中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前歐洲大多數(shù)稱之為“智能電網(wǎng)”的項(xiàng)目實(shí)際上與電網(wǎng)問題本身關(guān)系不大，配電網(wǎng)智能化發(fā)展過程中的規(guī)劃技術(shù)，與其他技術(shù)不同，規(guī)劃技術(shù)是系統(tǒng)性的技術(shù)，而且是與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及一次設(shè)備關(guān)系密切的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)的是規(guī)劃方案本身的靈活性和適應(yīng)性，從而可以應(yīng)對長期負(fù)荷預(yù)測和各種新技術(shù)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(huì)改變電力系統(tǒng)傳統(tǒng)邏輯，即從發(fā)電順應(yīng)需求到整合需求以優(yōu)化發(fā)電的改變，從而達(dá)到節(jié)省和利用資源的目的。
0引言
歐洲配電網(wǎng)智能化系列專題已經(jīng)介紹了歐洲配電網(wǎng)智能化發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和需求分析、應(yīng)用場景及其功能、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作、控制技術(shù)及通信技術(shù)，應(yīng)用場景所介紹的8種智能電網(wǎng)技術(shù)(分布式可再生能源的集成、配電自動(dòng)化、高級(jí)測量基礎(chǔ)設(shè)施、儲(chǔ)能、微電網(wǎng)、需求響應(yīng)和發(fā)電管理、分布式能源管理系統(tǒng)和虛擬電廠、電動(dòng)汽車)，其中大多數(shù)技術(shù)可減少電網(wǎng)峰荷的運(yùn)行時(shí)間，這對配電網(wǎng)規(guī)劃將產(chǎn)生很大的影響。控制技術(shù)中分析了網(wǎng)絡(luò)解(增加或改造網(wǎng)絡(luò)元件，傳統(tǒng)方法)與非網(wǎng)絡(luò)解(不增加網(wǎng)絡(luò)元件，智能化方法)在網(wǎng)絡(luò)控制中的作用，并提出了配電網(wǎng)規(guī)劃需要考慮網(wǎng)絡(luò)控制問題這一全新概念。
目前歐洲大多數(shù)稱之為“智能電網(wǎng)”的項(xiàng)目實(shí)際上與電網(wǎng)問題本身關(guān)系不大，而本文介紹配電網(wǎng)智能化發(fā)展過程中的規(guī)劃技術(shù)，與其他技術(shù)不同，規(guī)劃技術(shù)是系統(tǒng)性的技術(shù)，而且是與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及一次設(shè)備關(guān)系密切的技術(shù)，強(qiáng)調(diào)的是規(guī)劃方案本身的靈活性和適應(yīng)性，從而可以應(yīng)對長期負(fù)荷預(yù)測和各種新技術(shù)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(huì)改變電力系統(tǒng)傳統(tǒng)邏輯，即從發(fā)電順應(yīng)需求到整合需求以優(yōu)化發(fā)電的改變，從而達(dá)到節(jié)省和利用資源的目的。
為了確定配電網(wǎng)所需的技術(shù)經(jīng)濟(jì)能力，傳統(tǒng)規(guī)劃一般是基于長期負(fù)荷預(yù)測，由此確定不同運(yùn)行條件下和情況下的峰值功率(峰荷)，由于負(fù)荷結(jié)果有很大的不確定性，而負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果對投資會(huì)造成很大的影響，如果現(xiàn)在未能科學(xué)合理地規(guī)劃建設(shè)電網(wǎng)，則電網(wǎng)企業(yè)到2050年還不得不繼續(xù)使用現(xiàn)在沒有合理規(guī)劃建設(shè)的電網(wǎng)。智能化發(fā)展過程中的電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)就是要求電網(wǎng)規(guī)劃本身也應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)能夠適應(yīng)發(fā)展變化的計(jì)劃，且在獲得更為準(zhǔn)確的負(fù)荷數(shù)據(jù)時(shí)和在必要時(shí)可以修改該計(jì)劃。
配電網(wǎng)規(guī)劃的任務(wù)就是規(guī)劃一個(gè)可靠且經(jīng)濟(jì)的配電網(wǎng)，而配電網(wǎng)運(yùn)行的任務(wù)是在滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)監(jiān)管條例下對電網(wǎng)進(jìn)行有效的監(jiān)測和控制，因此配電網(wǎng)規(guī)劃與配電網(wǎng)運(yùn)行之間存在相互協(xié)調(diào)的問題，這也是主動(dòng)配電網(wǎng)規(guī)劃需要解決的問題。
1能源政策對電網(wǎng)規(guī)劃的影響
