能源互聯網背景下適應電動汽車規模化發展的配電網規劃設計研究

劉文娟 于冰濤

1.北京中恒博瑞數字電力科技有限公司 北京市 100001 2.天津天智華研電力技術集團股份有限公司 天津市 300001

1 研究背景

隨著人們物質生活水平的提高，促使其環保意識越來越強，風能、光伏等多種能源得到了大力應用。伴隨著各種新能源的不斷發展與應用，致使新能源接入成為當前電網發展比較重要的一項工作內容。能源互聯網作為能源的生產、傳輸、存儲、消費、市場以及信息技術深度融合的新形態，通過具有的設備智能、多能協同、信息對稱、供需多元、交易開放等主要特征，實現能源產業全鏈條的協同優化和價值創造。在能源互聯網背景下，配電網規劃應該考慮適應電動汽車規模化的發展，大大降低接入問題造成的影響，從而保證傳統配電逐步轉變為現代主動配電網，能夠適應電動汽車規模化發展的需要。

2 電動汽車和新能源接入對能源互聯下配電網的影響

2.1 電動汽車接入對能源互聯下配電網的影響

2.1.1 電動汽車接入對配電網規劃產生影響

隨著電動汽車的廣泛推廣，致使配電網負荷與日俱增，并且配電網的負荷壓力也隨之增加，從而對配電網規劃產生影響。另外，在配電網規劃的過程中，還需要考慮車主的充電行為、各地交通流量、現有配電網絡、新能源接入情況、電動汽車充電時間、電壓穩定情況、配網建設成本等多重因素，才能進行能源互聯下的配電網規劃。

2.1.2 電動汽車接入對電網的峰谷平衡產生影響

傳統電力負荷高峰主要集中在白天期間，而大部分電動汽車主要是夜間進行充電， 只有這樣，才能有效維持電網的峰谷平衡，進而促使電網負荷特性得到完善。因此，電動汽車夜間的接入對電網的峰谷平衡具有顯著的促進作用。

2.1.3 電動汽車接入對電網穩定性產生影響

由于電動汽車規模化發展，對充電樁的布置也提出了新的要求，而電動汽車充電具有一定的隨機性，各個充電站點所面臨的充電壓力不一樣。在某個充電點大量電動汽車接入充電，則會影響局部電力系統的穩定性。特別是隨著大量電動汽車接入配電網中，其運行和結構在一定程度會受到影響，并且傳統配電網規劃早已無法滿足于電動汽車大規模接入的實際需求。當電動汽車集中在某一區域范圍內充電，則會影響配電網局部發生過載或者是不平衡問題；當大部分電動汽車在負荷高峰期間進行充電時，會使配電網負擔加重，因此，必須對配電網中發電裝機方面加大投資力度。

2.2 新能源接入對能源互聯下配電網造成的影響

2.2.1 新能源接入對網損的影響

隨著我國新能源的大力發展，對于能源短缺問題有了較大改善，但是由于新能源的接入，網損也越來越嚴重。網損不僅與電力負荷有直接的關系，同時也與新能源接入的位置、接入容量的大小、配電網拓撲結構等有著間接的影響。新能源接入致使配電網中部分單向流動潮流的支路發生變化，最終導致配電網網損發生變化。 由于新能源接入情況大不相同，也會出現網損增大或是減少的情況。

2.2.2 新能源接入對電能質量的影響

新能源接入配電網時，需要依靠大量的電力電子設備才可以完成， 致使配電網電壓、電流波形發生變化，造成大量諧波引入， 甚至是電網電壓出現閃變問題，嚴重影響電網電能質量。

2.2.3 新能源接入對繼電保護影響

由于傳統配電網絡結構一般呈放射狀，其保護原理和日常運行維護簡單便捷，并且經濟成本比較低，而新能源接入不僅使電網潮流發生變化，同時也使電網故障時短路電流大小發生改變。一旦新能源和繼電保護二者之間出現紕漏，極有可能發生保護失效，甚至是誤動作等問題現象。

2.2.4 新能源接入對配電網可靠性的影響

隨著新能源接入，給傳統負荷預測、規劃、運行帶來不利影響。首先，由于使用新能源發電的越來越多，對于負荷的增長也更難預測。其次，由于光伏發電、風力發電所產生的能源存在波動性和間歇性，一定程度上影響了配電網的正常運行。

3 能源互聯網背景下電動汽車和新能源接入配電網規劃設計

能源互聯網背景下適應電動汽車規模化發展的配電網規劃設計需要滿足兩方面的要求。首先是符合國家政策和經濟效益的基本前提下，嚴格按照配電網規劃區結構對新能源以及電動汽車充電站的位置、類型、容量進行明確規定。其次，從技術方面出發，在第一步基礎上對電動汽車和新能源的接入點數量和容量進行確定，然后在經濟條件允許的情況下，使新能源、電動汽車充電站與配電網達到最佳匹配狀態。

3.1 考慮電動汽車用電特性分析

3.1.1 出租車

一般情況下，出租車很多為24 小時運營，并且在運營期間不間斷。因此，為了保證出租車正常運營，需要選擇快速充電方式，從而有效縮短充電時間。對此，出租車倚天24小時都需要采用快速充電方式。

