第47卷第9期：3021-3035 高电压技术 Vol.47 No.9: 3021-3035 2021年9月30日 High Voltage Engineering September 30 2021 DOI: 10.1336/j.1003-6520.hve. 新型配电系统形态特征与技术展望 董旭柱，华祝虎，尚磊，王波，谌立坤1，张秋萍1，黄玉琛2 （1.武汉大学电气与自动化学院，武汉430072；2.广东电网有限责任公司韶关供电局，韶关512026） 摘要：“碳达峰、碳中和”目标下，配电系统逐渐发展为具有电能汇集、传输、存储和交易功能的新型区域电力 系统，具有了新的形态和特征.
在此背景下，首先从分布式新能源接入、电能替代、电力电子应用及数字化技术 4个方面出发，对“双碳”背景下配电系统的新特性进行了总结：然后对其面临的静态问题、动态问题和管理间 题进行了分析，并提出了未来低碳化新型配电系统的形态格局构想，对分布式电源与微电网技术、源荷互动技术、 直流配电技术以及数字化管理技术等支撑新型配电系统建设的关键技术进行讨论，分析了现阶段成果与新型配电 系统需求之间的差距：最后，凝炼了新型配电系统建设面临的关键科学间题，并对其未来技术发展方向提出了建议.
关键词：新型配电系统：形态特征：分布式电源：微电网：源荷互动：直流配电：数字化技术 Morphological Characteristies and Technology Prospect of New Distribution System DONG Xuzhu' HUA Zhuhu' SHANG Lei? WANG Bo' CHEN Likun' ZHANG Qiuping' HUANG Yuchen2 (1. School of Electrical and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China; (eu 9201s um8ous *pT *0 pug amo Suop8ueng jo Adns amo uen8ouS 7 Abstract: With the goal of “carbon emissions peak and carbon netrality” the power distribution systems has gradually developed into a new tpe f power distribtion systems with the fnctions of energy integration tranmission storage and power trade in new forms and characteristics. Thereby we summarize the characteristics of the new distribution sys- n mod oqns u u aq pqsp up ds m og s applicatin and digital tehologies. Thn we disuss the static roblms damc issues and asset mangement ises and propose the concep of the future lw-carbon power distribtion systm morpholgy. Moreover we discuss key tech- nologies in dtails such as distrbted enery integration microgrid clster contol soure-load interaction DC pwer distribtion systems and digital asset management technology. Finally we analyze the gap beween the cuent satus ad the requirements of the new power distribution systems and propose key scientific issues in developement of the new Bupuan opouoo amny a pue suss uonqusp aod Key words: new distribution system; morphological characteristics; distributed renewable energy; microgrid cluster; source-lad interactio; DC distributin system; digital techolgy 0引言 的占比是新型电力系统推动“双碳”目标实现的重 要手段间.
新型配电系统通过接入海量分布式新能 2020年12月，习近平主席提出了“碳达峰、源，降低电力生产环节碳排放：借助灵活的网架、 碳中和”的目标.
2021年3月，中央财经委员会第分布式储能、柔性电力电子设备及多元化的灵活互 九次会议明确了实施可再生能源替代行动，深化电动方式，充分满足电动汽车等新型负荷用电需求， 力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统， 推动电能加速替代.
因此，新型配电系统是建设新 实现“双碳"目标3.国家电网和南方电网公司分别 型电力系统、推动“双碳”目标实现的重要组成部分.
发布《国家电网公司能源互联网规划》和《南方 分布式电源、分布式储能与新型负荷的大量接 电网公司建设新型电力系统行动方案（2021-2030 入使得配电系统出现供电多元化、用电互动化、电 年）白皮书》规划新型电力系统建设目标与路径.
力电子化、装备智能化以及管理数字化等全新形态 大力发展可再生能源、提高电能在终端消费中 特征.
传统配电系统调度方式、运行控制策略、管 基金资助项目：中国南方电网公司科技项日(GDKJXM20200709).
理手段难以支撑低碳化的新型配电系统建设.
论文梳理了“双碳”背景下配电系统在源、网、 Power Grid Co. Ltd.(GDKJXM20200709).
3022 高电压技术 2021 47(9) 荷、储、关键设备、管理方式等方面出现的新特征 国海南省于2019年发布的《海南省清洁能源汽车 以及面临的主要挑战，提出了未来低碳化新型配电 发展规划》提出，2030年海南省全域禁售燃油车.
