考慮負荷可調度特性的農村配電系統光-儲-充規劃展望

鄒 鐵 ，沈 慶 ，邵 宏 ，李亞飛 *

（1. 國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215000;2. 國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210029）

2021 年3 月，習近平總書記在中央財經委員會第九次會議上對未來能源領域的重點工作進行了部署，要求實施可再生能源替代行動，構建以新能源為主體的新型電力系統。農村配電系統是我國電力系統的重要組成部分，與全國近一半人口的生產、生活用能供應密切相關[1]。與城市地區相比，農村地區物理空間更為充足，具備更好的可再生能源開發條件。因此，建設以新能源為主體的新型農村配電系統是新型電力系統建設必不可少的重要組成部分之一。

我國太陽能資源豐富，據中國可再生能源學會光伏專業委員會統計[2]，我國接近97%的國土年太陽總輻射量超過1 050 kW·h/m2，其中，約66.8%的國土年太陽總輻射量超過1 400 kW·h/m2。經過多年發展，光伏發電技術已趨于成熟，成為我國電力系統中的重要電源之一。根據國家能源局的統計：2022 年，我國新增光伏并網容量8 740.8 萬kW（其中，集中式光伏3 629.4 萬kW，分布式光伏5 111.4 萬kW），累計光伏并網容量達39 204 萬kW（其中，集中式光伏23 442 萬kW，分布式光伏15 762 萬kW）[3]。與風電相比，光伏更適宜以分布式電源的形式接入配電系統，因此，大力發展光伏是建設新型農村配電系統的關鍵措施。

現有農村配電系統普遍存在網架偏弱、供電線路較長、負荷眾多但小而分散等特點[4]，光伏消納能力受限。光伏規模化接入后，極易出現潮流越限與電壓偏差超標等問題，甚至引發光伏頻繁脫網[5]，嚴重阻礙了農村光伏的進一步開發，導致全國已有超過10 個縣（市、區）暫停光伏項目備案。因此，提升配電系統光伏消納能力是新型農村配電系統建設中迫切須要解決的關鍵問題。本文從提升新型農村配電系統光伏消納能力的角度出發，在對柔性負荷可調度特性建模研究現狀進行總結的基礎上，對光伏電站、電池儲能系統與電動汽車充電站規劃的研究進行分析，并提出建議和展望。

1 現有配電系統規劃理論的不足

由于未充分考慮農村配電系統結構形態特征、光伏出力特征與負荷特性，現有配電系統規劃理論與方法無法直接用于面向光伏消納能力提升的新型農村配電系統光-儲-充規劃，一定程度上阻礙了農村光伏的進一步開發與新型農村配電系統的建設。理論研究的不完善主要體現在以下幾方面：

農村配電系統中，配電臺區存在數目眾多、位置分散、且特性各異的小容量電力負荷，缺少能在規劃中對“多、散、小”負荷可調度特性進行等效聚合的理論與方法；

與城市地區相比，農村光伏電站地理距離相對較遠，受微氣象影響，光伏電站群時序出力間存在復雜差異性與相關性，缺少對此進行建模與模擬的理論與方法；

長周期時序運行優化是農村配電系統光-儲-充協同規劃的基礎，現有方法很難對農村配電系統時序運行優化模型進行高效求解，難以滿足農村配電系統光-儲-充協同規劃的要求。

2 柔性負荷可調度特性建模研究現狀

以空調/電采暖、電動汽車等為代表的柔性負荷在農村配電系統中不斷涌現，為利用負荷消納光伏奠定了良好的條件。

2.1 用戶空調/電采暖負荷時序可調度特性

建筑物具有巨大的熱慣性，可在滿足熱舒適度的前提下對空調/電采暖功率進行時序調節[6]，因此，建筑物熱特性建模是分析空調/電采暖負荷時序可調度特性的重要基礎。文獻[7]對別墅、聯排別墅以及公寓等不同類型建筑物的熱特性進行了對比分析，并評估了熱功率在多時間尺度下的靈活性。基于可同時考慮建筑物室內空氣與建筑物本體熱慣性的雙熱容模型，文獻[8]研究了如何利用電采暖功率的時序可調度特性平衡可再生能源出力波動，支撐可再生能源電力消納。建筑物熱特性模型較為復雜，部分參數難以確定，且難以考慮用戶偏好差異，因此，基于模型驅動的空調/電采暖負荷時序可調度特性建模方法具有局限性。

