第35卷 第6期 2015年3月20日 中 国 电 机 工 程 学 报
Proceedings of the CSEE V ol.35 No.6 Mar.20, 2015
2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1289
(2015) 06-1289-10 中图分类号：TM 85 DOI ：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.06.001 文章编号：0258-8013
未来配电系统形态及发展趋势
马钊，周孝信，尚宇炜，周莉梅
(中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192)
Form and Development Trend of Future Distribution System
MA Zhao, ZHOU Xiaoxin, SHANG Yuwei, ZHOU Limei
(China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China)
ABSTRACT: Based on the current research hotspots of power
grid technology, this paper discussed the future shape and development trend of power distribution system. Firstly, differences of traditional and future distribution network are illustrated. The shape of future distribution system is studied in five aspects, including the pattern, structure, operation mode, Cyber-Physical System, and the energy internet. Secondly, the development trends of energy structure, industry & technology, and policy reform, are further analyzed to evaluate the development trend of future distribution system. Finally, eight main key research areas and three major suggestions are summarized to support the construction of future distribution system in China.
KEY WORDS: future distribution system；Energy Internet；form ；development trend
摘要：基于国内外电网技术的研究热点，探讨未来配电网的形态和发展趋势。首先，在阐释传统配电网和未来配电网区别的基础上，从未来配电网的格局、结构、运行模式、物理信息系统、能源互联网等5个方面，探讨未来配电系统的形态；然后，分析了能源结构发展，产业技术驱动，政策、体制改革等3个方面的趋势，进而综合评估未来配电网的发展趋势。最后，总结8项主要关键研究领域，并从政策和技术角度提出了支持我国配电网发展的3点建议。 关键词： 未来配电网；能源互联网；形态；发展趋势
电力的输送和分配的智能电网，成为能源、电力、信息综合服务体系的支撑平台[5-6]。
配电网是支持需求侧响应管理，承载大量分布式发电(distributed generation，DG) 和电动汽车等分布式能源(distributed energy resources, DER)的重要平台，是推动智能电网建设、解决能源危机的关键环节[7-8]。然而，传统配电网的运行模式基本是以供方主导、单向辐射状供电为主，在配网的规划设计阶段和运行管理中，均未考虑DER 的接入。随着DG 接入量的不断增加，电动汽车的快速普及，可控负荷的持续增多，现有的配电网架构已经很难满足用户对环境保护、供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。DER 所具有的随机性，波动性和分散性等特点，将促使配电网发展成为潮流双向流动的、智能化的新型配电系统[9-11]。
针对所面临的这些主要问题和挑战，未来配电网的结构和运行模式将发生怎样的变化，它的发展趋势如何，哪些关键技术将支撑未来配电网的智能化运行，这些问题是当前电力行业备受关注的问题[12-13]。
本文针对国内外电网技术的发展潮流和研究热点，着重对未来配电网的形态和发展趋势进行探讨。首先，在阐释传统配电网和未来配电网区别的基础上，从未来配电网的格局、结构、运行模式、物理信息系统、能源互联网等5个方面，探讨未来配电系统的形态。然后，从能源结构发展，产业技术驱动，政策、体制改革等3个方面的趋势进一步综合评估未来配电网的发展趋势。最后，总结8项关键研究领域，并从政策和技术角度提出我国配电网发展的3点建议。
0 引言
化石能源的枯竭，温室效应和环境污染的日益 严重，严重威胁了人类社会的可持续发展。为了改变旧的、粗放式、不可持续的能源生产与消费模式，一场以发展可再生能源和优化能源结构为主题的能源革命正在全球范围内积极展开[1-3]。电网作为承载能源革命的基础性平台，对能源革命具有重大的推动作用[4]。未来的电网将发展成为大规模新能源
基金项目：国家电网公司科技项目(PD71-14-041)。
Project Supported by State Grid Corporation of China Research Program (PD71-14-041).
1 未来配电网形态
1.1 传统配电网与未来配电网的区别
图1示出传统配电网和未来配电网的主要特
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图1 传统配电网和未来配电网示意图 Fig. 1 Schematic diagram of traditional and future
distribution network
征
[14-17]
。传统配电网的职能较为单一，它与输电网、
用户之间是自上而下的单向供需关系。具体而言，大型发电厂生产电能，通过输电网进行远距离输送，再经过配电网配送至用户端。
随着可再生能源和分布式能源的不断渗透，以分布式可再生能源和微电网为重点的多元电力供应系统将逐渐改变传统配电网的形态。与传统配电网相比，未来配电网的主要变化为：1）具有间歇性和随机性的分布式能源接入配电网的容量不断增加，包括分布式发电和储能等；2）具有不确定性的、分散的用户可通过需求响应、智能电表和多种控制仪器调整自身的用电行为。对电网而言，分布式能源的接入将使配网自身以及输、配网之间产生双向的功率流动；用户的不确定性，以及负荷所具有发电和消费电能的双重身份，将使未来配电网与输电网和用户之间形成双向、互动的供需关系。因此，未来配电网将发展为兼容多种发电方式和新技术，支持可再生能源发电、电动汽车充放电及其他储能装置的灵活接入和退出，实现需求响应资源的优化管理和控制的配电系统[18-19]。
