高占比可再生能源發電系列連載文章旨在介紹與提高可再生能源發電量占比、協調配電系統的規劃和運行等相關的創新技術。作為收官之作，文章首先介紹了一個實際研發項目的體系架構、控制模式、功能模塊及部分功能模塊的研發和實施情況；其次介紹了一些歐洲大規模智能配網試點項目的推廣和新技術的開發。相關研究成果和經驗可為中國規劃和運行集成高占比可再生能源的智能配電系統提供借鑒和參考。
0 引言
可再生能源（RES）接入配電網并提高其發電量在終端電力消費中的占比是各國能源發展戰略的主要目標。近年來，國內外為此提出了很多創新性技術和商業化解決方案，智能電網的愿景正在逐步成為現實，但是也面臨著越來越多的挑戰。隨著RES發電量占比的逐步增大，對電網提出的挑戰主要體現在3個方面：
首先，RES容量快速增加要求網絡擴建的速度要匹配，從而大大增加了社會成本；
其次，現有中低壓網絡需要配置能夠適應不可預測的發電、用電模式的監控工具；
第三，在當今很多地區，分布式發電量遠遠超出了負荷需求，從而造成潮流反向，在輸電層引發穩定問題。
另外，如果創新性技術和智能解決方案能夠給所有利益相關者帶來實效，就須考慮給予強制性大范圍的推廣應用，與此相關的挑戰還包括導則和規范、標準定義，配套政策支撐等等。需要指出的是，國內此類項目研究一般涵蓋理論分析、技術研發、實驗驗證、實際應用4個方面的內容，而國外則往往針對其中某一方面進行深入研究，而且只有在4個方面都確認可行時才考慮相關研究成果的大規模推廣應用。上述種種議題都是國際供電會議（CIRED）目前關注的焦點。
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、配電系統規劃和DSO監管等6個研究分會，其中配電系統規劃分會（S5分會）包含風險管理和資產管理、網絡發展、配電規劃、方法及工具等4個議題。
本刊已經發表了6篇系列文章，系統地介紹了CIREDS5分會以及相關圓桌會議的創新性技術發展趨勢及實際應用，包括配電網消納高占比可再生能源的風險管理控制方法、配電網的技術發展方向、智能配電網規劃的關鍵技術、配電網規劃的創新性模型和工具、實現靈活高效智能配電網的思路與實踐，以及如何利用靈活性資源實現智能配電網規劃與運行的協同決策。作為收官之作，本文基于圓桌會議1（RT1）和圓桌會議7（RT7）的討論內容，介紹了消納高占比RES的創新運行模式和大規模推廣的實際案例。
由于目前的配電網運行缺乏中、低壓層級的實時信息，所以需要構建一種新的配電運行體系架構，以便能夠集成傳統數據源和新型智能設備二者提供的大量數據信息，包括收集信息、處理信息、通信架構和評估策略，從而可極大地提高配電系統自動化監控水平。本文首先介紹了一個提高可再生能源發電量占比的智能配電網運行模式，包括其體系架構、控制模式和功能模塊，并以部分功能模塊為例介紹其研發和實施情況；其次介紹了一些歐洲配電公司的大規模試點項目實例和新技術開發。相關研究成果和經驗可為中國規劃和運行集成高占比可再生能源的智能配電系統提供參考和借鑒。
1 提高可再生能源發電量占比的智能配電網運行模式
“最大化可再生能源發電量占比的智能配電網運行方式 （SmartDistributionSystemOperationforMaximizingtheIntegrationofRenewablegeneration，簡稱SuSTAINABLE）是歐盟一個為期3年的研發項目，由葡萄牙配電公司（EDPDistribui??o）組織協調8家機構共同承擔。該項目以葡萄牙évora市為試點搭建了一個智能電網—InovGrid，覆蓋城區和郊區在內共1?307km2，居住人口為54?000人，其中電力用戶為30?000戶；InovGrid在全市配置了30?000個配電箱（EDPboxes）、341個配電變壓器控制單元和23個電動汽車充電站。
