第1章 复杂有源配电网概述
1.1复杂有源配电网特征
配电网是电网直接面向用户供电的重要环节，体量巨大、分布广泛、节点众多、结构复杂。含大量分布式电源的有源配电网呈现潮流双向流动、稳态暂态交织等复杂特征。复杂有源配电网是信息物理融合的复杂动态大系统 [1-3]。在配电网能量流、信息流、业务流相互融合与互动的基础上，复杂有源配电网具有以下五个主要特征。
(1)集成。通过不断的流程优化、信息整合，实现企业管理、生产管理、调度自动化与电力市场管理业务的集成，形成全面的辅助决策支持体系，支持企业管理的规范化和精细化，不断提升电力企业的管理效率。
(2)自愈。对电网的运行状态进行连续在线自我评估，并采取预防性控制手段，及时发现、快速诊断和消除故障隐患，当故障发生时，在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免发生大面积停电。
(3)优化。实现资产规划、建设、运行维护等全寿命周期的优化，合理安排设备的运行与检修，提高资产利用效率，有效降低运行维护成本和投资成本，减少电网损耗。
(4)兼容。电网能够同时适应集中式发电与分布式发电模式，实现与负荷侧的交互，支撑风力发电等可再生能源的接入，扩大系统运行调节的可选资源范围，促进电网与环境的和谐发展。
(5)互动。系统运行与批发、零售电力市场实现无缝衔接，支持电力交易的有效开展，实现资源的优化配置，同时，通过市场交易更好地激励电力市场主体参与电网安全管理，从而提升电力系统的安全运行水平。
复杂有源配电网主要包括以下四方面内容。
(1)在网络结构方面，复杂有源配电网应该具有可靠而灵活的分层、分区布局的拓扑结构，满足配电系统运行控制、故障处理、系统通信的要求。
(2)在运行控制方面，复杂有源配电网应该既具有系统正常运行时实时可靠的状态监测、隐患预测、智能调节、运行优化的能力，又具有系统非正常运行时的自愈控制能力。
(3)在通信方面，复杂有源配电网应该具有建立在开放的通信架构和统一的技术标准基础之上的高速、双向、集成的通信网络设施，以实现电力流、信息流、业务流的一体化。
(4)在软件组成方面，复杂有源配电网高度集成数据采集与监控 (supervisory control and data acquisition， SCADA)系统、配电自动化 (distribution automation， DA)系统、自愈控制(self-healing control)系统、地理信息系统(geographic information system， GIS)、配电管理系统 (distribution management system， DMS)等，既满足配电网安全运行的要求，又满足各类用户方便使用的要求。
1.2复杂有源配电网业务范围
配电网业务由实体电网、信息、通信、分析计算、运行控制和互动等六部分组成，各部分之间的关系如图 1-1所示。
1. 实体电网
实体电网作为复杂电网的物理载体，是实现复杂电网的基础。对于供电企业，只有通过实体电网才能传输进来电能，也只有通过实体电网才能将电能输送到用户，供用户使用，实体电网是电力企业的生命线。实体电网包括变电站及其一二次设备、供电线路、开关装置、量测装置、智能装备、分布式电源 /微网等。其中智能装备不仅涵盖传统二次系统的测控、保护、安全稳定控制等装置，还包括传统一次系统的静止补偿装置、固态开关、分布式储能装置等。
2. 信息
配电网中存在大量的数据信息，包括配电网数据采集与监控系统、配电自动化系统、地理信息系统、管理信息系统 (management information system， MIS)、配电管理系统等数据信息。这些信息除了各子系统内部特有的信息外，还有大量的某几个子系统共有的信息，这样就形成了数据交叉现象。随着智能电网的建设，配电网的自动化水平越来越高，基于各类算法的高级应用软件也越来越多地被电力部门使用。不同厂家开发的应用软件普遍存在数据的异构性，使不同应用程序之间以及不同系统之间难以实现数据与信息共享。构建配电网海量数据库，为电网业务各个环节提供更多的数据支撑是实现复杂有源配电网的内在要求。