系统的形态格局构想，并讨论了支撑新型配电系统 电动汽车逐渐取代传统燃油车之后，将会给配电系 建设的关键技术，分析了配电发展现状与新型配电 统带来庞大的增量负荷.
系统需求之间的差距.
最后凝练了构建新型配电系 另一方面，电能替代导致空调、取暖器、热水 统面临的科学问题，并对技术发展方向提出建议.
器等负荷增加.2017年12月，国家发展改革委等 1“双碳”背景下配电系统的新特征 10部门联合印发《北方地区冬季清洁取暖规划 （2017-2021年）》.
规划中明确，2021年北方地区 1.1分布式新能源和储能接入导致供电多元化 电供暖（含空气能热泵）面积将达到15亿㎡²，电供 传统交流配电网通常是无源的，只能从主网单 暖带动新增电量消费1100亿kWh.
一供电途径获取电能.
“双碳”目标下，为实现电源 此外，江苏、上海、浙江、广东等负荷集中地 的清洁低碳化，以风电、光伏为代表的分布式新能 区，供电峰谷差大、配网资源紧张、扩建空间不足.
源发电必将更加蓬勃发展.
传统配电系统中供、用 2017年7月11日，江苏电网成功完成了首次以需 电环节清晰的角色界限逐渐模糊，“双碳”目标下构 求侧响应缓解电力供应紧张的技术实践回，实际响 建以新能源为主体的电力系统，负荷不再单纯从电 应负荷为2.6万kW，有效缓解了夏季高峰期的电力 网获取电能.
供应紧张问题.
需求侧响应正逐渐替代传统有序用 2016年12月，国家发展改革委、国家能源局 电行政手段，进一步提升用户用电体验.
联合印发了《能源生产和消费革命战略 此外，2015年9号文开启了新一轮电力市场改 （2016-2030）》，明确指出“十四五“期间，光伏、风 革的序幕.
目前，全国省级电网已开展了电力 电、生物质能、地热能等能源系统的分布式应用、 市场化交易的改革，其中，广东、浙江等省现货市 创新发展将成为我国应对气候变化、保障能源安全 场已在运行，青海、甘肃等省辅助服务市场也已开 的重要内容.
截至2019年，分散式风电总装机93.5 启.
基于智能用电技术，以电动汽车、分布式储能、 万kWl7：截至2020年，分布式光伏总装机7831 商用空调、工业用户为主体的源荷储互动以及电力 万kW，装机总量不断提升的同时，风电、光伏平 市场是维持系统功率与电量平衡的重要手段，也是 价上网进程也在加速推进.
2020年7月，国家发展 配电系统未来运行控制的关键.
改革委、国家能源局联合印发了《关于公布2020 1.3直流配电及新型电力电子装备大规模应用 年风电、光伏发电平价上网项目的通知》.
平价上网 随着电力电子变流技术的飞速发展，中低压直 项目的落地将会进一步提升新能源发电的竞争力， 流配电技术快速兴起，有效精简了配电系统电能变 推动新型配电系统中分布式新能源发电占比不断提 换环节，增强了配电网潮流调控的灵活性，在配电 升.
配电网呈现供电多元化的特征.
网潮流精确调控、低压远供、海岛供电2、异 1.2电能加速替代，用电互动化与电力市场化特征 步联网3等领域有广泛的应用前景.
目前，国内已 凸现 落地多个交直流混合配电网示范项目，包括珠海唐 “双碳”目标下，为实现减少碳排放，电能替 家湾多端柔性交直流混合配电网示范、浙江海宁尖 代将加速推进.
2021年4月，国家能源局印发《2021 山主动配电网示范、苏州工业园区主动配电网示范 年能源工作指导意见》，提出本年度电能占终端能源 等14.
上述示范项目在能量路由器、柔直换流阀、 消费比重力争达到28%的目标.
直流断路器、直流变压器等多类世界领先的柔直配 一方面，在交通运输领域，电动汽车飞速发展， 网核心装备自主研制方面取得了具有工程推广价值 替代传统燃油汽车.
中国汽车工业协会数据显示， 的示范成效.
2020年中国纯电动汽车销量为111.5万辆，同比增 电力电子技术及装备已在配电网中广泛应用.
长14.8%，全国电动汽车保有量400万辆.
