摘要：近年来在电力系统中研究配电系统的文章层出不穷，但综合阐述国内外配电网技术发展的文章并不多见。为了使更多配电网的研究人员了解当下配电网发展现状，便于对配电网有更深层次的研究，本文总结了国内外配电网发展现状、发展趋势以及研究的热点，特别是在配电网拓扑、配电网规划、配电网可靠性评估、配电网综合评估、配电网自动化技术、配电网重构、电能质量及定制电力技术和分布式电源接入对配电网的影响等方面进行了较深入的阐述和分析。
关键词：配电网拓扑;配电网规划;配电网评估;配电网自动化;配电网重构;电能质量;定制电力技术;分布式电源
配电网在电力系统中起分配电能的作用，是电力系统发电、输电和配电大系统之一，配电网按电压等级来分类，可分为高压配电网(35—110kV)，中压配电网(6—10kV，苏州有20kV的)，低压配电网(220/380V);在负载率较大的特大型城市，220kV电网也有配电功能。通常配电网主要是指35kV及其以下电压等级的电网，作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源;按供电区的功能来分类，可分为城市配电网，农村配电网和工厂配电网等。
近年来，我国投入大量资金对配电网进行改造和建设，极大程度上改善了城乡供电水平和质量，城网的经济技术指标以及供电可靠性也有显著提高，但是和工业强国相比还有较大差距。随着国民经济进一步地飞速发展，有关配电网的以下研究问题也越来越广泛和深入。
1 配电网拓扑
配电网络的拓扑分析是根据配电电气元件的连接关系，把整个配电网络看成线与点结
合的拓扑图，然后根据电源结点、开关结点等进行整个网络的拓扑连线分析，它是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、网络重构等其它分析的基础。
配电网络的结构庞大且复杂，网络结构由于故障或负荷转移操作中开关的开合，经常发生变化。作为配电网络分析的基础，网络拓扑计算需要进一步提高，因此迫切需要一个好的网络拓扑算法。好的网络拓扑算法应该有效且直观，它不仅能满足配电网自动化中的不同高级功能的要求，还应能实现配电网络连通性的快速跟踪和识别，适应事件变化。同时还应节省存储空间和其他高级计算功能的时间。目前国内外在这方面现有的研究有关联表矩阵表示法、网基矩阵表示法、结点消去法、树搜索表示法、离散处理法等。
(1)关联表矩阵表示法[1]，联表矩阵，设备编号来分析设备的连接关系，得到网络的拓扑。其中建立了两个表矩阵，N行13列的结点描述矩阵和M行16列的支路描述矩阵。这两个矩阵即包含了每一个结点和每一条支路所相关联的结点或支路号，以及各自的属性。由于配电网络结构复杂，基于关联表的搜索分析方法会很复杂费时，难以实现网络拓扑的快速跟踪。
(2)网基矩阵表示法[2]：该方法是基于图论的表示方法。其基本思想是：配电网络是一个变结构的网络，网络由结点和弧构成。称变结构网络的各种允许结构形态为网形，称所有网形中出现的弧的并集对应的基础图为变结构网络的网基。网基用网基结构矩阵来描述，对于一个N结点的网络，网基结构矩阵为N行N列的方阵，该矩阵表示了结点间的连接关系。网形则采用弧结构矩阵来描述。将网基矩阵经基形变换得到描述网形的弧结构矩阵。该方法从配电网络的变结构特点出发，能有效的表示配电网络拓扑，但是它是基于矩阵的表示方法，而配电网络的矩阵稀疏程度很高，占用了较大的存储空间。
(3)结点消去法[3]：该方法即通过消去中间节点，降低邻接矩阵的阶数，减少计算量和
计算冗余度，提高计算速度。这种算法的基本思想是忽略掉中间结点，只分析对拓扑结构具有重要影响作用的结点之间的连通状态。结点消去法适用于任何接线方式，尤其对复杂的接线分析非常有效。大大减少了计算冗余度和计算量，提高了计算速度。但会影响到状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢复、网络重构等其它分析。
(4)树搜索法[4]：在树搜索中，将母线看作图的顶点，将支路看作是图的边。通常对配电网来说，开关变位造成网络结构发生重大变化的情况是很少发生的。在大多数情况下，开关变位的影响是局部的，基于此当开关状态发生变化时，只搜索断开开关所在的厂站电压等级的拓扑分析方法，可提高网络拓扑分析效率。