目前的配電網運行缺乏中、低壓層級的實時信息，如果能構建一種新的配電運行模式，利用來自傳統數據源（如SCADA/DMS、地理信息系統）和新型智能設備（如智能儀表）提供的大量數據信息，就可以極大地提高自動化監控水平，這是SuSTAINABLE立項的初衷。其面對的主要挑戰是如何在短時間內處理大量SCADA事件，如何處理決策信息使其降維并精準，如何及時準確地預測事件對電網的影響，以及采取哪些措施可以緩解事件對電力系統的影響。
該項目的目標是開發和示范一種新的配電系統運行模式，最大化可再生能源占比，降低碳排放量，通過圖1所示的流程改善系統的靈活性和可靠性，從而使整個配電系統的管理更加有效和經濟。
具體而言，就是形成一個可供參考的智能電網基本框架，包括收集信息、處理信息、通信架構和評估策略，即收集來自智能計量基礎設施、分布式傳感器和其他數據源的信息，利用配電狀態估計、預測工具、數據挖掘、風險管理和決策應用軟件等工具處理信息，通過通信架構與控制裝置、繼電保護和靈活性資源進行交互，并評估輔助服務供應商的市場策略。
以上理念必須在充分定義了體系架構和功能模塊的基礎上才能實現。
1.1?體系架構
SuSTAINABLE項目體系架構如圖2所示，采用了如圖3所示的層次控制模式。其核心組件包括：①位于HV/MV變電站的中壓配網中央控制器，可控的中壓設備主要包括分布式電源（DG）、有載調壓開關（OLTC）、并聯電容器（CAP）、儲能設備（STOR）以及可控負荷（CL）等；②位于MV/LV變電站的低壓配網控制器；③可控設備的本地控制器。
整個控制結構由4層組成。從下至上分別為客戶層、MV/LV變電站層、HV/MV變電站層和SCADA/DMS層，分別介紹如下：
1）客戶層：核心設備是能量箱（energybox，EB），即與如微型發電設備（μG）、可控負荷（CL）、電動汽車（EV）和儲能（STOR）等元件相聯的能量管理接口，主要起測量和履行遠程電力交易的作用，對于在低壓網絡中有效接入微型發電、與上層電網無縫連接非常關鍵；EB接收控制微型發電設備逆變器的設置數據，以實現電壓和頻率控制，或將這些數據信息傳輸到需求側管理等家庭自動化系統；其服務質量（QoS）機制則向IT系統匯報自動處理和硬件升級信息。
2）MV/LV變電站層：核心設備是配電變壓器控制器（DTC），其主要功能包括故障檢測和報警；對微型發電和主動負荷進行本地網絡管理；在商業系統、智能電表高級功能和運行控制之間進行協調；集成輔助儀表、監控本地元件并實現其自動化操作；進行本地電壓控制，與靈活性設備交互和自動發送控制整定值。
3）HV/MV變電站層：核心設備為智能變電站控制器（SSC），通過一組監測和控制功能來管理中壓電網以及直接接入的分布式發電設備；與變電站自動化系統相輔相成，實現優化潮流、網絡拓撲和狀態估計算法；運行一些高級功能（如電壓控制、故障定位和隔離、網絡重構、電網運行優化和降損、技術型虛擬電廠、自適應保護模式等），并承擔配電管理系統（DMS）和低壓控制器之間的接口功能。
4）SCADA/DMS層：全局監控主動配電網中運行的所有設備；管理一系列智能半自動化的子網，包括優化電網管理、提高可靠性和供電質量、對分布式電源進行動態控制、狀態估計、負荷和RES預測、電壓控制；通過在電氣設備和網絡監視設備之間發收測量值、事件、整定值和報警等保證用電需求快速響應和數據收集工作。
1.2?功能模塊
