引言可再生能源具有量大面廣和間歇性的特點，無論是以集中式接入高壓電網還是以分布式接入配電網，若仍采用傳統的電力系統規劃和運行模式，則意味著不僅會產生昂貴的電網改造費用，還會降低電力系統運行的效率和效益。因此，世界各國都在研究高占比可再生能源條件下電力系統的運行效率問題。提高系統運行效率的傳統方法是盡可能降低單個電氣設備（即所謂“元件級”）的損耗。這種方法簡單易行，因為用高性能設備替換系統內的低性能設備即可，但在系統效率達到一定水平后，進一步降損的成本將越來越高。提高效率的另一種方法是從整個系統（即所謂“系統級”）出發，在不影響供電可靠性和供電質量的前提下減少系統的整體輸電損耗，從而避免代價高昂的電網改造。根據歐洲電力系統的運行經驗，利用靈活性手段可以減少2/3的網絡投資費用，參見2015年本刊“歐洲配電網智能化”系列連載，因此可以作為高占比可再生能源（RES）電力系統提高運行效率和效益的有效策略。國際供電會議（CIRED）致力于展示和推廣供電技術與管理方面的先進技術和理念，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。相應地，本刊已經推出了4篇“高占比可再生能源發電”系列連載文章，分別介紹了配電網消納高占比可再生能源的風險管控方法，配電網的技術發展方向，智能配電網規劃的關鍵技術，以及配電網規劃的創新性方法模型和工具。作為系列文章之五，本文基于CIRED2015圓桌會議5（CIRED2015-RT5）討論的內容，介紹了如何從規劃與運行的角度實現靈活高效的高占比RES智能配電網的思路和實際案例。針對接入高占比RES的智能配電網，首先介紹了在規劃和運行中使用靈活性資源的研究思路；然后展示了有效利用發電側、需求側和配電側靈活性資源的案例，并討論了接入RES對配電網運行效率的影響以及諸如降壓節能、電壓/無功優化等措施在提高配電網運行效率方面的作用；最后介紹了一些與降損節能有關的法令和政策。規劃和運行中使用靈活性資源的研究思路本節根據CIRED2015-RT5中美國電力科學研究院（EPRI）展示的資料，在介紹高占比RES智能配電網凈負荷曲線特點的基礎上，討論了提高系統靈活性的可選資源（靈活性資源），以及在規劃和運行中如何利用這些資源。1.1?高占比RES智能配電網的凈負荷曲線特點從全球電力系統的發展趨勢來看，可再生能源的滲透率越來越大，不僅在送電端有大規模風力、光伏發電場，而且在用電端也有大量的分布式發電。風、光等可再生能源的輸出功率具有隨機性和波動性，國外的實際運行經驗表明，在可再生能源全部并網且不發生棄風棄光的情形下，電網的凈負荷曲線將呈現鴨子形狀，即所謂“鴨型曲線”。以意大利某公司接入分布式光伏發電的凈負荷曲線為例，由于光伏只能在白天發電，且在負荷需求相對較低的中午時分達到峰值，而在負荷需求相對較高的夜晚不能發電，使得凈負荷曲線呈現如圖1所示的“鴨型”。接入高占比RES條件下凈負荷曲線的這一特征對電力系統的運行靈活性提出了更高的要求。

圖1分布式可再生能源接入導致系統凈負荷曲線呈現“鴨型”1.2?接入RES智能配電網中的靈活性資源所謂靈活性，是指在某一時間尺度內電力系統能夠快速而有效地優化調配現有資源，并快速響應電網功率變化、控制電網關鍵運行參數的能力；其中電網功率變化不僅包括負荷變化，也包括可再生能源輸出功率波動。如1.1節所述，接入RES電網的凈負荷為“鴨型曲線”，為保證功率平衡，系統必須具有靈活性。電力系統的發、輸、配、用電和儲能等環節都可以提供靈活性資源。傳統發電出力的經濟調節范圍為30%左右，除了優化調度之外，電力系統運行中的靈活性資源還包括發電調峰能力、輸配電網運行、需求側響應、儲能設備調節能力、可再生能源并網技術等。傳統發電資源包括火電、水電以及核電，它們是電力系統中較為穩定、可靠的電源，是靈活性資源的重要組成部分。為了滿足高占比RES條件下“鴨型曲線”的調度需求，發電機組必須具備能夠跟隨凈負荷曲線快速變化的能力，因此衡量發電靈活性的重要指標是發電出力的爬坡速率。以圖1所示情形為例，對于接入分布式光伏發電的系統，在白天要求發電機組具有快速向下的爬坡能力，夜晚則要求其具有快速向上的爬坡能力，從而保證發電與用電的平衡。輸電網絡的靈活性主要體現在區域電網的結構和互聯方式上，而需求側響應的靈活性則體現在通過價格信號和激勵機制使用戶主動改變原有的用電計劃和模式，即通過有效整合和規劃供應側與需求側的資源來增加系統的備用容量，從而提高運行靈活性。儲能技術也屬于非常重要的靈活性資源，不僅可以削峰填俗