国际上， 变频调速是在配电系统中最早应用的电力电子技 多个国家颌布了燃油车禁售时间表，荷兰和挪威从术5，因其效率高、平滑性好、调速范围广、精度 2025年禁售燃油汽车，印度和德国从2030年禁售 高等优点，已广泛应用于轨道交通、工业生产、家 燃油汽车，法国和英国从2040年禁售燃油汽车.
我 用电器等行业1].
董相柱，华祝虎，尚磊，等：新型配电系统形态特征与技术展望 3023 静止无功发生器（staticvargenerator，SVG)是一式发电与储能装置并入配网所需的电能变换环节.
种基于全控电力电子器件的无功补偿装备，可根据降低了电力电子变换设备的投入与配电损耗，实现 需要注入感性或容性无功电流，补充负荷消耗的无 配电系统高效、绿色、可靠运行.
借助直流配电技 功功率，改善负荷功率因数，调节负荷电压，降低 术和新型电力电子装备增强配电网灵活性是新型配 线损6：SVG具有动态响应速度快、无功连续可调 电网的另一重要特征.
的特征，广泛应用在轧钢、炼钢、轨道交通等行业.
1.4数字化和智能化技术大规模推广和使用 在低压配电网中，单相居民用电占总负荷比例较大， 传统配电系统基于监测控制和数据采集 三相不平衡导致的线损增大、电压偏移、变压器利 (supervisory control and data acquisition SCADA) 用率降低等问题较为严重，SVG利用其动态响应负 能量管理系统（energy management system，EMS）等 荷变化、连续补偿不平衡功率的优势，可有效解决 管理系统的整体管理依赖于企业网格员的手动输入 三相不平衡带来的配电网电能质量及经济运行问 和配网运维巡检人员的人工信息修正，依赖于配电 题.
文献[17]提出了一种基于智能电表量测数据配 终端设备（distribution terminal unit，DTU)、馈线远 置SVG补偿容量的低压配电网三相不平衡抑制方 方终端（feeder terminalunit，FTU）、配变监测终端 法，充分利用了SVG灵活可调、响应迅速的特性.
（transformer terminal unit，TTU）等远程终端进行电 有源电力滤波器（active powerfilter，APF）是一 气量数据的获取以实现配电系统的状态监测和稳定 种用于动态无功补偿和谐波抑制的电力电子装 运行.
备，APF具有快速跟踪补偿冲击负荷和非线性负 “双碳”背景下新型配电系统包含分布式电源、 荷的无功补偿功能，可抑制电压波动和闪变，改善 储能、充电桩等大量非电网资产以及透明配电网、增 供电质量，广泛应用在冶金、轨道交通、港口机械、 量配电网、能源互联网、微电网群等新业态的出现， 空调密集场所等谐波污染严重场合.
随着负荷的增 配电系统存在与交通网、天然气网等非电网网络在多 长、分布式电源及其电力电子并网设备的大量接入， 时空状态下的耦合.
设备产权归属不一、生产厂商多 谐波治理和无功补偿所需要的APF容量不断提升， 样、管理人员配置不合理.
新型配电系统中设备管理 提高了APF的制造和运行成本.
混合有源电力滤波 的数据不仅包含传统配电系统的设备参量、设备运行 器(hybrid active power filter，HAPF)是 APF 新的发 状态、网络潮流、工作环境状态，还包含新型配电系 展方向，HAPF将APF 和无源电力滤波器（power 统下的电动汽车、充电桩等电网资产.
filter，PF）组合，无源部分用于无功补偿，有源部分 数字化技术的应用不仅可以提升配电设备管 用于谐波抑制，可有效降低APF配置容量[19].
理水平和电能利用效率，还将实现配电设备数字化、 智能软开关（softopenpoint，SOP)能够调节各 小微化、融合芯片的电力加电子集成转型，减少传 条馈线的功率分布I2].
SOP的应用使得传统“合环 统配电设备的占地面积和损耗等，进一步支撑碳减 设计、开环运行”方式正在转变为更为灵活的“合 排.
面向虚拟电厂、源-网一荷互动等新业态的信息 环设计、合环运行”方式，以利于多种分布式电源 通信技术和各类智能终端、电力专用芯片将得到大 之间的功率互济，有效解决短时间尺度内分布式新 规模应用.
能源出力波动导致的线路功率不合理问题.
文献[21] 一方面，数字化技术应用使得大量电网和非电 提出了一种基于多端SOP的交直流混联配电网多 网资产统一化管理成为现实：另一方面，一二次装 目标运行优化方法，该方法利用SOP连续调节线路 备融合装备、基于边缘计算的智能终端装备将改变 潮流分布的能力，结合潮流优化方法，降低了系统 传统配电网DTU、FTU、TTU等远程终端的形态和 损耗以及节点电压偏差.
