面向新型配电系统柔性互联和灵活互动的分布式智能电网技术体系

唐文虎华南理工大学2025年12月8日 目录 1、研究背景与意义2、分布式智能电网的价值定位和内涵3、分布式智能电网的理论框架4、分布式智能电网的技术体系与关键技术5、展望 1.1相关政策背景 1.1相关政策背景 2024年7月29日，国家能源局发布“关于政协第十四届全国委员会第二次会议第01856号（工交邮电类265号）提案答复的函”，答复函表示： 国家能源局将加大配电网升级改造力度：制定分布式光伏相关规范：推动分布式新能源就地开发利用：推动分布式智能电网由示范建设到广泛 应用 要推进分布式智能电网等电力系统新业态健康发展，建设满足分布式新能源规模化开发和就地消纳要求的分布式智能电网，实现与大电网兼容并存、融合发展 国家能源局将指导各省（区、市）在大电网末端、新能源富集乡村、高比例新能源供电园区等区域，探素建设一批分布式智能电网项目 1.1相关政策背景 战略引领 “双碳”战略目标引领下，国家大力推进新型能源体系建设，加快推动分布式光伏、电动汽车与储能等新质生产力“新三样”发展，发挥新型经营主体在我国能源绿色低碳转型中的重要作用 1.2源荷储发展新趋势带来的挑战 （一）发电侧 分布式发电规模快速扩大：近年来新能源发电规模快速扩大，尤其以分布式光伏为代表的分布式发电呈现爆发式增长，未来我国分布式发电将成为电力供应的重要力量。2024年底，全国分布式光伏装机3.7亿千瓦， 同比增长48%，占全部光伏发电装机的42% 瓶颈与挑战 >双高三性特性逐步显现，电力电量不平衡问题凸显：高比例新能源接入、高比例电力电子设备应用“双高”新型电力系统，新能源带来的随机性、波动性、间歇性和电力电量不平衡问题凸显传统调节手段不足：传统电源侧灵活调节能力不足，断面或通道受限导致新能源消纳受限 1.2源荷储发展新趋势带来的挑战 （二）负荷侧 新型电力负荷高速发展：以电动汽车为代表的新型负荷快速发展，产消一体负荷大量涌现，与电网互动增强 瓶颈与挑战 >负荷不确定性与预测难度增大：电动汽车等新型负荷涌现，预计2050年左右，电动汽车负荷极端情况下甚至超过传统负荷之和 >智能可控能力不足：智能电表主要实现计量自动化，负荷侧智能管理和控制水平不高 》灵活性挖掘不足：现有需求响应市场准入门槛高，分布式电力市场处于起步，激励传导作用有限，用户用电与电网需求侧管理利益不相容 1.2源荷储发展新趋势带来的挑战 （三）储能 储能应用场景丰富：主要针对集中式大型储能、面向新能源消纳和系统调峰调频场景，部分省份已建立储能参与电力市场规则 瓶颈与挑战 驱需体系化架构和大规模集群调控方法：储能单元数量庞大、响应特性各异、需求多样化，储能单元组的分解调控难以兼顾 >使用效率有待提高：使用率不高，新能源配储等效利用系数仅为6.1%，储能电站能量效率为80%-85% 1.3现有配电网的发展瓶颈 配电系统的发展困境 城乡分布式光伏承载力已近饱和，大规模反送导致收益和投资受限，吸需提升消纳能力 >储能、电动汽车等资源通过虚拟电厂与电网互动频次低，成本回收难，缺之持续发展动力 1.4技术发展带来的新机遇 新一代电力电子技术与设备助力配电网安全运行与柔性互联 自动化技术显著提高管理效率：配电自动化覆盖率达到90%，配网自愈覆盖率52.75%，全国各地区基本实现了智能电表全覆盖 ◆数字化技术有效支撑透明电网：智能终端与传感技术实现设备终端信息采集，边缘计算技术实现终端侧算力增强，物联网通信技术实现边缘信息传输，南网电力全域物联网平台已接入终端规模突破100万台，提升电网的感知能力和互动能力；数字李生实现全生命周期状态评估与预测 智能化技术支撑能力显著增强：人工智能技术推动知识自动化，智算能力提升有效支撑人工智能技术发展 1.5分布式智能电网建设的必要性与意义 “双碳”目标下建设新型电力系统的重要内容 