一個(gè)公認(rèn)的觀點(diǎn)和目標(biāo)是，配電網(wǎng)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(shù)上是可靠的、在經(jīng)濟(jì)上是可持續(xù)發(fā)展的，而且不能阻礙各種社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，例如需求側(cè)響應(yīng)、小型分布式發(fā)電并網(wǎng)，各種電力交易的功能以及各種節(jié)能措施等。
配電網(wǎng)運(yùn)行商(DSO)的運(yùn)行任務(wù)是，在滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)監(jiān)管條例下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密集的監(jiān)測和控制。當(dāng)前各種能源政策方面的目標(biāo)對配電網(wǎng)的發(fā)展提出了各種新的挑戰(zhàn)：例如各種智能電網(wǎng)技術(shù)和措施可迅速地降低電網(wǎng)上傳輸?shù)碾娏?，然而并不顯著影響峰值功率，而后者在電網(wǎng)規(guī)劃和容量設(shè)計(jì)中起決定性的作用。配電網(wǎng)的發(fā)展必須盡可能地經(jīng)濟(jì)高效，同時(shí)還必須確保電網(wǎng)能夠順利地適應(yīng)電力市場的變化。特別值得注意的是，電網(wǎng)元件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)壽命較長給電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展帶來了極大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳八O(shè)計(jì)的電網(wǎng)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(yīng)該承擔(dān)何種角色以及用戶網(wǎng)關(guān)的負(fù)荷控制問題，對網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的載荷水平有著顯著的影響。DSO似乎已不可能執(zhí)行相關(guān)需求響應(yīng)和負(fù)荷控制方面的控制行為。如果DSO要控制電力終端用戶的負(fù)荷，這將會(huì)對電力零售商的平衡造成進(jìn)一步的影響，進(jìn)而導(dǎo)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(gè)結(jié)果，DSO必須適應(yīng)負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的運(yùn)行環(huán)境。這給電網(wǎng)發(fā)展帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。管理動(dòng)態(tài)變化發(fā)展的一個(gè)解決方案是，形成以容量為基礎(chǔ)的電價(jià)。這類電價(jià)作為控制參數(shù)，將對負(fù)載控制的實(shí)施產(chǎn)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(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的問題，配電網(wǎng)發(fā)展(電網(wǎng)規(guī)劃)還必須考慮經(jīng)濟(jì)法規(guī)和其他法規(guī)以及指令所設(shè)定的各種目標(biāo)和限制條件。不同國家之間的經(jīng)濟(jì)調(diào)控方法顯然是不同的。在一些國家，監(jiān)管鼓勵(lì)電網(wǎng)的投資，而在另外一些國家，則嚴(yán)格地控制和限制電網(wǎng)的投資。供電可靠性指標(biāo)，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(shí)踐中即控制電網(wǎng)損耗。許多新的智能電網(wǎng)概念(如分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、需求響應(yīng)、智能用戶網(wǎng)關(guān)等)所造成的影響仍不是很清楚。
社會(huì)越來越依賴于使用不中斷的電力，由此導(dǎo)致逐漸無法接受持續(xù)時(shí)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(gè)新的立法，限制最大停電持續(xù)時(shí)間，在城市地區(qū)為6h和24h，或在農(nóng)村地區(qū)為36h。相對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)而言，在追求上述目標(biāo)時(shí)，與智能電網(wǎng)概念相關(guān)的技術(shù)和功能正發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。
2智能電網(wǎng)技術(shù)對長期負(fù)荷預(yù)測的影響
2.1用戶網(wǎng)關(guān)技術(shù)