SuSTAINABLE項目的功能模塊如圖4所示。針對MV/LV配電等級，通過RES和負荷預測功能使得網絡可預測，通過網絡監測和狀態評估使得網絡可觀測，通過電壓控制和TVPP使得網絡可控制。
本項目總共包含9個功能模塊，本節以功能模塊2、3、4、5、9為例，介紹各國的研究成果和實施情況。
1.2.1?配電層級的負荷預測和建模
英國曼徹斯特大學承擔了負荷預測功能模塊的研發，提出了一種適用于配電層級的負荷預測和建模方法。利用歷史負荷數據、測量值（有功、無功和電壓）以及第二天的天氣預報數據（溫度、濕度和風速），對配電網中任一節點在任何給定時刻的總負荷大小、負荷等級（工業、商業和居民）、負荷種類（感應電動機、驅動控制電動機、電阻性負荷、電力電子設備/開關電源、節能照明負荷、分布式發電/微型發電和其他RES等）以及可控負荷量進行了預測，并對該節點在給定時刻的需求動態響應（dynamicresponseofdemand，DRD）進行了分析；根據負荷構成、可控量以及DRD的預測結果即可確定合理的需求管理措施。
該方法預測DRD和需求的整體框架如圖5所示，預測結果和DRD分析均用概率分布表示，充分體現了負荷的不確定性；預測誤差均在可接受的范圍之內，總負荷預測的有功絕對誤差均值約為4%，無功約為15%。
1.2.2?配電網的狀態估計
葡萄牙INESC公司承擔了狀態估計功能模塊的研發，提出了一種適用于中壓配電網的狀態估計技術。項目在典型的葡萄牙低壓網絡（100kVA）上實施，包括57個安裝了智能儀表的消費者（單相用戶3.45～6.9kVA，三相用戶6.9～13.8kVA），其中16個用戶安裝了分布式發電，在總的合同電力中光伏發電占50%；歷史數據采用一個實際的中、低壓變電站負載，包括30天的數據（日電壓幅值、有功和無功功率），步長為15min。項目根據智能儀表的數目和安裝地點考慮了5個場景，對具有實時通信功能智能儀表的遙測方案進行了分析。
該模塊的核心是偽量測技術，主要利用安裝在低壓配電網中的智能儀表測得的實時數據，并結合中壓配電網網絡結構來估計中壓配電網的狀態向量。該方法采用了人工神經網絡中一種稱為自編碼的特殊類型，通過建立一個同步的歷史數據集對自編碼器進行訓練，從而實現對各個設備的偽量測。為了實現對不良模擬和狀態測量結果的探測和識別，對系統估計方法的魯棒性進行了評估，包括一些關鍵績效指標的計算。在案例分析中，利用加權最小二乘法對中壓配電網進行狀態估計，權重按照不確定性進行單獨修正；所有變電站均使用偽量測技術，最終得到的結果十分接近實際情況，證明了該方法的有效性。
1.2.3?提高配電網接納分布式能源（DER）能力的協調優化控制
希臘雅典國家技術大學承擔了電壓最優協調控制策略功能模塊的研發，解決了具有高占比DER的中壓網絡的協調優化控制問題。項目在羅德島上的一個20kV、40節點中壓網絡上實施，該網絡特點是饋線距離長、負載輕，并且DG容量大于負載。電網中有一個150/20kV變電站，變壓器最大容量為25MVA，有載分接開關范圍是17（1±1.25%）；饋線長38km，有2種不同的導線型號；最大、最小負載分別為4.5MW、1.8MW。DG裝機容量為5MW，其中包括20個沿饋線分布的光伏電站，容量為0.1MW；在饋線2/3處有1個3W的風電場；在饋線中間有可切換電容器組，容量為0.4kvar。
該功能模塊使用的控制算法是一個混合約束二次優化問題，其目標包括：①優化饋線上的電壓波形；②減少能量損失；③使可再生能源的出力削減最小；④最大限度減少配電網設備（有載調壓開關和并聯電容器等）運行的機械損耗；⑤使通過高壓/中壓變壓器的無功功率最小。約束條件包括：①潮流方程約束；②電壓波動約束；③變壓器分接頭約束；④饋線熱穩定極限約束；