充分适应新型电力系统源荷发展的新趋势，突破现有配电网发展瓶颈 配电网是新形势下电网安全可靠供电的关键制约，需要从根本上提升电网安全可靠用电水平 把握数字化智能化技术发展带来的新机遇，形成互济平衡、柔性组网、灵活互动、智能协控的新型配电系统 目录 1、研究背景与意义 2、分布式智能电网的价值定位和内涵 3、分布式智能电网的理论框架4、分布式智能电网的技术体系与关键技术5、展望 2.1分布式智能电网的内涵与价值 分布式智能电网核心内涵是，以海量分布式资源为主体，具备较大程度电力电量自平衡能力（分布式电网）和智能化水平（智能电网）能够与大电网灵活协同的配用电网络 分布式电网一一相对于集中统一的大电网，以分布式资源为主体，具备相对独立运行能力 智能电网一一当前配用电系统的智能重构，数字化、柔性化、智能化升级，全面可见、可知、可控 关键特征 互济平衡 电力就地自平衡分层分区自组织分布式协同互济 唐文虎，黄文威，郭采珊，荆朝霞，郭琦，徐敏，袁智勇，李立涅，分布式智能电网的理论发展与技术体系，电网技术，Pp.855-867，49（3），2025.3 2.2分布式智能电网的属性 分布式发电、分布式储能、分布式以分布式单元为基本单位，海量分主动配电网、分布式微电网、分布式能源用户等，规模大，分布散 布式单元柔性、对等、分层集群地组织在一起形成分布式智能电网 互济平衡技术 技术属性 各个集群充分利用自身资源，运用储能调控、柔性互联等技术实现电力电量的快速协同互济 多个集群实现对整体系统状态的分布式感知，相互协作并共同完成整个系统的优化与控制目标 依托先进测量、物联网、天数据、人工智能等技术实现灵活智能的调控运行，具有自学习的特征 发展目标：清洁低碳 重要目标：经济高效 核心目标：安全充裕 推动能源低碳转型提高终端部门电气化率减少碳排放 提高系统运行效率与经济性降低对基础设施建设的要求提升系统运行灵活性 提高供电可靠性提升系统韧性保障信息安全 2.3与其他相关电网概念的区别 分布式智能电网是在主动配电网的基础上进一步朝着互济平衡、柔性组网、灵活互动、智能协控 发展的新型电力系统配电网，在提高接纳新能源和多样化负荷的承载能力和灵活性 2.4分布式智能电网组织架构 组织方式 网架结构 控制框架 单元控制器进行自律优化控制，集群控制器协调分布式单元进行协同优化控制 以“柔性环网”为基本网架形态，采用“合环设计，柔性互联运行”的思路 分布式单元是进行潮流组织的基本单位，多个单元可以组成分布式集群 “分布式自律-集中协调”控制框架 目录 1、研究背景与意义2、分布式智能电网的价值定位和内涵 3、分布式智能电网的理论框架 4、分布式智能电网的技术体系与关键技术 3.1分布式智能电网的理论与科学方法 3.2分布式智能电网的理论示例 （一）分布式智能电网建模理论难点 》不确定性因素增多：源荷不确定性及多元主体博奔等，给传统基于确定性准则的电力系统建模带来前所未有的挑战组成对象复杂，机理不明晰：建模对象拓宽至电网以外的大量第三方主体，对象种类繁多、运行特性迥异、机理不明晰 建模思路：分层建模 分布式单元内部元件建模方法：采用混合驱动建模法，结合物理模型和数字李生技术，形成一个与实际系统同步更新的虚拟副本分布式单元的划分方法：构建典型计算场景，以分布式单元间平均电力传输功率、波动性程度等为目标函数进行多自标优化分布式单元集群的划分方法：建立反映集群效应强弱的多维指标，并根据指标实时动态优化集群划分策略 3.2分布式智能电网的理论示例 （一）分布式智能电网建模理论 问题：构建能源细胞标准单元和实现能源细胞集群的动态划分建立具有自治平衡和柔性互联属性的能源细胞数学模型，研究能源细胞的动态划分与聚合机制，提出基于能源细胞的分布式电力网络的数学建模及其高效求解方法 3.2分布式智能电网的理论示例 （一）分布式智能电网建模理论 问题：能源细胞基本单元的标准化结构设计与数学建模能源细胞作为分布式智能电网的基础单元，因资源赋迥异而具备差异化功能。