)絡(luò)中的電力電子應(yīng)用、二次信息網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋等因素大幅提升了配電網(wǎng)的可控性和可觀性 ；在負(fù)荷側(cè)，智能家居 、電動(dòng)汽車、綜合能源等新型負(fù)荷終端大量出現(xiàn)，并將在市場(chǎng)環(huán)境下形成多利益主體參與的深度博弈 ，使配電網(wǎng)面臨著更加復(fù)雜化 、互動(dòng)化的服務(wù)需求在上述因素的共同影響與推動(dòng)下 ，配電網(wǎng)迎來新一輪變革 ，正在向智能配電網(wǎng)的新形態(tài)過渡。
本文面向智能配電網(wǎng)的發(fā)展需求 ，針對(duì)其多元要素融合帶來的復(fù)雜特征，提出以靈活性為核心的智能配電網(wǎng)的發(fā)展理念 ，并圍繞配電網(wǎng)靈活性問題的技術(shù)內(nèi)涵 、挑戰(zhàn)與應(yīng)用進(jìn)行初步探討 ，為復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下配電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決提供了新的視角和思路 。
1 智能配電網(wǎng)的新形態(tài)及挑戰(zhàn) 智能配電網(wǎng)面臨著高比例分布式可再生能源的接人，需要通過信息化與電力電子化的配電網(wǎng)絡(luò) ，滿足用戶多樣化的電力供應(yīng)需求，并為用戶間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能源交易服務(wù)提供靈活的供電途徑 。智能配電網(wǎng)將從單純的電力配送者轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂卸嘀亟巧δ艿墓财脚_(tái)：①可再生資源消納的支撐平臺(tái) ；②多源海量信息集成的數(shù)據(jù)平臺(tái)；③多利益主體參與的市場(chǎng)交易平臺(tái) ；④電氣化交通發(fā)展的支撐與服務(wù)平臺(tái)；
⑤智慧城市建設(shè)的能源基礎(chǔ)平臺(tái)等 。
智能配電網(wǎng)的多重角色目標(biāo)要求需要其更具可控性和兼容性 ，更加開放和包容 ，配電網(wǎng)的網(wǎng)架形態(tài)將會(huì)發(fā)生很大變化 。例如：基于多端柔性開關(guān)（soft open point，SOP）蜂窩狀配電網(wǎng)被認(rèn)為是未來智能配電網(wǎng)網(wǎng)架形態(tài)演化的一種可能路徑 。理想狀態(tài)下，蜂窩狀配電網(wǎng)以可控六邊形饋線網(wǎng)格構(gòu)成的多環(huán)自相似結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在提供全系統(tǒng)精細(xì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能量傳輸控制能力的同時(shí)，對(duì)分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、交直流混合配電等新型配用電技術(shù)有著良好的兼容性和可擴(kuò)展性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
受多元要素的集成與融合影響 ，智能配電網(wǎng)高級(jí)形態(tài)下的運(yùn)行特性將有很大不同，分布式能源的間歇性與波動(dòng)性、電動(dòng)汽車等新型負(fù)荷的時(shí)空轉(zhuǎn)移、信息量測(cè)和傳輸?shù)碾S機(jī)誤差、市場(chǎng)交易中的人工決策和復(fù)雜博弈等使配電網(wǎng)的不確定性顯著增強(qiáng)。這些不確定性不僅具有明顯的多時(shí)空尺度特征，同時(shí)在數(shù)學(xué)上也表現(xiàn)為近似性 、隨機(jī)性 、模糊性等多種截然不同的類型 ，有些服從數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律 ，有些與經(jīng)濟(jì)學(xué)、行為學(xué) 、心理學(xué)息息相關(guān)，從而導(dǎo)致認(rèn)知和應(yīng)對(duì)更加困難 。在系統(tǒng)層面 ，這些不確定性被進(jìn)一步傳導(dǎo)并耦合 ，最終形成整體配電網(wǎng)的復(fù)雜不確定性特征 ，使高級(jí)形態(tài)下的配電網(wǎng)從規(guī)劃建設(shè)到運(yùn)行控制的全過程技術(shù)體系都面臨著巨大挑戰(zhàn)。
圖1 基于多端柔性互聯(lián)的蜂窩狀配電網(wǎng)