⑤電容器組最大投切容量約束；⑥可再生能源的最大容量、功率因數以及出力削減限制。
項目實施結果表明，在電壓調節方面，每個節點的電壓波動范圍按年計平均減少了約60%；在損耗方面，與傳統的控制策略相比可以減少12%的損耗；在接納RES的能力方面，即使不做任何削減也能使接納能力提高60%，如果進行削減則可以將接納能力提高至原來的3倍，與之對比，德國運行經驗表明削減5%的RES電量可以提高電網接納RES容量１倍；在設備的操作次數方面，有載調壓開關的日均操作次數可以減少一半；在無功功率優化方面，整體的無功功率輸入減少了20%，變壓器上的損耗減少了40%。該控制策略的不足之處是過于依賴對負荷和RES出力的預測以及測量和通信基礎設施的建設。
1.2.4?具有高占比分布式電源的配電網自適應保護方案
希臘雅典國家技術大學同時也承擔了自適應保護功能模塊的開發。由于傳統配電網是輻射狀的，并且通常是單饋線結構，一般采用無方向過電流保護即可；然而，接入RES的智能配電網中電流方向通常是雙向的，這對現有的過電流保護方案來說是一個挑戰。該系統利用預先計算出來的一些數據，結合配電網運行狀態，通過中央控制器對保護設備的設置進行周期性更新，為可再生能源接入后產生的保護死區、繼電器拒動誤動、重合閘失敗以及重合閘與熔斷器之間的不協同動作等問題提供了一個全面的配電網自適應解決方案。
該系統在一個創新試驗平臺上針對一個簡化的5節點雙饋線智能配電網進行了測試，該平臺使用硬件在環的拓撲結構，主要設備包括一個實時數字仿真儀、兩個多功能數字繼電器和一個可編程邏輯控制器，如圖6所示。
1.2.5?與電力市場集成的虛擬電廠
德國柏林工業大學承擔了虛擬電廠（VPP）功能模塊的開發。虛擬電廠是一個新的市場參與者，可以匯聚和控制分布式能源（DER）。由于可以利用DER激活靈活性資源，所以VPP對于配電網絡的主動管理極為重要，此功能模塊正是研究系統運營商和VPP之間的協調方法。
柏林工業大學對VPP的性能進行了驗證，算例網絡如圖7所示。實施結果表明，此功能模塊可以支持對RES的市場整合，提高系統接納RES容量14.5%，并且可以有效緩解阻塞。
2?集成高占比RES的創新案例
本節首先介紹了幾個大規模消納RES的項目，包括歐洲12家機構共同參與的IgreenGrid項目、意大利電力公司ENEL承擔的PugliaActiveNetwork項目、英國西部電力承擔的靈活的即插即用（Flexible Plugand Play，FPP）項目；然后介紹了英國西部電力承擔的RES不同接入方式的項目、德國智能電網服務公司（SAG）的配網自動化實踐案例、荷蘭DNVGL技術咨詢公司的測試方法和驗證規范。
2.1?一些大規模項目概況
1）IgreenGrid項目。歐洲12家機構共同參與的IgreenGrid項目為電網集成高占比RES在技術層面提供了很多創新案例，如西班牙Iberdrola配電公司正在研發的新型無功控制技術，奧地利Ober?sterreich配網公司正在研發的光伏逆變器控制、有載調壓變壓器控制和實時電壓測量、以及利用自耦變壓器進行低壓線路電壓調節等新技術。
2）PugliaActiveNetwork項目。意大利電網公司Enel對接入中壓電網的RES的新型控制方案進行了測試，其成果目前正借由PugliaActiveNetwork項目給予大范圍的實施和推廣。該項目是歐盟第一個地區級示范項目，其目的是有一定規模程度地展示如何利用智能電網創新技術針對DG接入配網進行主動網絡管理。