用戶連接網(wǎng)絡(luò)和市場的一種方式，稱之為用戶網(wǎng)關(guān)技術(shù)。用戶網(wǎng)關(guān)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，它不僅是電網(wǎng)和終端用戶之間的一種接口技術(shù)，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(wǎng)關(guān)技術(shù)發(fā)展的初始階段，一般是基于先進(jìn)表計(jì)(AMR)技術(shù)，用戶網(wǎng)關(guān)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(jì)量數(shù)據(jù)外，其他各種數(shù)據(jù)均可通過用戶網(wǎng)關(guān)發(fā)送，如停電信息、電壓質(zhì)量以及低壓電網(wǎng)的擾動(dòng)信息(如中性線斷線)。此外，用戶網(wǎng)關(guān)也可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的控制功能。負(fù)荷控制使得可將用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到低費(fèi)用時(shí)段、電力零售商可進(jìn)行功率平衡管理，以及在電力系統(tǒng)正常和擾動(dòng)條件下可通過轉(zhuǎn)移負(fù)荷進(jìn)行功率平衡管理(此方案可作備用)。
用戶網(wǎng)關(guān)的一項(xiàng)新功能就是有助于快速增加用戶側(cè)的電源。目前太陽能電池板的數(shù)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(dú)立住宅)到幾百千瓦(工業(yè)建筑的屋頂光伏)，甚至可達(dá)兆瓦(農(nóng)場光伏)。太陽能電池板的峰值工作時(shí)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(dāng)。小型風(fēng)電的發(fā)展一直較為緩慢，而且由于小型風(fēng)電的發(fā)電量低(峰值工作時(shí)間僅為百分之幾)，以及技術(shù)方面的一些挑戰(zhàn)(如部件需要維修、單獨(dú)安裝風(fēng)電塔筒等)，其發(fā)展前景相對一般。
單個(gè)電力用戶的用戶網(wǎng)關(guān)以及所連接的配電網(wǎng)見圖1，其中用戶的部分負(fù)荷是可控的。例如在斯堪的納維亞國家，自20世紀(jì)70年代以來，在限制峰荷的目標(biāo)下，DSO可對電加熱負(fù)荷進(jìn)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(diào)功率。
圖1 智能電網(wǎng)概念下用戶連接網(wǎng)絡(luò)(用戶網(wǎng)關(guān))的一種方式
目前，連接在用戶網(wǎng)關(guān)上的新型負(fù)荷是電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車消耗的電量不大，但其充電功率很大。此外，電動(dòng)汽車是移動(dòng)的負(fù)荷，電動(dòng)汽車在某些地區(qū)充電時(shí)，其充電功率的大小有可能影響所接入電網(wǎng)的容量，例如住所、工作場所、景點(diǎn)或度假村等地方。如果對電動(dòng)汽車的充電不加任何控制，可能會(huì)對電網(wǎng)造成顯著的影響，而通過用戶網(wǎng)關(guān)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(wǎng)的目標(biāo)峰荷所產(chǎn)生的影響。在最壞的情況下，電動(dòng)汽車充電可能使電網(wǎng)峰荷增加3倍，而在理論優(yōu)化案例中，可在滿足電動(dòng)汽車電量需求的同時(shí)而不增加電網(wǎng)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(chǔ)能技術(shù)特別是儲(chǔ)能電池技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)更具有經(jīng)濟(jì)性，目前正在從理論逐步轉(zhuǎn)變到實(shí)踐應(yīng)用。在最初的發(fā)展階段，電動(dòng)汽車的儲(chǔ)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(wǎng)中去，雖然該項(xiàng)技術(shù)理論上可以實(shí)現(xiàn)，但成本較高，因?yàn)榉磸?fù)充放電會(huì)降低其電池的使用壽命。同時(shí)從電網(wǎng)負(fù)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(wǎng)智能化過程中發(fā)生的各種變化情況，對負(fù)荷預(yù)測帶來了許多新的挑戰(zhàn)。例如，2030年的電動(dòng)汽車數(shù)量、儲(chǔ)能電池市場競爭力和分布式電源對電網(wǎng)容量需求的影響等，都是很難回答的問題，要得出相關(guān)的結(jié)論具有很大的不確定性。應(yīng)該提醒的是，現(xiàn)在規(guī)劃建設(shè)的電網(wǎng)在2050年仍將使用。因此，配電網(wǎng)規(guī)劃方案應(yīng)該具有靈活性，以便在獲得較為準(zhǔn)確的負(fù)荷數(shù)據(jù)的條件下必要時(shí)可以修改該規(guī)劃方案。