復(fù)雜不確定性的有效應(yīng)對(duì)需要配電網(wǎng)具備更強(qiáng)的可控性和靈活性 。從發(fā)展歷程來看，配電網(wǎng)的形態(tài)演化過程也是可控能力不斷提升的過程。對(duì)高級(jí)形態(tài)配電網(wǎng)來說，其可控性需要達(dá)到很高水平，但由于現(xiàn)有配電技術(shù)理念和方法的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多源海量可控資源的有效統(tǒng)籌與優(yōu)化仍十分困難，導(dǎo)致系統(tǒng)的可控性無法充分轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性或適應(yīng)性。特別是隨著越來越多新型可調(diào)度資源的接人，傳統(tǒng)面向特定局部場(chǎng)景或設(shè)備的優(yōu)化方法已無法滿足復(fù)雜不確定性環(huán)境下的全局性優(yōu)化調(diào)度需求。由此，配電網(wǎng)高級(jí)形態(tài)下的靈活性問題逐漸上升到整體系統(tǒng)層面，并成為智能配電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展中需解決的關(guān)鍵問題之一。
2 智能配電網(wǎng)的靈活性 2.1靈活性的內(nèi)涵 近年來，面向多場(chǎng)景的配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行成為研究熱點(diǎn) ，即在考慮多種不確定性因素的基礎(chǔ)上，通過靈活控制、優(yōu)化調(diào)度、交易博弈等手段，滿足系統(tǒng)在不同時(shí)空尺度下的多樣化需求，其方法本質(zhì) 便是對(duì)配電系統(tǒng)靈活性的提升與運(yùn)用.例如：在風(fēng)、光等分布式資源發(fā)生波動(dòng)時(shí)，保證可再生資源被優(yōu)先完全消納的能力；在大負(fù)荷沖擊或用戶集群行為異常時(shí)，保持系統(tǒng)安全穩(wěn)定與可靠運(yùn)行的能力；在故障導(dǎo)致非計(jì)劃停電時(shí)，快速隔離故障并轉(zhuǎn)供負(fù)荷的能力；在正常運(yùn)行時(shí)，有效應(yīng)對(duì)各種不確定性擾動(dòng)并時(shí)刻保持優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)的能力等。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出具有一般性的配電網(wǎng)靈活性理念，旨在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)不同運(yùn)行場(chǎng)景下靈活調(diào)度能力的通用化表述，并建立涵蓋上述各種具體靈活性需求的一致性分析框架。從本質(zhì)來看，智能配電網(wǎng)的靈活性反映了配電網(wǎng)充分統(tǒng)籌和利用系統(tǒng)內(nèi)可調(diào)度資源，有效應(yīng)對(duì)運(yùn)行中的多重不確定性因素?cái)_動(dòng)，靈活適應(yīng)各種復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境并維持高水平運(yùn)行目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的能力。
以提升配電網(wǎng)靈活性為目標(biāo)，將各種可調(diào)度資源納人統(tǒng)一的分析與優(yōu)化框架之下 ，充分發(fā)揮配電網(wǎng)高級(jí)形態(tài)的可控性潛力，為配電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行問題提供經(jīng)濟(jì)、合理、有效的復(fù)合式應(yīng)對(duì)手段，成為智能配電網(wǎng)的重要特征，圖2給出了一種系統(tǒng)靈活性的框架描述。目前，面向大電網(wǎng)靈活性的研究已廣泛開展，重點(diǎn)用于解決大規(guī)模間歇式能源發(fā)電的集中接人與消納問題，并在靈活性指標(biāo)體系、分析模型、作用機(jī)理等方面取得了一定成果。與大電網(wǎng)相比，智能配電網(wǎng)中的可調(diào)度資源更加豐富，資源秉性的差異更加明顯；同時(shí)電力用戶將在發(fā)電、用 電、儲(chǔ)能等多重身份之間靈活轉(zhuǎn)換，使智能配電網(wǎng)靈 活性的供需關(guān)系更加復(fù)雜。這些特征使智能配電網(wǎng)的靈活性提升手段更加多樣化。
圖2 智能配電網(wǎng)靈活性描述
2.2 靈活性的分類 智能配電網(wǎng)的靈活性體現(xiàn)在源-網(wǎng)-荷各個(gè)環(huán)節(jié) ，根據(jù)物理本質(zhì)的不同可以將其劃分為一次、二次和三次等多個(gè)層級(jí).
