中國儲能網訊：目前歐洲大多數稱之為“智能電網”的項目實際上與電網問題本身關系不大，配電網智能化發(fā)展過程中的規(guī)劃技術，與其他技術不同，規(guī)劃技術是系統性的技術，而且是與網絡結構及一次設備關系密切的技術，強調的是規(guī)劃方案本身的靈活性和適應性，從而可以應對長期負荷預測和各種新技術發(fā)展的不確定性。新的監(jiān)管政策和電力市場的發(fā)展會改變電力系統傳統邏輯，即從發(fā)電順應需求到整合需求以優(yōu)化發(fā)電的改變，從而達到節(jié)省和利用資源的目的。
0引言
歐洲配電網智能化系列專題已經介紹了歐洲配電網智能化發(fā)展的驅動力和需求分析、應用場景及其功能、技術標準化工作、控制技術及通信技術，應用場景所介紹的8種智能電網技術(分布式可再生能源的集成、配電自動化、高級測量基礎設施、儲能、微電網、需求響應和發(fā)電管理、分布式能源管理系統和虛擬電廠、電動汽車)，其中大多數技術可減少電網峰荷的運行時間，這對配電網規(guī)劃將產生很大的影響?？刂萍夹g中分析了網絡解(增加或改造網絡元件，傳統方法)與非網絡解(不增加網絡元件，智能化方法)在網絡控制中的作用，并提出了配電網規(guī)劃需要考慮網絡控制問題這一全新概念。
目前歐洲大多數稱之為“智能電網”的項目實際上與電網問題本身關系不大，而本文介紹配電網智能化發(fā)展過程中的規(guī)劃技術，與其他技術不同，規(guī)劃技術是系統性的技術，而且是與網絡結構及一次設備關系密切的技術，強調的是規(guī)劃方案本身的靈活性和適應性，從而可以應對長期負荷預測和各種新技術發(fā)展的不確定性。新的監(jiān)管政策和電力市場的發(fā)展會改變電力系統傳統邏輯，即從發(fā)電順應需求到整合需求以優(yōu)化發(fā)電的改變，從而達到節(jié)省和利用資源的目的。
為了確定配電網所需的技術經濟能力，傳統規(guī)劃一般是基于長期負荷預測，由此確定不同運行條件下和情況下的峰值功率(峰荷)，由于負荷結果有很大的不確定性，而負荷的預測結果對投資會造成很大的影響，如果現在未能科學合理地規(guī)劃建設電網，則電網企業(yè)到2050年還不得不繼續(xù)使用現在沒有合理規(guī)劃建設的電網。智能化發(fā)展過程中的電網規(guī)劃技術就是要求電網規(guī)劃本身也應該產生一個能夠適應發(fā)展變化的計劃，且在獲得更為準確的負荷數據時和在必要時可以修改該計劃。
配電網規(guī)劃的任務就是規(guī)劃一個可靠且經濟的配電網，而配電網運行的任務是在滿足技術和經濟監(jiān)管條例下對電網進行有效的監(jiān)測和控制，因此配電網規(guī)劃與配電網運行之間存在相互協調的問題，這也是主動配電網規(guī)劃需要解決的問題。
1能源政策對電網規(guī)劃的影響
一個公認的觀點和目標是，配電網給用電和分布式電源提供了靈活的市場。該市場必須在技術上是可靠的、在經濟上是可持續(xù)發(fā)展的，而且不能阻礙各種社會目標的實現，例如需求側響應、小型分布式發(fā)電并網，各種電力交易的功能以及各種節(jié)能措施等。
配電網運行商(DSO)的運行任務是，在滿足技術和經濟監(jiān)管條例下對網絡進行密集的監(jiān)測和控制。當前各種能源政策方面的目標對配電網的發(fā)展提出了各種新的挑戰(zhàn)：例如各種智能電網技術和措施可迅速地降低電網上傳輸的電量，然而并不顯著影響峰值功率，而后者在電網規(guī)劃和容量設計中起決定性的作用。配電網的發(fā)展必須盡可能地經濟高效，同時還必須確保電網能夠順利地適應電力市場的變化。特別值得注意的是，電網元件的技術經濟壽命較長給電網的規(guī)劃和發(fā)展帶來了極大的挑戰(zhàn)，因為目前所設計的電網至少在一定程度上在未來的40～50年仍將可使用。
