提高可再生能源（RES）发电量占比的关键是解决局部电网阻塞和实现DG安全接入的问题，而这需要电网规划和运行的协同决策。本文在第23届国际供电会议（CIRED2015）圆桌会议3（RT3）讨论内容的基础上，系统地介绍了基于主动配电网管理思路实现规划与运行协同决策的思路和方法，以及欧洲各国在此方面有代表性的措施和案例，为中国智能配电网研究人员在制定集成大规模RES电网规划和运行策略时提供借鉴与参考。

0 引言

  为了满足环保和市场开放的要求，切实提高系统整体效率、供电安全和供电质量，未来配电网建设的发展趋势必然是接入越来越多的可再生能源（RES）。一般而言，网络容量是按最大负荷需求并考虑一定安全裕度设计的，因为RES发电具有最大利用小时数低和间歇性的特点，为了提高RES发电量占比，其接入容量往往设计为负荷的2—4倍。这样接入的高占比分布式发电（DG）机组运行时可能会造成网络阻塞（约束越限），传统上可以采取诸如增加电缆截面、升级主变电站的变压器容量等网络增强改造方案（网络解），这不仅成本高昂而且会延缓RES的接入时机。一个经济可行的替代方案是基于主动配电网管理（activenetworkmanagement，ANM）模型充分利用各种灵活性资源（非网络解），如动态削减RES出力或调整负荷需求，参见2015年本刊“欧洲配电网智能化”专题连载文章。

  为了实现基于ANM合理配置和使用灵活性资源，首先，在配电层级必须对灵活性措施进行有效地规划配置；其次，在运行时必须能够调度灵活性资源；第三，调度人员必须能够接收到市场的价格信号。

  由于规划和运行的时间尺度跨度很大，规划期限通常为年和月，而运行通常以日、小时和分钟为时间单位，而ANM涉及的时间跨度则在5—15min之间，从而能主动地解决DG接入时引起的潮流越限和电压越限问题。因此，在ANM中规划与运行两者必须协同决策，这一过程是极其复杂的，因为无论是对规划还是对运行而言，都不仅增加了分析变量，而且还缩短了处理时间。

国际供电会议（CIRED）致力于展示和推广供电技术与管理方面先进的技术和理念，包括网络元件、电能质量、运行控制和保护、分布式能源、配电系统规划和DSO监管等6个研究分会。其中，配电系统规划分会（S5分会）包含风险管理和资产管理、网络发展、配电规划、方法及工具等4个议题。

  圆桌会议（RT）是CIRED讨论导向性问题的重要环节。本刊围绕CIREDS5分会及圆桌会议已经推出了5篇系列文章，分别介绍了配电网消纳高占比可再生能源的风险管控方法，配电网的技术发展方向，智能配电网规划的关键技术，配电网规划的创新性方法模型和工具，以及实现灵活高效智能配电网的思路与实践；其中文献［13］和［15］均与灵活性资源的使用和配置有关，但前者侧重于规划，后者侧重于提高系统效率。作为系列文章之六，本文根据CIRED2015圆桌会议3（CIRED2015-RT3）的讨论内容，重点介绍如何利用灵活性资源实现智能配电网规划与运行的协同决策。

  本文首先介绍了规划与运行协同决策的总体思路，其次展示了一种ANM系统及其实际应用案例，最后给出了一些欧洲国家在提高RES发电量占比方面的实际策略和案例。

1 规划与运行协同决策的思路和建议

  法国配电公司和葡萄牙配电公司针对提高可再生能源发电量占比，提出了结合本国实际情况的规划与运行协同决策的思路和建议。

1.1 法国配电公司的思路和建议

  有关如何将运行和规划相结合，法国配电公司（ERDF）从可再生能源侧、网络侧和负荷侧3个角度提出了一些可供参考的思路。

1）动态调整可接入可再生能源DG容量。ERDF认为规划出的配电网应集成90%（而不是100%）的RES发电容量，即在极端事件发生时可以停运RES，但这需要输、配电网之间有良好的配合。该思路已付诸实践，其最大优势是可以对所有发电机组制定运行计划。