—次靈活性又可以稱為物理層靈活性 ，反映了智能配電網(wǎng)多時(shí)空尺度能量的平衡與控制能力。其中 ，電源側(cè)的一次靈活性主要源于微型燃?xì)廨啓C(jī) 、燃料電池等穩(wěn)定可調(diào)度的分布式電源，蓄電池 、超級(jí)電容等儲(chǔ)能裝置，以及上級(jí)電網(wǎng)和綜合能源網(wǎng)的支撐調(diào)節(jié)能力 ；電網(wǎng)側(cè)的一次靈活性則主要源于分段 、聯(lián)
絡(luò)開關(guān)等拓?fù)淇刂圃约耙匀嵝越涣髋潆娤到y(tǒng)(flexible AC distribution system,
DFACTS)和SOP為代表的電力電子配電裝備等提供的靈活拓?fù)渑c精細(xì)潮流控制能力 。此外，微電網(wǎng) 、單元控制區(qū)（unit control unit ，CELL)等能夠直接接受配電網(wǎng)調(diào)度的區(qū)域性系統(tǒng) ，也能夠根據(jù)其響應(yīng)特性 ，在一定程度上等效為一次靈活性資源 。
二次靈活性又可以稱為信息層靈活性，反映了智能配電網(wǎng)的全面信息感知與靈活運(yùn)行調(diào)度能力 。其中，智能表計(jì)、同步相量量測(cè)、無線寬帶通信等先進(jìn)量測(cè)與通信技術(shù)奠定了配電網(wǎng)靈活性的信息基礎(chǔ)；高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)發(fā)掘、人工智能等先進(jìn)信息分析手段則賦予了配電網(wǎng)準(zhǔn)確感知、判斷和預(yù)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的能力。以海量數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng) ，以分布式智能等先進(jìn)控制架構(gòu)為依托 ，配電管理系統(tǒng)（distribution management system ，DMS）及其框架下的虛擬儲(chǔ)能 、虛擬電廠4聚合管理技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)資源的有效統(tǒng)籌與調(diào)度，使二次側(cè)技術(shù)手段成為配電網(wǎng)靈活性的重要組成部分。
三次靈活性又可以稱為市場(chǎng)層靈活性 ，其本質(zhì)是通過靈活的市場(chǎng)機(jī)制來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的供需平衡進(jìn)而改變用戶的發(fā) 、用電行為 。三次靈活性的來源主要可以分為兩個(gè)部分：一是對(duì)協(xié)議用戶負(fù)荷的直接控制，即在協(xié)議允許范圍內(nèi)對(duì)用戶側(cè)可控負(fù)荷進(jìn)行靈活啟停與時(shí)序轉(zhuǎn)移 ；二是通過分時(shí)電價(jià)、政策優(yōu)惠等多種激勵(lì)手段 ，通過改變用戶側(cè)分布式電源的出力特性或負(fù)荷的用電模式來支撐電網(wǎng)運(yùn)行 。由于三次靈活性以市場(chǎng)覆蓋下的全體用戶作為調(diào)度資源 ，因此具有巨大的調(diào)節(jié)潛力 ，但在經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性方面則存在一定差距，并且依賴于對(duì)用戶行為特征的準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè) 。因此 ，三次靈活性主要定位于在一次和二次靈活性無法滿足系統(tǒng)需求時(shí)發(fā)揮補(bǔ)充調(diào)節(jié)的作用。
2.3 靈活性的多維屬性 智能配電網(wǎng)靈活性不僅需要全面反映各種不同層面 、不同類型 、不同特性靈活性資源的控制能力與響應(yīng)特性，同時(shí)需要服務(wù)于配電網(wǎng)在不同場(chǎng)景下的調(diào)度與優(yōu)化需求 ，其多維屬性特征集中體現(xiàn)在時(shí)間、空間 、物理和價(jià)值4個(gè)方面 ，如圖3所示。
圖3 智能配電網(wǎng)靈活性的多維屬性
1）時(shí)間屬性 智能配電網(wǎng)靈活性的時(shí)間屬性體現(xiàn)為內(nèi)在和外在兩個(gè)角度 。其中，內(nèi)在時(shí)間屬性反映了靈活性自身的時(shí)序動(dòng)態(tài)特征 。配電網(wǎng)中存在大量?jī)?chǔ)能類靈活性資源 ，既包括蓄電池、超級(jí)電容 、蓄冷、蓄熱等實(shí)體儲(chǔ)能裝置 ，又包括電動(dòng)汽車 、可控負(fù)荷等虛擬儲(chǔ)能形式。儲(chǔ)能類資源的調(diào)度能力主要通過可調(diào)容量和剩余能量體現(xiàn) ，而這些參數(shù)又將隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)展而處于不斷變化之中，并與所采取的調(diào)度控制策略密切耦合 ，使靈活性從獨(dú)立斷面問題發(fā)展為時(shí)序動(dòng)態(tài)問題 。
外在時(shí)間屬性反映了配電網(wǎng)靈活性的多時(shí)間尺度特征。由于各種靈活性資源的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)能力在時(shí)間尺度上存在較大差異 ，如SOP的實(shí)時(shí)功率
控制、超級(jí)電容的秒級(jí)功率補(bǔ)償 、蓄電池的小時(shí)級(jí)能量平衡等 ，使各種靈活性資源僅在特定調(diào)度周期下才能夠發(fā)揮作用。因此 ，配電網(wǎng)靈活性的描述在不同時(shí)間尺度下將存在顯著差異，形成了其多時(shí)間尺度特征。