为实现柔性互联与协同优化，需构建标准化的单元结构与统一的数学模型，规范其输入/输出接口、内部功能结构层次以及对外交互规范 3.2分布式智能电网的理论示例 （一）分布式智能电网建模理论 问题：能源细胞基本单元的反馈选代式最优划分方法面对分布式智能电网结构复杂、设备众多、控制异构等特点，需通过网络划分实现系统降维，并以电力电量自平衡的能源细胞形态开展分布式运行，结合实时状态评估实现能源细胞边界的最优动态调整 划分选代更新 评价指标： 灵活资源利用率细胞能量自给率新能源就近消纳率鲁棒灵活性潜力能量互济耦合度 3.2分布式智能电网的理论示例 （二）分布式单元协同理论 分布式感知 分布式优化与控制 对偶分解算法最优性条件分解算法基于等值的多区域分解协调算法多智能体强化学习 分布式平均共识算法一致性算法分布式最小二乘估计多智能体协作滤波算法... 分布式态势感知：基于分布式感知网络理论部署广泛的传感器和采集设备，形成庞大的感知网络，各分布式单元通过边缘计算等方法初步处理传感网络的实时信息 分布式优化与控制：通过多源信息融合、虚拟场景推演等方法表征源网荷储各类要素不确定性，通过分布式优化通过将全局优化问题分解成多个局部问题，并在各子系统之间协调实现寻优以制定各分布式单元的调控策略 3.2分布式智能电网的理论示例 （二）分布式单元协同理论 问题：能源细胞的灵活性表征及其聚合空间的最优估计方法基于风险概率与机会约束刻画各类资源的灵活性，构建概率多胞形并进行聚合结合上下包络线线性逼近与聚合空间优化，实现对能源细胞内灵活资源聚合空间的高效估计 3.2分布式智能电网的理论示例 （二）分布式单元协同理论 问题：基于异质自适应交替方向乘子法的能源细胞集群协同优化模型求解方法分布式智能电网中，能源细胞数量众多、决策分散，局部与全局利益容易产生冲突导致协调优化困难。需在保证自治性的同时，协调运行状态并自适应调整参数变量实现高效的协同优化求解 3.2分布式智能电网的理论示例 （二）分布式单元协同理论 以电网线路的潮流模型为例： 问题：灵活组网条件下能源细胞集群的分布式协同运行优化组网形式不确定性下，能源细胞分布式协同运行优化问题非凸，难以求解；考虑多主体、异质性、不确定的边界约束，将该问题松弛为凸优化问题，并利用割平面渐次收缩法，在保障计算精度前提下求解一系列凸问题并实现优化 目录 1、研究背景与意义2、分布式智能电网的价值定位和内涵3、分布式智能电网的理论框架 4、分布式智能电网的技术体系与关键技术 5、展望 4分布式智能电网的技术体系与关键技术 （一）分布式智能电网的技术体系 4分布式智能电网的技术体系与关键技术 （二）分布式智能电网的关键技术示例：组网技术 直流配电技术：通过电力电子装备柔性互联装置实现配电网交流到直流或交直流混联的转变，解决传统交流配电网中直流负荷供电需要经过多个电能变换环节带来较多损耗的问题，需研究直流配电网关键设施及多元化电源、负荷接口典型设计技术，研制直流配电系统保护、测控制一体化装置 智能软开关：通过灵活配置和动态调整电力系统的拓扑结构和运行方式，以应对不断变化的电力需求和供应条件。需研究多样化的智能软开关的拓扑结构与运行模式，及其对应的一次网络结构与运行模式，以满足新型配电系统的灵活控制需求 小微智能传感器：智能传感器是具有内置处理能力和通信功能的传感器，能够在采集数据的同时，对数据进行初步处理和分析，并通过网络传输数据。重点关注通过采用新的物化效应、芯片技术等，实现传感器小型化、微型化变革，兼有信息检测、信息处理、信息记忆与逻辑判断智能化功能 4分布式智能电网的技术体系与关键技术 （二）分布式智能电网的关键技术示例：组网技术 问题：柔性配电网的典型拓扑形态与技术特征柔性配电网的拓扑结构依据其应用场景和功能需求，可以划分为多类，