(5)离散处理法[5]：电力系统既含连续动态，也含离散动态。开关状态变化引起电力系统网络结构变化，是一种典型的离散事件动态过程。把整个电网拓扑分析问题分解为若干基本分析单元，采用基本分析单元的有色Petri网模型，当开关状态发生变化时，只需重新计算受变化的开关状态影响的母线，可提高拓扑分析的效率。通过对上述算法的比较、分析，可以看出各有特点，然而孤立地使用其中任意一种都无法达到直观、有效、快速等配电网拓扑的综合要求。因此要充分借鉴前人的研究成果，根据实际情况来实现配电网络的拓扑分析。
2 配电网规划
配电网规划通常是指在满足预期负荷增长的情况下，实现对变电站的建设时间、地点、容量以及馈线段的路径和尺寸等变量的最优选择，同时考虑电压降落约束、容量约束和辐射状网架结构约束等限制，属于非线性、高维数的复杂组合优化问题。
文献[6]提出采用模拟退火法作为配电网规划的求解算法。文献[7]-[8]提出的配电网规
划采用遗传算法，蚁群算法[9]-[10]、禁忌搜索算法[11]也都曾经给配电网规划算法带来新的活力，这些方法能够在合理的时间内取得较好的优化效果，但模拟退火法收敛速度缓慢;遗传算法收敛过早，在求解中若采用二进制编码易导致生成大量的不可行解;蚁群算法的搜索时间太长，容易出现收敛过早和寻优停滞等现象;禁忌搜索法的收敛性受初始解影响很大，且禁忌表的大小不易确定等。
随后，众多学者开始将算法混合作为提高优化质量的有效途径，通过集成不同算法的优良特性来弥补各自的弱点，如将地理信息系统(geographic information system，GIS)和遗传算法(genetic algorithm，GA)相结合[12]、将GIS和禁忌搜索算法相结合[13]、将禁忌搜索算法和遗传算法相结合[14]、将禁忌搜索算法和蚁群算法相结合[15]等。文献[16]将序优化理论和遗传算法相结合，并将其应用到配电网规划中，用序优化理论的思想来指导遗传算法中的选择、交叉和变异操作，有效避免了遗传算法中终止条件难以确定、易陷入局部最优等问题，高效地保证了优化质量。文献[17]引入了区间算法对不确定性符合、配电网规划的数学模型和自动布线的初始化搜索方法进行了修改，并采用遗传禁忌混合算法对初始化网架进行了优化求解。为当下不确定性条件下的城市配电网规划提供了参考。
3 配电网可靠性评估
电力系统可靠性又可分为发电系统可靠性、发输电系统可靠性、输电系统可靠性、配电系统可靠性和发电厂变电所电气主接线可靠性。配电系统通常包括配电变电站、一次配电线路(馈电线路)、配电变压器、二次配电线路继电保护设施等，是连接发、输电系统与用户的重要环节。据不完全统计，用户停电故障中80%以上是由配电系统故障引起的，它对用户供电可靠性的影响也最大。
配电网可靠性评估的方法大致可分为解析法和蒙特卡洛模拟法。
解析法即故障枚举法，其物理概念明晰，解析法一般可分为：概率分布法、故障模式与后果分析法、故障扩散法、网络等值法、最小路径法、分级马尔可夫法以及分块算法。在配电网中，故障状态随着设备的增加而呈指数级增长，而且当系统变得越来越复杂时，其状态空间的状态数剧增，这必然会造成计算灾问题。因此，解析法只适用于模拟一些小型的不太复杂的系统。
为了克服计算灾的问题，最近文献[18]提出一种大电力系统可靠性评估的解析计算模型，该模型第一次推到了失负荷概率LOPP、失负荷频率LOLF和电力不足期望EDNS等风险指标对元件可靠性参数的解析表达式，为电力系统可靠性评估提供了一个很好的解析计算新思路。
蒙特卡罗模拟法适合于模拟大型复杂电力系统，因此越来越受到国内外学术界的关注，同时也进行了深入的研究[19]-[21]。蒙特卡罗法与解析法之间的明显区别是如何选择系统状态。由于蒙特卡罗法采用抽样的方式，模拟随机出现的各种系统状态，并从大量的模拟试验结果中统计出系统的可靠性指标，其模拟次数与系统规模无关，但蒙特卡罗法是一个波动的收敛过程，估计出的风险指标总是有一个置信范围,不能保证增加大量的样本就一定会减小误差。为模拟小概率事件(如全黑事故)而不得不使抽样样本非常巨大，这也导致了蒙特卡罗法的精度与计算时间之间的矛盾。
为了解决以上矛盾，文献[20]从蒙特卡罗法在充裕度上的应用角度综述了蒙特卡罗的收敛加速法，并提到把模糊集理论用于蒙特卡罗及基于概率测度的模糊算法。文献[21]建立了系统分层可靠性模型，把不同元件在故障后产生相同后果的设备故障模式合并为等小元件以简化抽样过程。但该文考虑到的故障模式不够全面。文献[22]也提出一种采用分层模型和合并相同状态的方法，减少了需要评估状态数。