2）空間屬性 由于電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的限制 ，智能配電網(wǎng)靈活性并不等同于各種靈活性資源的簡(jiǎn)單加和 ，而是根據(jù)空間尺度的不同而受到相應(yīng)的約束限制。例如：在個(gè)體裝置層面 ，其靈活性由自身調(diào)節(jié)能力決定；對(duì)微電網(wǎng)等小規(guī)模區(qū)域性系統(tǒng)來說 ，其網(wǎng)絡(luò)約束可以適當(dāng)簡(jiǎn)化為理想線路的連通性約束 ，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)靈活性資源的統(tǒng)籌；對(duì)配電網(wǎng)層面靈活性來說，網(wǎng)絡(luò)的連通能力、傳輸容量等約束條件
更加復(fù)雜，使靈活性資源的空間分布成為影響系統(tǒng)靈活性水平的重要因素因此 ，對(duì)配電網(wǎng)靈活性的描述與分析必須以特定的空間尺度為前提，并采用符合研究對(duì)象空間結(jié)構(gòu)特征的分析模型與求解方法 。
3）物理屬性 靈活性作為全面反映智能配電網(wǎng)靈活調(diào)度能力的虛擬物理量 ，決定了其在根本上無法完全脫離靈活性資源的物理本質(zhì) 。從來源看，配電網(wǎng)靈活性資源覆蓋了電氣 、信息、控制等多種不同本質(zhì)的環(huán)節(jié)類型 ，其所能提供的靈活調(diào)度能力也有著不同的物理特征 ，使配電網(wǎng)靈活性所需要涵蓋的內(nèi)容在物理維度上大大豐富。從需求看 ，即使對(duì)單一類型的靈活性資源來說 ，面向不同的電網(wǎng)調(diào)度場(chǎng)景 ，需要其提供的調(diào)節(jié)能力也可能涉及可調(diào)容量 、響應(yīng)頻率、響應(yīng)速度 、爬坡率等多類型性能指標(biāo) 。為滿足電網(wǎng)調(diào)度需求 ，這些物理性能指標(biāo)均需要直接或間接地在配電網(wǎng)靈活性中得到體現(xiàn) ，使其物理屬性進(jìn)一步復(fù)雜。
4）價(jià)值屬性 智能配電網(wǎng)靈活性的提升或利用均需要付出成本代價(jià)，并可能體現(xiàn)在建設(shè)投資 、設(shè)備折舊 、運(yùn)行成本、閑置成本 、銷售損失等不同的角度 ，從而形成了靈活性的價(jià)值屬性。相應(yīng)地，通過靈活性的調(diào)度優(yōu)化，配電網(wǎng)將具備更強(qiáng)的不確定性應(yīng)對(duì)能力，并通過保證整體系統(tǒng)在實(shí)際復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的環(huán)保性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多目標(biāo)可持續(xù)實(shí)現(xiàn)而獲得綜合收益。成本和收益的考量構(gòu)成了配電網(wǎng)靈活性問題的經(jīng)濟(jì)
約束。對(duì)給定場(chǎng)景來說，收益不及成本的靈活性資源被視為無效資源。換言之，價(jià)值屬性是判斷靈活性資源是否可獲取、可利用的必要條件。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，靈活性的成本和收益與配電運(yùn)營(yíng)商和用戶對(duì)系統(tǒng)不同運(yùn)行指標(biāo)和目標(biāo)的重視程度密切相關(guān)，并能夠根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和需求進(jìn)行靈活調(diào)整，使靈活性的價(jià)值屬性與經(jīng)濟(jì)約束帶有了一定的動(dòng)態(tài)特征。
對(duì)智能配電網(wǎng)來說 ，其靈活性問題求解的本質(zhì) 就是面向不同需求，協(xié)調(diào)不同時(shí)間、空間、物理和價(jià)值屬性的靈活性資源與手段，提供符合特定時(shí)空尺度、經(jīng)濟(jì)上有利用價(jià)值 、物理上可實(shí)現(xiàn)的調(diào)控策略 ，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)。這也使得對(duì)配電網(wǎng)靈活性的多維屬性的深入認(rèn)知與準(zhǔn)確評(píng)估顯得尤為重要 。
3 智能配電網(wǎng)的靈活性影響要素 3.1 智能配電網(wǎng)的可觀性 可觀性是指從全局角度實(shí)時(shí) 、準(zhǔn)確掌握系統(tǒng)靈活性水平和需求的能力，是智能配電網(wǎng)靈活性提升技術(shù)研究與應(yīng)用的必要前提 。傳統(tǒng)配電網(wǎng)由于量測(cè)信息相對(duì)匱乏 ，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的精確掌控極為困難，更無法實(shí)現(xiàn)全面的靈活性分析與調(diào)度。而隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，信息網(wǎng)在配電網(wǎng)中的覆蓋逐步加深，使配電網(wǎng)的智能量測(cè)、信息通信和數(shù)據(jù)利用能力大大增強(qiáng)，為配電網(wǎng)靈活性觀測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。其中，配電網(wǎng)同步相量量測(cè)技術(shù)和以此為基礎(chǔ)的智能態(tài)勢(shì)感知技術(shù)成為最具代表性的可觀性提升手段。
；?span>PMU的同步相量量測(cè)為配電網(wǎng)靈活性觀測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也面臨著新的要求，舉例如下。