2）动态设置电网容量。当前的做法是根据季节变化确定电网容量，若采用动态设置线路容量（DLR）和实时计算容量的方法，则允许接入更多的RES容量，但这需要投资新的设备（包括硬件和软件）。

3）动态调整需求侧。ERDF认为可能需要改进现有的“N-1规则”；一般而言，一些工业场所可以提供需求侧管理的服务，住宅场所是否可行正在调查中；另外，电动汽车将会在此领域中扮演重要角色。

1.2 葡萄牙配电公司的思路和建议

葡萄牙配电公司（EDP）根据其可再生能源发展现状提出了一些规划和运行协同决策的思路和建议。在2000—2014年间，葡萄牙可再生能源（包括风电、不超过10MW的小水电、热电联产等）装机容量的平均增长率为11％。截至2014年，葡萄牙RES装机容量占比为69%、发电量占比60%，配电网消纳了所有RES发电量的70％。葡萄牙电网的特点是负荷密度高度不对称，沿海和南部地区的负荷密度远大于内陆地区，但RES接入容量在全国基本均匀分布，因此造成在负荷密度大的地区RES发电量与其需求量相比微不足道，而在负荷密度小的地区RES发电量则远大于需求量，从而引发网络阻塞、电压越限等运行问题。为此，EDP提出了以下两种思路和方法。

1.2.1 基于ANM且考虑RES波动性的决策方法

现代电力系统的规划和运行方式与传统电力系统的差别很大，其重心已逐渐转移到低压（LV）网络以及提高运行主动性和产销者与电网之间的交互性上。由于DG的不断接入，发电模式既有波动性又有不确定性，这些新特征必须在规划和运行决策中予以考虑，EDP就此对传统规划和未来规划特点进行了比较（参见表1），并提出了一种基于ANM的决策思路，如图1所示。随着运行变量不断增加，新的运行模式必须考虑配电自动化的广泛程度和分散程度，涵盖对网络的监测与控制，因此必须进行更为主动的网络管理，如要考虑电压控制、考虑天气对分布式发电的影响，以及要更加合理地管理阻塞，并集成所有信息，在合理的时间内做出更好的决策。

1.2.2 规划与运行协调决策的思路和方法

EDP对规划和运行的决策过程进行了比较（见表2）。首先，需要协调决策时间和决策变量。与过去相比，规划和运行决策所需的时间均缩短了，但二者所涉及的变量数都大大增加，从而使决策过程更加复杂。其次，需要协调场景设置。对于多场景设置而言，在运行中通常预设事故场景，在规划中则因某个场景影响长远而要对其进行严格的筛选，但由于未来电网发展状况越来越不确定，每次都要完全考虑所有影响因素将越来越困难。再次，需要协调风险变量。运行决策和规划决策都应遵循一定的分析流程，并且要考虑风险，一方面运行决策会引发风险，另一方面规划决策倾向于减轻风险，所以在考虑运行的规划中必须允许一定程度的风险存在。

  EDP的结论是，未来电网的规划和运行将越来越复杂。为了提高效率和效益，在决策过程中必须同时考虑来自规划和运行两方面的分析变量。另外，为了满足严格的运行响应时间，需要进一步实现自动化、分散控制以及对各种内、外部数据源的集成。整个规划周期将缩短，而风险将是未来决策中必须考虑的因素。

2 基于ANM的规划与运行协同决策

2.1 主动网络管理系统的概念

  ANM系统是进行局部电网的集中控制与局部电网分布式控制的软件系统，既不同于SCADA系统和DMS（全局电网的集中控制），也不同于变电站自动化系统（SA）和配电自动化系统（DA）。ANM系统是管理分布式资源（DER）部分的控制技术，提供实时的自动确定性控制信息，以保证可重复性并满足控制信号的延时条件，包括有功和无功潮流控制、能量平衡控制。

新开发的ANM控制器根据与现有SCADA/EMS/DMS系统交换的信息，要对安装在各种DER（ES、DG等）上的智能装置发送控制信息，并满足控制条件。

  英国电网介绍了一种基于ANM模型来解决智能配电网运行问题的方法。ANM对局部电网进行集中和分散控制，其管理对象主要是各种分布式能源（储能、DG等），基本理念如图2所示。在配电网关键点安装ANM控制元件，该元件向安装在各种RES上的智能装置发送实时的控制信息（如潮流、能量平衡），从而实现对这些关键点运行状态的主动控制和管理。