PugliaActiveNetwork項目中涉及的創新技術包括：①中壓網絡的電壓調節和DG監測；②提供智能服務，包括建設電動汽車（EV）充電站和提高用戶參與意識，后者通過智能設備（SmartInfo）向用戶提供用電和/或發電量數據，使用戶根據其生活習慣采取最經濟的用電方式，從而實現需求的主動化；③防止在接入RES的情況下出現孤島從而提高網絡的可靠性；④停電管理和網絡自動化；⑤實現接入DG的MV配網的需求響應（在緊急情況下限制/控制有功需求）。利用上述創新技術對Puglia地區的MT配網進行主動網絡管理，該配網中分布式發電容量超過2.6GW，包含102個HV/MV變電站，超過4?000個MV/LV變電站；為了實現智能服務，建設了約250個EV充電站，并在Valled’Itria地區安裝了30?000個SmartInfo設備。
3）靈活的即插即用項目。英國西部電網公司在其靈活的即插即用項目中測試了DG靈活接入的可能性，展示了集成高占比RES電網在規范和技術方面的創新案例和經驗。首先，允許DG用戶接入配網的前提是DSO能夠根據運行要求控制其發電出力；在FPP項目初期預計年削減量為5.3%，實際削減量接近2%。其次，英國西部電網公司正在研發兩種削減出力的商業方案—后進先出（lastinfirstoff，LIFO）和按比例分配（Pro-rata），即用不同的方式實現一個削減出力策略，利用智能設備保證獲取額外的容量，需要削減的出力則在DG用戶之間有差分攤。
FPP項目表明，當采納計算所得的削減量大小時，靈活接入對于大多數用戶來說是切實可行的一種選擇。計及削減成本，項目為試驗區內的入網DG用戶總共節省了近3?200萬英鎊；平均入網成本節省了87%，減少接入等待時間超過59%（平均29周）。該方法在未來有很廣泛的應用前景。
2.2RES靈活接入方式
英國西部電網公司（WPD）研究了RES靈活接入方式，并在英國西部從低壓到132kV的電網上實施，其供電區域覆蓋55?500km2，用戶780萬；架空線和地下電纜共計221?000km，變電站185?000個。在RES靈活接入方式的創新項目方面，WPD調動了所有利益相關者的積極性，并對知識庫進行管理，其創新策略體現在網絡方面是示范不同的投資策略，以便英國順利實現低碳轉型；體現在用戶方面是測試各種新型接入方案，以便用戶使用低碳技術；體現在效益方面是開發新方案，以提高電網性能和商業績效。
計劃接入的電源其供電量是有彈性的，即能夠根據需求波動輸出相應的功率，但是大部分DG是無計劃接入的，所以當電網非正常運行時，這部分發電可能需要被切除，這通常發生在計劃外故障、計劃維修、新建工程和設備置換等情況下，持續時間取決于故障的嚴重程度，短到幾毫秒，長到數月。對此，WPD提出3種RES接入方式：①定時，即在特定的時間削減發電，此時可以通過儲能等手段減少RES出力削減所帶來的損失；②軟聯動跳閘，即利用跳閘設備釋放預故障容量；③在滿足所有約束條件的基礎上對容量進行全面優化，而RES接入帶來的系統約束問題則通過引入局部靈活機制來解決。這3種方法的特點參見表1，其成本、復雜程度和優化程度是依次遞增的，與傳統的配電網改造方式之間的成本比較參見表2。
所有被設計為“非固定（Non-firm）”的接入方式在不正常運行狀態下都可以被切除。WPD針對其網絡模型使用歷史負荷數據，在此基礎上疊加理想的發電量分布情況，據此估計不同接入方式下的削減量大小；WPD總結使削減量增加的因素包括故障維修、非計劃故障、失去負荷、凈需求量輸出、凈發電量輸入、小規模發電、失去通信；使削減量減少的因素包括新負荷接入、負載增加、凈需求量輸入、凈發電量輸出、發電故障、網絡建設、準入的發電沒有落實。
2.3?電網自動化