配電網(wǎng)同步相量量測(cè)技術(shù)以同步相量測(cè)量單元（phasor measurement unit ，PMU）為基礎(chǔ)，旨在實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)高精度同步量測(cè)和信息集成?div id="d48novz" class="flower left">1）量測(cè)能力的多元化 。配電網(wǎng)靈活性的多維屬性特征使其對(duì)量測(cè)信息的全面性要求更高，可能需要在電氣量之外進(jìn)一步提供運(yùn)行環(huán)境、裝備狀態(tài)、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)等多維度信息。2）量測(cè)布局的合理化 。配電網(wǎng)靈活性的供需關(guān)系和常規(guī)電能供應(yīng)有著本質(zhì)區(qū)別，需要特別考慮靈活性資源和需求的時(shí)空分布來對(duì)有限的終端資源進(jìn) 行合理布局。3）信息利用的就地化。能夠由局部終端通過少量通信完成基于就地信息的快速靈活性分析 ，實(shí)時(shí)掌握本地靈活性的供需流向，并結(jié)合分散控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活性的供需快速平衡。在同步相量量測(cè)的基礎(chǔ)上 ，配電網(wǎng)的智能態(tài)勢(shì)感知旨在完成特定時(shí)空下對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的獲取、分析、理解和預(yù)測(cè)，而靈活性的觀測(cè)又進(jìn)一步擴(kuò)展了對(duì)態(tài)勢(shì)感知技術(shù)的需求 。在數(shù)據(jù)方面，智能態(tài)勢(shì)感知需要實(shí)現(xiàn)PMU 、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA） 、運(yùn)維信息 、營(yíng)銷信息等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效集成與發(fā)掘 ，從而能夠全面感知深人至用戶側(cè)的多類型靈活性資源狀態(tài)與調(diào)度潛力；在模型方面，智能態(tài)勢(shì)感知需要針對(duì)不同運(yùn)行場(chǎng)景下的具體靈活性特征，建立覆蓋時(shí)間、空間、物理、價(jià)值等多維屬性的全面靈活性感知指標(biāo)體系；在性能方面，智能態(tài)勢(shì)感知需要具備更強(qiáng)的不確定性感知能力，實(shí)時(shí)掌握各種不確定性因素的變化趨勢(shì)，并準(zhǔn)確判斷其靈活性需求特征。
？煽匦缘?
提升一方面依賴于配電裝備自身可控能力的提高，近年來主要體現(xiàn)在以SOP此外 ，近年來快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿信息科技在配電網(wǎng)靈活性觀測(cè)技術(shù)中同樣表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，未來有望在配電網(wǎng)靈活性供需深度評(píng)估、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)市場(chǎng)交易，以及動(dòng)態(tài)可視化展示等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
3.2 智能配電網(wǎng)的可控性 可控性是配電網(wǎng)在不同時(shí)間尺度下通過自身結(jié) 構(gòu)和裝備的有效控制而調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的能力，是配電網(wǎng)靈活性的物理本源和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ) ?div id="d48novz" class="flower left">、固態(tài)變壓器（solid state transformer，SST)為代表的智能配電網(wǎng)電力電子化趨勢(shì) ；另一方面則依賴于先進(jìn)運(yùn)行技術(shù)對(duì)可控性資源的體量擴(kuò)充 ，以微電網(wǎng) 、虛擬儲(chǔ)能等靈活調(diào)度控制技術(shù)為其中的典型代表。
其中 ，智能軟開關(guān)SOP的基本理念在于采用全控型電力電子裝置形成饋線間的常態(tài)化“柔性連接”，根據(jù)控制指令實(shí)時(shí)調(diào)整相連饋線的功率交換 ，進(jìn)而改變系統(tǒng)整體的潮流分布 。與傳統(tǒng)開關(guān)相比，SOP的控制精度更高 、調(diào)節(jié)能力更強(qiáng) 、動(dòng)作速度更快 、故障影響更小 ，對(duì)配電網(wǎng)可控性的提升效果顯著。特別是對(duì)配電網(wǎng)靈活性問題來說 ，SOP的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng) 、精細(xì)潮流調(diào)節(jié)和多時(shí)間尺度運(yùn)行等能力使其能夠充當(dāng)統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)配電網(wǎng)中多來源 、多類
型 、多尺度靈活性資源的橋梁，有效提升配電網(wǎng)對(duì)靈
活性資源的統(tǒng)籌調(diào)度與優(yōu)化能力 。
微電網(wǎng)作為多層級(jí)配電網(wǎng)的重要組成部分 ，通過對(duì)其內(nèi)部不確定性資源、可控資源與負(fù)荷需求的整體統(tǒng)籌優(yōu)化 ，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)不確定性的就地消納與