至于DSO在電力市場中應該承擔何種角色以及用戶網關的負荷控制問題，對網絡所承擔的載荷水平有著顯著的影響。DSO似乎已不可能執(zhí)行相關需求響應和負荷控制方面的控制行為。如果DSO要控制電力終端用戶的負荷，這將會對電力零售商的平衡造成進一步的影響，進而導致零售商在競爭激烈的市場操作中的成本，從而間接增加電力用戶的成本。因此，作為其他各方行為的一個結果，DSO必須適應負荷動態(tài)變化的運行環(huán)境。這給電網發(fā)展帶來了相當大的挑戰(zhàn)。管理動態(tài)變化發(fā)展的一個解決方案是，形成以容量為基礎的電價。這類電價作為控制參數，將對負載控制的實施產生影響，而不論該控制是由零售商還是由終端用戶執(zhí)行。
除了技術和經濟方面的問題，配電網發(fā)展(電網規(guī)劃)還必須考慮經濟法規(guī)和其他法規(guī)以及指令所設定的各種目標和限制條件。不同國家之間的經濟調控方法顯然是不同的。在一些國家，監(jiān)管鼓勵電網的投資，而在另外一些國家，則嚴格地控制和限制電網的投資。供電可靠性指標，如SAIFI、SAIDI、MAIFI和停電成本，也因國家的不同而有所不同。能源效率法規(guī)控制DSO的能源效率，在實踐中即控制電網損耗。許多新的智能電網概念(如分布式發(fā)電、儲能、需求響應、智能用戶網關等)所造成的影響仍不是很清楚。
社會越來越依賴于使用不中斷的電力，由此導致逐漸無法接受持續(xù)時間較長的停電。例如，瑞典通過法律，要求單一的停電持續(xù)最多不得超過24h;芬蘭正在起草一個新的立法，限制最大停電持續(xù)時間，在城市地區(qū)為6h和24h，或在農村地區(qū)為36h。相對傳統的網絡技術而言，在追求上述目標時，與智能電網概念相關的技術和功能正發(fā)揮著關鍵性的作用。
2智能電網技術對長期負荷預測的影響
2.1用戶網關技術
用戶連接網絡和市場的一種方式，稱之為用戶網關技術。用戶網關技術的發(fā)展十分迅速，它不僅是電網和終端用戶之間的一種接口技術，而且成為電力市場中電力用戶與各方之間在線通信的一種連接方式。在用戶網關技術發(fā)展的初始階段，一般是基于先進表計(AMR)技術，用戶網關已在許多國家(如意大利、芬蘭)幾乎所有的電力用戶處安裝使用。除了電量和功率的計量數據外，其他各種數據均可通過用戶網關發(fā)送，如停電信息、電壓質量以及低壓電網的擾動信息(如中性線斷線)。此外，用戶網關也可以實現對負荷的控制功能。負荷控制使得可將用電負荷轉移到低費用時段、電力零售商可進行功率平衡管理，以及在電力系統正常和擾動條件下可通過轉移負荷進行功率平衡管理(此方案可作備用)。
用戶網關的一項新功能就是有助于快速增加用戶側的電源。目前太陽能電池板的數量不斷增長，并在未來有迅速增加的趨勢。太陽能電池板的功率范圍從幾千瓦(獨立住宅)到幾百千瓦(工業(yè)建筑的屋頂光伏)，甚至可達兆瓦(農場光伏)。太陽能電池板的峰值工作時間取決于地理和區(qū)域位置，約為每年800～1200h。在北歐，太陽能電池板的發(fā)電量也顯著增加，如在芬蘭，每年的太陽輻射量幾乎與德國北部相當。小型風電的發(fā)展一直較為緩慢，而且由于小型風電的發(fā)電量低(峰值工作時間僅為百分之幾)，以及技術方面的一些挑戰(zhàn)(如部件需要維修、單獨安裝風電塔筒等)，其發(fā)展前景相對一般。
單個電力用戶的用戶網關以及所連接的配電網見圖1，其中用戶的部分負荷是可控的。例如在斯堪的納維亞國家，自20世紀70年代以來，在限制峰荷的目標下，DSO可對電加熱負荷進行控制;在歐洲南部國家，在限制峰荷方面，主要指的是限制空調功率。
