屋頂光伏推進背景下的配電網技術分析

國網湖北省電力有限公司武漢市東湖新技術開發區供電公司 王賈梁

2021年起，國家能源局確定了屋頂光伏的發展戰略，期望在全國范圍內有序推進屋頂光伏技術。在屋頂光伏項目發展初期，設立項目試點，分析技術不足，完善技術方案。未來，計劃黨政單位的屋頂區域裝設光伏項目的占比高于50%。社會公共建筑，包括學校、醫院等，屋頂處進行光伏建設的比例應高于40%。工業生產區建筑的屋頂光伏占比應高于30%。鄉村居民建房屋頂光伏比例應高于20%。

1 某地屋頂光伏發展情況

1.1 電網承載消納能力

配電網的運行特點可能會發生一定變化，某地配電網技術體系中成功建立了雙向有源網絡，光伏發電功率表現出較強的反送情況，主要集中在中低壓線路、鄉村地區。在光伏接入量持續增加的環境下，逐步融合于高壓配網、主網等位置。

源荷特性在進行時空配置時具有一定困難性。光伏出力表現出一定空間分布、間歇發力、季節變化等技術特點。光伏發電出力頂峰值，主要發生于午間。在四季環境中，光伏發電出力的特點為：夏＞春＞秋＞冬。由此判斷：環境溫度升高時，光伏發電出力逐漸加大。本公司服務的地區用電負荷高峰集中于夏冬夜晚。每日負荷最低的時段集中于午間。在調峰受到一定阻力時，會增大新能源消納問題。為此，夏冬夜晚可能會出現光伏發力不足的情況，難以順應人們的用電需求，需增加備用電源的容量[1]。

整體消納、部分運行不暢等各類風險共存問題。當前，本公司電網成功接入了較多的新能源項目，多數電網消納空間處于占用狀態。在發展屋頂光伏時，需考慮電網整體消納狀態、各位置運行受阻問題。整體來看，當特高壓直流供電功率增加、新能源裝機容量增大時，省級電網調峰資源較少，無法順應新能源容量持續增加的技術需求。從部分位置來看，全省新能源發力時，各階段電網潮流會出現較大幅度的增長，各節點配電網會出現超負荷運行問題，少量位置電網斷面會有新能源傳送不暢問題。

1.2 某地配電網控制效果

電壓雙向超出界限。光伏并網會改變配電網的電源方案，使初期的單電源形式，轉變成多端電源。在光伏逆變器正常運行時，純有功的電力輸送，其功率因數約為1。在中低壓配電網受到較大阻抗時，可能會升高光伏側電壓，間接提升臺區電壓。

本公司進行調研時，光伏側電壓增加后，會引起逆變器觸發保護，令光伏脫網。在監控裝置不充足的情況下，用戶難以及時獲取信息，無法順利排故，間接降低了發電效率。對于逆變器保護電壓的預設參數，一定數量的用戶進行調高設計，以此防止出現電壓脫網問題。然而，此種處理措施會形成負面影響，干擾四周用電設備的運行。在電壓調節時，配電臺區利用配變擋位調整措施，使電壓處于有效調節狀態。此種電壓調節方法實時性不強，無法跟進臺區電壓變動。

1.3 某地配電網運維能力

臺區故障率較高。在光伏發電頂峰狀態時，會出現短時間負荷增長現象，致使臺區漏電保護裝置出現性能問題。當光伏并網、臺區出口兩個位置的斷路設施，未完成極差配置，可能會引起光伏設備出現故障問題，嚴重時發生越級跳閘故障。配電線路運行不暢時，會表現出光伏孤島問題。而系統供電狀態具有一定未知性，可能會出現多種不利問題。在孤島效應下，極易發生接地、相間等各類短路問題。此類短路問題持續存在，不會有效清除，威脅著電網設備的性能。

電網檢修防護不到位。本公司在處理各類光伏、臺區的反孤島設施時，尚未給出強制規定，各個區域配置方案存在一定差異性。在后續運維不到位的情況下，極易發生裝置誤動作、較多的未響應問題。在檢修期間，會間接增加反送電觸電問題，提高了檢修風險。鑒于此，檢修人員從逐步處理并網斷路設施的角度，嘗試控制光伏倒送電問題。然而，光伏數量基數較大，表現出一定的分散性，會增加漏電的可能性，極易出現非計劃孤島問題，增大了人員觸電風險。