能量供需平衡，并對(duì)外部電網(wǎng)形成支撐 。以微電網(wǎng)為媒介 ，大量常規(guī)配電網(wǎng)中不可控、不能控或不易控的分布式靈活性資源被統(tǒng)籌納入配電網(wǎng)調(diào)度體系當(dāng)中，大大擴(kuò)充了配電網(wǎng)可控性的來源范疇。通過微電網(wǎng)，這些靈活性資源能夠整體響應(yīng)配電網(wǎng)調(diào)度控制指令、支撐系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化 、參與市場(chǎng)交易博弈 ，使微電網(wǎng)成為配電網(wǎng)中不可忽視的可控性與靈活性提升資源。
除了受到上述代表性技術(shù)的推動(dòng) ，智能配電網(wǎng)
可控性還將與電力市場(chǎng)交易機(jī)制密切相關(guān) 。利用適當(dāng)?shù)募?lì)手段，電力用戶將從個(gè)體利益出發(fā)不斷調(diào)整其用電行為 ，通過與電網(wǎng)的互動(dòng)形成全體電力用戶的間接可控性 ，進(jìn)一步擴(kuò)展了配電網(wǎng)可控性的概念范疇。
4 靈活性視角下的配電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行 現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行大多以給定典型場(chǎng)景下的確定性分析手段為基礎(chǔ) ，導(dǎo)致所得優(yōu)化方案和策略在不確定性運(yùn)行環(huán)境下存在弱化甚至完全失效的風(fēng)險(xiǎn) ，凸顯了不確定性應(yīng)對(duì)問題的重要意義 。而在靈活性視角下 ，各種場(chǎng)景下的不確定性應(yīng)對(duì)問題在本質(zhì)上均可以視為不同時(shí)空尺度下的靈活性供需匹配問題，給配電網(wǎng)在復(fù)雜環(huán)境下的規(guī)劃 、運(yùn)行與控制問題提供了新的解決思路和研究方向 。
4.1 靈活性的量化建模 可控資源的不斷豐富使配電網(wǎng)靈活性問題愈發(fā)復(fù)雜 ，常規(guī)的定性描述方式難以全面 、準(zhǔn)確地反映靈活性的多維特征，無法適應(yīng)未來配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度需要 ，完備的量化分析手段成為配電網(wǎng)靈活性分析與應(yīng)用的首要問題 。靈活性的量化旨在運(yùn)用數(shù)學(xué)分析方法，以定量方式建立能夠精細(xì)反映配電網(wǎng)靈活性水平及其復(fù)雜屬性特征的分析模型 ，為系統(tǒng)層面的靈活性評(píng)估、調(diào)度 、匹配和優(yōu)化提供手段與依據(jù) 。目前，在大電網(wǎng)層面已經(jīng)初步建立了具有多維屬性的靈活性模型 ，為配電網(wǎng)靈活性的建模提供了一定借鑒 。但由于其量化特征仍不明顯，且更側(cè)重于靈活性的指標(biāo)式評(píng)估 ，在運(yùn)行調(diào)度中的實(shí)用價(jià)值有限。
相比而言 ，配電網(wǎng)所面臨的調(diào)度場(chǎng)景和資源構(gòu)成更加復(fù)雜 ，對(duì)靈活性量化建模的技術(shù)需求也更加豐富，需要其具備：①對(duì)不同類型靈活性資源的廣泛適用能力 ，將裝備 、信息 、市場(chǎng)等不同環(huán)節(jié)與來源的靈活性納人統(tǒng)一的量化分析框架 ；②面向不同時(shí)間尺度的靈活性建模能力 ，為暫態(tài)、短期 、中長(zhǎng)期等不同場(chǎng)景下的多類型調(diào)度需求提供針對(duì)性的分析手段 ；③考慮物理本質(zhì)的量化靈活性網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)能力，使靈活性成為具有定量生產(chǎn) 、調(diào)度、轉(zhuǎn)移 、消耗及交易功能的虛擬物理量 ；④與現(xiàn)有配電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)框架的兼容能力，使量化靈活性能夠作為配電網(wǎng)整體多目標(biāo)優(yōu)化問題的組成部分 。
由此可見 ，配電網(wǎng)的靈活性模型實(shí)際上涵蓋了靈活性的量化方法和傳導(dǎo)機(jī)制兩個(gè)層次 ，其量化模
型也可以根據(jù)來源范疇的不同從節(jié)點(diǎn)靈活性和網(wǎng)絡(luò)
靈活性兩個(gè)角度來考慮 。
1）節(jié)點(diǎn)靈活性 節(jié)點(diǎn)靈活性是其關(guān)聯(lián)輻射范圍內(nèi)全體靈活性資源綜合調(diào)節(jié)能力的集中表征。各種差異化的靈活性資源將通過節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)能力的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)籌 ，從而顯著降低配電網(wǎng)靈活性的分析與調(diào)度難度 。節(jié)點(diǎn)靈活性一方面與本地不確定性形成就地平衡，同時(shí)還將以節(jié)點(diǎn)為單位向外部系統(tǒng)提供靈活性支撐與供應(yīng) ，使其成為配電網(wǎng)靈活性的基本源單位。文獻(xiàn)提出的節(jié)點(diǎn)功率模型體現(xiàn)了對(duì)節(jié)點(diǎn)靈活性的一種典型建模思路 ，如圖4所示。在節(jié)點(diǎn)側(cè)，電源能量供應(yīng)、負(fù)荷能量需求分別被視為正向和反向能量流人，而棄風(fēng)、棄光等導(dǎo)致的電源出力削減和用戶負(fù)荷減載則分別被視為正向和反向的能量流失；在電網(wǎng)側(cè)，節(jié)點(diǎn)模型以一定的傳導(dǎo)效率與外部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)能量交互。這一思路被用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)靈活性的能量、功率、爬坡率三維量化建模 ，并重點(diǎn)應(yīng)用于運(yùn)行問題的分析求解當(dāng)中 。