圖1 智能電網概念下用戶連接網絡(用戶網關)的一種方式
目前，連接在用戶網關上的新型負荷是電動汽車。電動汽車消耗的電量不大，但其充電功率很大。此外，電動汽車是移動的負荷，電動汽車在某些地區(qū)充電時，其充電功率的大小有可能影響所接入電網的容量，例如住所、工作場所、景點或度假村等地方。如果對電動汽車的充電不加任何控制，可能會對電網造成顯著的影響，而通過用戶網關的智能控制，基本上就可以減少這些影響。圖2所示為不同充電方案對鄉(xiāng)村地區(qū)電網的目標峰荷所產生的影響。在最壞的情況下，電動汽車充電可能使電網峰荷增加3倍，而在理論優(yōu)化案例中，可在滿足電動汽車電量需求的同時而不增加電網的峰荷。
圖2 不同充電方案對中亞饋線峰荷的影響示意圖
隨著儲能技術特別是儲能電池技術的發(fā)展，該項技術更具有經濟性，目前正在從理論逐步轉變到實踐應用。在最初的發(fā)展階段，電動汽車的儲能電池是單向的，即不可能將其電池的電量從電池釋放到電網中去，雖然該項技術理論上可以實現，但成本較高，因為反復充放電會降低其電池的使用壽命。同時從電網負荷控制的角度來看，所投入的成本過高。
2.2各種用電行為
本文1中所描述的在配電網智能化過程中發(fā)生的各種變化情況，對負荷預測帶來了許多新的挑戰(zhàn)。例如，2030年的電動汽車數量、儲能電池市場競爭力和分布式電源對電網容量需求的影響等，都是很難回答的問題，要得出相關的結論具有很大的不確定性。應該提醒的是，現在規(guī)劃建設的電網在2050年仍將使用。因此，配電網規(guī)劃方案應該具有靈活性，以便在獲得較為準確的負荷數據的條件下必要時可以修改該規(guī)劃方案。
與傳統運行方式相比，智能電網環(huán)境條件下的各種運行方式都會對配電網所傳輸的功率和電量產生不同的影響(見圖3)，其中多數運行方式會減少電網峰荷的運行時間。例如，某個用戶的自發(fā)電(見圖中的K點)可能會降低電網傳輸的電量，但一般不會減少電網的峰荷。在負荷低谷時段，當太陽能電池板的供電功率超過的峰荷時，該用戶的自發(fā)電甚至可能會增加電網的峰荷。另外，值得指出的是，與普通電力相比，分布式電源出力的隨機性會造成有時其發(fā)電很不均勻，例如某些地區(qū)在晴朗中午時的所有太陽能電池板都會同時產生最大功率，這樣的實際案例在德國已有報道。
圖3 不同運行方式對配電網功率和電量的影響
3配電網規(guī)劃的目標、任務及其相互關系
3.1規(guī)劃的任務、目標和費用
配電網規(guī)劃包括以下幾類任務：戰(zhàn)略規(guī)劃、長期規(guī)劃、目標規(guī)劃(網絡設計)、現場規(guī)劃、電網結構規(guī)劃以及工作計劃等。其中，網絡設計的時間跨度可達數十年，例如新建一條110kV線路，其建設區(qū)域在20～30年前就要規(guī)劃預留，而具體實施可能要到今年才開始執(zhí)行。
在所有的規(guī)劃階段，規(guī)劃目標就是找到技術上可行的解決方案，使得規(guī)劃期限內總成本最小化。規(guī)劃目標可表征為現值的最小化，現值包括規(guī)劃期內發(fā)生的投資費用、損耗費用、停電損失費用和運維費用，目標函數用式(1)表示，代表規(guī)劃期內年成本現值的總和。
式中：Kinv為規(guī)劃期年的投資費用;Kloss為規(guī)劃期年的損耗費用;Kout為規(guī)劃期T年的停電損失費用;Kmain為規(guī)劃期年的維護費用;T為規(guī)劃期年限。
3.2規(guī)劃的邊界條件