2 加強屋頂光伏發展，配電網技術的應用方案

2.1 改進結構性能，增強光伏消納能力

本公司從整體屋頂光伏項目出發，深入分析光伏承載性，準確判斷光伏消納能力。在消納能力較好的地段，進行光伏接入，合理控制區域內的接入量，保證光伏接入的有序性。參照區域內的屋頂光伏技術發展情況，全面調查光伏需求。針對承載性能不強的配電網，參照規劃方案，進行技術升級，以此逐步增強配電網接入效果。優化用能結構，增強光伏消納的整體性能。建立能源管理試點，發展綠色農業，開發光電烘干技術。在鄉村種植、畜牧業發展等各個方面，持續發展農光互補技術[2]。

2.2 加強配電網控制

本公司建立了全新的配網調控模式。借助已有的配網圖，創建功能全面的電源模型。利用多種通信技術，進行電源接入，探尋非轉網絡的調控方法，切實增強全景觀測效果，給出精準調控方法，保證主配協同。建立數據同源、一張圖方案、一條線處理機制。獲取配網實時數據，保障電網調度安全。

改進配網保護技術。探究新型電力程序的電網故障形成過程、故障特點，分析光伏電源與饋線運行不善之間的關聯性，判斷新型配電網運行問題、擾動響應過程，給出全新的方法，有效提取配電網故障信息，切實提高光伏電源利用性，有效隔離故障問題，保證供電恢復的及時性。

建立多元調控技術方案。應對光伏接入量較大的問題，促使調控模式更新。起初是“源隨荷動”，整改后是“多元協調源網荷儲”。創建資源管理平臺，從多個場景視角，全面評價新能源利用情況。

2.3 升級運檢技術

在屋頂光伏技術發展視域下，本公司全面引入臺區智能設備，明確融合終端的技術地位，建立臺區智能互動機制，使光伏電網具有較強的可測性、調控性。在各類場景中，均應秉承“安全用電”“智能運維”“高效供電”的思想，有序規劃源網荷儲技術方案。

全面獲取實時數據。本公司在臺區側建立了本地儲能裝置，引入了RS485通信技術。利用HPLC/RF、RS485等多種信道，建立數據互傳的通信機制。實時獲取智能設備的儲能數據，添加告警程序，全面掌握并網設備的運行情況。從功率、電壓等方面，收集實時數據。在并網、故障等方面建立告警程序。

并網保護。在并網設備中，添加性能穩定的保護程序，用以防范孤島問題。當發生孤島故障后，并網設備會在一定時間范圍中自主斷開電網連接。如果發現低壓配電臺區有停電情況，利用AP 切斷停電用戶的逆變、儲能各類裝置。從雙重保護視角，防范孤島問題。

2.4 精準測算屋頂光伏裝機容量

2.4.1 算法介紹

本公司在先進算法模型中添加了“編碼+解碼”的組成，此組成具有較強的視覺功能，可用于評價人體姿態、測定目標物、劃分語義。在編碼程序中，利用深度卷積神經技術，優化初始架構，獲取輸入圖像的各類特征。在特征信息內，進行空洞卷積處理，設定多尺度空洞，具體包括1×1、多個空洞并行等。合理拼接特征信息，利用1×1卷積方法，生成層次更高的語義信息。在解碼器程序中，利用1×1卷積，獲取主干網絡的一般特征，給出降維處理，融合于編碼器的高級特征。再用3×3卷積，再現特征圖的空間分布狀態。使用雙線性采樣技術，準確設計邊界線，以此增強圖像分割界線的精準性，獲取更為精確的建筑屋頂結構[3]。