圖4 節(jié)點(diǎn)功率模型基本結(jié)構(gòu)
2）網(wǎng)絡(luò)靈活性 網(wǎng)絡(luò)靈活性在本質(zhì)上反映了系統(tǒng)層面對(duì)大量分 散的節(jié)點(diǎn)靈活性進(jìn)行空間傳導(dǎo)和調(diào)度利用的能力 ，如圖5所示 。特別對(duì)配電網(wǎng)來說，節(jié)點(diǎn)靈活性資源和不確定性需求在空間分布上可能差異巨大 ，需以靈活配電網(wǎng)來為節(jié)點(diǎn)靈活性的相互支撐 、靈活性資源與需求的優(yōu)化匹配等提供必要途徑，使網(wǎng)絡(luò)靈活性成為配電網(wǎng)靈活性的重要組成部分 ，同時(shí)也形成了配電網(wǎng)靈活性與大電網(wǎng)靈活性的主要區(qū)別之一。
圖5 網(wǎng)絡(luò)靈活性與節(jié)點(diǎn)靈活性關(guān)系
空間連通性是網(wǎng)絡(luò)靈活性的最基本體現(xiàn) ，并可以通過分段 、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等拓?fù)淇刂蒲b置完成多種連通模式的靈活切換，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)靈活性的不同拓?fù)浣M合 。在此基礎(chǔ)上 ，通過-SOP等電力電子裝置實(shí)現(xiàn)的柔性可控連通則提供了靈活性的定量 、定向轉(zhuǎn)移能力 ，從而進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)靈活性水平。以高水準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)靈活性為依托 ，廣泛分布的節(jié)點(diǎn)靈活性資源能夠形成多樣化的組合與支撐模式 ，全面保障了配電網(wǎng)靈活性的充分發(fā)掘與有效利用；同時(shí)，以網(wǎng)絡(luò)靈活性為基礎(chǔ)的空間傳導(dǎo)機(jī)制使大規(guī)模系統(tǒng)問題能夠在空間維度進(jìn)行解耦，不僅有效降低靈活性問題的分析規(guī)模與難度，同時(shí)使更加高效的分布式靈活性技術(shù)成為可能。
目前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)靈活性的研究與應(yīng)用仍處于最基礎(chǔ)的連通性分析階段 ，對(duì)高級(jí)配電網(wǎng)形態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)靈活性量化模型研究尚不充分。尤其對(duì)SOP等先進(jìn)的可控傳輸裝置來說，其接人位置、接人容量，甚至多個(gè)SOP之間的相對(duì)關(guān)系都可能對(duì)網(wǎng)絡(luò)靈活性產(chǎn)生截然不同的影響，使其量化問題更加復(fù)雜。總體來看，節(jié)點(diǎn)靈活性和網(wǎng)絡(luò)靈活性構(gòu)成了配電網(wǎng)靈活性量化模型的基礎(chǔ)框架 ，其他源于信息通信、市場(chǎng)交易等不同層次的技術(shù)手段最終都將通過節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)影響配電網(wǎng)整體靈活性水平。這為配電網(wǎng)靈活性量化問題的研究提供了一種可行思路，而如何對(duì)這些復(fù)雜靈活性特征及相關(guān)多層次附加因素的影響進(jìn)行準(zhǔn)確量化則是下一步研究中需要重點(diǎn)解決的問題。4.2靈活性視角下的智能配電網(wǎng)規(guī)劃 高級(jí)形態(tài)智能配電網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃既包括了網(wǎng)架規(guī)劃、變電站規(guī)劃等傳統(tǒng)內(nèi)容 ，又涵蓋了分布式電源、儲(chǔ)能裝備的優(yōu)化配置等新問題。從配電網(wǎng)側(cè)來看，受大量分布式電源隨機(jī)出力特性的影響，配電網(wǎng)的規(guī)劃問題與運(yùn)行問題高度耦合，在規(guī)劃階段就必須考慮系統(tǒng)運(yùn)行策略的影響；從用戶側(cè)來看，分布式電源和電動(dòng)汽車等新設(shè)備的靈活接入賦予了用戶多重角色身份，使系統(tǒng)運(yùn)行策略更加復(fù)雜 。規(guī)劃和運(yùn)行的耦合放大了不確定性的影響，給規(guī)劃問題的準(zhǔn)
確分析求解帶來了困難 。
在靈活性視角下 ，配電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃問題在本質(zhì)
上成為中長(zhǎng)期尺度下、整體系統(tǒng)層面的靈活性供應(yīng)與需求的量化匹配問題。此時(shí)，系統(tǒng)的靈活性來源主要包括變電站的選址定容、網(wǎng)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配電裝備與線路選型等手段，而靈活性需求則主要體現(xiàn)在用戶負(fù)荷的發(fā)展變化、電動(dòng)汽車和分布式電源的接人增長(zhǎng)，以及規(guī)劃周期內(nèi)可能出現(xiàn)的設(shè)備停運(yùn)和故障擾動(dòng)等中長(zhǎng)期不確定性因素。
