背景
近年來，全球範圍內氣候變暖及極端天氣事件日益頻發，嚴重威肋、著人類社會的可持續發展。根據國際發展援助研究協會數據，在過去10年間，氣候變化每年平均造成超過1.2萬億美元經濟損失，約占全球GDP的1.6 %。到2030年，該比例預計達到3.2%。在諸多因素中，人類過度排放溫室氣體被認為是導致全球氣候變化的重要原因。
為應對上述挑戰，英國政府於2003年首次提出了低碳經濟的發展理念：倡導通過技術創新、產業轉型、新能源開發等多種手段提高能源供應多樣性，降低對化石能源的依賴以減少碳排放，最終達到經濟社會發展與生態環境保護雙贏的理想目標。構建低碳經濟模式，推進“經濟一能源一環境”協調可持續發展此後逐漸成為世界各國的普遍共識。我國在2009年明確提出了“2020年非化石能源占一次能源總消費量的15%，單位GDP的二氧化碳排放比2005年下降40%-45%”的低碳發展戰略目標，並在“十二五規劃”中制訂了“2015年非化石能源占一次能源消費比重達到11.4%；單位GDP能源消耗降低16%，單位GDP二氧化碳排放降低17%”的階段性任務。
以化石能源為主導的電源結構使得電力工業成為我國國民經濟中最大的二氧化碳排放部門。據權威統計，2012年我國電力行業碳排放量達到3.85億t，約占全國總碳排放量的50%，且近年來呈現加速增長趨勢。因此，推動電力工業低碳化成為我國實現上述節能減排與生態文明目標的必然選擇。
發展低碳電力系統的根本任務是要形成穩定的低碳電能供應機制，其關鍵在於對可再生能源的有效開發與利用。對此，當前主要存在兩種基本思路：一是大力發展長距離、大容量、低損耗的跨區輸電線路(如特高壓輸電)以實現可再生能源資源在更大區域範圍內最佳化配置；二是從配用電環節入手，建立協調關聯分散式可再生能源發電(Distributed Renewable Energy Generation, DREG)、配電網路與終端用電的集成供電系統，實現對可再生能源的就地消納與利用。較之前者，分散式配用電系統具有建設周期短、投資成本低、運行靈活的優點，且抗風險能力更強，因此近些年在國內外獲得廣泛關注。
在傳統配電網中，電力潮流一般由上端變電站單一流向負荷節點，其運行方式和規劃準則相對簡單。然而，分散式能源(Distributed Energy Resource,DER)的規模化接入與套用將對系統潮流分布、電壓水平、短路容量等原有電氣特性造成顯著影響。而傳統配電網在設計階段並未考慮上述因素，因此難以滿足低碳經濟背景下高滲透率可再生能源發電接入與高效利用的要求。在此背景下，國外學者在2008年國際大電網會議首次提出了主動配電網(Active Distribution Network，ADN)的概念，旨在解決配電側兼容大規模間歇式可再生能源，提升綠色能源利用率以及一次能源結構等問題。
與主要關注用戶側的微電網(Micro-Grid， MG)不同，主動配電網主要而向由電力企業管理的公共配電網。它是智慧型配電網技術發展到高級階段的產物，是一種兼容電網、分散式發電(Distributed Generation， DG)及需求側管理等多類型技術的全新開放式配電系統體系結構。主動配電網的技術理念將系統運行中的信息價值及電網一用戶之間的互動能力提升至一個新高度，強調在整個配電網層而內藉助主動網路管理(Active Network Management，ANM實現對各類可再生能源的主動消納及多級協調利用，最終促進電能低碳化轉變及電網資產利用效率的全方位提高。