規(guī)劃就需要制定邊界條件，在此邊界條件內使得規(guī)劃的總費用最小。典型的邊界條件為：①電壓降不得超過允許的限制條件;②導線溫度不得超過其承受能力;③導線流過的故障電流不得超過一定的限值;④必須滿足保護(如接地故障保護)規(guī)定的功能;⑤必須滿足電氣安全法規(guī)，如接地電壓的要求。
電網規(guī)劃方案需要解決以下問題：配電網投資的原因、具體實施地點、時間以及實施內容。
電網規(guī)劃的基礎條件可分為4類：電網的容量需求、可靠性需求、電網設備的機械強度和設備的老化程度，具體內容如下。
1)電網的容量需求。配電網規(guī)劃的關鍵內容是負荷預測。負荷具備電量、功率和時間特性等特征，其中包括很多變量，如能效、分布式電源和需求側響應等。電網的容量需求主要由峰荷確定。通過主動的負荷控制，即對負荷進行直接控制或根據價格進行控制，會影響峰荷的大小。對負荷進行直接控制時，關鍵的問題在于是由DSO、零售商、終端用戶或綜合系統信息服務商中的哪方來控制負荷，如果是由電力零售商控制負荷，則從電網的角度來看，可能存在負面影響。類似地，如果由DSO控制負荷，對用戶負荷也可能產生一定的負面影響。
2)電網的可靠性需求。電網的可靠性由社會需求、電力用戶、發(fā)電商，以及分布式電源和儲能技術的發(fā)展趨勢所決定。配電網的發(fā)展趨勢之一是建設能夠抵御自然災害的配電網，包括農村地區(qū)配電網。建設能夠抵御自然災害的電網，其目的是在極惡劣的天氣條件(風暴、冰災、洪水等)下也能保證不間斷地供電。在未來，包括傳統的網絡技術，以及本地發(fā)電、儲能和切斷非重要負荷等手段，將成為在確保不間斷供電中起著關鍵性作用的手段。
3)設備的機械強度與老化程度。設備的機械強度與老化程度，可能是多數電網啟動改造的關鍵因素。對電網進行改造，這既是一項挑戰(zhàn)，也是一次對電網進行更新改造的機會。如果電網必須改造，這就為更新電網、實現電網新目標提供了一個經濟有效的機會。在這種情況下，電力電子、直流技術和儲能的應用，可為滿足未來電網發(fā)展的需求而提供一種靈活的手段。
3.3規(guī)劃過程各種任務的相互作用
電網發(fā)展和規(guī)劃之間的相互作用見圖4。電網的發(fā)展存在諸多挑戰(zhàn)，戰(zhàn)略規(guī)劃在其中發(fā)揮的重要性不容忽視。如果在電網不同的發(fā)展階段中增加很多新興技術，則戰(zhàn)略規(guī)劃方案也會相應發(fā)生改變，如在電網規(guī)劃和運行模型中可行的電網優(yōu)化技術、電網拓撲結構以及參數配置等。在不同的規(guī)劃方案中，例如分布式電源的規(guī)模、電動汽車的數量，制熱方法的變化范圍(如熱泵等)和監(jiān)管方法的內容等均有多種待選參數。通過戰(zhàn)略規(guī)劃，可得到適用于智能電網發(fā)展的各種待選規(guī)劃方案。在戰(zhàn)略規(guī)劃過程中，關鍵是要保證規(guī)劃方案的靈活性，即能快速地適應電網發(fā)展變化新情況的能力。
圖4 電網發(fā)展過程中的規(guī)劃流程
4新技術對未來規(guī)劃的影響
配電網一次設備的技術經濟壽命通常較長，約為30～50年;保護及自動化設備的壽命相對較短，但也高達10～20年。然而，基本的電網技術不會發(fā)生巨大變化。最具有發(fā)展前景的技術是與通信技術結合的電網自動化技術，以及在配電網中大規(guī)模利用電力電子和儲能技術。如果儲能電池的技術及價格發(fā)展仍能保持過去幾年的發(fā)展趨勢，儲能電池將會成為配電系統的一部分，該技術具有潛在的巨大技術經濟前景。