、平滑負荷，從而提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動、降低供電成本，還可以與可再生能源配合以提高其利用率。在高占比RES智能電網中，RES的接入方式，即根據負荷需求靈活投切RES，也可作為一種靈活性資源。1.3?考慮靈活性資源的規劃和運行方法及實例研究為提高高占比RES智能電網的運行效率和效益，必須在電網規劃時考慮如何配置靈活性資源，這與滿足容量裕度的N-1規劃方法相似，只是規劃方法更加復雜，需要考慮不同靈活性資源的特點、網絡結構和運行方式。并且，還要在可靠性和經濟性之間進行權衡，從而達到合理配置靈活性資源的目的。除了規劃，在運行中也要根據實時情況和負荷預測數據，合理調配和激勵各種靈活性資源。美國工業界專門針對此研究成立了北美電力可靠性委員會（NERC）關鍵可靠性服務（在爬坡需求方面）的工作組，以及由美國電力科學研究院（EPRI）領導的IEEE靈活性研究工作組。EPRI主要側重于研究以下內容：①集中發電的靈活性以及提供靈活性所需的系統支持；②考慮靈活性的集成建模框架；③在集成的電網構建考慮系統靈活性的成本效益框架和開展靈活性試驗項目。另外，EPRI還發布了靈活性白皮書（FlexibilityWhitePaper）以及容量和電量白皮書（CapacityandEnergyWhitePaper）。關于考慮靈活性的配電網絡規劃的研究，EPRI主要涉及以下幾個方面：①用于評估電網是否具有足夠靈活性的工具和指標；②多層篩選和細化方法的研究；③考慮輸電和資源充足性的研究；④展示和改進方法的案例分析。一些具體項目包括化石能源電廠的靈活運行建模、儲能的價值評估、需求側靈活性的示范等。圖2為EPRI174號研究計劃“分布式可再生能源集成方式”的總體架構。圖2EPRI174號研究計劃：分布式可再生能源的集成方式EPRI從上述研究中得到的一些結論如下：1）通過研究時間間隔在60min內的靈活性資源匱乏現象，發現較高的時間分辨率數據將對研究是有利的。2）峰荷持續540min（9h）的系統可能需要增加額外的容量，即使有條件，這樣的系統也不太可能讓長期啟動的機組離網運行；在這種情況下，系統內部可能存在不靈活互聯的電網，如果互聯電網具有靈活性則可以緩解該問題。3）通過研究頻次少于1h的靈活性資源匱乏情況發現，改變運行狀態也許足以滿足機組爬坡和備用等的需求，而一些長效的緩解措施則包括互聯運行或增加新容量。有效配置和利用靈活性資源的實踐案例本節介紹了EPRI從發電側、德國造紙業從需求側以及意大利國家電力公司從配電側出發，有效配置和利用靈活性資源的實踐案例。2.1?提高發電側靈活性發電側的靈活性主要體現在適應負荷波動變化的功率、電量和爬坡速率調整幾個方面。在傳統發電模式下，一般發電機組總容量為年最大負荷的1.3–1.5倍即可滿足負荷波動的需求。隨著可再生能源發電量占比的不斷增加，在各國發電裝機總容量數倍于年最大負荷的情況下，發電側靈活性將面臨以下挑戰：首先，不僅要預測日負荷曲線，還要預測可再生能源出力曲線；其次，如何調整爬坡速率以滿足“鴨型”凈負荷曲線的需求；第三，在產能過剩而且不能削減可再生能源發電時，如何調整傳統發電出力以滿足可再生能源的發電特征。早在2013年，美國加州電力調度中心（CAISO）就預測，按照現在加州光伏發電的增長速度，到2020年光伏發電就能取代火力發電，在其電力系統中占領主要地位。圖3是從2012–2020年加州某天24h的凈負荷曲線，呈現非常明顯的鴨子形狀；在“鴨頸”區域，3h內約需要13000MW的爬坡能力。

圖3CAISO的“鴨型”凈負荷曲線EPRI研究了針對需求、風電和凈需求在不同時間尺度下的爬坡幅度（用百分位數來表示其可能性），即靈活性需求，如圖4所示。對于凈需求、風電和需求所要求的爬坡幅度（靈活性）將在各自對應的兩條曲線所包絡的范圍之內變化。