德國SAG公司提出了一種中、低壓配網自動化的創新解決方案，主要解決配網集成高占比RES后會帶來的電壓越限和線路過載問題，其整體部署如圖8所示，通過傳感器對選定節點和支路進行測量，將信息經由電力載波或超高頻無線通信傳輸至控制單元，后者運行配電網狀態辨識和控制算法，將控制信號傳輸至相應的執行機構，對選定的饋線和負荷進行調節。該方案已在德國郊區（輻射狀）和城網（環狀）等14個試點部署實施；案例研究結果表明，該方案涉及的自動化系統升級成本與硬件升級成本之比約為5∶1，并且總成本只有常規配電網硬件改造成本的一半。在工程方面的挑戰主要是變電站、機柜與RES之間的通信問題，以及變化多端的低壓電網結構GIS數據量太大的問題。目前該方案只適用于低壓配電網，是否能夠應用于中壓配電網還需要進一步的現場測試和相關政策支持。
2.4?電網的測試和驗證方法
荷蘭可再生能源領域最大的獨立技術咨詢公司DNVGL（在電力工業領域已有90年的從業經驗，其中30年致力于能源效率和風電方面的研究。作為領先的認證機構，DNVGL發布了超過25項的標準和導則，尤其在大功率和高電壓測試方面首屈一指）針對集成了RES的智能電網提出一種全面的測試和驗證方案，如圖9所示。
DNVGL公司專門成立了靈活電網實驗室，對智能配電網運行情況（如各種電能質量條件下的RES）進行評估，驗證創新性控制策略，以期改善電網的安全性和穩定性。與傳統“被動”測試相比，該公司所提出的“主動”測試方法可以提高測試的可信度和系統的穩健性；元件測試中所使用的電壓等級最高24kV，直流頻率最高75Hz，容量最大1MVA，可分析超過25次的諧波，元件均為四象限運行。
該公司以一個檢測功率流向的方案為例對所提出的測試方法進行了驗證，在該方案中保護繼電器向功率放大器傳輸電信號，功率放大器隨后將該信號傳輸至實時系統模型并接受返回的信號，最終實現模型與實際情況的一致；所有驗證過程均在閉環測試系統中實現。該項目下一步的研究重點是增加測試可信度和系統魯棒性。
4?結語
目前的配電網運行缺乏中、低壓層級的實時信息，為此CIRED-RT1構建了一種創新性的配電運行模式，通過集成來自傳統數據源和新型智能設備提供的大量數據信息，極大地提高了配電系統的自動化監控水平。其研究成果是形成了一個智能電網基本體系框架，改進了信息處理方式，具體包括收集信息、處理信息、通信架構和評估策略4部分，即收集來自各方數據源的信息，利用高級軟件工具給予處理，通過通信架構與控制保護裝置和靈活性資源進行交互，并對市場策略進行評估。該體系控制模式采用分層結構，主要信息流在每個控制層進行分解，控制信號都在本地計算得到；所有功能模塊遵循相同的結構，并且使用分布式智能和集群方式。CIRED-RT7則介紹了一些與電網集成DER有關的大規模試點項目和創新技術，主要包括RES靈活接入方式、電網自動化、電網的測試和驗證方法等。
本文所介紹的消納高占比可再生能源的運行模式和大規模案例為我國電力系統消納高占比的RES發電提供了良好的參照。值得一提的是，智能技術及其商業解決方案必須能夠體現所有利益相關者真正的價值或效益才能得到規模化的推廣應用，因此除了技術創新，還需要進行相應的標準創新和制度創新。根據RT1與RT7的討論，為了提高電網對RES的接納能力，配電系統運營商可以從分布式電源側和用戶側（靈活性資源）購買服務以避免網絡阻塞，并可利用儲能設備平滑RES帶來的不確定性和風險，同時應該從導則和規范、技術標準、配套政策、監管條例等多方位創新，才能推出給所有利益相關者帶來實效的智能電網解決方案。借鑒實現高占比RES國家的成熟經驗，中國應對理論分析、技術研發、實驗驗證、實際應用中的每一方面進行深入研究，只有在創新性技術經過嚴格的測試和系統驗證并且有創新的標準和制度予以配合時，才能考慮相關研究成果的大規模推廣和應用。