3. 通信
通信是传输配电网各类信息的载体，通过利用先进的通信技术与电力设备和控制中心等进行数据传输，以达到自动控制或保护的目的。通信技术是实现复杂有源配电网的基础，没有先进的通信网络，任何复杂有源配电网的优点都无法体现，建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现复杂有源配电网的基础。
配电环节的应用系统主要包括：配电网数据采集与监控系统、配电管理系统、配电自动化系统、电能质量监测系统、配电生产管理系统等。
4. 分析与计算
配电网必须安全、经济、可靠地运行，需要在设计和运行中进行各种分析。配电网分析计算是研究配电网规划运营问题的基础和手段。随着分布式电源、微网、大型储能装置、大量电动汽车充电站的接入，配电网从无源网发展为有源网，在构成、结构、运行和管理方面变得更加复杂，配电网的优化运行和控制变得更为困难，其分析计算也变得更加复杂。
5. 运行控制
配电网的安全稳定经济运行离不开控制技术的支持。从广义上来看，无论什么目的，只要对配电网及其元件施加了影响就可以称为对配电网进行了控制。配电网控制的目的是为运行调度人员提供有效的管理控制方法，了解系统的运行状态，采取相应的措施提高系统的安全性和可靠性，实现系统的安全稳定经济运行。配电网控制是指采取具体的措施将配电系统调整到一种运行状态。当系统正常运行时，采取技术手段，使得系统满足高质量供电和经济性的需求，同时一定程度上对负荷波动有较强的承受能力，减小系统过载发生的概率。当系统发生故障时，采取技术手段，提高系统的供电恢复能力，快速恢复供电，从而减少故障损失。
6. 互动
互动是复杂有源配电网的内在要求，通过信息实时沟通分析实现电源、电网和用户资源的良性互动与高效协调，促进电能的安全、高效、清洁应用。
复杂有源配电网的互动有两层含义
(1)复杂有源配电网支持分布式电源的大量接入。支持分布式电源的大量接入是复杂有源配电网区别于传统配电网的重要特征。复杂有源配电网不再像传统电网一样，被动地硬性限制分布式电源接入点与容量，而是从资源优化配置的角度出发，通过保护控制的自适应与系统接口的标准化支持分布式电源的“即插即用”，通过优化调度实现对各种能源的优化利用和电网节能降损。
(2)复杂有源配电网支持电网与用户之间的互动。支持电网与用户之间的互动是复杂有源配电网区别于传统配电网的又一重要特征，主要体现在两个方面：一是应用智能电表，实行分时电价、动态实时电价，使用户根据实时电价自行选择用电时间；二是允许并积极创造条件使拥有分布式电源、储能装置、电动汽车的用户在用电高峰时向电网送电，参与削峰填谷，使用户从单一被动的电力消费者变为电网运行控制的积极参与者。
1.3复杂有源配电网建模与仿真需求
复杂有源配电网建模与仿真是配电网发展的基础工作，涉及规划、建设、运行、控制、调度的各个方面，精确的仿真分析能够在事故发生前做出预测和反应，提出预防控制措施，在事故发生时快速形成故障处理方案，在事故发生后实现电网自愈控制，保证系统自动的、持续的优化运行，达到改善电网稳定性、安全性、可靠性和提高运行效率的目的 [4-6]。
1.3.1复杂有源配电网建模需求
与传统配电网相比，复杂有源配电网包括大量分布式电源，是一个复杂的动态系统，存在以下建模需求。
(1)元件级模型。与传统电力系统成熟与可靠的元件模型相比，复杂有源配电系统不但元件种类繁多，而且很多电力电子元件模型尚在不断完善与发展之中。同时，一个完整的配电系统涉及一次设备、电力电子接口、各种控制器、网络元件等多个组成部分，其中既存在静止的直流电源，又含有旋转的交流电机；既涉及电能相关的电气参量，又涉及化学能、热能、光能等相关的非电气参量。元件级模型是复杂有源配电网建模的*要环节，如何建立各种准确而有效的元件级模型是必须解决的重要问题之一[7]。