與傳統(tǒng)運(yùn)行方式相比，智能電網(wǎng)環(huán)境條件下的各種運(yùn)行方式都會(huì)對配電網(wǎng)所傳輸?shù)墓β屎碗娏慨a(chǎn)生不同的影響(見圖3)，其中多數(shù)運(yùn)行方式會(huì)減少電網(wǎng)峰荷的運(yùn)行時(shí)間。例如，某個(gè)用戶的自發(fā)電(見圖中的K點(diǎn))可能會(huì)降低電網(wǎng)傳輸?shù)碾娏?，但一般不?huì)減少電網(wǎng)的峰荷。在負(fù)荷低谷時(shí)段，當(dāng)太陽能電池板的供電功率超過的峰荷時(shí)，該用戶的自發(fā)電甚至可能會(huì)增加電網(wǎng)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(jī)性會(huì)造成有時(shí)其發(fā)電很不均勻，例如某些地區(qū)在晴朗中午時(shí)的所有太陽能電池板都會(huì)同時(shí)產(chǎn)生最大功率，這樣的實(shí)際案例在德國已有報(bào)道。
圖3 不同運(yùn)行方式對配電網(wǎng)功率和電量的影響
3配電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)、任務(wù)及其相互關(guān)系
3.1規(guī)劃的任務(wù)、目標(biāo)和費(fèi)用
配電網(wǎng)規(guī)劃包括以下幾類任務(wù)：戰(zhàn)略規(guī)劃、長期規(guī)劃、目標(biāo)規(guī)劃(網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì))、現(xiàn)場規(guī)劃、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃以及工作計(jì)劃等。其中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的時(shí)間跨度可達(dá)數(shù)十年，例如新建一條110kV線路，其建設(shè)區(qū)域在20～30年前就要規(guī)劃預(yù)留，而具體實(shí)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(biāo)就是找到技術(shù)上可行的解決方案，使得規(guī)劃期限內(nèi)總成本最小化。規(guī)劃目標(biāo)可表征為現(xiàn)值的最小化，現(xiàn)值包括規(guī)劃期內(nèi)發(fā)生的投資費(fèi)用、損耗費(fèi)用、停電損失費(fèi)用和運(yùn)維費(fèi)用，目標(biāo)函數(shù)用式(1)表示，代表規(guī)劃期內(nèi)年成本現(xiàn)值的總和。
式中：Kinv為規(guī)劃期年的投資費(fèi)用;Kloss為規(guī)劃期年的損耗費(fèi)用;Kout為規(guī)劃期T年的停電損失費(fèi)用;Kmain為規(guī)劃期年的維護(hù)費(fèi)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(nèi)使得規(guī)劃的總費(fèi)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(dǎo)線溫度不得超過其承受能力;③導(dǎo)線流過的故障電流不得超過一定的限值;④必須滿足保護(hù)(如接地故障保護(hù))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(wǎng)規(guī)劃方案需要解決以下問題：配電網(wǎng)投資的原因、具體實(shí)施地點(diǎn)、時(shí)間以及實(shí)施內(nèi)容。
電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)條件可分為4類：電網(wǎng)的容量需求、可靠性需求、電網(wǎng)設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度和設(shè)備的老化程度，具體內(nèi)容如下。
1)電網(wǎng)的容量需求。配電網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容是負(fù)荷預(yù)測。負(fù)荷具備電量、功率和時(shí)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(cè)響應(yīng)等。電網(wǎng)的容量需求主要由峰荷確定。通過主動(dòng)的負(fù)荷控制，即對負(fù)荷進(jìn)行直接控制或根據(jù)價(jià)格進(jìn)行控制，會(huì)影響峰荷的大小。對負(fù)荷進(jìn)行直接控制時(shí)，關(guān)鍵的問題在于是由DSO、零售商、終端用戶或綜合系統(tǒng)信息服務(wù)商中的哪方來控制負(fù)荷，如果是由電力零售商控制負(fù)荷，則從電網(wǎng)的角度來看，可能存在負(fù)面影響。類似地，如果由DSO控制負(fù)荷，對用戶負(fù)荷也可能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。