近年來，采用數據驅動對空調/電采暖負荷的時序可調度特性進行建模的方法，取得顯著進展。文獻[9]采用深度強化學習方法對建筑物空調、通風與電熱負荷功率的時序可調度特性進行建模，并提出了可確保室內環境舒適度的空調、通風與電熱負荷功率優化方法。文獻[10]建立了基于數據驅動的空調負荷模型參數在線辨識架構，采用粒子群算法實現了模型參數的快速、準確辨識，顯著提升了建模速度與精度。

2.2 用戶電動汽車充電負荷時序可調度特性

農村地區物理空間充足，通過戶用充電樁在居所對電動汽車進行充電是農村地區的重要充電形式之一。對農村地區小容量電力用戶來說，戶用電動汽車充電功率的時序可調度特性建模相對容易，可根據用戶交通行為特性、充電偏好以及充電樁技術特性給出解析模型。

隨著電動汽車的逐漸普及，研究者對電動汽車充電負荷的時空特性進行了大量研究，文獻[11]考慮電池充電狀態和充電行為等因素的影響，使用排隊論對電動汽車充電站（electric vehicle charging station，EVCS）充電負荷24 h 內的時序特性進行建模，并分析了充電負荷對配電系統的影響。在充分考慮充電負荷隨機影響因素的前提下，文獻[12]對EVCS 日充電負荷的時序特性進行了模擬，并對配電系統進行了概率潮流分析。文獻[13]考慮電動汽車出行之間的擁堵效應和相互影響，提出基于交通均衡的充電負荷模擬方法，對城市充電負荷的空間分布特性進行了建模。

2.3 公用變壓器負荷時序可調度特性等效聚合建模

作為農村配電系統中的單一柔性可控負荷，公用變壓器數目眾多、位置分散，增大了光-儲-充規劃的復雜度。目前，較少有文獻對農村配電系統配電臺區內眾多小容量電力負荷的整體可調度特性進行分析，但圖卷積神經網絡已在電力系統領域得到了初步應用，取得了良好的成效。

文獻[14]在考慮電網母線特征、線路特征與拓撲的基礎上，采用消息傳遞圖神經網絡評估不同拓撲下的電網暫穩態性能，并驗證了網絡的泛化能力。文獻[15]提出了基于圖卷積網絡的變壓器故障診斷方法，通過鄰接矩陣表征未知樣本和標記樣本間的相似性度量，并采用圖卷積層作為分類器揭示溶解氣體與斷層類型間的復雜非線性關系。文獻[16]提出了一種用于配電網故障定位的圖卷積網絡模型，在考慮系統拓撲的基礎上，實現了不同的總線上多測量點的集成，該方法具有較強的魯棒性，能兼容測量噪聲和數據丟失。

3 配電系統光伏電站、電池儲能系統與電動汽車充電站規劃的研究現狀

近年來，隨著光伏等分布式電源的規模化接入，以及BESS、EVCS 的不斷涌現，配電系統已由“簡單無源配電網絡”轉變為“復雜有源配電系統”，并呈現出潮流復雜化、狀態時序耦合化及源荷模糊化等特征。與此同時，配電規劃問題也由“基于最大負荷場景的電網規劃問題”拓展為“基于時序運行場景的源網荷協同規劃問題”。

近年來，研究者對配電系統中的光伏電站、BESS 與EVCS 規劃問題進行了系統研究，初步形成了適應配電系統形態變化的規劃理論與方法體系。

3.1 光伏電站接入配電系統規劃研究現狀

如前所述，分布式光伏大規模接入將顯著改變配電系統運行工況，并可能導致線路潮流越限，節點電壓偏差超標等一系列問題，影響配電系統安全、高效運行。

為緩解分布式光伏大規模接入對配電系統運行的不利影響，國內外學者對光伏規劃問題進行了研究，并在規劃中考慮了經濟性指標。文獻[17]通過優化光伏電站接入位置，提升配電系統技術性能，如降低網損、減少電壓偏移等。文獻[18]提出兼顧經濟性、安全性的光伏規劃模型，以投資運維成本最低、網損最小為經濟性規劃目標，以電壓偏差、電壓波動、諧波指標為規劃約束。文獻[19]提出了以年凈收益最大為目標的光伏接入容量優化模型，并考慮了“棄光”優化，最大化消納光伏。