如今配电网可靠性评估日益重要，如何将定量和定性相结合，解析法和模拟法相结合，发挥各自的优势构成“综合法”有可能成为今后配电网可靠性评估的重点发展方向[23]-[24] 。
此外，文献[25]-[26]分别提出基于各种神经网络的电网可靠性评估模型，他们的基本思想是把神经网络应用于故障筛选过程。但利用神经网络进行故障筛选过程存在算法复杂耗时更长的弊端。一些神经网络在削减负荷策略时采用就近先削的原则也与实际情况不符。
4 配电网的综合评估
配电网综合评估体系的研究是提高配电网建设、改造及管理现代化科学化水平，深化电网改造工作的一个重要环节。配电网综合评估是以网络综合费用最小为目标函数，相关的评估指标为：网络的安全性、网络可靠性、网络损耗以及短路电流水平校验等。
配电网综合评估的主要方法一般为两类：(1)德尔菲法(Delphi)，一种能够充分综合领域专家知识、经验和信息的方法，亦称之为专家打分法;(2)层次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)，一种在决策过程中对非定量事件做定量分析，对主观判断做客观分析的方法。清晰的层次结构是AHP分析简化综合复杂问题的关键，在此基础上确定的属性权重反映了层次指标间的重要程度。
5 配网自动化
随着计算机及通信技术的发展，电力系统自动化技术发生了深刻的变化，正逐步地从局部的、单一功能的自动化，向整体系统综合自动化发展，并且从输电网自动化向配电网自动化延伸。配电网自动化(DA，Distribution Automation)，是利用现代计算机及通信
技术，将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等信息进行集成，构成完整的自动化系统，实现配电网运行监控及管理的自动化、信息化。近年来，配电网自动化已成为电力自动化技术的一个热点，引起了科研、制造单位的广泛注意和重视。
配电网自动化功能可分为两方面的内容：把配电网实时监控、自动故障隔离及恢复供电、自动读表等功能，称为配电网运行自动化;而把离线的或实时性不强的设备管理、停电管理、用电管理等功能，称为配电网管理自动化[27]-[28]。其主要目标是提高供电可靠性、改善电能质量和提高运行管理水平及经济效益[29]-[30] 。
在我国，从1998年开始每年新建配网自动化系统的城市有10个以上，到目前已有上百个城市进行了配网自动化系统建设或试点，相关标准、规范的制定工作也取得了进展，这些都推进了配网自动化工作的进展。但是我国目前的配电网自动化系统仍然存在着一些问题，有待进一步完善或提高：
(1)我国配电网具有分布广泛，规模庞大，所以配电网自动化系统的站端设备数量非常多，这样就大大增加了通信系统的建设复杂性，从目前成熟的通信手段看，没有一种方式能够单独满足要求，因此往往综合采用多种通信方式，并且通常采取多层集结的方式来减少通道数量和充分发挥高速信道的能力，这样就更增加了通信系统的难度。此外，在配电网自动化系统内众多的站端设备中既有容量较大的开闭所RTU和变电站RTU，又有容量小的现场RTU，而且对于现场RTU往往还有设置定值、故障录波等更复杂的要求，这使得它们难以采用统一的通信规约，进一步使问题复杂化。
同时由于传送信息量相对较小、实时性要求相对较低等特点。光缆通信可靠性、带宽、通信速率等均是最理想的，但成本高，不可能在配网系统大面积使用。电力线载波(PLC)是利用中、低压配电线作为信道传输数据信号，故不需要新建通信网络，是一种价廉方便
的通信方式。但该方式存在传输衰减大、噪声电平高、耦合阻抗随时会有不可预测的变化等缺点。解决途径是需要选择一种适合的配电线通信的调制方式及研究一种信号识别技术[31]。近年城市配网系统研究利用电缆屏蔽层载波通信，该通信方式已成为国内外研究热点[32]。另外移动宽带通信也具有较好的应用前景。
(2)小电流接地系统单相接地故障时故障点的判断与处理，我国中低压配电网基本上采用小电流接地方式，而在配电网故障中约80% 属于单相接地故障。配电线路自动化的主要功能就是处理线路故障，对单相接地故障选线及处理经历了20余年的研究，但仍没有很完善的解决办法，主要问题是故障线路及故障点的判断。