目前電力電子產品價格的市場競爭力正朝著有利的方向發(fā)展。例如，LVDC技術改進的性能、能效及具有競爭力的價格，提升了其在配電系統中應用的機會。在未來，有些電網用戶(如數據中心)將可能以直流電方式直接并網，同時不僅是小規(guī)模的電源、也包括所有終端用戶的電網接口(AC/AC和DC/AC)，將采用電力電子和儲能設備，通過這些技術的使用，可以在任何場景下優(yōu)化用戶的電能質量(AC和DC)，可以消除所有的終端用戶的短時停電，因而可極大地降低配電系統的成本。
4.1LVDC技術
圖5所示為一種LVDC系統的典型結構。分布式電源通過交直流轉換單元接入，其電壓變化范圍為1500V到±750V。隨著電力電子器件的發(fā)展，電力電子設備的能效將大為提高，從而可提高整個配電系統的能效。芬蘭已有一批關于LVDC系統的試點項目在實施，圖6為在芬蘭某地配電網中安裝LVDC的實例示意圖。系統中DC電壓為±750V，3個用戶通過DC/AC換流器連接到直流電源。直流側電容器的充電容量足以消除快速自動重合閘對用戶的影響。在不久的將來，儲能(電池)和小規(guī)模電源(如太陽能電池板)也將連接到直流電網中。
圖5 基于LVDC技術的配電系統
圖6 基于LDVC技術的配電系統示意圖(芬蘭Suur-Savon案例)
4.2儲能技術
在未來，預計儲能電池技術的市場價格競爭力會朝向更有利的方向發(fā)展。目前，儲能電池的采購價格很高，約為800～1000/kW，且設備壽命周期有限，充電周期最多為2000～3000次，僅在某些特殊情況下(如負荷削峰需求較少時)，儲能電池在經濟上是可行的，這時儲能電池可作為配電系統的一部分，可用于削減峰荷，并可作為備用電源。一塊儲能電池的單位能量價格(充電或放電一次)平均為20cent/kWh，見圖7。目前儲能電池的單位能量價格最低能達到10cent/kWh。假設儲能電池的能量單位價格可以降到2～4cent/kWh，則意味著電池投資價格為200/kW時，充電次數可達到5000～10000次;如果電池的投資價格為400～500/kW時，充電次數則可達到15000次，那么在未來配電網中儲能電池的應用前景將是非常顯著的。
圖7 單位充放電電量(SNT/kWh)為電池生命周期(充放電次數)的函數時電池(30kW)的價格
用戶電池技術的進步可為電力預測的風險管理提供一個解決方案，因為電力預測涉及大量的不確定性。例如，如果電動汽車數量顯著增加，同時電池價格的發(fā)展是正面的，這樣就給DSO提供了管理功率的機會，或者通過DSO自己的網絡管理或者通過安裝在用戶處的儲能設備。
4.3自動化技術
大規(guī)模電網自動化通過自動斷開、接入備用設備和應用分布式電源(如自愈電網、微電網等)，幾乎可以達到不間斷地供電。通過有效地采用電網自動化，使得電網即使在具有挑戰(zhàn)性的情況下也能最大限度地利用配電系統容量，從而減少了電網的投資需求和投資費用。因此，對電網自動化的發(fā)展趨勢進行評估，是網絡戰(zhàn)略規(guī)劃的關鍵措施之一。
4.4電纜化技術
雖然農村地區(qū)負荷密度較低，但為了消除在極端天氣條件下的長期停電現象，越來越多地采用地下電纜。大型使用電纜給電網規(guī)劃帶來很大的挑戰(zhàn)，其關鍵問題在于：
1)選擇適合于智能電網環(huán)境下的網絡拓撲結構難度較大;
2)未來電網的傳輸容量有限;
3)需要研究中性點不接地的中壓電網故障管理方法;
4)需要設計具有成本效益的設備安裝方法(而不是直接挖掘電纜溝道)等。
4.5儲能配置規(guī)劃案例
以一個用戶住宅區(qū)采用電加熱(直接電加熱、儲水式加熱和余熱回收)的案例為例，進行儲能配置規(guī)劃，以此說明在低壓電網的住宅用戶處安裝儲能電池的經濟性。該用戶的典型年度和日負荷曲線見圖8。
從圖8(a)年度負荷曲線可知，年最大負荷出現在冬季，這在北歐國家屬于典型情況。從配電變壓器冷卻的角度來看，冬季的高峰負荷比夏季的較易處理。圖8(b)表明峰荷發(fā)生在晚上的22～23時，該時段內電加熱會自動接通。