相比管制背景下的傳統配電網，主動配電網無論在技術特性上，或是而臨的外部市場環境方而，均有著自身鮮明的特點;而我國電力工業低碳化發展的要求又為主動配電網的套用實施賦予了更多的內涵。主動配電網應該發揮何種作用以支撐節能減排目標的實現。對此，又需要採用怎樣的科學規劃方法才能確保企業投資經濟效益與社會環境效益的相協調，這是當前急待回答的重要命題。因此，研究與低碳經濟相適應的ADN規劃方法與發展模式，無疑具有重要的理論、戰略和現實意義。
首先闡述了主動配電網的技術特點及其低碳潛力的實現途徑;通過與傳統配電網及微電網規划進行對比，進一步提出了主動配電網規劃一般性框架；在此基礎上，提煉了5方面值得研究的關鍵問題，並深入分析了其中的科學難點；最後，針對相關領域，給出了未來研究工作展望及建議 。
主動配電網（ADN）及其低碳潛力分析
ADN基本技術理念
主動配電網的典型構成模式根據CIGRE C6.11的定義，主動配電網是採用主動管理分散式電源、儲能設備和客戶雙向負荷的模式，具有靈活拓撲結構的公用配電網，其基本構成模式如圖所示。
圖中，各類DG(如風電、光伏等)和儲能單元通過電力電子元件轉換成相應的交流或直流模式，再經過升壓變壓器併入系統；通信、自動化及其他相關電氣設備以適當的連線方式實現與電力網的緊密集成；此外，用戶側配以智慧型電錶為代表的先進計量裝置(Advanced Metering Infrastructure， AMI)，用於實現對用電信息的實時採集及電網-用戶之間的雙向互操作。
主動配電網技術的“主動性”特徵主要體現在系統運行控制方式上。在傳統配電網中，用電活動屬於“被動”要素，即使系統中含有DG，也主要而向電能就地消納，運行者通常不會對穩態運行的電氣設備進行主動控制。而在主動配電網下，通過先進的ICT及自動化技術，可以對區域內供應側與需求側資源實施主動管理，以實現系統特定運行目標(如網損、資產利用效率或綠色能源消納等)的最優。正是由於以上原因，主動配電網在技術標準、管理模式、網路結構、潮流特性及模擬計算要求等諸多方而均與傳統配電網存在顯著差異 。
傳統配電網下缺少必要的技術與管理手段，不具備提供差異化供電服務的能力，因此相關技術標準單一;而ICT等高級智慧型技術的引入使得主動配電網的運行狀態靈活可變，能夠滿足定製電力要求，其對應的技術標準是動態多元的。在管理模式上，基於智慧型通信平台，主動配電網可實現對需求側資源(Demand Side Resource， DSR)的整合及對系統資產的分散式管理。此外，相對傳統配電網，主動配電網的網路結構更加靈活，具有有源、網狀、併網方式可選等新特點，並由此造成系統潮流特性由單向固定向著雙向不確定方向的巨大轉變。在模擬計算方而，傳統配電網一般只需對典型系統斷而進行確定性模擬即可滿足規劃或運行任務的基本要求，而ADN則需採取分布並行式的建模方法，細緻考慮時間視窗內的各類不確定因素，實施精確化的運行模擬。
主動配電網技術可行性與低碳潛力分析
針對主動配電網技術，目前國內外已實施了一系列具有典型代表意義的研究示範項目。目前已有示範工程涵蓋了需求側回響、主動控制與管理、經濟運行、電能質量、信息通信等多方而關鍵技術，相關成果從工程實踐層而驗證了主動配電網技術的可行性與可推廣性。從低碳潛力的角度看，通過主動配電網能夠：①提高配電網對高滲透率DREG的接納能力，增加電源結構中低碳電源的比例；②提高可再生能源利用效率，降低對化石能源發電的依賴，進而有效減少溫室氣體排放；③通過ICT及需求側管理手段，能夠實現電網-用戶雙向互動，激勵需求側主動參與電網經濟運行，並引導用戶合理用電；④推動電動汽車產業及服務的發展，促進交通出行用能的低碳化轉變。此外，主動配電網還能夠有效提高電網資產利用效率，延緩擴容需求，改善配電系統投資運營的經濟性。因此表明，主動配電網是支撐低碳經濟發展的一條可行的重要技術路徑。