(2)设备级模型。智能配电系统涉及配电变压器、线路、开关等传统配电网设备以及光伏、充电桩、风机、燃料电池等新型设备。对某一设备而言，针对不同问题的研究可能需要采用不同时间尺度、不同精细程度的模型。如何针对不同的研究目的构建相应的设备模型，是实现复杂有源配电网仿真模拟的关键问题之一[8]。
(3)系统级模型。复杂有源配电网包含分布式电源、多样性负荷、智能化设备及自动化、信息采集、互动化等系统，其优化运行和控制变得更为困难，其分析计算也变得更加复杂，因此，迫切需要构建能反映配电网风险、故障、可靠性、安全性等的配电网系统级分析、控制模型，从而为复杂有源配电网仿真计算奠定模型基础。
1.3.2复杂有源配电网仿真需求
现代配电系统在逐步提高智能化信息化水平的同时，接入并兼容更多新型设备，如多样性负荷、储能设备、分布式电源，其运行特性更为复杂、规模更为庞大，这对配电网的研究分析提出了新的要求，即应采用整体、全面、更优的配电网智能仿真分析方法。复杂有源配电网存在的仿真需求表现在以下三方面。
(1)数字仿真。要实现对复杂有源配电网的深入精准分析以及对网络的管理控制，需要具备较强的信息感知、数据分析处理能力。相比传统配电网，智能配电系统中待实时处理的数据量有了大幅增加，呈现指数型增长态势[9]。这使得配电网的仿真分析方法需要解决以下三个主要问题：①如何对海量数据信息进行感知采集；②如何结合电网实际特征对海量信息进行智能化分析处理；③如何利用数据分析结果和理论设计高级仿真分析算法。数字仿真由于具有不受原型系统规模和结构复杂性的限制，能保证被研究、实验系统的安全性，具有良好的经济性、方便性等优点，已被越来越多的科技人员所关注，并已在研究、实验、培训等多方面获得广泛应用。
(2)数模混合仿真
(digital and physical hybrid simulation， DPHS)。它是一种结合数字仿真和物理仿真优点的先进仿真技术，被广泛应用于原型设计与系统测试。数模混合仿真允许在较宽泛的真实条件下，在构建的虚拟系统中对被测试设备进行重复、安全、经济的测试。对于那些难以用数学表达式表述的物理现象，如具有快速电磁暂态过程的大功率电力电子器件的工作过程以及一些未知的物理现象，采用物理设备进行模拟，而对于大规模配电系统在极端工作条件下的动态响应可以借助数字仿真进行分析。通过数字仿真与动态模拟仿真相结合的方式，对复杂配电网的各种暂态行为特征进行分析，进而为配电网规划设计、优化调度提供技术支撑，为配电网的故障自动定位和排除、网络自愈提供决策依据，为配电网的谐波分析、短路电流计算、保护装置整定等提供技术支持，这些已成为配电网仿真迫切的需求 [10-12]。
(3)信息物理系统(cyber physical system，CPS)仿真。智能电网发展背景下，大量的高度集成先进量测体系、数据采集设备、计算设备和嵌入式柔性控制设备，将配电网、信息通信网两个实体网络深度互连，使配电网中一次系统与二次系统相互耦合、紧密联系，具备了典型信息物理融合系统的基本特征。配电网CPS中信息通信系统与物理系统的深度融合和实时交互，呈现出动态过程演变复杂、跨空间故障连锁传播、风险概率急剧攀升等新特点，并面临信息攻击、通信链路阻塞、复合故障演化等一系列新问题。传统配电网可靠性分析、优化控制、调度、供电恢复等方法由于对象的局限性，无法有效应对配电网 CPS新局面。配电网 CPS仿真是揭示物理、信息通信两者交互影响特性，精准刻画配电网 CPS运行、故障、检修、风险、攻击、扰动、优化、恢复等动态过程的基础工具，是配电网 CPS研究需要解决的*要问题，具有重要的应用价值 [13-15]。