以SOP为代表的电力电子 功能.
资产数字化和装备智能化是新型配电网的主 柔性开关正逐渐取代传统配电线路之间的联络开 要特征.
关，为提升配电系统运行安全性、稳定性和经济性 带来了广阔的优化空间.
2“双碳”背景下配电系统面临的主要挑战 直流配电技术及新型电力电子装备为配电网 新特征下，配电系统主要面临以下3个方面的 灵活性提升提供了新手段，其不仅能控制线路开通 问题：（1）静态间题，即由于分布式电源与电动汽车 和关断，还能连续调节有功、无功潮流，减少分布 等负荷的不确定性引发的经济调度与运行问题：（2）
3024 高电压技术 2021 47(9) 动态问题，即由于电力电子装备低惯性特征与复杂 3新型配电系统形态格局 的动态相互作用引发的稳定及电能质量恶化问题： （3）管理问题，即大量非电网资产管理与调控问题.
“双碳”目标下，配电系统源、网、荷及管理 2.1电力电量平衡问题：源荷不确定性导致峰谷差 等方面都显著变化，面临一系列全新问题，将呈现新 增大、网损增加、资产利用率降低 的形态格局，如图1所示.
一方面，新能源分布式发电装置大量接入造成 3.1分布式可再生能源成为配电网重要甚至主力 了电源侧的不确定，给系统制定日前调度计划带来 供电电源，多层级微网（群）互动灵活运行成为重要 困难：另一方面，大量电动汽车的无序、随机充电 运行方式 带来了负荷的不确定性，虽然定制电力、需求侧响 新型配电系统中，风电、光伏、小水电、地热、 应、虚拟电厂等新型供用电模式的出现给用户主动 生物质能等类型的分布式发电将会成为主力电源， 参与配电管理提供了可能，但是用户响应受到环境、 实现发电侧低碳化甚至零碳化.
分布式发电装置不 心理、市场规则等多方面因素影响，加之用户响应 仅能够基本满足配网内负荷用电需求，还具有构网 时滞性不可避免，导致负荷侧的不确定性愈发复杂[22].
能力，可实现对配网电压频率的主动支撑与调节功 发电侧与负荷侧的双重不确定性加剧了配电系统峰 能.
微电网将会成为分布式新能源就地消纳的主要 谷差问题，新能源发电装置（极端情况下）出力的反 形式，多层级微网（群）之间可实现灵活的功率互济 调峰特性和负荷的随机性严重制约了配电系统新能 与潮流优化，有效提升配网运行的安全性、稳定性 源消纳能力，降低了配电系统运行的经济性.
和经济性.
2.2动态稳定问题：电力电子装备规模化接入、微 3.2负荷将不再只是被动受电，配电网运行模式也 电网（群）大量形成，稳定特征复杂、电能质量恶化 将从“源随荷动”变为“源荷互动”，柔性负荷深度 复杂动态稳定问题凸显.
电力电子装备动态响 调节参与源荷互动 应快、调节精度高，为解决配网运行控制带来了新 电能加速替代将会带来巨量的电动汽车、集群 手段，但低惯性变流设备缺乏对系统惯性支撑：电 空调、电供暖等增量负荷，这些增量负荷普遍具有 力电子装备采用多时间尺度级联控制结构，装备内 柔性可调特性.
柔性负荷将在源荷互动技术、高效 部及装备间的多时间尺度控制相互作用复杂.
上述 的电力交易及博弈机制支持下，即时响应配电系统 原因导致配电网存在复杂的动态稳定间题.
配电网 功率调节，深度参与源荷互动，平抑峰谷差，提升 网架结构、线路特征、负荷特征等迥异于输电网， 配网运行效率.
动态稳定问题也将表现出与大电网不同的特征.
3.3基于电力电子的配电设备灵活调节电力潮流， 供电电能质量下降间题突出.
大量电力电子装 提高配电网络的灵活性，全面提升配网运行水平 备接入使得配电系统谐波源呈现高密度、分散化、 随着柔性电力电子装备技术的推广应用，新型 全网化趋势，影响供电质量.
此外，电力电子装备 配电系统网架将会发展为灵活的环网状结构，各配 对电网故障、电压闪变等的影响机理尚未明晰.