圖4凈需求、風電和需求所要求的爬坡幅度百分位數隨時間的變化2.2?提高需求側靈活性需求側靈活性主要指利用需求側響應和管理措施來提高電網運行效率。在CIRED2015-RT5上，來自歐洲造紙工業協會的研究人員介紹了德國造紙工業在參與需求側響應以提高需求側靈活性方面的經驗。從能源使用的視角來分析造紙工業，這是一個可再生的、可循環的、革新的、以生物為基礎的工業，具有系統效率和制造經驗。與其他策略（如電網擴建等）相比，需求側響應是滿足歐洲能源政策要求、更具成本效益和更易實現的解決方案。其總體思路是：①盡可能離網滿足基本工業負荷需求；②盡可能維持平穩的工業負荷需求；③提高設備和流程的效率；④通過分時電價、可中斷服務、自動負荷管理來減少或轉移峰荷期的電量。德國造紙業的需求側響應模式分為3級，如表1所示。第一級響應最先啟動，5min后被第二級響應取代，德國工業（5分鐘級）可以響應的功率理論估計值為9?000MW，其中約700MW來自造紙工業；15min后由第三級響應取代第二級。從技術和經濟的角度來看，最令人關注的模式是第二級響應，其次是第三級響應。需要說明的是：1）正向響應指通過增加發電量和/或減少用電量來平衡功率，負向響應指通過增加用電量和/或減少發電量來平衡功率。2）造紙廠參與需求響應必須經過資格預審（通常需要幾個月的時間），以確定其響應時間和提供的功率等級。3）對于最小功率閾值的要求，可以通過服務供應商和大能源公司綁定用戶來滿足；最多只允許5家參與提供可削減負荷服務，通常一家造紙廠所能提供的可削減負荷不超過50MW。4）借助這種需求響應方式，可以實現對單獨功率和電量價格的競拍。表1德國造紙業的3級需求響應模式3級需求響應模式第一級第二級第三級在多長時間之后完全起作用30s5min15min響應效果正向或負向正向或負向正向或負向最小功率1MW5MW5MW最小有效備用供給時間12h12h4h啟動方式通過頻率控制器自動啟動通過電網操作人員的電話命令自動啟動半自動啟動競拍方式每周一次每周一次每日一次獎勵的服務內容供給的功率和激活的電能根據德國的實踐經驗，目前在提高需求側靈活性從而實現節能降損方面還存在很多挑戰。首先，來自造紙廠內部的挑戰有：①為了減少功率消耗，尤其對于那些能源消耗較大的中間產品而言，需要內部有充裕的容量和額外的儲能容量；②為了進一步提高靈活性，可能需要一定的投資（用于儲能，電熱式蒸汽鍋爐等）；③對內部生產過程（制漿，造紙或紙板）的干擾必須越小越好，然而對于第二級響應來說，15min如此短的反應時間通常是一個很大的挑戰。其次，來自外部的挑戰有：①對于每次增加（部分情況下也包括減少）功率消耗，都要支付較高的過網費以作懲罰；②在負荷變化較為劇烈的情況下，最大負荷利用小時數無法滿足至少7000h的要求，而這是對享受單獨工業用戶凈費率的最低要求；③在預測耗電量和實際耗電量不一致時，必須支付額外的平衡電量費用。為了應對這些挑戰，首先，不僅要在政治層面對工業需求側靈活性的潛力給予足夠重視，而且要在需要的時段消除監管壁壘來創造額外的電力需求，具體做法是：①修正電網價格法規，以避免用戶在協助維持電網穩定運行時受到任何懲罰，即參與響應的用戶不支付額外的過網費；②采用每日競價方式；③將提供備用裕度的最短時間減至1h。其次，對在線發電維持當前的激勵機制，以保證能夠在離網狀態下滿足工業基本負荷的需求。第三，實施需求側響應的目的應和節能降損的目標一致；理想情況下，當參與需求側響應計劃時，從電網獲取電力的能效應為100%。第四，對于監管者和電網運行人員的要求是，當用戶（如一家造紙廠）參與需求側響應時，必須能夠清楚預測其每年應被合理調度的總時數。最后，無論從技術還是流程來看，參與需求側響應都會對工業運作方式產生顯著的影響，因此必須對相關的研究、發展和創新給予大力支持。2.3?提高電網側靈活性電網側靈活性主要指改變網絡運行狀態來提高電網運行效率。在CIRED2015-RT5上，意大利國家電力公司（ENEL）介紹了如何通過對中壓網絡開關進行優化配置管理來提高運行靈活性從而降低網絡損耗的思路，以及針對米蘭配電網實現的具體案例分析。配電網多為閉環結構，開環運行，控制饋線上的常閉分段開關和饋線之間的常開聯絡開關就能改變電網的運行狀態；不同的狀態對應不同的網絡損耗，顯然提高電網側運行靈活性的目的就是找到網損最小的運行狀態。ENEL提出從工具（如配電管理系統）、算法和開關切換方案幾個角度出發提高配電網運行效率的思路。網絡優化配置是一個以網損最小為目標的優化問題，必須滿足的約束包括電壓約束、支路過載約束、變壓器過載約束、供電約束（滿足負荷需求且不能有孤島）、網絡拓撲約束（輻射狀，即不能有環路）等。要實現優化配置就需要獲取配電網的電氣量、網絡拓撲、開關狀態等數據，在配電管理系統（DMS）服務器上運行優化算法，根據結果發出控制信號對開關進行控制。其核心就是開發應用在DMS中的優化配置算法，包括最優潮流、支路交換法、人工智能算法（如遺傳算法、人工神經網絡法）和模擬退火法（SA）等。ENEL所研究的米蘭配電網案例基本情況是：中壓線路總里程14?768km，共25?014個中低壓變電站，中壓用戶數為5?892，低壓用戶數超過17萬，年供電量988?740萬kWh，優化前的初始損耗為267.5GWh/a。運行圖5所示的優化配置算法得到187個推薦開關切換方案，通過篩選得到20個相對較優的方案，篩選的原則是判斷這些方案是否滿足中性點補償系統、自動化系統、反向供電、限制故障電流、電壓等要求，是否符合用戶分布的均一性、供電質量等標準，是否適應存在不可解列的用戶、預先簽訂的操作協議等運行條件。通過驗證最終確定5個方案，僅僅通過這5個方案每年就可減少損耗230萬kWh，減損效果達到0.86%。由此可見，通過優化網絡配置能夠有效提高中壓配電網的運行效率。圖5意大利國家電力公司提出的確定最優開關切換方案算法流程接入RES對配電網運行效率的影響與降損措施3.1?接入RES對配電網運行效率（損耗）的影響分布式能源的接入使得配電網饋線中傳輸有功、無功大小和方向發生改變，從而引起配電網節點電壓分布及網絡損耗的變化。EPRI針對圖6所示的簡單算例研究了RES對配電網運行效率的影響，其中不同負荷水平下線路損耗隨RES的變化情況如圖7所示，可見接入RES的系統效率并非一成不變，而是取決于分布式電源的位置、與負荷的不平衡量以及網絡的拓撲結構等因素，因此當RES接近負荷時并不總是意味著損耗較低。在上述研究中忽略了RES設備中的損耗、RES側線圈中的損耗以及與RES互連變壓器中的損耗。圖6研究RES對配電網損耗影響的算例