然而，我国配电网长期以来发展相对滞后，无论网架结构还是自动化水平都不能满足大量间歇式能源接入后的稳定运行，主要表现在：潮流双向流动带来源网双端不确定性；负荷双重角色导致配网调控能力不足；分布式能源的逐步渗透可能严重影响电压水平、短路电流和可靠性等。所有这些将导致配网结构、管理和运行模式等方面的重大变化，对配网造成深远影响。因此，分析探索配电网结构和相应的运行模式是研究未来配电网的基础和核心，是应对传统电网存在的问题和解决面临挑战的重要手段。
1.2 未来配电网架构和格局
未来配电网的发展方向，对配电系统提出了多方面的高级要求。未来配电系统的架构及格局的主
要特征为[6
，20-24]
：1）大电网和微电网相辅相成、协
调发展的格局；2）多个电压等级构成多层次环网状的主要网络结构；3）交直流系统并存的混合运行方式；4）配电系统与信息系统高度融合的物理信息网络；5）融合多元能源、实现供需互动的能源互联网。
1.2.1 大电网和微电网相辅相成、协调发展的格局
未来电网将呈现大电网和微电网并存的格局。这一特征主要是由能源分布、电源结构和电网自身的结构决定。一方面，电力资源与负荷中心的地理分布不匹配，而可再生能源在广域范围具有良好的时空互补性，发展一个规模适当的大电网是十分必要的。以我国为例，文献[6]在量化分析电力需求量、电源结构、电力流的基础上，提出未来我国的电网将继续维持“西电东送”、“北电南送”的输电模式，逐步由目前以水电和煤电为主的大容量远距离输送模式，发展为水电、煤电、风电、太阳能发电等多种电力资源协同输送的模式。另一方面，在配电网侧，就地利用资源的分布式发电和面向终端用户的区域电网和微型电网将会大量出现，充电汽车及其他储能装置等将大规模存在，未来配电系统可能划分为多个独立运行的控制区域，可接有不同规模的虚拟电厂和微电网等。因此，以可再生能源发电为重要特点的能源革命，使电力生产和输送的模式从传统的集约式生产、大规模输送，转变为集约式生产、大规模输送与分布式生产、就地消纳相辅相成的模式，从而形成大电网和微电网并存的格局。 1.2.2 多个电压等级构成多层次环网状的主要网络结构
现有研究和实践表明，分布式能源(DER)并网将对配电系统的控制引入以下问题[23]。首先，在传统电网中，发电机主要以同步式发电机为主，其自身具有惯性、具备频率调控能力。然而未来配电网中，大量DG 将主要通过逆变器并网发电，此类电源的频率调节能力较弱。此外，DER 的波动性、随机性大大增大了配网电压控制的难度。为了尽量减小DER 对当前配网的影响，众多学者研究了在给定配网辐射状拓扑的基础上，对DER 接入地点和最大容量进行限定的方法[24]。尽管这种方式缓和了日益增长的DER 容量与现有电网之间的矛盾，延迟了对当前配电网结构的改造投资，然而却无法承载大量DER ，也不符合未来配电网的发展目标。国外研究表明，采用灵活可控的环网状结构，可实现对DER 进行灵活调度和管理，实现大量接纳、优
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化配置、充分利用不同类型DER 。此外，一旦局部发生故障，可通过有效的隔离手段和网络重构手段，使配电网受到最小的影响。环状网络对提高系统运行可靠性、优化电能的配置、提高资源利用效率均具有促进作用[25-26]。因此，将传统的辐射状配网发展为环形网络，是应对DER 大量接入的重要方式和必然趋势。由于配电网具有多个电压等级，相应的环状结构将具有多层次性。具体的，可将配电网分为高压配电网、中压配电网和低压配电网3个层次。相邻各层次之间、同层次不同区域之间均可实现互联。因此，虽然未来配电网的典型结构尚未有标准，但多个电压等级构成多层次环网状结构值得关注，很可能将成为未来配电网的主要网络结构。 1.2.3 交直流混合运行方式
由于分布式电源、储能设备和负荷中存在大量直流设备，未来配电系统将从传统单纯的交流配电网络进化成交直流混合的配电系统。直流配电网的发展，主要受到以电力电子技术为支撑的分布式能源和负荷的驱动。通过与交流电网进行对比分析，直流配电网在输送容量、可控性以及提高供电质量等方面具有更好的性能，可以快速地控制有功、无功功率，减少电力电子变流器在直流驱动型的发电或用电设备中的使用，协调大电网与分布式电源之间的矛盾，有效地提高供电容量与电能质量，降低电能损耗和运行成本，充分发挥分布式能源的价值和效益，提高能源利用率[27]。此外，直流电网不存在交流电网固有的稳定性问题[28]。因此，兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流配电网具有巨大的市场潜力和经济价值。基于上述原因，一些国家已积极开展了交直流混合配电网的相关研究，并取得了阶段性的成果。美国弗吉尼亚理工大学CPES 中心提出了交直流配电分层连接的混合配电系统结构[29]，在该结构中，交流配电网与直流配电网混合存在。根据电压等级，将配网依次分为子网、微网、纳网、皮网，上述网络单元之间通过电力电子装置进行互联。美国北卡罗来纳大学于2011年提出了“The Future Renewable Electric Energy Delivery and Management (FREEDM)”系统结构[30]。该系统包含有 DC 400 V 直流母线和AC 120V交流母线的即插即用接口；中压配电母线采用12 kV交流线路。直流配电网的主要作用是集成分布式电源单元、分布式储能单元及直流负载等。此外，从2008年起，英国、瑞士及意大利等国开展了“Universal and Flexible Power Management (UNIFLEX)”项 目[31]，旨在通过混合的配电网络实现对DER 进行灵活接纳和管理。上述研究成果均表明，由传统的单一交流配电网络逐步发展成交直流混合的配电网络，有助于形成交流和直流系统的优势互补，提高配电系统的控制灵活性和运行可靠性。
上述3点特征相结合，配电网的运行方式将很可能发展成分层分区运行与总体协调互动相结合的方式，便于在更大区域和范围内实现资源的优化配置，实现对区域电能的灵活消纳和调度。 1.2.4 物理配电网与信息系统高度融合
智能配电网的一个重要基础，是通过新的计算、通信和传感技术，实现信息系统和电网中一、二次设备之间紧密的融合协作[32]。其中，物理电网相当于人的躯干，而信息系统则相当于神经系统，二者的有机结合才能发挥最优效用。为了实现这一目标，国内外纷纷开展了高级量测体系(advanced metering infrasturcture，AMI) 的研究和实践[33]。该体系主要由安装于用户端的智能电表，通信网络和位于电力公司的量测数据管理系统以及用户户内网络构成，主要用于对用户用电数据的采集，以及实现用户与电力公司的互动。我国的用电信息采集系统主要采用“主站–采集终端–智能电能表”3层逻辑架构[34]。通信信道主要包括光纤信道、GPRS/CDMA、无线公网信道、无线电力专用信道等。当前，国内的大多数AMI 只支持计量业务或电表读取，尚未支持其他业务，也无法利用其他已有的通信网络。实际上，不同业务之间的“信息孤岛”问题普遍，这无法满足未来配电系统对大量实时性的数据的管理需求。为了解决上述问题，基于Internet Protocol (IP)网络体系结构的量测体系受到了学术界的重点关注，并开始了兼具开放、互联、兼容和安全特性的信息网络体系的研究[35]。