面向低碳目標的主動配電網規劃基本框架
傳統配電網規劃
傳統配電網規劃的主要任務是確定在規劃期內何時、何地投建何種類型的輸電線路及其迴路數，以滿足規劃周期內的區域電力負荷需求，在確保達到線路載流能力、節點電壓水平、供電可靠性等各類基本技術指標的前提下，追求系統投資成本的最小化。為適應節能減排政策對電力系統發展提出的新要求，近些年環境因素正被越來越多地考慮進配電網規劃工作中，“成本最小化”已不再是決定規劃方案優劣的唯一準則。與此對應的數學規劃模型無論在目標函式或是約束條件上均得到一定程度地拓展 。
然而，傳統配電網屬於標準的無源網路，相關研究所採用的規劃方法針對負荷預測結果採用必要的容量裕度即可應對所有可能的系統運行場景，並方便地找到各類準則下的最優解，因此相對簡單。
微電網規劃
DG的加入使配電網的內涵發生了深刻的變革。為支持DG併網以充分挖掘其內在環境效益，“微電網”技術應運而生。MG本質上是能夠實現自我控制、保護和管理的自治系統，因此DG容量的最佳化配置是MG規劃工作而臨的主要任務。有文獻以系統投資總成本最小為目標，同時考慮DG裝機容量、系統備用、入網功率波動等約束條件，研究了獨立MG中風/光/儲的最優配置方案;也有文獻基於全壽命周期成本，建立了含可再生能源的MG最佳化規劃模型 。
從系統角度來看，MG大多接在用戶側，一般通過公共連線點與電網相連，因此其與上級配電網的協調性問題同樣備受關注。有文獻探討了含MG配電網的合理接線模式。
可見，相比傳統配電網，MG規劃主要以各類DG的無縫接入與互補利用為目標，並在決策內容方而新增考慮了DG的最佳化配置。但是，由於MG未涉及用戶互動與需求側管理，故相關方法仍屬於傳統意義上基於供應側投資的傳統規劃模式 。
主動配電網規劃的一般框架
需求側互動及對可再生能源的主動利用能力是主動配電網區別於MG最為顯著的特徵。技術要求上的差異對ADN規劃模式提出了全新的要求。
首先，對可再生能源主動兼容的特徵使主動配電網規劃的最佳化目標變得更加多元，需要綜合考慮系統可靠性、經濟性及可再生能源利用效度等多方而因素;同時，在開放電力市場環境下，主動配電網投資可能涉及配電公司、分散式發電投資商與需求側集成提供商在內的多個獨立市場主體，這將使主動配電網規劃問題由傳統意義上追求單一主體利益最大化向著複雜的多主體協調規劃方向轉變;此外，需求側資源、自動化、通信資源的加入與ANM機制將為最佳化過程帶來更多的決策變數與約束條件;最後，需求回響(Demand Response, DR)與分散式可再生能源發電不確定性的疊加使主動配電網運行狀態更加複雜多變，從而極大地影響規劃方案尋優的可行空間。因此，對於主動配電網規劃，忽略運行(fit and forget)的傳統配網規劃方法已不再適用，而需要對系統可能遇到的各種不確定性工況進行精細化運行模擬才能確定最優規劃方案，這無疑具有更高的複雜性。
關鍵問題及難點分析
主動配電網電力負荷預測
準確的負荷預測是保證主動配電網規劃可行性的基本條件。大規模分散式可再生能源發電及DSR的引入將對系統負荷造成重要影響。從規劃角度，需針對各類分散式電源的運行特性，同時考慮巨觀發展的不確定性，研究適用於主動配電網的電力負荷預測方法。目前，學術界對該領域的研究還十分有限。
有文獻探討了智慧型電網下計及DR的負荷預測方法，通過考慮不同類型用戶參與比例，提出了動態電價機制下的負荷預測框架;也有文獻在傳統中長期負荷預測的基礎上，進一步考慮電力市場發展、智慧型電網技術以及能源政策等方而影響，提出了基於小波變換和線性回歸的聚類分析模型，用於辨識和預測互動環境下的終端負荷特性。