綜上，現有研究工作主要考慮如何通過優化光伏接入位置和容量，提升配電系統運行性能與光伏并網效益，很少關注如何提升現狀網架的光伏消納能力。

3.2 儲能接入配電系統規劃研究現狀

近年來，以電化學儲能技術為代表的儲能技術取得飛速進步，為提升光伏高密度接入后的配電系統運行性能提供了有效的解決手段。

儲能設備仍較為昂貴，成為其商業化應用的主要障礙，因此，經濟可行性分析是儲能接入配電系統規劃的重要工作之一。文獻[20]提出了基于運行工況時序優化的混合整數隨機評估模型，對儲能接入配電系統的經濟可行性進行了全面評估。在儲能運行狀態時序優化的基礎上，文獻[21]對我國現行電價制度下的用戶側儲能的投資、收益進行了分析。研究表明，只要運行策略得當，對配電系統中的儲能來說，收益有望覆蓋投資成本，初步具備商業化應用潛力。

選址、定容問題是儲能接入配電系統規劃核心問題，對儲能來說，若其接入位置/容量選擇得當，經濟性可顯著提升、并能促進光伏消納。文獻[22]在對儲能年運行狀態進行時序仿真的基礎上，建立了以儲能全壽命周期經濟效益最大為目標的配電系統儲能優化配置模型，并在研究中考慮了儲能容量衰退。文獻[23]提出了計及N-1 安全準則的配電網、儲能聯合規劃方法，對配電系統中的儲能接入位置與容量進行優化，旨在降低包括儲能成本在內的系統投資、運維總成本。文獻[24]基于最優潮流模型對配電系統進行了時序運行優化，并以此為依據對儲能接入位置與容量進行優化，降低網損成本與購電費用。文獻[25]提出了計及光伏并網不確定性的自適應魯棒優化模型，優化儲能在配電系統中的接入位置，提升配電系統光伏消納能力。為進一步提升配電系統光伏消納能力，文獻[26]構建了光-荷聯合時序場景，提出了以分布式光伏全年總發電量最大為目標，并兼顧配網經濟性的光、儲聯合優化配置模型。

儲能運行具有強時序耦合特征，因此，上述關于儲能規劃的研究大多基于配電系統時序運行優化進行。現有研究中，大多將配電系統時序運行優化模型建模為混合整數線性規劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，并采用CPLEX 等商業優化軟件求解。農村配電系統時序運行優化模型為變量規模更大、優化周期更長且約束更為復雜的MILP 問題，現有求解技術為建立基于農村配電系統時序運行優化的光-儲-充規劃模型，并進行高效求解打下了堅實的基礎。

3.3 電動汽車充電站規劃研究現狀

EVCS 是支撐電動汽車可持續發展的重要基礎設施，布局合理的EVCS 網絡既能給車主提供便捷的充電服務，又可緩解大規模電動汽車充電對配電系統運行的不利影響，甚至能提升配電系統的光伏消納能力。

目前，EVCS 網絡規劃問題主要包括選址與定容2 個子優化問題。文獻[27]對EVCS 充電負荷的隨機特性進行了模擬，建立了同時考慮充電服務能力最優與網損最小的模糊多目標優化模型，用于EVCS 的最優選址與定容。文獻[28]對電動公交系統和充電負荷進行了模擬，建立了同時考慮公交系統與配電系統運行需求的EVCS 最優選址模型，旨在降低EVCS 的建設、運維成本與網損成本。文獻[29]采用貝葉斯網絡模擬交通行為的隨機特性，建立了同時考慮充電等待時間最短、電壓質量最佳與網損最小等多個優化目標的EVCS 兩階段選址、定容模型。

EVCS 充電負荷是配電系統中的新型用電負荷，可通過充電功率與光伏出力間的最優匹配提升配電系統運行性能，促進光伏消納。文獻[30-31]對此問題進行了研究，提出了以網損最小為優化目標的光伏電站-EVCS 聯合選址、定容模型。

4 結束語

新型電力系統建設目標背景下，大力發展農村光伏既是建設新型農村配電系統的關鍵措施，又是促進鄉村振興、提高農村居民生活水平的重要保障。

隨著鄉村振興戰略的實施，城鄉差異的不斷縮小，農村居民對生活舒適度要求的不斷提升，電動汽車與空調/電采暖等柔性負荷將在農村地區不斷涌現，成為農村配電系統中的重要新增負荷，為利用負荷消納光伏奠定了良好的條件。通過光伏、充電負荷與其他柔性負荷之間的最優匹配，可提升農村配電系統的光伏消納能力。隨著電化學儲能技術的不斷進步，電池儲能系統的可靠性穩步提升、成本不斷下降，為通過合理配置BESS 進一步提升農村配電系統光伏消納能力提供了技術保障。

光-儲-充協同規劃（分布式光伏、充電負荷與其他柔性負荷間的最優匹配與BESS 合理配置）可以做到充分挖掘農村配電系統現狀網架下的光伏消納潛力，這給未來提升農村配電系統光伏消納能力、促進新型農村配電系統建設提供了一種有效技術手段。