在信息网络体系研究的基础上，为了进一步深度融合物理电网与信息系统，通过计算、通信和控制技术实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，信息物理系统(cyber-physical system，CPS) 在近年来得到了学术界的广泛关注和重视[36]。一种典型的电力CPS 结构是，各种嵌入式设备对本地一次设备进行控制，控制中心通过在线调整控制系统参数，并在必要时直接控制物理设备来协调整个配电系统运行。基于这一结构，有学者提出“配电网信息物理融合保护系统(Cyber-Physical Distribution Network Relaying Protection System)”作为下一代配电网保护系统的基本架构，包括嵌入式
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计算设备、实时通信网络、电子式互感器和智能开关设备，实现保护之间信息交互与协作，最大程度地保证系统的可靠性[37]。
然而，需要注意的是，单纯的强调信息化建设不一定能发挥系统的最大效能。优化电网的结构和运行模式、提升电气设备性能，以及采用新功能的设备，可能对于解决电网问题更为有效可靠。仍以配网保护为例进行说明。基于信息与通信的保护可以利用全局信息，实现更准确更可靠的保护。然而，当通信系统发生故障时，将导致保护拒动甚至误动。因此，发展具有自适应功能的保护设备，提升基于本地信息保护的技术性能，有助于实现保护自身的价值最大化，提高电网的安全可靠性和综合效益。文献[38]在已有的电流速断保护基础上，研究了当逆变器型DG 接入配网的地点和出力变化时的自适应电流速断保护，在不需要通信手段的基础上，提高配网的保护性能。
因此，物理配电网与信息系统高度融合，不仅仅是在物理系统的基础上提升信息化程度，而应当在改进电网物理结构和提升信息化程度之间取得平衡。
1.2.5 融合多元能源、实现供需互动的能源互联网
为了解决电力系统目前面临的挑战，能源互联网应运而生，这也是现代信息技术与可再生能源相结合的产物。能源互联网为解决可再生能源的有效利用问题，提供了可行的技术方案。能源互联网是以互联网技术及其他信息技术为基础，以分布式可再生能源为主要一次能源的网络系统。在能源互联网中，发电设备、电网设备、用户之间能够进行实时的信息交换。通过系统侧和本地侧的协同管理，实现对电、天然气、太阳能、风能、生物质能、冷热电联供、煤气化生产、地热、储能(包括电动车) 等能源的综合规划利用，以最佳方式保障能源稳定供应。并根据不同消费载体的能源用量、时间段、使用形式等，将天然气、电能转化为汽、电、热等能量，实现能源的优化补给和调度。以近年来不断发展的冷热电联供为例，分布于用户端的发电机在发电过程中，通过各种余热利用设备对余热进行回收利用，从而实现系统效率最优和能源价值最大化利用。能源互联网以大量分布式可再生能源为能源生产主体，终端对象是具备产生电能和使用电能双重身份的用户。这两个因素决定了配电系统是能源互联网建设的关键。为了满足能源互联网体系的需求，配电网应当提供以下3个功能：1)DER 的即插
即用(plug and play)功能。当用户并网或离网时，配网能够识别用户的状态和属性，并对用户做出相应的配置。2）信息交互功能。当用户向配网发出服务请求时，配网能够作出响应并提供相应服务。3）能源管理功能。配网能够适应分布式能源和用户之间复杂的随机特性，实现多种能源的动态管理和优化，保证系统的可靠运行和经济利益最大化。与此同时，能源互联网可以通过节能环保和信息消费的跨界融合，提供更多的服务，衍生出新的商业模式、新的服务方式、新的产业形态。
图2示出一种能源互联网结构示意图。能源互联网的核心是交易与决策中心，该中心分别与数据和信息管理系统，以及能量管理与调度系统进行实时、双向交互。其中，交易与决策中心通过数据和信息管理系统，统筹管理全局信息，并根据所收集的信息开展系统仿真和分析；通过能量管理与调度系统，实时管理并灵活调度不同区域、不同类型的DER 。能源互联网通过信息网和配电网与分布式的本地系统实现互联。在本地系统中，分布式电源、储能和负载可接入即插即用(plug and play)式总线，进而接入配电网络。能源路由器与本地设备进行实时、双向通信，并对本地设备进行管理。在本地系统中，能源路由器是管理不同本地设备、共享本地电力信息的关键。它既接受上级的调度命令，通过稳定控制手段和负荷管理策略，确保本地并网设备的安全可靠运行；同时，能源路由器还负责实时收集本地电力信息和用户需求，通过唯一的“IP”地址将本地信息上传至能源互联网，实现本地信息的互动和共享。在能源互联网中，通过交易决策中心和本地能源路由器的协同控制，可实现集中与分布相结合的高效能量管理与调控。同一区域之间、不同
图2 能源互联网结构示意图
Fig. 2 Schematic diagram of internet of energy
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区域之间的发电与用户将实现信息交互，并且在需求与价格规则的双向约束下达成协议，形成高效的供需互动，通过储能装置实现灵活的能量管理，满足系统出力与负荷的动态平衡。
能源互联网的实现将改变传统的能源管理与调控方式，引入新型的电力市场和商业模式。针对能源互联网的研究，始于2008年，一些国家如德国、日本已经开始小范围实践。试点项目已经在相关技术和运营方式上取得了阶段性的成果。例如，德国的库克斯港eTelligence 项目主要研究风力发电和供热系统的优化利用、莱茵–鲁尔E-DeMa 项目侧重研究调动消费者同时成为发电者和消耗者 等[23,39-40,44]，在确保分布式能源可靠并网的基础上，按照电力市场运行的目标对并网的分布式能源进行管理和调控，取得了更高的能量利用效率。
国内也有部分高校，研究单位密切关注能源互联网的研究，但相关研究大都处于起步阶段。
综合上述5个方面，未来配电网将支持大量分布式可再生能源，实现智能化运行和一体化信息管理，成为能量流、信息流、业务流融合的能源互联网，为用户提供实时交易和自由选择，实现能源供需模式的科学平衡。然而，这一发展目标受到技术、经济、体制和政策等多方面因素的综合影响。因此，有必要结合能源结构发展、产业技术驱动和政策体制改革等3个方面的趋势，进一步综合评估未来配电网的发展趋势、机遇和挑战。
2 未来配电网发展趋势
2.1 能源结构发展趋势
当前，寻求清洁、可持续的替代能源是大势所趋、势在必行。能源结构的发展受到社会、政治因
素，经济成本因素和能源技术发展的综合影 响[41-42]。一方面，国际碳排放交易体系正在加速形成和稳健发展，化石能源在能源结构的比重将逐步减少。另一方面，风能、太阳能、水能、生物质能、核能等可再生能源和新型能源发展潜力巨大，发展势头迅猛。在这些能源种类中，核能是一种近乎零排放的清洁能源，核能的利用形式包括核裂变能和核聚变能两种，将可能经过长期发展而成长为主要能源之一。但核裂变能的原料属于有限资源，其利用存在安全风险，核废料的处理也较为复杂。2011年日本福岛核泄漏事件对全球核电站的发展打击重大。德国总理默克尔曾表态，核能在现阶段充当其他可再生能源成熟前的“过渡技术”，最终德国将