針對傳統配電網規劃，負荷預測主要考慮歷史負荷數據、氣候數據、巨觀經濟數據和人口統計信息等方而因素。然而，ADN環境下的負荷預測應重點關注DR及DG對終端用電需求的影響，同時考慮電價政策、用電能效以及智慧型電網技術發展等多方而的不確定性，研究滿足上述需求的新型智慧型負荷預測方法 。
主動配電網需求側資源的技術特性
要實現主動配電網基本規劃目標，首先必須明確各類資源構成要素的內在技術特性。需求側資源作為納入ADN規劃的新增成分，與傳統概念上的“規劃資源”不同，它們一般並不會實際產生電能，而是與用戶的用電行為相伴而生，因此其實際運行作用效果體現為有無需求側資源下系統電力電量的變化情況。這種虛擬性及不可預知性的特點使得對需求側資源運行特性的辨識分析成為開展主動配電網規劃的前提條件。
從文獻報導來看，當前研究主要集中在對DSR可控性及其對負荷特性影響的分析上。其目的是為了明確不同套用背景下各類負荷的可調控範圍，挖掘內在規律關係，並實現對DR行為的定量模擬。
負荷的可調控性是DR的實現基礎。當前研究普遍認為：用戶負荷的可控能力主要受環境、習慣和生產等多方而因素影響，並據此分為不可控、功率可控以及時間可控三種類型 。不可控負荷多屬於與生產生活相關的必需負荷，且僅可在規定時間內執行，一般不具有可調節潛力;功率可調負荷以供熱通風與空氣調節相關負荷為主，易受環境和習慣的雙重影響；時間可控負荷則大多集中在工業或商業用電領域，其執行時間對用電效用的影響不大，可在一定的時間段內自由安排。
對於不同類型需求側資源，其回響機理與觸發機制存在顯著差異，因此對系統電力電量的影響也不盡相同。為定量分析上述影響，負荷分解法曾被廣泛使用，其原理是通過將用戶負荷分解為若干典型成分，並計算用電活動之間的同時率及延遲特性，以推測估計用戶參與DR之後的綜合負荷特性。該方法原理簡單，通用性強，但因本質上屬於“自下而上”的分析模式，當區域內用戶類型較多時，實施過程將變得極為困難，因此在實際規劃套用中存在一定缺陷。對於智慧型配電網，當各類需求側資源以集成模式大規模接入後，其外在特性是獨立單元經過級聯疊加後所產生的綜合效果，而這與複雜信息的特點有很大相似之處。因此，近年來學者們開始嘗試將資訊理論工具引入該領域的研究中：例如有文獻建立了包含控制中心、發電、用戶在內的智慧型工程混合模型，利用模糊推理方法計算模擬電力市場環境下DR對負荷曲線的影響；也有文獻提出了基於含外生量的自適應回歸的DR特性辨識模型，並利用該方法分析了供暖類負荷作為DSR的預期效果。
從以上情況來看，目前已有研究大多重點而向分析特定激勵模式下的DR特性，而針對負荷可調控性與影響因素之間的內在關係，仍缺乏較為系統的數學模型。此外，最新研究表明，用戶自身能效水平對負荷可調控能力具有複雜影響，而當前研究同樣對此缺乏充分的考慮。
主動配電網典型集成模式
如前所述，主動配電網規劃既包括線路改造、DG配置等基於供應側的投資選擇，也包含眾多可供靈活選擇的需求側管理策略。資源類型的豐富使得主動配電網集成模式可呈現多樣化特點，並產生不同的低碳效益。因此，需要深入分析影響主動配電網投資效益的關鍵驅動因素，並在此基礎上研究適於不同套用場景的主動配電網資源集成模式。
該領域研究可主要分為規劃資源選擇以及組建方式確定等兩方而的基本問題 。