2)電網(wǎng)的可靠性需求。電網(wǎng)的可靠性由社會(huì)需求、電力用戶、發(fā)電商，以及分布式電源和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢所決定。配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢之一是建設(shè)能夠抵御自然災(zāi)害的配電網(wǎng)，包括農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)。建設(shè)能夠抵御自然災(zāi)害的電網(wǎng)，其目的是在極惡劣的天氣條件(風(fēng)暴、冰災(zāi)、洪水等)下也能保證不間斷地供電。在未來，包括傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及本地發(fā)電、儲(chǔ)能和切斷非重要負(fù)荷等手段，將成為在確保不間斷供電中起著關(guān)鍵性作用的手段。
3)設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度與老化程度。設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度與老化程度，可能是多數(shù)電網(wǎng)啟動(dòng)改造的關(guān)鍵因素。對電網(wǎng)進(jìn)行改造，這既是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，也是一次對電網(wǎng)進(jìn)行更新改造的機(jī)會(huì)。如果電網(wǎng)必須改造，這就為更新電網(wǎng)、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)新目標(biāo)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的機(jī)會(huì)。在這種情況下，電力電子、直流技術(shù)和儲(chǔ)能的應(yīng)用，可為滿足未來電網(wǎng)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(wù)的相互作用
電網(wǎng)發(fā)展和規(guī)劃之間的相互作用見圖4。電網(wǎng)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(wǎng)不同的發(fā)展階段中增加很多新興技術(shù)，則戰(zhàn)略規(guī)劃方案也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，如在電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行模型中可行的電網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及參數(shù)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(dòng)汽車的數(shù)量，制熱方法的變化范圍(如熱泵等)和監(jiān)管方法的內(nèi)容等均有多種待選參數(shù)。通過戰(zhàn)略規(guī)劃，可得到適用于智能電網(wǎng)發(fā)展的各種待選規(guī)劃方案。在戰(zhàn)略規(guī)劃過程中，關(guān)鍵是要保證規(guī)劃方案的靈活性，即能快速地適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展變化新情況的能力。
圖4 電網(wǎng)發(fā)展過程中的規(guī)劃流程
4新技術(shù)對未來規(guī)劃的影響
配電網(wǎng)一次設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)壽命通常較長，約為30～50年;保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備的壽命相對較短，但也高達(dá)10～20年。然而，基本的電網(wǎng)技術(shù)不會(huì)發(fā)生巨大變化。最具有發(fā)展前景的技術(shù)是與通信技術(shù)結(jié)合的電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)，以及在配電網(wǎng)中大規(guī)模利用電力電子和儲(chǔ)能技術(shù)。如果儲(chǔ)能電池的技術(shù)及價(jià)格發(fā)展仍能保持過去幾年的發(fā)展趨勢，儲(chǔ)能電池將會(huì)成為配電系統(tǒng)的一部分，該技術(shù)具有潛在的巨大技術(shù)經(jīng)濟(jì)前景。
目前電力電子產(chǎn)品價(jià)格的市場競爭力正朝著有利的方向發(fā)展。例如，LVDC技術(shù)改進(jìn)的性能、能效及具有競爭力的價(jià)格，提升了其在配電系統(tǒng)中應(yīng)用的機(jī)會(huì)。在未來，有些電網(wǎng)用戶(如數(shù)據(jù)中心)將可能以直流電方式直接并網(wǎng)，同時(shí)不僅是小規(guī)模的電源、也包括所有終端用戶的電網(wǎng)接口(AC/AC和DC/AC)，將采用電力電子和儲(chǔ)能設(shè)備，通過這些技術(shù)的使用，可以在任何場景下優(yōu)化用戶的電能質(zhì)量(AC和DC)，可以消除所有的終端用戶的短時(shí)停電，因而可極大地降低配電系統(tǒng)的成本。
4.1LVDC技術(shù)
圖5所示為一種LVDC系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。分布式電源通過交直流轉(zhuǎn)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(shè)備的能效將大為提高，從而可提高整個(gè)配電系統(tǒng)的能效。芬蘭已有一批關(guān)于LVDC系統(tǒng)的試點(diǎn)項(xiàng)目在實(shí)施，圖6為在芬蘭某地配電網(wǎng)中安裝LVDC的實(shí)例示意圖。系統(tǒng)中DC電壓為±750V，3個(gè)用戶通過DC/AC換流器連接到直流電源。直流側(cè)電容器的充電容量足以消除快速自動(dòng)重合閘對用戶的影響。在不久的將來，儲(chǔ)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(wǎng)中。