放弃核电。当前，核聚变能的应用前景尚不明确，国际热核聚变堆(international thermonuclear experimental reactor，ITER) 计划到2050年前后才能开展商业性受控热核聚变发电的示范电站。因此，核能在近几十年中难以发展成为主导能源。
风能、太阳能等可再生能源是可持续发展的绿色能源，开采量巨大，发电技术较为成熟，并网容量逐年快速增长。同时，随着技术和市场的进一步发展，可再生能源发电的单位成本呈现出呈逐年下降的趋势。据预测，我国到2020年，风电与煤电上网电价相当，光伏发电与电网销售电价相当[42]。
在政策方面，大力发展可再生能源已经成为众多国家能源发展的重要战略。德国政府通过制定激励性政策，积极加快推进使用可再生能源发电。预计到2020年可再生能源的发电比例将至少从现在的16.5%提高到34%。国际能源署(IEA)预测，到2015年，可再生能源将成为全球第二大电力来源，并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发电量。我国也不断深化可再生能源发展。国家发改委《能源发展战略行动计划(2014—2020年) 》明确指出要大力发展大型风电基地，同时，以南方和中东部地区为重点，大力发展分散式风电，到2020年风电总装机容量达到2亿千瓦。对于太阳能发电，将有序推进光伏基地建设，并加快建设分布式光伏发电应用示范区，鼓励大型公共建筑及公用设施、工业园区等建设屋顶分布式光伏发电。到2020年，光伏装机将达到1亿千瓦。此外，国家还积极引导发展地热能、生物质能等其他类型的可再生能 源[42]。由于可再生能源的主要利用方式是电能，因此，以可再生能源为核心的多元电力供应结构是能
源结构发展的趋势。 在这一背景下，未来的能源供应体系、产业技术发展和政策、体制改革将呈现以下趋势：1）能源供应环节将逐步形成绿色环保、节约高效、安全可靠的能源品质，多元发展的能源结构和多轮驱动的能源供应体系；2）产业技术的发展将以绿色低碳为方向，以主动配电系统等关键技术为重点，利用先进的调控手段应付日益增多的分布式电源与各种复杂的用户终端负荷。未来配电网的结构改变将带来大量的科技创新机遇，高效的产业和商业模式有望实现重大突破和创新；3）政策体制方面，将逐步构建有效竞争的市场结构和市场体系，政府将通过建立健全电力规划设计体系和能源法律体系，促进电力发展及管理机制实现科学化、标准化、
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法制化、市场化。近期，国家发改委决定在深圳市开展输配电价改革试点，就是深化电力体制改革、推进电力市场化的一项重大举措。 2.2 未来配电系统的属性和特征
为了应对新形势，未来的配电网应当具备下述5方面的属性：1）包容性：具备灵活接纳各种分布式能源接入电网的特性；2）开放性：支持多种电源、储能装置、电力电子设备和多元用户的参与；3）系统性：具备统一管理、发布自治、协调优化资源的系统能力；4）广泛性：实现对数量庞大、随机性强的分布式能源和电力用户的统筹管理；5）互动性：能实现系统与用户、用户与用户之间的互动和信息共享。
相应的，上述属性要求配电网呈现以下技术特征。1）测量数字化：利用先进的传感技术进行数字化测量，为实现信息化打下基础；2）控制网络化：对配网各种设备、分布式能源实现基于网络的控制和管理；3）状态可视化：使设备状态和电网运行状态可观测；4）功能和结构一体化：优化配网设备功能，实现设备与系统的有机结合；5）信息互动化：信息网络与物理系统高度融合，实现调度、设备运管及用户之间的互动。
为了适应未来配电系统的特征，电网公司也将逐步从目前输配电资产投资和运营管理企业，转变为以输配电资产投资和运营管理为基础，主动协调控制可再生能源和主动负荷，同时具备提供优质信息服务功能的企业[23,44]。
综观能源结构和产业技术的发展，以及政策、体制改革的趋势，未来配电系统的发展趋势是，建立横向协调、纵向贯通、目标统一、能安全高效协调分布式可再生能源和主动负荷的物理信息网络的现代配电系统。展望未来配电系统的市场模式，以分布式为主要特点的大量电源点及用户，将在需求与价格规则的双向约束和信息的双向流动下，自洽达成协议的调度模式，实现系统出力与负荷的动态平衡。未来的能源互联网，将是以绿色能源结构为主体，集成天然气、交通等系统的多元、庞大、复杂网络；其市场将是以电力系统为核心，互联网技术为基础，产能用能一体、资源配置高效为特征的全新组织形式。
3 关键技术及建议
未来配电系统的建设是一个具有高度非线性和随机性的复杂系统工程。为建设现代化的配电系
统，迫切需要把握时机，制定科学的发展战略，并在关键技术领域实现突破。本节总结了8项主要关键研究领域，并提炼了我国配电网发展的3点具体建议，以供参考[6,14,45-49]。 3.1 关键技术
本小节提炼了8项重要研究方向，并在每项研究方向中，简要列举了具体的技术内容。
1）综合资源和运行的规划技术。
开展综合资源规划和运行技术的研究，实现横向电源互补，纵向源网荷协调，在维护系统安全稳定运行、保证供需实时平衡的基础上，提高系统总体经济效益。开展含分布式能源的网络分析与评价，配电系统与通信网的融合及优化规划，综合可靠性、风险和经济性分析的模型和仿真工具的研发。
2）新能源发电、储能技术和智能装备技术。 研究集中式或分布式新能源友好接入电网的技术；研究可提供短时较大功率的储能技术，以及可用于系统调峰、支持大规模可再生能源并网的储能技术；研究提升设备状态感知功能和信息传输功能的智能装备技术。
3）用户侧需求响应管理技术。
研发将用户需求响应和业务目标相关联的技术平台。开展智能化、互动化量测技术研究，高级量测体系研究，数据聚合模型及分析方法研究和大数据的相关研究。
4）信息通讯技术(Information Communication Technology ，ICT) 和电力系统的协调仿真分析技术。
研究可实现计算工具和资源共享，全局智能与分布式智能相统一的技术方案。研究建立具有高速、双向、实时的电力无线宽带通信网络，开展“云计算”的研究，实现大量分布式电源、储能、微电网的灵活接入和控制。
5）主动配电系统技术。
在控制技术方面，研究新型配电网的控制管理系统，实现分布式能源和负荷的主动管理和优化控制，研究基于网络设备和分布式能源相结合的控制方案。在保护方面，开展自适应保护技术，集成保护技术、广域保护技术的研究，适应分布式能源间歇性出力的特点，适应分布式电源和微网的并网运行和孤岛运行两种运行方式。
6）直流配电和微网技术的研究。
开展中低压直流配电和微网技术的基础理论研究，开发新一代智能配电设备，如大容量双向/多向换流器，直流断路器(DC breaker，DCB) ，配电
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静止同步补偿器(distribution STATCOM，DSTATCOM) 、有源电力滤波器(active power filter，APF) 、 动态电压调节器(DVR)、短路电流限制器(short circuit current limiter，SSCL) 、固态断路器(solid state current breaker，SSCB) 、固态电源切换开关(solid-state transfer switch， SSTS)、统一电能质量调节器(unified power quality controller，UPQC) 等技术和设备。研发新型电力电子设备如：软常开开关设备(Soft Normally Open Pont SNOP)，通过控制连接馈线上的有功潮流和无功潮流，以实现平衡功率、改善电压、负荷转供、限制故障电流等功能。