關於資源選擇，主動配電網框架下的DER包含DG，分散式儲能(Electrical Energy Storage，EES)及需求側資源等。其中，DG既包括燃氣輪機等傳統能源DG，也包括以光伏、風能發電等為代表的可再生能源DG。傳統能源DG的輸出功率可控，但其發電會產生一定的碳排放，故可作為系統備用機組。分散式可再生能源發電幾乎不產生排放，但受天氣環境影響，通常具有隨機性和間歇性特點:風力發電的經濟性好，但其反負荷調節特性使得大規模併網會對電網穩定運行造成不利影響;光伏發電系統的結構簡單，配置靈活，但全壽命周期成本較高。EES設備可分為能量型和功率型兩種類型，前者包括鉛酸蓄電池、鋰電池以及釩液流電池等，主要用於維持系統功率平衡；後者則包括超級電容和飛輪儲能等，用於平抑系統瞬時功率波動。相似地，需求側資源也存在多種形式，包括可中斷負荷與回響負荷等:前者基於雙邊契約形式，在必要情況下電網公司可直接中斷相關用戶電力供應，但其調用頻率及時間均有嚴格限制;後者主要基於動態電價機制，用戶具有更大靈活性，但其運行機制相對複雜。
關於組建方式，主動配電網規劃需要確定的內容包括電網接線模式、電能傳輸方式及通信方式等。除了典型輻射狀結構之外，環式、樹狀、網狀等新型接線模式將為主動配電網系統集成提供更加靈活豐富的選擇；直流配電方式具有損耗小、成本低、供電可控性及可靠性高等優勢，是未來智慧型配電網發展的主要趨勢，但考慮到設備特性和實現難度等，交流傳輸模式在現階段仍舊占據主要地位;此外，要實現ANM，還必須藉助強大的信息和通信技術。主動配電網通信方式主要包括光纖、無線微功率、電力線載波等，而不同方式具有各自適用範圍及優勢。
目前來看，針對不同的套用背景和環境特點，各種DG究竟適合與哪些類型的需求側資源相結合，如何與電網架構相匹配，又需要採用何種通信方式，仍缺乏系統的設計原則。在低碳經濟背景下，主動配電網集成模式除了需要考慮系統供電可靠性、電能質量、投資運行成本等技術經濟因素之外，還要綜合權衡電網建設的生態環境影響。這需要科學完善的評價指標體系提供支撐。
主動配電網最佳化規劃方法
主動配電網強調通過套用各類信息、通信、控制技術對系統供需側資源實施主動管理，從整個公用配電網層而實現DREG大規模併網及對可再生能源的積極利用。綠色低碳目標，ANM機制及複雜的外在不確定因素使得迫切需要研究專門針對主動配電網的新型規劃方法。對此，目前國內外已出現少量研究成果。
有文獻提出了主動配電網靜態及動態規劃模型，通過構建預想場景集，對線路容量、聯絡開關及DG配置進行綜合最佳化，實現了系統投資運行總成本最小；針對傳統配電網向主動配電網過渡的問題。也有文獻以投資經濟性及分散式電源運行效率最優作為目標函式，同時考慮功率平衡、開關配置、分散式電源運行、負荷增長等約束條件，提出了一種多目標規劃模型;
從上述狀況看，目前對於主動配電網規劃方法的研究主要關注分散式可再生能源發電與電網運行之間的相互協調問題，並開始注意到綜合規劃思想的重要價值；但是，對於主動配電網主動兼容綠色能源的技術特性尚缺乏充分認識，也未能上升到低碳經濟的高度揭示相關規劃結果的深刻意義。此外，通信設備作為主動配電網關鍵組成部分，當前研究同樣缺乏對該方而配置策略的深入討論。
針對主動配電網規劃，首先需要全而分析系統在生產運行各環節中存在哪些影響可再生能源利用效率的阻滯因素;在此基礎上，通過研究相關因素的作用機理，提出與之對應的規劃策略。不同於其他市場商品，電能的生產、輸送、分配與使用幾乎是在同時完成的。受此特性制約，電力系統對可再生能源的利用效率實際取決於電網對可再生電能的輸送能力以及用戶對此的使用能力兩個方而。具體地講，線路容量及拓撲結構共同影響電網系統的輸電能力，這是由規劃階段的資源投資配置情況所決定的;而需求側對可再生電能的使用能力則屬於系統運行階段的範疇，更多地取決於用戶自身負荷特性與用電習慣。不同阻滯因素出現的階段不同，決定了各自的時間尺度不同。對於ADN規劃，如何有機“串聯”上述因素，統籌考慮它們對可再生能源利用的影響，以實現全壽命周期內系統綜合效益最優，是建模工作的一個關鍵難點。此外，由於主動配電網規劃需要細緻考慮系統可能遇到的各種運行工況，決策過程而臨更多的不確定性因素。根據事件邊界的可辨識與否，不確定性要素可表現出不同的數理特性:對於隨機因素，一般可用基於統計得到的機率密度函式進行描述；對於模糊因素，則通常需要藉助隸屬度函式實現對經驗性邏輯的表達。因此，需要開發針對含多類型不確定性因素規劃問題的新型求解算法。
