面向能源互联网的未来综合配电系统形态展望

面向能源互联网的未来综合配电系统形态展望

米淑杰米淑荣李延鹏杜吉伟

（国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司喀左分公司辽宁省朝阳市122300）

摘要：随着化石能源枯竭与气候环境危机加重，未来人类发展与传统能源结构不可持续性的矛盾不断尖锐，世界范围内对能源供给与结构转变的需求愈发高涨，催生新型能源结构与供给方式的提出。对未来能源系统的展望中，由美国经济学家里夫金首先提出的能源互联网是一种较有代表性且被广泛接受的概念，被认为是未来能源行业发展的方向。

关键词：未来配电网；能源互联网；综合配电系统；结构形态

1能源互联网下的配电网概念——综合配电系统

20世纪末到21世纪初，随着配网侧负荷和电源结构发生深刻变化，配电网概念也经历了从传统配电网、智能配电网、主动配电网到主动配电系统的变迁。一般认为，智能配电网是智能电网下的配电网概念，广义概念非常笼统。狭义上一般指：强调通过配电物联网化基础上的自动化智能控制，挖掘现有配电网架潜力以应对负荷增长和可再生能源消纳的新型配电网，有学者认为狭义的智能配电网是一种不治本的模式。主动配电网概念于2008年提出，被认为是广义智能配电网的一种实现形式，其强调灵活的拓扑和主动控制特性，融合微网与虚拟电厂等概念，为配网适应大量分散电源和可控负荷接入带来了新的思路。在主动配电网的基础上，主动配电系统概念于2012年提出，强调配电侧的“源−网−荷−储”协调控制而不单针对配电网络，被认为是一个时期内配电发展的必由之路。

近年来，能源互联网概念逐步发酵，成为共识，其含义不断扩展和深化，要求未来配电系统应面向能源互联网演化发展。物理信息融合控制、时空能源协调互补、能源对等互动共享，新的大能源供配方式对未来配电网提出了比现有概念更广泛的新要求，催生能源互联网概念下新的配电概念提出。为整合能源互联网对配电系统的需求，尝试提出一种未来能源互联网下的新型配电系统概念，称为综合配电系统，以起到抛砖引玉的作用。综合配电系统（integrateddistributionsystem，IDS）是综合配电侧广域“源−网−荷−储”协调运行，综合电与热、气、交通等多能源协调互补，综合配电网络与大数据信息系统，综合电能生产、消费“互联网+”商业模式的面向能源互联网的配电系统。

2面向能源互联网的未来综合配电系统形态

在分析能源互联网概念及其配网侧需求，并明确未来综合配电系统概念的基础上，本文以相互决定关系为先后顺序，从结构形态、设备形态、运行与控制形态和产业形态4个方面对面向能源互联网的未来综合配电系统形态进行展望。

2.1未来综合配电系统的结构形态

未来配电系统与传统配电网的最终的本质区别在于运行方式和设备上的变革，配电网架构设计及其宏观拓扑结构是影响系统功能和特性的最重要的研究基础。因此本文在形态分析部分首先展望未来配电系统的结构形态。在网络构架上，未来配电网将在高压和中压形成基于环形母线的多层级交直流混联、具备统一规范的互联接口、基于复杂网络理论灵活自组网的结构模式。层级结构是其主要特征，以区域直流、交流环形母线为基本结构单元的环状结构上，可以方便地接入各种电源和负荷和储能装置，构成一个层级的基本结构单元，同时也是能量管理单元的设备支撑。正常运行时，单元内部母线以环形、网形结构合环运行，同一层级不同单元间通过软常开开关（softnormallyopenpoints，SNOP）等电力电子装置联接，不同环形母线之间可以实现功率输送或双向功率交换控制。为满足能源互联网实现革新性发展的需求，未来综合配电系统的拓扑结构也应对互联网拓扑结构的社团、小世界、分形等特征及其实现方式进行合理借鉴，在配电侧能源交易的主体之间，应建立更多样化的连接方式，以服务于能源互联网下的电力平衡和产业形态。

设计了一种基于简单层级结构，并在各个层级内部和不同层级间引入对等P2P（peertopeer）连接的能源互联网拓扑结构，并证明该结构能够增强系统的鲁棒性。然而在配网的角度来说该思路具有一定局限性，仅从模仿信息系统互联的结构考虑，并未结合电力系统在层级互联方面的实际情况：一方面构造跨电压等级的P2P互联需要搭建新的变压设备，而配电侧P2P输送容量有限导致性价比低；另一方面，高压配电网络中网络单元数量少，交直流环网结构已经可以保证足够的互联程度，搭建P2P互联的技术经济性有待讨论。

结合配网特点对现有研究成果进行综合与改进，设计了一种以层级交直流环网结构为框架，并在低压配电系统中引入P2P连接和直流信息纳电网的未来配电系统拓扑结构，红线代表交流、蓝线代表直流，区域、局域综合配电网采用交直流环网结构，不同电压等级间用能源路由器连接，同级间通过SNOP连接，综合微网间采用P2P互联方式，按照更接近互联网的平均距离等参数由随机重连算法在Matlab中仿真构建；能源交换器也分别与不同层级的配电网进行交互。该结构综合了环网结构与P2P连接的优点，既能保证高中压配网层有一定的互联度，又极大地增强了互联业务集中的低压配网层的互相联通及鲁棒性，最终形成整个配电系统层面的近似全连通网络，并构成更高层级综合电网与能源互联网的基础单元。

值得一提的是，在可预见的未来，无线传能和超导传能技术取得发展甚至突破的情况下，层间互联可用超导连接，层内P2P连接可采用无线传能，将更有利于网架结构的降损或简化。这种结构形态与新型设备形态和运行方式相结合，应能够支撑未来面向能源互联网的配电系统运行和发展。

2.2未来综合配电系统的设备形态

对未来综合配电系统的设备形态进行展望时，遵循了以下4个原则：1）未来综合配电系统的设备应尽可能具备物理信息融合的特点，即既有物理上的能源传输分配功能，又有信息上的协调控制功能。2）根据未来配电系统的整体协调+区域自治控制框架，设备形态中应既有集中控制设备，也有分层自治控制设备。结合物理信息融合原则，分层自治设备设计为控制该设备电气下游区域。3）对功能相近但所处层级不同的设备，参考电力系统中的定义方式，一般不进行设备概念的单独定义，只对层级进行补充说明。4）兼顾纯配电设备和多元能源融合设备，在多元能源融合设备方面重点关注与配电系统具有接口、控制等交互关系的设备。由此，本文设计一种包含多种新设备概念的未来综合配电系统设备体系，其中完善了能源服务器概念，新提出了能源交换器概念。外环内环代表展望原则；椭圆代表设备特性；圆形代表具体设备，其中黑色圆形表示交叉多种特性的设备。

结语：

能源互联网被公认为未来能源系统发展的趋势，能源互联网背景下的配电网概念将如何扩展形态将如何转化，成为具有前瞻性价值的问题。

参考文献：

［1］刘开俊．能源互联网发展路径探究［J］．电力建设，2015，36（10）：5-10．

［2］曾鸣，杨雍琦，刘敦楠，等．能源互联网“源－网－荷－储”协调优化运营模式及关键技术［J］．电网技术，2016，40（1）：114-124．