7）新材料。
研发高性能的电极、储能、电介质、高强度质子交换膜和储氢材料，高性能的超导材料，纳米复合材料，新型绝缘材料，新型铁磁材料，电力传感器材料等。
8）多能源互联网(multi energy resources internet) 。
研究电、气、太阳能、风能、生物质能、热电联供等与智慧城市和智能生态城镇相结合的能源综合规划与利用的技术。目前，能源互联网的相关研究还在起步阶段，不同企业和机构对于能源互联网也有不同的定义。首先应当从战略高度上认识能源互联网的发展，明确能源互联网核心属性，开展能源互联网基本架构、战略规划研究；以统一标准设计并保证电力系统和网络的安全可靠；确定重点技术发展方向、然后组织优势资源，集中兵力，产学研协同攻关，建设示范工程，逐步积累经验。 3.2 发展建议
当前，欧洲、北美部分国家的配电网建设效果初显，对我国的配网建设具有指导价值。针对我国国情和地域之间的差别，应当有计划、有步骤地制定科学、合理的发展政策，综合利用多种科技创新成果和灵活的管理控制方式，协同攻关未来配电网的技术难题。
1）结合我国国情，制定科学、合理的发展 政策。 政府有关部门应从全局、方向、战略高度制定指导性政策，引导可持续发展的财政支持和政策导向，开展交易与决策机制、能源管理与调度策略、数据与信息管理系统、完成能源互联网技术和产业发展体系研究。例如逐渐以基于负荷和基于时间段的终端客户收费取代按固定价格的电、气收费。以动态的、市场导向的交易促生能效更高的价格体制。
改变单纯的依赖高成本、高补贴的发展模式，避免“技术引进–落后–再引进–再落后”的恶性循环。
应结合不同地区的可再生资源种类和特点，以及具体的负荷情况，合理开发集中式和分布式可再生能源。超前引导、部署分布式能源的发展策略和发展规模，形成优化的能源结构，因地制宜。
应建立健全管理体制，完善考核激励制度，制定合理的市场准入政策，加强市场管理，规范市场秩序，不盲目投资，促进电网企业实现企业自身效益和社会总体效益最大化。
在自主技术创新和提升核心竞争力方面下大力气，紧密结合我国配电网的具体形态和所承担的任务，既围绕智慧城市和智能生态城镇、城乡一体化建设进行网络优化布局，满足快速增长的负荷需求和电能质量要求；又支撑分布式可再生能源的逐步高渗透，实现绿色节能。针对资源分布和地区差异，明确交流配电网、直流配电网、微电网的定位和边界条件，合理有序的进行试点工程建设和发展，按照不同区域、不同发展阶段设立相应的差异化标准。
2）规划先行，开展大数据背景下智慧城市的综合资源规划(Integrated Resources Plan Under Big Data and Smart Cities)和能源互联网的研究与实践。
积极开展研究与实践工作，通过能源互联网将发电设备、电网设备和用户进行互联，进行实时信息交换，实现横向电源互补，纵向源网荷协调，提高系统总体经济效益，同时保证供需实时平衡，维护系统安全稳定运行。
3）综合利用多种科技创新成果和灵活的管理控制方式，协同攻关技术难题。
既要投入改造电网的自动化和信息化程度，又要综合利用发电调度、需求侧集成、无功功率优化控制和网络重构等技术手段，共同确保配电网的安全、优化运行；既要优化调整电网的结构和运行方式，又要注重电气设备的性能改进和功能创新，协
力提升配电系统综合性能；既要积极开展新材料的
研发，又要重视具备自适应功能的电力设备、保护
设备和其他新技术的研发，共同提高配电网的可靠性；既要加强信息通信技术在配网的应用，又要注重发展电力系统的协调仿真分析技术，提升未来配网的准确、快速、灵活管理决策能力。
4 结论
1）配电网是支持需求侧响应管理，承载大量
1296 中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
可再生能源和电动汽车等分布式能源的重要平台，是推动智能电网建设，解决能源、环境危机的关键环节。现有的配电网架构很难满足未来用户对供电可靠性、电能质量和优质服务的要求。
2）未来配电网将支持高渗透率分布式可再生能源，全面实现配电系统智能化运行和一体化信息管理，成为电源集成的能量流、信息流、业务流相融合的能源互联网，为用户提供实时交易和自由选择，实现能源供需模式的科学平衡。
3）未来配电系统的架构及格局将发生重大 变化，其主要特征为：大电网和微电网相辅相成、协调发展；多个电压等级构成多层次环状网络 结构；交直流混合运行方式；物理配电网与信息系统高度融合；融合多元能源、实现供需互动的能源互联网。
4）未来配电网的发展目标受到能源结构调整、产业技术发展和政策体制驱动等3方面因素的影响。能源供应环节将逐步形成绿色环保、节约高效、安全可靠的能源品质，多元发展的能源结构和多轮驱动的能源供应体系；产业技术发展以绿色低碳为方向，关键支撑技术、高效的产业和商业模式有望实现重大突破和创新；政策体制方面，将逐步构建有效竞争的市场结构和市场体系，政府将通过建立健全能源法律体系和电力规划设计体系等方式，促进电力的发展和管理机制实现科学化、标准化、法制化、市场化。
5）本文总结了8个关键技术领域需要进行重点攻关：配电系统的运行规划技术，新能源发电、储能技术和智能装备技术，用户侧需求响应管理技术，信息通信技术和电力系统的协调仿真分析技术，主动配电网技术，直流配电和微网技术，新材料研发，能源互联网。
6）本文从政策和技术两个角度提炼了未来配电网的发展建议。在政策方面，应当结合我国国情，制定健康的、良性发展的财政扶持和政策导向，加大核心技术的研发投入；合理规划，均衡发展分布式能源和集中式能源；加强市场管理，引导电网企业既实现自身效益最大化，又实现社会总体效益最大化；在配电网建设中，既围绕城乡一体化建设进行网络优化布局，又满足快速增长的负荷需求和电能质量要求；针对资源分布和地区差异，明确交流与直流配电网、微电网的定位和边界条件，分区域、分阶段设立差异化的发展标准；规划先行，开展大数据背景下智慧城市的综合资源规划和能源互联
网的研究与实践。在技术方面，应当综合利用多种科技创新成果和灵活的管理控制方式，协同攻关技术难题。
参考文献
[1] DOE，USA ．National electric delivery technologies
roadmap[R]．USA ：Department of Energy，2004． [2] European super grid[EB/OL]．http://en.wikipedia.org/
wiki/European_super_grid．
[3] 中国科学院能源领域战略研究组．中国至2050年能源
科技发展路线图[M]．北京：中国科学出版社，2009． Research Group of Strategy of Energy Field of China ．Energy technologies roadmap to 2050 of China [M]．Beijing ：Science Press，2009(in Chinese)． [4] 刘振亚．中国电力与能源[M]．北京：中国电力出版社，