圖5 基于LVDC技術(shù)的配電系統(tǒng)
圖6 基于LDVC技術(shù)的配電系統(tǒng)示意圖(芬蘭Suur-Savon案例)
4.2儲(chǔ)能技術(shù)
在未來，預(yù)計(jì)儲(chǔ)能電池技術(shù)的市場價(jià)格競爭力會(huì)朝向更有利的方向發(fā)展。目前，儲(chǔ)能電池的采購價(jià)格很高，約為800～1000/kW，且設(shè)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(fù)荷削峰需求較少時(shí))，儲(chǔ)能電池在經(jīng)濟(jì)上是可行的，這時(shí)儲(chǔ)能電池可作為配電系統(tǒng)的一部分，可用于削減峰荷，并可作為備用電源。一塊儲(chǔ)能電池的單位能量價(jià)格(充電或放電一次)平均為20cent/kWh，見圖7。目前儲(chǔ)能電池的單位能量價(jià)格最低能達(dá)到10cent/kWh。假設(shè)儲(chǔ)能電池的能量單位價(jià)格可以降到2～4cent/kWh，則意味著電池投資價(jià)格為200/kW時(shí)，充電次數(shù)可達(dá)到5000～10000次;如果電池的投資價(jià)格為400～500/kW時(shí)，充電次數(shù)則可達(dá)到15000次，那么在未來配電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的應(yīng)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(shù))的函數(shù)時(shí)電池(30kW)的價(jià)格
用戶電池技術(shù)的進(jìn)步可為電力預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)管理提供一個(gè)解決方案，因?yàn)殡娏︻A(yù)測涉及大量的不確定性。例如，如果電動(dòng)汽車數(shù)量顯著增加，同時(shí)電池價(jià)格的發(fā)展是正面的，這樣就給DSO提供了管理功率的機(jī)會(huì)，或者通過DSO自己的網(wǎng)絡(luò)管理或者通過安裝在用戶處的儲(chǔ)能設(shè)備。
4.3自動(dòng)化技術(shù)
大規(guī)模電網(wǎng)自動(dòng)化通過自動(dòng)斷開、接入備用設(shè)備和應(yīng)用分布式電源(如自愈電網(wǎng)、微電網(wǎng)等)，幾乎可以達(dá)到不間斷地供電。通過有效地采用電網(wǎng)自動(dòng)化，使得電網(wǎng)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(tǒng)容量，從而減少了電網(wǎng)的投資需求和投資費(fèi)用。因此，對電網(wǎng)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢進(jìn)行評(píng)估，是網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略規(guī)劃的關(guān)鍵措施之一。
4.4電纜化技術(shù)
雖然農(nóng)村地區(qū)負(fù)荷密度較低，但為了消除在極端天氣條件下的長期停電現(xiàn)象，越來越多地采用地下電纜。大型使用電纜給電網(wǎng)規(guī)劃帶來很大的挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵問題在于：
1)選擇適合于智能電網(wǎng)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難度較大;
2)未來電網(wǎng)的傳輸容量有限;
3)需要研究中性點(diǎn)不接地的中壓電網(wǎng)故障管理方法;
4)需要設(shè)計(jì)具有成本效益的設(shè)備安裝方法(而不是直接挖掘電纜溝道)等。
4.5儲(chǔ)能配置規(guī)劃案例
以一個(gè)用戶住宅區(qū)采用電加熱(直接電加熱、儲(chǔ)水式加熱和余熱回收)的案例為例，進(jìn)行儲(chǔ)能配置規(guī)劃，以此說明在低壓電網(wǎng)的住宅用戶處安裝儲(chǔ)能電池的經(jīng)濟(jì)性。該用戶的典型年度和日負(fù)荷曲線見圖8。
從圖8(a)年度負(fù)荷曲線可知，年最大負(fù)荷出現(xiàn)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(fù)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(shí)，該時(shí)段內(nèi)電加熱會(huì)自動(dòng)接通。
圖8 住宅區(qū)用戶負(fù)荷曲線(儲(chǔ)水式電熱器)
平均邊際成本(€/kW)與輸電容量或配電容量相關(guān)，可用于估計(jì)投資的經(jīng)濟(jì)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(jì)算一般基于網(wǎng)絡(luò)的改造費(fèi)用和年最大負(fù)荷，可表示配電公司每千瓦高峰負(fù)荷的電網(wǎng)容量成本。公式(2)定義了電網(wǎng)改造費(fèi)用的估算方法：