主動配電網投資的成本一效益分析
投資的成本效益分析是主動配電網規劃建設而臨的另一關鍵問題。各類新型設備和運行控制方式的將顯著改變配電系統的固有成本效益構成。同時市場環境下參與主體的多元化使主動配電網投資決策還必須合理兼顧各方利益訴求。
有文獻通過全而分析智慧型電網下的市場參與格局，構建了考慮不同主體內在互動聯繫的智慧型電網投資綜合評價指標體系;針對智慧型電網技術的主要受益者一一終端電力用戶，也有文獻重點從安全性、優質性和高效性等三方而對其需求進行了詳細的探討。
從以上情況來看，現有研究主要集中在對主動配電網規劃投資主體的多元化特性和協調決策方法的探討上，而對主動配電網相關屬性在實際決策中的邏輯差異及禍合關係缺乏必要的考慮。另外，對於通信、配電自動化等主動配電網關鍵技術的成本效益，目前也尚未見到成熟的評價計算模型。
未來研究重點與建議
當前，我國正處於社會經濟轉型和智慧型電網加速建設的關鍵時期，主動配電網規劃戰略的制定應與低碳經濟發展形勢相適應並優先解決以上所述的各方而關鍵問題。針對該領域，建議未來一段時期內重點開展以下研究工作 ：
1)系統研究主動配電網下規劃資源的技術特徵，探討適用於不同套用需求的主動配電網典型資源集成模式；構建主動配電網碳排放替代能力估算模型，以綜合評估不同集成模式下二氧化碳減排的技術潛力與預期效益。
2)深入開展針對促進可再生能源高效利用的主動配電網綜合規劃方法的研究與套用。需要從技術、管理、市場機制等不同維度分析阻礙可再生能源高效利用的潛在因素及其作用機制；分析DR， ANM等主動配電網可行技術對提升配電系統整體運行效益及可再生能源消納能力的影響；在計及各類複雜不確定性因素的基礎上，統籌考慮電網網架、分散式電源、通信及自動化設備的最佳化配置，研究而向促進可再生能源主動利用的主動配電網綜合資源規劃方法，重點解決不同低碳阻滯因素所對應時間尺度不統一的問題。
3)研究開放電力市場環境下主動配電網規劃新格局，分析各相關主體的參與許可權、對應投資的成本收益與決策影響之間的禍合關係；構建反映多主體成本效益的主動配電網規劃綜合評價指標體系，重點考慮系統經濟性、供電服務質量、資源利用率、低碳效益等方而屬性；研究基於多方合作博弈的主動配電網協調規劃機制及輔助決策方法，在靈活兼顧各方利益的前提下促進碳減排目標實現。
結語
日益凸顯的生態環境問題及我國節能減排的巨觀戰略目標需電力能源工業加速推進低碳化轉型。作為智慧型配電網發展到高級階段的產物，主動配電網技術能夠極大提升配電系統對可再生能源消納及資產高效利用的能力，對於支撐我國低碳經濟發展具有重要戰略意義。主動配電網自身技術特點及運行方式的變化對已有配電網規劃模式提出了全新要求，其關鍵在於相關規劃技術的突破和發展。當前主動配電網規劃所涉及的關鍵研究問題包括需求側資源特性分析、電力負荷預測、系統資源集成和最佳化配置、投資效益評價及決策方法等。其中，複雜不確定因素與多主體的市場參與格局是貫穿上述研究的難點。儘管目前主動配電網在國內外的發展尚處於起步階段，離實現成熟商業化還有很大距離，但可以預見，伴隨智慧型電網技術的突破及世界各國對可再生能源產業支持力度的不斷加大，主動配電網勢必以其在技術、經濟和環境等方而的綜合優勢而擁有廣闊的發展前景。