2012：58-70．
Liu Zhenya. China Power and Energy [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2012: 58-70(in Chinese)． [5] KÄMPFER S ，MATOS P G，KÖRNER C，et al．The Ries
Ling (Germany) and Inov Grid (Portugal) projects-Pilot projects for innovative hardware and software solutions for Smart Grid requirements[C]//CIGRE 2014，Paris ，2014．
[6] 周孝信，鲁宗相，刘应梅，等．中国未来电网的发展模
式和关键技术[J]．中国电机工程学报，2014，34(29)：4999-5008．
Zhou Xiaoxin，Lu Zongxiang，Liu Yingmei，et al ．Development models and key technologies of future grid in China[J]．Proceedings of the CSEE，2014，34(29)：4999-5008(in Chinese)．
[7] ÜBERMASSER1 S ，LEBER2 T，STIFTER1 M，et
al ．Maximizing local renewable energy consumption by shifting flexible electrical loads in time and space[C]// CIGRE 2014．Paris ，2014．
[8] Pilo F ，Pisano G，Soma G G．Optimal coordination of
energy resources with a two-stage online active management[J]．IEEE Trans on Industrial Electronics，2011，10(58)：4526-4537．
[9] ÜBERMASSER1 S ，LEBER2 T，STIFTER1 M，et
al ．Maximizing local renewable energy consumption by shifting flexible electrical loads in time and space．CIGRE 2014，Paris ，2014．
[10] Eduardo Navarro，Alberto Sendin，Liano A，et al．LV
Feeder identification：Prior requirement to operate LV grids with high penetration of DER and new loads[C]//CIGRE 2014．Paris ，2014．
[11] Cameron A G，Yan R，Saha T，et al．Impacts of
Photovoltaic Power Variability on Power Distribution Networks based on Year-long Data of a 1.22 MWp System[C]//．CIGRE 2014，Paris ，2014．
第6期 马钊等：未来配电系统形态及发展趋势 1297
[12] 王成山，王守相，郭力．我国智能配电技术展望[J]．南
方电网技术，2010，4(1)：18-22．
Wang Chengshan，Wang Shouxiang，Guo Li．Prospect over the techniques of distribution network in China [J]．Southern Power System Technology，2010，4(1)：18-22(in Chinese)．
[13] D’Adamo C，Jupe S，Abbey C．Global survey on planning
and operation of active distribution networks：update of CIGRE C6.11 working group activities[C]//20th International Conference on Electricity Distribution． Prague ，2009．
[14] CIGRE TB 591．Planning and optimization methods for
active distribution systems[M]．Working Group C6.19, August 2014.
[15] Trebolle D，Lorenz G，Hallberg P．Active distribution
system management[C]//CIGRE 2014，Paris ，2014． [16] Mohamed M About EI Saad，Ahmed H，Bendary F M，
et al．Performance analysis of electric distribution systems with distributed generation resources[C]//CIGRE 2014. Paris ，2014．
[17] Drisen J ，Katiraei F．Design for distributed energy
resources[J]．IEEE Power and Energy Magazine，2008，6(3)：30-40．
[18] Frame D F，Huang S，Ault G W．Probabilistic operational
envelopes for demand response of new low carbon loads on low voltage networks[C]//CIGRE 2014，Paris ，2014． [19] Gan C K，Pudjianto D，Djapic P, et al．Strategic
assessment of alternative design options for multivoltage-level distribution networks [J]．IEEE Trans on Power Systems，2014，29(3)：1261-1269． [20] Millar R J， Kazemi S ，Lehtonen M，et al．Impact of MV
connected microgrids on MV distribution planning[J]．IEEE Trans on Smart Grid，2012，3(4)：2100-2108．
[21] Andrén F，Lehfuss F，Jonke P，et al．DERri common