電網(wǎng)改造費(fèi)用=平均邊際成本×負(fù)荷增量(2)
例如，如果某網(wǎng)絡(luò)的改造費(fèi)用為100萬€，該電網(wǎng)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(wǎng)的分析，但不適用于特定目標(biāo)的成本分析。在這種情況下，應(yīng)重點(diǎn)分析低壓電網(wǎng)。
在本案例中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)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(huì)影響其配電費(fèi)用(cent/kWh)，即最終可能由用戶支付額外的電網(wǎng)投資費(fèi)用。通過分析該電網(wǎng)年改造費(fèi)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(fèi)用。
電網(wǎng)單位供電量費(fèi)用=改造費(fèi)用/年供電量(3)
儲(chǔ)能電池在電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)段充電，高峰負(fù)荷時(shí)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(wǎng)經(jīng)濟(jì)限值(邊際成本)下電網(wǎng)可削減的峰荷大小;圖9(b)顯示當(dāng)儲(chǔ)能電池容量較小時(shí)，電網(wǎng)改造費(fèi)用和電池費(fèi)用之間的差值較小。在圖9(b)中的盈虧平衡點(diǎn)處，電網(wǎng)避免或延遲投資所節(jié)省的費(fèi)用與增加電池所增加的投資費(fèi)用相等，此時(shí)，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(diǎn)處需要的電池容量值，則電池將會(huì)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(wǎng)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(jīng)濟(jì)限值曲線圖
圖10所示為采用不同的儲(chǔ)能電池容量時(shí)所節(jié)省的電網(wǎng)改造的費(fèi)用，從中可以看出，當(dāng)削減的峰荷為10.9kW時(shí)，節(jié)省的電網(wǎng)改造費(fèi)用最大，為136€/a，此時(shí)需要儲(chǔ)能電池的充放電量為0.342MWh/a。
圖10 采用儲(chǔ)能節(jié)省的電網(wǎng)改造費(fèi)用
5供電可靠性監(jiān)督條件變化時(shí)對規(guī)劃的影響
配電網(wǎng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高。在許多國家，可靠性指標(biāo)SAIFI、SAIDI、MAIFI以及停電成本均包含在配電網(wǎng)的監(jiān)管范圍內(nèi)，例如立法規(guī)定，暴風(fēng)雨期間的停電持續(xù)時(shí)間上限必須在24h以內(nèi)，這些指標(biāo)對DSO允許的投資回收期將產(chǎn)生顯著的影響。
智能電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境對電網(wǎng)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(wǎng)，需要將它們的電力可靠地輸送至電網(wǎng)。另一方面，用戶的自主發(fā)電以及可能接入的儲(chǔ)能設(shè)備將會(huì)增加，這使得在電網(wǎng)受到干擾時(shí)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(huì)因此而提高，這時(shí)可能會(huì)采用對用電可靠性要求不高的微電網(wǎng)方案。一般來說，將要求電網(wǎng)企業(yè)縮短可接受的長期停電時(shí)間(h)，因?yàn)橛脩糇约旱墓╇姺桨笇⒛軌蜃孕邢虝r(shí)停電。
在電壓質(zhì)量方面，所面臨的挑戰(zhàn)是雙重的：
1)一方面，電網(wǎng)中負(fù)荷數(shù)量不斷增加，所產(chǎn)生的諧波會(huì)造成配電網(wǎng)的電壓畸變。因此，電網(wǎng)阻抗盡量要小。
2)另一方面，電壓質(zhì)量可采用電力電子技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。如果在電力終端用戶連接點(diǎn)處可以普遍應(yīng)用電力電子技術(shù)，則可以顯著改善電壓質(zhì)量，從而滿足客戶網(wǎng)關(guān)的電壓質(zhì)量要求，在允許的條件下，也可容許電網(wǎng)出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)及諧波。如果電網(wǎng)出現(xiàn)較短時(shí)間的峰荷，則可利用電力電子技術(shù)在用戶連接點(diǎn)處經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)電壓水平，而不會(huì)降低整個(gè)配電系統(tǒng)的能效(包括增加的損耗)。