2.4.2 屋頂分割

本公司利用衛星拍攝圖片、先進算法，合理劃分建筑屋頂區域：建立數據集。依照實際獲取的目標區域高清圖片，從多個角度進行數據分析，選擇代表性較強的建筑項目、用電場景，標記圖像信息，便于進行模型訓練；創建算法模型，保證模型建立的準確性；持續改進算法模型。此算法模型利用Pytorch 框架，準確設計初期訓練參數。在數據訓練期間，持續改進各項參數，存儲分割效果最佳的參數方案；運行算法模型，對目標建筑進行屋頂分區。

2.4.3 容量分析

本公司利用系數估算形式，判斷屋頂光伏裝機參數。參照研究區實況，考慮屋頂角度、平坦性等因素，對光伏朝向系數進行賦值。表1是本公司對目標建筑各個朝向，確定的光伏朝向系數。

表1 光伏朝向系數

屋頂遮陰分析。本公司選擇光伏電池組件時，容量多為245W。而目標區域的建筑屋頂，每平方米裝設光伏電池組的容量F 約為150W。F 算法：F=S×f1×f2×L，式中：S 表示目標建筑的屋頂面積大?。籪1表示光伏朝向系數的賦值結果；f2表示屋頂存在的遮陰系數；L 表示建筑屋頂每平方米可裝設的光伏電池容量。

2.5 創建數字配電網模型

2.5.1 文檔描述

配電網設施的各項參數、拓撲屬性，均添加在CIM 節點文檔內。分析CIM 中的文檔信息，判斷配電網設施的各類屬性資料，完成配電網建模。文檔對象（DM）是一種可擴展語言，具有標記功能，可用于描述文檔數據信息與配電網CIM 內的文檔內容，具有較強的適配性。本公司利用DM 技術，分析GIS 傳輸的文檔數據，獲取配電網各類設施的屬性信息、空間定位數據。采取數組形式，將各類數據逐一存儲于本地數據程序中。使用深度優化搜索技術，全面分析CIM 內各類設施與連接點的內在關聯，創建配電網初始的拓撲組成。

2.5.2 數字建模方法

在CIM 發電程序中，建立光伏發電模型。在每個光伏發電程序內，含有若干個光伏發電機組。在CIM 解析中，分析配電網各類設施的屬性資料，在電網拓撲技術的支持下，依照高清拍攝圖像，分析建筑屋頂能夠裝設的光伏容量。依照定位技術，判斷建筑屋頂接入配電網的具體位置，補充配電網光伏發電的各類屬性，比如固定式、集成式等。利用數據庫，動態更新配電網設施的各項信息。

2.6 評價配電網屋頂光伏的整體承載性

定義屋頂光伏容量。本公司在定義屋頂光伏容量C 時，是指在正常運行條件下，目標建筑屋頂可裝設的光伏容量，具體算法：C=Σi∈ΩCi，式中：Ω 表示各類配電網接入建筑屋頂的全部編號；i 表示電網接入的任意節點；Ci表示在i 點位置的光伏容量。

確定約束條件。Ci的約束條件：0≤Ci≤Fi,max，式中：Fi，max表示在算法模型中i 點位置可安裝的光伏容量最大值。

算例分析。本公司使用高清衛星影像資料，參照低壓配電網技術，對目標區域的50個低壓用戶，進行屋頂光伏接入分析。在測定屋頂光伏接入量時，本公司研究的目標區域多為平頂式屋頂，建筑群具有一定密集性，場地開闊，無遮陰。賦值方案：f1=0.9，f2=0.8。依照算式F=S×f1×f2×L 所得的屋頂光伏接入量見表2。

表2 屋頂光伏接入量

使用傳統概率法對比，當F 賦值為9kW 時，Ci的結果為252kW。當F=15kW 時，Ci=195kW。使用本公司給出的屋頂面積分析法時，Ci=212.8kW。由此發現，屋頂面積分析法的結果，介于傳統概率法兩個結果之間。在高清攝影圖像的支持下，本公司測算的結果更具精確性。

綜上所述得出如下結論：對于某地當前屋頂光伏項目的運行情況，在電網承載、配電網調控各方面尚存不足，本公司制定了多項技術更新方案，有序推進屋頂光伏項目；本公司以屋頂面積為視角，創建全新的技術分析算法，計算結果介于傳統概率兩個數據之間，相比傳統概率法更具準確性。