reference model for distributed energy resources–modelling scheme，reference implementations and validation of results[C]//CIGRE 2014. Paris，2014． [22] Ahmed Shafiu ，Thomas Bopp，Ian Chilvers，et
al ．Management and protection of distribution networks with distributed generation，2004 IEEE PES General meeting ．
[23] Britain’s Power System：The case for a System Architect
[EB/OL]．http://www.theiet.org．
[24] 李亮，唐巍，白牧可，等．考虑时序特性的多目标分布
式电源选址定容规划[J]．电力系统自动化，2013，37(3)：58-63．
Li Liang，Tang Wei，Bai Muke，et al．Multi-objective locating and sizing of distributed gnerators based on time-sequence characteristics[J]．Automation of Electric
Power Systems，2013，37(3)：58-63(in Chinese)． [25] Asakura T，Genji T，Yura T，et al，Long-term distribution
network expansion planning by network reconfiguration and generation of construction plans[J]．IEEE Trans on Power Systems，2003，18(3)：1196-1204．
[26] 肖立业，林良真，徐铭铭，等．未来电网-多层次直流
环形电网与“云电力”[J]．电工电能新技术，2011，30(4)：64-69．
Xiao Liye，et al．Future power grid — Multiple-level DC loop grid and “Cloud Powering”[J]．Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2011，30(4)：64-69(in Chinese)．
[27] 江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望[J]．电力系
统自动化，2012，36(8)：98-104．
Jiang Daozhuo，Zheng Huan．Research status and developing prospect of DC distribution network [J]．Automation of Electric Power Systems，2012，36(8)：98-104(in Chinese)．
[28] 宋强， 赵彪，刘文华，等．智能直流配电网研究综述
[J]．中国电机工程学报，2013，33(25)：9-19． Song Qiang，Zhao Biao，et al．An overview of research on smart DC distribution power network[J]．Proceedings of the CSEE，2013，33(25)：9-19(in Chinese)．
[29] Boroyevich D ，Cvetkovic I，Dong D，et al．Future
electronic power distribution systems：a contemplative view[C]//2010 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment． Basov ，Russia ：IEEE ，2010：1369-1380．
[30] Alex H，Mariesa L C，Gerald T H，et al．The future
renewable electric energy delivery and management system ：the energy internet[J]．Proceedings of the IEEE，2011，99(1)：133-148．
[31] Bifaretti S，Zanchetta P，Watson A，et al．Advanced power
electronic conversion and control system for universal flexible power management[J]．IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2(2)：231-243．
[32] Li Husheng ，Dimitrovski A，Song Jubin，et
al ．Communication infrastructure design in cyber physical systems with applications in smart grids：a hybrid system framework[J]．IEEE Communications Surveys & Tutorials ，2014，16(3)：1689-1708．
[33] 栾文鹏，王冠，徐大青．支持多种服务和业务融合的高
级量测体系架构[J]．中国电机工程学报，2014，34(29)：5088-5095．
Luan Wenpeng，Wang Guan，Xu Daqing．Advanced metering infrastructure solution supporting multiple services and business integration[J]．Proceedings of the CSEE ，2014，34(29)：5088-5095 (in Chinese)． [34] 国家电网公司企业标准．Q/GDW378．3-2009，电力用
户用电信息采集系统设计导则[S]．北京：国家电网公
1298
中 国 电 机 工 程 学 报 第35卷
司， 2009．
State Grid Corporation of China Enterprise Standard Committee ．Q/GDW378．3-2009 design guideline for power consumption information collection system [S]．Beijing ：State Grid Corporation of China，2009 (in Chinese) ．
[35] NIST Special Publication 1108R2，NIST framework and
roadmap for smart grid interoperability standards，Release 2.0[EB/OL]．Office of the National Coordinator for Smart Grid Interoperability，2012．http://collaborate.nist.gov/ twiki-sggrid/pub/SmartGrid/IKBFramework/NIST_Framework_Release_2-0_corr.pdf