2.2 ANM管理潮流的示例（见图3）

2.3 ANM系统的主要功能和工具

  ANM涉及的主要分析功能是评估DG和负荷的削减量，其目的是在典型研究时帧内模拟ANM的运行特性，输出结果是整个研究期内所削减的估计值（MWh）。根据研究结果可知某个ANM行为对发电机影响的频率和严重程度，从而使得网络规划人员和DG开发商能够了解ANM接入方案对系统的影响。

  评估方法包括基于电子表单的分析法和环网潮流分析法两种：前者允许对削减量进行适度的近似，可以直接检查和验证错误，比较适合辐射网结构以及考虑热稳定约束的情况；后者采用全交流潮流计算，所以可计及无功的影响和分析电压，对约束条件的估计也更具代表性，所用的脚本可以自动进行电力系统仿真，创建脚本和验证结果可能会比较复杂。

ANM的主要工具是DG接入分析，输入数据为：所有可调发电机/负荷的时序出力/需求曲线和各种约束条件，由静态限值和动态限值组成，前者包括线路限值（大小）、节点电压限值（大小）、变压器反向潮流（大小和方向），后者包括季节性容载比和线路动态容载比。

2.4 协同决策的实际案例及其经验

  英国电网针对某实际网络评估了ANM系统应用于协调决策的可行性。输入数据为每半小时的负荷和发电数据，研究周期为2.5年。该网络由38个节点、9台发电机、7个负荷、43条支路组成，最大负荷43MW，DG装机容量168MW，即DG容量约为负荷的4倍。案例分析结果表明，通过ANM削减DG出力能够有效缓解网络阻塞，从而提高RES发电量占比。英国ANM削减发电的结果比较见表3。

  英国电网对ANM系统的运行与控制经验进行了总结：①在接入RES的规划阶段，利益相关者的反应对于规划过程和控制方案很重要；②网络规划人员要考虑ANM控制方式对规划更广泛的潜在影响；③ANM控制方式中的发电机运行经验可以反过来验证和调整规划的模型和工具。

3 实现规划与运行协同决策的具体措施

3.1 基于DG运行灵活性规划DG的接入容量

  对于可再生能源发电量占比，德国政府的目标是2013年达到25%，2050年达到80%；而德国EWE配网公司的这一比例领先了德国政府计划数10年，在2012年就已达到63%，2013年底则为94%。预计到2032年，EWE的RES发电装机容量将上升到9 200MW，超过其峰值功率需求（2 428MW）的380％（接近于4倍）。

  为了在不进行网络扩建的条件下安全快捷地增加配电层级的RES接入容量，EWE于2013年提出利用RES灵活性的方法，即动态削减DG发电量的原则。通过概率潮流计算，得出了动态削减RES年发电量与增加RES接入容量的关系。如图4所示，动态削减5％的RES发电量可以使RES的接入容量增加一倍，该曲线成立的边界条件为RES容量大于负荷。

  EWE比较了静态削减方法和动态削减方法，如图5所示。需要说明的是，动态削减的总量按照电量执行，而实际运行操作时削减的是功率。若削减量均为年发电量的5%，则从年持续负荷曲线和日负荷曲线可以看出这两种方法的区别。静态方法的削减量固定在400—500MW之间，而动态方法的削减量则在0—600MW区间内变化；显然，静态方式缺乏灵活性，因此不适于中压等级的负荷。

  EWE自2014年11月开始对动态削减5%RES发电量方法进行现场测试，其原理如图6所示。根据变电站、开关、配变站所有设备的电流和电压测量值，可利用代理技术对MV网络的所有发电机组出力进行远程控制。EWE的试验结论以及对配网规划和运行协同决策的建议如下：

1）动态削减方法比静态削减负荷的方法更加有效，动态削减5%的发电量可使长期可再生能源并网容量增加1倍；EWE已开发出相应的代理技术和算法，此方法的技术可行性已在EWE的现场测试中得到验证。