(3)故障诊断、隔离、恢复供电功能问题，该问题是馈线自动化的核心部分。在此方面，现在的主要手段是将开关设备与馈线开关终端(FTU)组合成具有采集、传输、控制功能的智能装置，通过一定的通信方式与控制软件结合，构成FA。该方式可实现一次性故障定位、隔离、避免开关多次分合，自动化水平高，但设备结构复杂，影响可靠性的因素较多，需要进一步研究。
同时，配网自动化的经济问题与数字化变电站的建设将成为新的发展方向。
(1)我国目前配电网的现状仍十分落后，首先要对配网的拓扑结构进行改造，使之适合于自动化的要求，如馈线分段化、配网环网化等。
(2)在电力市场环境下，供电可靠性和电能质量两个指标是和经济效益密切相关的。因此供电可靠性与配电自动化的模式及成本之间必然存在紧密的联系，供电可靠性和与停电成本之间的经济相关性是一个值得深入研究的问题。如何确定我国配电自动化的模式，需要在投资的经济性与用户的供电可靠性之间找到合理的经济平衡点。进一步需要研究一种
经济且容易推广普及的配电自动化模式[33]-[34]。
(3)数字化变电站是配电自动化发展的必然结果，IEC61850的制定、网络通信技术的发展、新型互感器的完善[35]以及智能电器的研发进展都为数字化变电站的建立奠定了坚实的基础。
(4)电力线扩频通信，配电网中目前主要采用特高频数传电台，但是它受限于频点资源，城区干扰，气候影响等因素，无法为配电网自动化提供优质实时的通信通道;性能较优的光纤通信，因其价格高而无法短期内在涉及干家万户的配电网中广泛地使用。电力线扩频通信如抗干扰性强，误码率低，抗多径衰落等优点，即使在背景噪声恶劣的情况下也能保证安全可靠的通信因此发展电力线扩频载波就显得尤为重要[36]。
6 配电网重构
配电网一般具有闭环设计、开环运行的特点。为了提高供电可靠性及运行的灵活性，配电沿线上设有分段开关，在馈线入口处设有联络开关，配电网的这一特点，使其有变换运行结构的可能。但在实际的配电系统中，开关操作的排列组合数目往往是十分巨大，因此配电网络重构问题在理论上是一个非常庞大而复杂的非线性组合优化问题。
配电网络重构是降低配电网线损的有效途径，通过网络重构还可以均衡负荷、消除过载、提高供电电压质量。经过许多学者多年的研究，目前配电网络重构的目标函数一般为降低配电网线损[37]、均衡负荷[38]、提高供电可靠性[39]、提高供电电压质量[40]、提高电压稳定性[41]或综合几个目标函数为目标函数的配电网络重构，如文献[42]将配电网络重构和无功优化结合起来作为目标函数，文献[43]将降低网络有功损耗和提高配电网可靠性结合起来作为目标函数。由于配电网重构的非线性的特点，每一次进行优化的迭代都需
要进行一次配电网潮流计算，而连续的配电网潮流计算需要大量的计算时间。为了提高计算速度，保证得出最优的配电网络结构，人们尝试了用不同的方法来解决配电网重构的问题。其中，对以网损最小为目标函数的配电网络重构研究最多，产生了许多相应的算法，如从早期的传统优化手段到启发式和近全局寻优技术，再到近期的人工智能技术等等。
7 电能质量及定制电力技术
随着现代科学技术的发展，越来越多精密用电设备在生产生活中得到了应用。一方面，这些设备对供电的可靠性和供电质量的要求越来越高，几十甚至几个毫秒的电压跌落就会对设备运行造成影响;另一方面，一些新型设备所采用的大量高新技术特别是电力电子技术的广泛应用，使得这些负荷在用电中表现出非线性、冲击性等特征，并可能对电网产生谐波污染，引起供电电网波形畸变、三相不平衡、电压波动等问题，使得配电系统的供电质量恶化，造成对电能质量的严重影响。
提高供电可靠性和电能质量的传统做法是采用较普通的过电压抑制器以防止过电压损坏设备，采用滤波器减小谐波畸变的影响，采用不间断电源(UPS)以保护某些关键性负荷,以及安装自备发电机或其它设备。这些措施都需要相当可观的资金而且还不能完全解决问题。克服传统方法存在的缺点，寻找投资更少、效果更好、能耗更低的办法一直是电力部门努力的目标。