圖7不同負荷水平下線路損耗隨RES的變化3.2?提高配電網運行效率的其他措施（CVR和VVO）降低配電網損耗、提高運行效率最快捷有效的措施還有降壓節能（conservationvoltagereduction，CVR）和電壓/無功優化（voltage-varoptimal，VVO）等，這些措施可以減少空載損耗、提高某些負荷設備的效率，以及實現更好的電壓無功控制。降壓節能CVR措施可以減少線路、變壓器和終端設備的損耗。EPRI的研究發現，家用電器設備運行在114–120V范圍內要比運行在120–126V范圍內消耗的能源更少。隨著測量技術和通信系統的發展，CVR漸漸成為提高智能配電網運行效率成本最低的方法。電壓/無功優化VVO是在保證電網安全可靠的前提下，通過合理的調壓措施來分配電網中的無功潮流。調壓措施既包括如投切無功補償設備、調節變壓器分接頭這樣的傳統方式，也包括如控制邊界電網（edge-of-grid）電壓這樣的新方法，后者還能夠使網絡容納更多的可再生能源。無功潮流優化后可以提高線路和變配電設備的功率因數，從而有效地減少功率損耗。EPRI對利用CVR和VVO提高系統運行效率進行了研究，發現電壓每降低1%可減少約0.8%的功率損耗（如圖8所示），因此采用CVR措施可使系統傳輸更多的有功功率。

圖8CVR和VVO在節能降損方面的作用

CVR在節能降損方面的效果用CVR因子來衡量，定義為負荷變化百分值與電壓變化百分值之比；EPRI的研究結果顯示，CVR因子隨負荷類型、季節和區域的不同而不同。由于CVR對饋線運行效率的影響相對于負荷變化較小，直接測量CVR因子是一項極具挑戰的工作。EPRI建議以月為周期測量負荷，利用回歸分析法確定功率和電能的變化量并提取其特性，據此估算CVR因子。與提高系統運行效率相關的法令和政策為實現在智能配電網中靈活高效地接入高占比RES，離不開相關的法令和政策支持。2009年歐盟委員會發布了能源碼設計指令（TheEcodesignDirective，Dir2009/125/EC），構建了一個為能源相關產品的能源效率設置最低法