2）为了实现动态削减，配网运营商必须能够直接通过谈判与RES发电机组签约，并且在任何时间都可以控制电流和RES发电机的电压，以便最大限度地提高网络运行效率。

3）EWE一年挂网试验的结果证明了这一结论的有效性。因此，该结论已被作为德国经济法修正案的依据。德国经济部还委托3个研究机构对此结论进行了验证，其中亚琛工业大学证明其适用于德国70%的配电网。

目前德国能源产业法已要求相关企业基于EWE提出的动态削减方法对规划结果进行修正，未来将进一步发展输、配电网之间的交互计划。

3.2 基于需求侧灵活性规划DG的接入容量

  爱尔兰配电公司（ESBN）利用在规划时配置需求侧灵活性资源的方法，解决了高占比RES造成配网阻塞的问题。每个需求侧单元（demandsideunits，DSU）包含若干需求点（individualdemandsites，IDS），其中IDS代表与ESBN有入网协议的用户。当收到一个DSU请求时，可通过减少IDS需求量（相当于增加本地RES发电量）给予响应。DSU在电力市场中作为集总负荷（负值）出现，与ESBN没有合同关系，但与输电网运营商或市场运营商有合同关系。

从上述模式可知，配电系统运行人员应能实时调度DSU资源，确定IDS是否越限；如果越限，配网运行人员要向输电网运行人员发布一系列指令，明确哪些IDS不在被调度之列，而这些指令将随着时间推移间隔越来越长。

  由于RES接入容量为变电站主变容量与其所带负荷之和，所以为了最大化RES接入容量，必须考虑变电站的最小负荷。利用DSU灵活性带来的问题是，如果一个给定负荷点的实际负荷小于预先假定的最小负荷，就会使变压器等网络元件中有更多计划外的有功潮流通过，从而可能造成网络阻塞。目前，阻塞管理问题已经受到监管机构的重视，但政策制定者们并没有区分阻塞是由市场行为所引起的，还是由灵活性资源运行（为延缓投资）而引起的。区分这两者的必要性尚有待商榷。

  ESBN列出了一些阻塞管理措施，包括入网控制、网络扩展、实时干涉、优化无功配置、有计划的网络改造等，或者上述措施的综合应用。未来可能采用的阻塞管理模式参见表4。

4 结语

  提高智能配电网中可再生能源发电的占比可以采用网络增强改造（网络解）或主动配电网管理（非网络解）两种方法，后者更具经济成本效益，但需要电网规划与运行的协同决策。

  本文根据CIRED2015圆桌会议3的讨论内容，介绍了欧洲各国在此方面具有代表性的思路和实践案例。由于RES发电的波动性和不确定性越来越强、未来电网越来越复杂，在协同决策过程中必须全面考虑来自规划、运行的各种变量以及风险因素，规划周期也将越来越短。基于ANM的规划和运行协同决策思路主要是利用动态削减DG出力和需求侧管理等灵活性资源，以及采用如动态设置线路容量和实时计算容量等方法来增加RES的接入容量并缓解网络阻塞。在整个决策过程中，利益相关者的反应非常重要，尤其是在接入RES的规划阶段；另外，运行经验可以反过来对规划模型和工具进行验证和调整。目前的技术导则一般是充分考虑设备运行时相关参数越限的风险，而今后在规划时则往往需要设定一定的风险程度，并制定相应的解决方案（例如在一定的时限内削减DG出力或负荷）予以规避。

  本文所介绍的各国经验值得借鉴。例如，从宏观的总装机容量来看，德国规划可再生能源的装机容量高于负荷峰值的4倍，英国电网的数据也符合这一规律，但这些经验是否适用于中国还需根据配网实际情况进行具体分析。首先，规划与运行协同决策意味着具备可靠的信息量测、SCADA、EMS和DMS等系统，较高的配电自动化水平，以及丰富的主动配电网管理系统开发人力资源。其次，需要针对不同的系统规模和边界条件分析灵活性资源，并针对传统配电网升压改造方案和主动配电网投资费用方案进行成本效益分析。