美国电力研究院(Electric Power Research Institute简称EPRI)于1988年首先提出了定制电力技术(Custom Power，又称用户电力技术)的概念[44]，把大功率电电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对供可靠性和电能质量的要求为依据，为用户配置所需的电力。定制电力技术所针对的主要对象是配电网的供电可靠性和供电质量两个方面，即将采用电力电子技术的静止型调节装置用于配电系统(1~35 kV)，以向用户提供增值的、达
到用户所需可靠性水平和电能质量水平的电力。静态同步补偿器(STATCOM)[45]、静态串联同步补偿器(SSSC)[46]、动态电压恢复器(DVR)[47]以及有源电力滤波器(APF)[48]-[49]的出现都为配电网无功补偿提供了强有力地支撑。
8 分布式电源接入对配电网的影响
分布式电源的并网系统包括两方面的含义：一是在分布式电源和电网之间建立起物理联系的设备;二是分布式电源与外接形成电气联系的手段，同时并网还包括可以实现分布式电源单元的监视、控制、测量、保护以及调度等功能。并网系统使得分布式电源、地区电力系统以及用户之间可以互动，并且是它们之间通信和控制的通道。并网的性能、兼容性和规范将在一定程度上最终决定分布式电源对电力市场的长期渗透能力[50]。现阶段风力发电技术、太阳能光伏电池、燃料电池以及微型热气轮机等几种分布式发电技术是国内外高度关注的。
分布式发电(Distributed Generation-DG)的发展将对传统的电力系统带来较大的影响，引起电力技术的显著进步 为了利用分散能源和提高供电可靠性，各种分布式电源将在配电系统中得到越来越广泛的应用。
在美国，正在研究开发方便用户就近利用分布式电源的多种新型技术，例如：1)分布式电源的成批控制技术(群控技术)，在负荷高峰时向电网供电的调峰技术;2)根据用户的要求按需供电的多品质供电系统;3)区域电力网络系统。将分布式电源、贮电装置和电力设备组合起来，根据区域用的要求提供更加灵活有效的供电服务。
在欧洲，正在研究普及分布式电源的政策。在技术开发方面，尤其重视电力系统与分布式电源的联接问题，为此在2001年12月制定了一个旨在促进包括分布式电源的“能源
网络通道”的名为“Integration”的计划。这是一个通过统一协调欧洲包括欧盟各成员国的分布式电源，确保电力供给的安全性和可靠性的研究开发计划[51]。
我国对分布式电源的研究尚处在起步阶段，已经开始在北京、上海等地兴建基于冷、热、电联产的分布式电源，在西部和沿海兴建基于可再生资源(太阳能、风能)的分布式电源。这些电站大多还是属于示范性的规模较小，许多问题还有待于在进一步的工作中探索[52]。
无论是农村或郊区的放射状配电系统还是城市的网状配电系统，都是以配电系统和用户端没有接入任何电源为基础设计、运行的。当配电系统中接入了大量的分布式电源之后，将在较大程度下影响网络潮流的大小、方向，以及电气元件和用户端的电压。这些影响带来正面效果或负面效果主要取决于电力系统的运行特性以及分布式电源本身的特点。正面影响一般称为“系统支持效益”[53]，包括：
1)电压支持和改善电能质量
2)减小线损
3)缓解输、配电容量的压力
4)改善电力系统的稳定性。
目前已有部分专家学者进行分布式发电并网的研究，文献[54]对分布式发电引入配电网产生的影响进行了研究，建立了典型的配电网模型、直接并网及逆变并网两类分布式电源模型。
文献[55]提出了当负荷增长使得系统需要增容时在传统的增容方法和安装分布式设备中选出最佳组合方案，使得总成本最小。
文献[56]提出在配网规划中可以再充分比较变电所，升级电网以及安装分布式发电装置之间的经济后综合利用分布式发电装置、配电自动化以及符合侧管理各种手段来提高系统的容量和可靠性。
于此同时随着分布式发电的快速发展，超级电容储能、超导储能、飞轮储能等分布式储能技术也逐步进入实用阶段。分布式发电装置与分布式储能结合为特殊符合供电，由此组成一种特殊的小型电网-微电网。分布式发电及微电网技术将会成为配电网研究、规划、设计及建设中的又一大热点。
9 总结
由于配电系统直接影响电力用户，它在电力系统中的重要性不言而喻，如何解决好我国配电网目前所存在的各类问题直接影响到我国电力事业的发展前景。只有在新技术、新形势下传承经典开拓创新，我国配电网的发展才大有可为。
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