大趋势：主动配电网与虚拟电厂的协同融合
文摘
科技
2024-04-26 08:30
湖北
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引言
随着可再生能源的广泛接入和分布式发电资源的快速增长，传统的电网运行模式面临挑战。虚拟电厂（VPP）作为一种新兴的电网管理概念，通过先进的信息通信技术，将分散的发电资源、储能设备和需求侧管理等集成起来，形成统一的协调控制平台。与此同时，主动配电网（ADN）作为智能电网的重要组成部分，通过实时监控和动态管理，提高了电网的运行效率和可靠性。本文将探讨虚拟电厂与主动配电网在规划、调度运行及未来商业模式方面的协调优化策略。![]()
电力银行与能源超市
1、虚拟电厂
虚拟电厂是一种将分散的小型发电单元（如风电、太阳能光伏、储能系统等）和可控负荷整合在一起，通过软件平台进行集中管理和优化调度的系统。VPP能够模拟传统电厂的功能，提供调频、调峰、备用等电网服务。我们打一个形象的比方，虚拟电厂就是一个“电力银行”或“能量超市”，它不能产生钞票，也不直接生产电能。（1）电力银行：想象一下银行如何管理客户的存款和贷款。虚拟电厂就像一个电力银行，它收集（存款）来自不同分布式能源（光伏，风电）产生的电能，以及储能系统中存储的电能及车网互动（V2G）的电能。根据电网的需求和电力市场的价格，虚拟电厂可以将这些电能分配（贷款）出去，比如在电力需求高峰时供电，或在需求低谷时储存能量。它通过智能调度和优化，确保电力供需平衡，同时为能源生产者和消费者提供经济利益。（2）能量超市：另外虚拟电厂也可能看作是一个“能量超市”，在这里，各种“能量商品”（如风能、太阳能、储能等）被集中展示和销售。消费者（即电力用户）可以根据需要购买（即消耗）不同类型的能量商品，而生产者则可以在这个平台上销售他们的产品。虚拟电厂通过智能系统管理这个超市的库存，确保在任何时候都有合适的商品供应，满足顾客的需求，同时保持价格的稳定。2、主动配电网
主动式配电网（Active Distribution Network）的概念最早是由国际大电网会议（CIGRE）的一个工作组（C6）在2009年提出的。主动配电网是指能够实现对分布式能源资源的全面感知、智能处理和优化控制的配电网络。ADN通过先进的监控、通信和自动化技术，实现对电网运行状态的实时监控和动态管理。主动配电网代表了未来配电网的发展方向，它能够实现电力用户的灵活互动和配网双向潮流的主动控制，相较于传统配电网，对分布式能源的并网消纳更为高效。![]()
虚拟电厂与配电网的关系
配电网是虚拟电厂的网络基础，虚拟电厂是配电网的高级应用。虚拟电厂要通过与配电网的互动，提高配电网的运行效率和可靠性，降低运营成本，增强电网的灵活性和韧性。虚拟电厂和配电网之间的关系可以看作是管理和物理传输的关系。虚拟电厂作为管理层，通过智能化手段优化电能资源的配置和交易；而配电网作为物理层，负责电能的实际传输和分配。两者相互配合，共同构成了现代电力系统的重要组成部分。我们也可以认为：配电网是虚拟电厂未来发展的基础。首先，配电网是资源接入点。没有稳定可靠的配电网，分布式能源无法有效地整合进入虚拟电厂；同时，配电网是智能化的基础。自动化和智能化技术，如智能电表、自动化控制系统等是虚拟电厂实现资源优化配置和远程控制的基础；再者，配电网是供需平衡的平台。配电网连接着终端用户，是实现电力供需平衡的重要平台。虚拟电厂通过与配电网的互动，实现精准调度。而且，配电网是信息交互通道。配电网中部署的通信网络是虚拟电厂与分布式资源之间信息交互的重要通道。还有，配电网是市场交易接口与技术创新的平台。配电网是虚拟电厂参与电力市场交易的重要接口，以服务需求为导向，配电网在需求的刺激下，也将为虚拟电厂的发展提供了更多可能性和创新空间。当前的配电网显然已经制约了新能源的发展，一是来自本身网架结构及运行管理问题，所以接入受到了“红区”的限制；二是本身的交易体制与机制还在改革的初级阶段，与我国已经全球第一大新能源实体不相匹配。![]()
主动式与传统的配电网就规划而言的区别
传统配电网规划通常以提高供电可靠性和满足用电需求为主要目标，注重电网的稳定性和经济性。主动配电网规划则更加强调系统的灵活性和互动性，以及对可再生能源的高比例接入和主动消纳，促进电能低碳化转变及电网资产利用效率的全方位提高。从技术特性上说，传统配电网不具备对分布式发电（DG）及需求侧管理（DSM）等多类型技术的全面兼容性。主动配电网则要求是一种全新开放式配电系统体系结构，它兼容电网、分布式发电及需求侧管理等技术，且具备完善的可观可控水平。主动配电网还需要借助强大的信息和通信技术，实现电网与用户的双向互动，以及对分布式资源的实时监控和控制。另外，从资源的敏感性上讲，传统配电网规划关注供应侧资源，如发电站和输电线路的布局与容量。