3.1.2 公交車

對于公交車的發車時間、行車路線都比較規固定，在沒有特殊的情況不會發生太大的變化。因此，在公交車現有的停車場內布設相應的充電樁即可。為了保證公交車在運營期間，不會出現缺電而無法準時發車的現象，應該在停車場內布設一定數量的快充裝置。

3.1.3 私家車

一般私家車主要用于上下班、娛樂休閑等活動，并且根據相關調查研究分析得出，私家車在上下班時間段、晚飯后休閑娛樂時間段使用頻率比較高。同時，私家車在單位、餐廳、商場等諸多場所停留時間相對比較長，有足夠時間進行充電，因此，可以選擇常規充電或者是慢速充電方式進行充電。但是在緊急情況下，亦可選擇快速充電方式。

3.2 考慮新能源接入配電網的負荷特性

配電網現階段常見的新能源主要包括光伏發電、風電、電能儲存裝置、燃料電池等，從而保證在沒有陽光，沒有風的天氣情況下，仍然能夠正常供電，保證電能的穩定性和可靠性。如圖1 所示，為分布式多能源的統一調度單元，通過互聯網技術，將各個單位之間的信息進行有效銜接。

圖1 分布式多能源的統一調度單元

由圖1 可知，由于風力機組和光伏電池等新能源接入配電網，網絡中的電量將存在一定的波動，通過儲能裝置和燃料電池對其進行電量平衡。而配電網在接入電動汽車充電負荷后，其節點電壓將會出現比較嚴重的下降，特別是在某些時段，比如說0：00—3：00 和14：00—19：00 這兩個時段，節點電壓會出現明顯下降，甚至付出現電壓越線。因此，除了考慮電動汽車的不同時段的用電負荷，還需要考慮新能源接入配電網的負荷特性。對新能源和電動汽車充電站進行綜合協調規劃，從而建立以新能源為主要能源的電動汽車集中充電站。

3.3 考慮電動汽車負荷預測

為實現電動汽車負荷的優化預測，結合等效電路分析和樣本信息特征采樣方法，采樣電動汽車負荷特征，通過子空間映射和特征序列重組，構建電動汽車負荷特征大數據分析模型，得到電動汽車的能量負荷傳遞模型如圖2 所示。

圖2 電動汽車能量負荷傳遞模型

3.3.1 特征提取

對電動汽車的負荷特征序列進行重組，采用統計時間序列的方法進行分析，并且提取相應的特征量，再結合磁鏈參數估計方法，結合電動汽車的負荷特征，構建對應的分析模型。通過模糊關聯特征分析方法進行電動汽車負荷特征提取和聚類分析，得到電動汽車的負荷參量的優化值為：

結合磁場參數辨識方法，對電動汽車的負荷參量進行局部優化，求得特征參數的分布集，構建負荷檢測統計特征量，根據統計特征分析方法，進行電動汽車負荷預測，得到電動汽車負荷特征為：

式中，（）表示電動汽車負荷量化分析的自相關特征量，表示電動汽車負荷預測的互感值。

3.3.2 基于卷積神經的電動汽車負荷預測

假設電動汽車負荷特征的輸入為：

式中，表示卷積網絡的網層，表示負荷加權系數。

通過自適應學習方法，在卷積網絡的網層構建電動汽車的負荷增量調度模型，得到負荷預測的神經元，當==…d時，電動汽車負荷的總能量E取最小值。當E′=0，E存在最小值，此時，電動汽車負荷預測的神經網絡輸出層為：

式中，表示交流電壓的相位差，（）表示電動汽車負荷特征的功率譜密度。

通過諧振回路分析，在電動汽車負荷序列的預測評價特征分布集提取電動汽車負荷時間序列的耦合性特征量，而且提出的效率高，用時短，得到電動汽車負荷序列的輸出功率因素。此時電動汽車負荷狀態的每個模態的換流映射為：

式中，（）表示電動汽車負荷預測數據點x和x之間的相似度水平，表示負荷預測的平均互信息量。

根據上述算法設計，通過卷積神經網絡分類識別方法，進行電動汽車負荷特征分類學習，根據特征分類結果實現電動汽車負荷的優化預測。

3.4 明確投資最小化以及系統網損

在電動汽車充電配電網的實際規劃中，需要考慮投資成本以及系統網損的情況。通過采用相應的數學模型對其進行分析。配電網規劃方案對投資成本與電力網損的影響主要表現為：充電樁的建設成本、變電站的擴容成本、配電線路的建設成本、電力系統的網損成本等。因此，需要采用多個時間段的潮流進行系統網損值的計算，綜合考慮各方面的因素，降低投資成本。

4 結語

綜上所述，電動汽車和新能源接入到配電網中必然會對其產生一定的影響，從而引起相關人員的重視和關注，并且通過長時間的探討摸索，具有極大的現實困難。現階段，配電自動化技術的實效性技術早已成為大部分生產廠家以及用戶比較關注的熱門話題，因此，必須根據實際情況對能源互聯網背景下適應電動汽車規模化發展的配電網進行合理的設計，與此同時，還要對其他實用性技術進行不斷改進和完善，對電網接入技術進行深入的研究，可以有效解決諧波等諸多方面的問題。