圖8 住宅區(qū)用戶負荷曲線(儲水式電熱器)
平均邊際成本(€/kW)與輸電容量或配電容量相關，可用于估計投資的經濟性影響程度以及所需或可延遲的投資大小。平均邊際成本的計算一般基于網絡的改造費用和年最大負荷，可表示配電公司每千瓦高峰負荷的電網容量成本。公式(2)定義了電網改造費用的估算方法：
電網改造費用=平均邊際成本×負荷增量(2)
例如，如果某網絡的改造費用為100萬€，該電網的送電能力是1MW，則平均邊際成本為1€/W或1000€/kW。需要注意的是，平均邊際成本一般可用于支撐大規(guī)模電網的分析，但不適用于特定目標的成本分析。在這種情況下，應重點分析低壓電網。
在本案例中，根據網絡改造費用和今年的年峰荷，由公式(2)可得出其平均邊際成本為320€/kW。電量的變化會影響其配電費用(cent/kWh)，即最終可能由用戶支付額外的電網投資費用。通過分析該電網年改造費用(€/a)與年供電量之間的比值，由公式(3)可以確定其用戶是否需要支付額外的費用。
電網單位供電量費用=改造費用/年供電量(3)
儲能電池在電網低負荷時段充電，高峰負荷時刻放電，電池的投資成本見圖7。在圖9中，圖9(a)表示在電網經濟限值(邊際成本)下電網可削減的峰荷大小;圖9(b)顯示當儲能電池容量較小時，電網改造費用和電池費用之間的差值較小。在圖9(b)中的盈虧平衡點處，電網避免或延遲投資所節(jié)省的費用與增加電池所增加的投資費用相等，此時，用于削峰的電池容量為1.75MWh/a，可削減峰荷為19kW[見圖9(a)]。如果需要削減的峰荷大于盈虧平衡點處需要的電池容量值，則電池將會被損壞而縮短電池壽命，使得電池成本高于通過節(jié)省電網容量所獲得的效益。
圖9 削減峰荷需要的電量以及削減峰荷的經濟限值曲線圖
圖10所示為采用不同的儲能電池容量時所節(jié)省的電網改造的費用，從中可以看出，當削減的峰荷為10.9kW時，節(jié)省的電網改造費用最大，為136€/a，此時需要儲能電池的充放電量為0.342MWh/a。
圖10 采用儲能節(jié)省的電網改造費用
5供電可靠性監(jiān)督條件變化時對規(guī)劃的影響
配電網的可靠性標準在不斷提高。在許多國家，可靠性指標SAIFI、SAIDI、MAIFI以及停電成本均包含在配電網的監(jiān)管范圍內，例如立法規(guī)定，暴風雨期間的停電持續(xù)時間上限必須在24h以內，這些指標對DSO允許的投資回收期將產生顯著的影響。
智能電網的運行環(huán)境對電網的可靠性需求帶來了新的挑戰(zhàn)。一方面，越來越多的分布式電源接入電網，需要將它們的電力可靠地輸送至電網。另一方面，用戶的自主發(fā)電以及可能接入的儲能設備將會增加，這使得在電網受到干擾時至少能夠自行維持一定的電力。在某種程度上，用電要求也會因此而提高，這時可能會采用對用電可靠性要求不高的微電網方案。一般來說，將要求電網企業(yè)縮短可接受的長期停電時間(h)，因為用戶自己的供電方案將能夠自行消除短時停電。
在電壓質量方面，所面臨的挑戰(zhàn)是雙重的：
1)一方面，電網中負荷數量不斷增加，所產生的諧波會造成配電網的電壓畸變。因此，電網阻抗盡量要小。
2)另一方面，電壓質量可采用電力電子技術進行改進。如果在電力終端用戶連接點處可以普遍應用電力電子技術，則可以顯著改善電壓質量，從而滿足客戶網關的電壓質量要求，在允許的條件下，也可容許電網出現較大的電壓波動及諧波。如果電網出現較短時間的峰荷，則可利用電力電子技術在用戶連接點處經濟地調節(jié)電壓水平，而不會降低整個配電系統的能效(包括增加的損耗)。