[36] 赵俊华，文福栓，薛禹胜，等．电力CPS 的架构及其
实现技术与挑战[J]．电力系统自动化，2010，34(16)：1-7(in Chinese)．
Zhao Junhua，Wen Fushuang，Xue Yusheng，et al．Cyber physical power systems：architecture ，implementation techniques and challenges[J]．Automation of Electric Power Systems，2010，34(16)：1-7(in Chinese)． [37] 庄伟，牟龙华．智能配电网信息物理融合保护系统的研
究[J]．电力系统保护与控制，2012(4)：113-118． Zhuang Wei，Mou Longhua．Study on cyber-physical distribution network relaying protection system[J]．Power System Protection and Comtrol，2012(4)：113-118(in Chinese) ．
[38] 孙景钌，李永丽，李盛伟，等．含逆变型分布式电源配
电网自适应电流速断保护[J]．电力系统自动化，2009，33(14)：71-76．
Sun Jingliao，Li Yongli，Li Shengwei，et al．Study on Adaptive current instantaneous trip protection scheme for distribution network with inverter interfaced DG[J]．Automation of Electric Power Systems，2009，33(14)：71-76(in Chinese)．
[39] 沈洲，周建华，袁晓冬，等．能源互联网的发展现状[J]．江
苏电机工程，2014，33(1)：81-84(in Chinese)． Shen Zhou，Zhou Jianhua，Yuan Xiaodong．Development and Suggestion of the Energy-Internet[J]．Jiangsu Electrical Engineering，2014，33(1)：81-84(in Chinese)． [40] Arritt R F．Dugan ．Distribution system analysis and the
future smart grid[J]．IEEE Trans on Industry Applications，2011，47(6)：2343-2350．
[41] Asakura T，Genji T，Yura T，et al．Long-term distribution
network expansion planning by network reconfiguration
and generation of construction plans[J]．IEEE Trans on Power Systems，2003：18(3)：1196-2004．
[42] 《能源发展战略行动计划(2014-2020年) 》[EB/OL].
http://news.dichan.sina.com.cn
[43] Sithimolada V，Sauer P W．Facility-level DC vs．typical
AC distribution for data centers：a comparative reliability study[C]//Proceedings of IEEE Region 10 Conference． Fukuoka ，Japan ：IEEE ，2010：2102-2107
[44] TeraJoule Energy GmbH Grünstrom und andere
Begriffe[EB/OL]．http://www.terajoule.de
[45] Hirai T，Nakao K，Yakire K．Evaluation of PV output
fluctuation suppression by cooperative control of distributed CHP and storage battery[C]//CIGRE 2014. Paris ，2014．
[46] Bui N，Castellani A P，Casari P，et al．The internet of
energy ：a web-enabled smart grid system[J]．IEEE Network ，2012，19(4)：39-45．
[47] Terzic B．Distribution Companies of the Future[J]．IEEE
Power Engineering Review，2002，22(12)：13-16． [48] Martins V F ．Borges ．Active distribution network
integrated planning incorporating distributed generation and load response uncertainties[J]．IEEE Trans on Power Systems ，2011，26(4)：2164-2172．
[49] Abe K ，Matsuura Y，Kanja S．Evaluation of voltage
control system for a distribution network with middle- class PV systems connection[C]//CIGRE 2014. Paris，2014．
收稿日期：2015-01-07。 作者简介：
马钊(1957)，男，博士，国家“千人计划”特聘专家，CEng ，FIET 。主要研究方向为智能配电网规划与资产管理，智能电器等，现任CIGRE 中国配电与分布式发电
马钊
(SC6)专委会主任，通讯作者，[email protected] ；
周孝信(1940)，男，中国科学院院士，中国电力科学研究院名誉院长，研究方向为电力系统分析与控制、电力系统仿真以及FACTS 技术等，[email protected] 。
(责任编辑 韩蕾)
未来配电系统形态及发展趋势
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：马钊， 周孝信， 尚宇炜， 周莉梅， MA Zhao， ZHOU Xiaoxin， SHANG Yuwei， ZHOU Limei中国电力科学研究院,北京市海淀区,100192中国电机工程学报Proceedings of the CSEE2015(6)
引用本文格式：马钊. 周孝信. 尚宇炜. 周莉梅. MA Zhao. ZHOU Xiaoxin. SHANG Yuwei. ZHOU Limei 未来配电系统形态及发展趋势[期刊论文]-中国电机工程学报 2015(6)