主动配电网规划则需要细致考虑需求侧资源特性，这些资源与用户的用电行为相伴而生，具有虚拟性和不可预知性，对需求侧资源运行特性的辨识分析成为开展主动配电网规划的前提条件。再者，从运行管理上分析，传统配电网运行管理可能侧重于电网的稳定输电和供电服务。主动配电网则通过主动网络管理（ANM）实现对各类可再生能源的主动消纳及多级协调利用。最后，我们从投资与效益及政策层面上看，传统配电网是“自上而下”的理念，其投资效益分析基于增加输电能力和降低供电成本，在政策与使命上，单纯驱动于供电可靠性的提升与保供的压力。主动配电网就是“自下而上”的，因为它依托底层的分布能源而生，它的投资成本效益需要考虑系统在生产运行各环节中的阻滞因素，以及如何实现全寿命周期内系统综合效益最优，同时，需要建立市场化，多元化的配电网建设与运营协调机制。![]()
“主动式”配电网拓扑结构与自动化方案
需要思考一个问题，我们现在的配电网技术及发展阶段处于哪一个阶段？未来我们的主动式配电网究竟是一个什么样子？依靠现有的电力体制能否完成未来来源网荷储一体化与主动式配电网建设的使命？问题太大，那我们姑且走一步，看一步，如此甚好，但是我们要有前瞻的思考与布局，这样才能把握未来的机会。2012年，我们团队在上海市电力公司的领导下，在浦东陆家嘴核心区率先启动了“世界一流”高可靠性配电网网架及自动化方案的示范引领工程。在中国电科院与上海电科院的的指导下，对配电网的网架结构、拓扑结线方案及自动化方式，做了大量的调研，并依托陆家嘴十平方公里的配电网架开展了实践性的试点工程。那一年，中国电科院的教给我一个全新的概念：主动式配电网，当时给我们规划报告的专家是国际大电网会议中国C6的主席。在上海浦东核心区的主动配电网规划建设中，我们参考了国外的一流城市配网的网架，然后选择中压配电网的典型接线方式：单环网，多分段，多联络线结构（架空线）：这种结构简单清晰，可靠性较高，但在单环网接线中，线路载流量需要按照能够为环网中所有负荷安全供电进行设计，预留一定容量作为备用，因此线路的容量利用率不是很高。![]()
双环网结构：双环网可以为每个用户提供2路电源，并且每路电源都有2路进线，因此有着更高的供电可靠性。但其设备利用率低、造价较高。![]()
多电源环网（如花瓣结构）：这种结构通过多个电源点供电，增强了系统的可靠性和灵活性。在发生局部故障时，可以通过其他电源点进行供电，保证系统的连续运行。花瓣结构的网络接线图实际上是由变电站间单联络和变电站内单联络组合而成，具有良好的供电可靠性和扩展性。“4×6”网络：这种接线方式在美国部分城市电网中得到应用，它由4个节点、6条线而得名，正常运行时，每条线的中间断路器断开，每台变压器低压侧分别向3条负荷线路送电。这种系统是可靠性高、经济效益好的供电网络。![]()
除了在网架上，做了N-2的冗余之外，对于自动化及通信方案也借鉴国际成熟的经验：分布自愈的馈线自动化：借鉴日本分布/集中混合式，采用“分区自愈、主站后备”方案，分布式就地处理故障，主站集中式控制策略作为后备。通信技术：借鉴两国经验，SDH作主干网，建设电力光纤通信双环专网。![]()
VPP与ADN两者的规划协调优化
为了更好地服务于虚拟电厂，配电网的规划需要与虚拟电厂的规划协调，以实现两者的高效融合和互动。1. 资源评估与整合。在规划阶段，首先需要对区域内的可再生能源资源、分布式发电资源、储能设施和需求侧资源进行全面评估。通过GIS（地理信息系统）和数据分析技术，确定资源的分布、规模和特性。2. 网络拓扑优化。基于资源评估结果，设计合理的网络拓扑结构，确保VPP中的各个单元能够高效地接入电网。同时，考虑到ADN的动态特性，网络设计应具备一定的灵活性和扩展性。在建设初期及过渡期，中压配电网的建设应根据区域供电安全水平要求，综合考虑区域负荷与分布式电源的发展和目标网架规划情况，合理选择过渡网架结构、接线方式及扩展方式。配电网应加强智能化建设，如配电自动化、智能计量、故障自愈等，以提高电网的可观可测、可调可控能力。3. 控制策略设计。设计VPP和ADN的控制策略，包括发电单元的启停控制、储能系统的充放电管理、需求侧响应的激励机制等。控制策略应能够适应电网运行状态的变化，实现资源的最优分配。4、源网荷储协同调控，配电网规划中应包含源网荷储协同调控机制，以实现与虚拟电厂的有效互动，优化电力资源的配置。配电网规划中应考虑建立数据共享机制，使虚拟电厂能够访问和分析电网运行数据，以优化其资源调度。现在回过头来想，当年的供电可靠性做到了99.999%，只是当时没有料见，分布式能源在这十年间如此迅猛的发展，我们的“主动式”配电网能否适应当前市场需求？想和智友们一起分享您对新能源和行业政策等方面的经验和心得？
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