基于靈活性的配電網(wǎng)規(guī)劃旨在以系統(tǒng)層面的靈活性供需匹配為目標(biāo)通過對(duì)各種靈活性資源進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃 ，使配電網(wǎng)具備在中長(zhǎng)期尺度不確定性影響下的能量靈活平衡的能力。同時(shí)，通過靈活性供需的準(zhǔn)確量化，規(guī)劃策略的針對(duì)性和有效性得以顯著增強(qiáng)，并能夠根據(jù)靈活性需求的增長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)期合理安排擴(kuò)建改造計(jì)劃，避免投資與資源的浪費(fèi)。在靈活性匹配的前提下，配電網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性等方面將具備更強(qiáng)的不確定性應(yīng)對(duì)能力，從而確保在全壽命周期內(nèi)配電網(wǎng)多規(guī)劃目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)。
4.3 炅活性視角下的配電網(wǎng)運(yùn)行 配電網(wǎng)運(yùn)行問題涵蓋了正常狀態(tài)下的運(yùn)行優(yōu)化和故障狀態(tài)下的自愈控制 。在現(xiàn)有調(diào)度框架下，配電網(wǎng)的運(yùn)行控制手段通常以分布式電源和儲(chǔ)能出力調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、無功優(yōu)化等方式為主；在優(yōu)化目標(biāo)方面，則以經(jīng)濟(jì)目標(biāo)、環(huán)境目標(biāo)、可靠性目標(biāo)等較為常見，同時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況因地制宜地對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)，即解決多目標(biāo)優(yōu)化問題；在約束條件方面，一般包括潮流約束、分布式電源特性約束、資源環(huán)境約束等，在某些情況下還需要考慮到用戶側(cè)靈活互動(dòng)等復(fù)雜因素的影響 。但是，由于當(dāng)前優(yōu)化方法中仍然缺少對(duì)不確定性特征的準(zhǔn)確認(rèn)知和分析手段 ，使傳統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化模型趨于理想化 ，系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)在實(shí)際調(diào)度周期內(nèi)難以持續(xù)，成為運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)所面臨的最大挑戰(zhàn) 。
在靈活性視角下 ，配電網(wǎng)的不確定性運(yùn)行優(yōu)化問題成為中短期時(shí)間尺度下的多層級(jí)靈活性供需匹配問題。其中 ，靈活性來源主要包括可控電源 、儲(chǔ)能、聯(lián)絡(luò)開關(guān) 、SOP等物理層靈活性資源 ，以及微電網(wǎng)、虛擬儲(chǔ)能等靈活運(yùn)行調(diào)度手段 ；而靈活性需求則體現(xiàn)為系統(tǒng)運(yùn)行中的各種不確定性擾動(dòng)，如分布式資源快速波動(dòng)、隨機(jī)故障擾動(dòng)、用戶負(fù)荷需求突發(fā)變化等。
基于靈活性的配電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)旨在以系統(tǒng)多層 級(jí)靈活性供需匹配為目標(biāo)，通過對(duì)各種靈活性資源的優(yōu)化組合與調(diào)度 ，使配電網(wǎng)具備在不同調(diào)度周期下維持功率和能量平衡并自主趨優(yōu)的能力。此時(shí)，面向運(yùn)行問題的靈活性模型維度將更加豐富，包括容量、能量、功率、爬坡率等多種性能指標(biāo)都需要在模型中加以體現(xiàn)。通過將靈活性匹配關(guān)系與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)保性等運(yùn)行目標(biāo)相結(jié)合，配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略的魯棒性將顯著增強(qiáng)，從而確保清潔能源消納、運(yùn)行潮流優(yōu)化、快速供電恢復(fù)等宏觀目標(biāo)的有效實(shí)現(xiàn)。
4.4 基于靈活性的分散控制 配電網(wǎng)的電力電子化趨勢(shì)使其控制尺度愈發(fā)精細(xì) ，以SOP為代表的潮流控制裝置已經(jīng)達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)水平 ，需要更加快速的控制體系架構(gòu)來充分發(fā)揮其快速調(diào)節(jié)能力。圍繞運(yùn)行控制的快速性需求 ，分散控制架構(gòu)成為面向配電網(wǎng)高級(jí)形態(tài)的重要發(fā)展趨勢(shì) 。在分散控制模式下，系統(tǒng)優(yōu)化控制更多地依靠智能終端之間的相互配合來實(shí)現(xiàn) ，基于局部信息制定優(yōu)化策略并實(shí)施 。與集中控制相比 ，分散控制的執(zhí)行效率更高 ，同時(shí)能夠以分布式求解方法解決大規(guī)模系統(tǒng)難以集中求解的問題；但與此同時(shí) ，信息量的局限性將給其控制效果帶來一定影響 。因此，分散控制往往與集中控制相協(xié)調(diào) ，通過在多個(gè)維度上的靈活配合來發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì)并實(shí)現(xiàn)更好的控制效果 。
因此，配電網(wǎng)的分散控制問題同樣存在著靈活性的供需匹配內(nèi)涵 ，其靈活性源于裝備的多狀態(tài)運(yùn)行控制能力和智能終端的空間覆蓋、同步量測(cè) 、靈活通信和數(shù)據(jù)分析能力等 ，而靈活性需求則體現(xiàn)在量測(cè)誤差、通信中斷等隨機(jī)擾動(dòng) |