电区域通过柔性开关实现互联，潮流流向及运行方 2.3数据资产管理问题：数据和多业务型态融合、 信息安全 配电管理 资产数字化和设备智能化趋势推动配电网转 型，也将引发配电网的新问题.
一方面，资产数字 多源数据 采集与传输 调度与运维 指令下达 化和装备智能化趋势下，新型配电系统数据呈现多 额率电压支撑网功率柔性调 来源、多模态的特点，发电、配电、用电等电气量 分布式电源 参与调频训压多层级微网 信息、天气信息、社会信息为电网设备的管理提供 电动汽车 分布式储能折能源池消纳 交宜流配电 即时响应 集群空调 数据支撑，为智能算法和决策提供数据支撑，但多 柔性互联开关 电供暖 源数据融合是新型配电系统数字化和智能化需解决 源萄互动、电力交易与博弃 的首要问题.
另一方面，装备智能化趋势下，信息 图1新型配电系统形态 安全及行为安全也是需重点关注的问题.
Fig.1 Morphological structure of new distribution systems
董相柱，华祝虎，尚磊，等：新型配电系统形态特征与技术展望 3025 式日趋多样化.
配电调度将具有对潮流进行大范围 电，同时，区域多个微电网（群）间能量可灵活互动， 连续调节的能力，系统运行灵活性显著提升.
协同运行，构建新型配电系统安全高效的运行体系.
3.4数字赋能，实现系统全景状态可观、可测、可 4.1.1分布式新能源发电技术 控，提升配电网管理水平及能源利用效率 分散式风电和分布式光伏通过低惯性电力电 新型配电系统具有对配网运行产生的海量多 子装备大量接入配电网，且大多数分布式新能源发 源异构数据进行采集、传输、存储、分析的能力， 电装置以追求最大发电量为目标，电力电量平衡调 从而实现系统全景状态可观、可测、可控，并利用 节完全由电网承担.
这给配网运行带来了两方面间 大数据技术为调度决策、运行维护、电力交易提供 题，一方面，新能源发电并网设备大多采用基于锁 指导.
配网管理水平及能源利用效率显著提升.
相环的跟网型控制策略，在发生功率跃变时缺乏对 4关键技术 系统的惯性支撑能力，将会引发稳定性降低、电能 质量恶化等问题：另一方面，最大功率跟踪控制策 新型配电系统面临管理和技术革命，涉及从电 略下分布式电源出力随机、波动性大，无法根据调 工基础材料到配电网调度控制等一系列关键技术.
度指令参与一二次调频、调压.
为了解决上述两方 面对新形态与新特征下新型配电系统运行控制，论 面问题，使分布式电源（在配电系统内）成为具有主 文对如下几类关键技术进行了总结，并提出了如图 动支撑能力的构网主力电源，需要明确分布式电源 2所示的新型配电系统研究框架.
并网标准，研究出力预测技术为分布式电源参与调 4.1分布式电源与微电网技术 频调压提供基础，研究分布式新能源集群控制技术 此处分布式电源包括接入110kV以下电压等 以保证可再生能源大规模接入背景下配电系统安 级配电网的分散式风力发电和分布式光伏发电以及 全、稳定、经济运行.
储能系统.
其基本内涵是要求分布式新能源发电和 （1）分布式新能源发电主动支撑技术 储能可以灵活构建离、并网型区域微电网为负荷供 我国于2017年5月颁布了《GB/T33593-2017 配电系统新特征 分布式新能源与铺能接入 电能加地静代、用户负萄激增 电力电子装各广泛应用 数字化技术广泛应用 供电多元化 用户互动化 管理数字化 管理数字化 设备智能化 面 静态间题 动态闫题 管理付题 牌莉葡衣下 网损增加 微电网群大量形成 系统非纯属化增加 多源数据融合 稳定特征复杂、电能质量恶化 信息安全 关 健 分布式电源与 微电网技术 源荷互动技术 直流配电技术 数字化管理技术 本 技 学同题 新型配电系统规 划、管理与调度 动态演化规律与 新型配电系统 海量多源跨模态 有机结合问题 稳定机理问题 数据融合问题 术方向 技 分布式电源与储能 高性能分布式铺能技 术、源网荷储深度 紧澳型经济型直流配电设备 多源数据融合及处理技 次融合智能化装备与 义微电网技术 互动技术及市场机制 控制、典型应用场景探索 术、数字李生、配电物联 图2新型配电系统研究框架 Fig.2 Research framework of new distribution systems
