考虑负荷可调度特性的农村配电系统光-储-充规划展望

邹 铁 ，沈 庆 ，邵 宏 ，李亚飞 *

（1. 国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215000;2. 国网江苏省电力有限公司，江苏 南京 210029）

2021 年3 月，习近平总书记在中央财经委员会第九次会议上对未来能源领域的重点工作进行了部署，要求实施可再生能源替代行动，构建以新能源为主体的新型电力系统。农村配电系统是我国电力系统的重要组成部分，与全国近一半人口的生产、生活用能供应密切相关[1]。与城市地区相比，农村地区物理空间更为充足，具备更好的可再生能源开发条件。因此，建设以新能源为主体的新型农村配电系统是新型电力系统建设必不可少的重要组成部分之一。

我国太阳能资源丰富，据中国可再生能源学会光伏专业委员会统计[2]，我国接近97%的国土年太阳总辐射量超过1 050 kW·h/m2，其中，约66.8%的国土年太阳总辐射量超过1 400 kW·h/m2。经过多年发展，光伏发电技术已趋于成熟，成为我国电力系统中的重要电源之一。根据国家能源局的统计：2022 年，我国新增光伏并网容量8 740.8 万kW（其中，集中式光伏3 629.4 万kW，分布式光伏5 111.4 万kW），累计光伏并网容量达39 204 万kW（其中，集中式光伏23 442 万kW，分布式光伏15 762 万kW）[3]。与风电相比，光伏更适宜以分布式电源的形式接入配电系统，因此，大力发展光伏是建设新型农村配电系统的关键措施。

现有农村配电系统普遍存在网架偏弱、供电线路较长、负荷众多但小而分散等特点[4]，光伏消纳能力受限。光伏规模化接入后，极易出现潮流越限与电压偏差超标等问题，甚至引发光伏频繁脱网[5]，严重阻碍了农村光伏的进一步开发，导致全国已有超过10 个县（市、区）暂停光伏项目备案。因此，提升配电系统光伏消纳能力是新型农村配电系统建设中迫切须要解决的关键问题。本文从提升新型农村配电系统光伏消纳能力的角度出发，在对柔性负荷可调度特性建模研究现状进行总结的基础上，对光伏电站、电池储能系统与电动汽车充电站规划的研究进行分析，并提出建议和展望。

1 现有配电系统规划理论的不足

由于未充分考虑农村配电系统结构形态特征、光伏出力特征与负荷特性，现有配电系统规划理论与方法无法直接用于面向光伏消纳能力提升的新型农村配电系统光-储-充规划，一定程度上阻碍了农村光伏的进一步开发与新型农村配电系统的建设。理论研究的不完善主要体现在以下几方面：

农村配电系统中，配电台区存在数目众多、位置分散、且特性各异的小容量电力负荷，缺少能在规划中对“多、散、小”负荷可调度特性进行等效聚合的理论与方法；

与城市地区相比，农村光伏电站地理距离相对较远，受微气象影响，光伏电站群时序出力间存在复杂差异性与相关性，缺少对此进行建模与模拟的理论与方法；

长周期时序运行优化是农村配电系统光-储-充协同规划的基础，现有方法很难对农村配电系统时序运行优化模型进行高效求解，难以满足农村配电系统光-储-充协同规划的要求。

2 柔性负荷可调度特性建模研究现状

以空调/电采暖、电动汽车等为代表的柔性负荷在农村配电系统中不断涌现，为利用负荷消纳光伏奠定了良好的条件。

2.1 用户空调/电采暖负荷时序可调度特性

建筑物具有巨大的热惯性，可在满足热舒适度的前提下对空调/电采暖功率进行时序调节[6]，因此，建筑物热特性建模是分析空调/电采暖负荷时序可调度特性的重要基础。文献[7]对别墅、联排别墅以及公寓等不同类型建筑物的热特性进行了对比分析，并评估了热功率在多时间尺度下的灵活性。基于可同时考虑建筑物室内空气与建筑物本体热惯性的双热容模型，文献[8]研究了如何利用电采暖功率的时序可调度特性平衡可再生能源出力波动，支撑可再生能源电力消纳。建筑物热特性模型较为复杂，部分参数难以确定，且难以考虑用户偏好差异，因此，基于模型驱动的空调/电采暖负荷时序可调度特性建模方法具有局限性。

近年来，采用数据驱动对空调/电采暖负荷的时序可调度特性进行建模的方法，取得显著进展。文献[9]采用深度强化学习方法对建筑物空调、通风与电热负荷功率的时序可调度特性进行建模，并提出了可确保室内环境舒适度的空调、通风与电热负荷功率优化方法。文献[10]建立了基于数据驱动的空调负荷模型参数在线辨识架构，采用粒子群算法实现了模型参数的快速、准确辨识，显著提升了建模速度与精度。

2.2 用户电动汽车充电负荷时序可调度特性

农村地区物理空间充足，通过户用充电桩在居所对电动汽车进行充电是农村地区的重要充电形式之一。对农村地区小容量电力用户来说，户用电动汽车充电功率的时序可调度特性建模相对容易，可根据用户交通行为特性、充电偏好以及充电桩技术特性给出解析模型。

随着电动汽车的逐渐普及，研究者对电动汽车充电负荷的时空特性进行了大量研究，文献[11]考虑电池充电状态和充电行为等因素的影响，使用排队论对电动汽车充电站（electric vehicle charging station，EVCS）充电负荷24 h 内的时序特性进行建模，并分析了充电负荷对配电系统的影响。在充分考虑充电负荷随机影响因素的前提下，文献[12]对EVCS 日充电负荷的时序特性进行了模拟，并对配电系统进行了概率潮流分析。文献[13]考虑电动汽车出行之间的拥堵效应和相互影响，提出基于交通均衡的充电负荷模拟方法，对城市充电负荷的空间分布特性进行了建模。

2.3 公用变压器负荷时序可调度特性等效聚合建模

作为农村配电系统中的单一柔性可控负荷，公用变压器数目众多、位置分散，增大了光-储-充规划的复杂度。目前，较少有文献对农村配电系统配电台区内众多小容量电力负荷的整体可调度特性进行分析，但图卷积神经网络已在电力系统领域得到了初步应用，取得了良好的成效。

文献[14]在考虑电网母线特征、线路特征与拓扑的基础上，采用消息传递图神经网络评估不同拓扑下的电网暂稳态性能，并验证了网络的泛化能力。文献[15]提出了基于图卷积网络的变压器故障诊断方法，通过邻接矩阵表征未知样本和标记样本间的相似性度量，并采用图卷积层作为分类器揭示溶解气体与断层类型间的复杂非线性关系。文献[16]提出了一种用于配电网故障定位的图卷积网络模型，在考虑系统拓扑的基础上，实现了不同的总线上多测量点的集成，该方法具有较强的鲁棒性，能兼容测量噪声和数据丢失。

3 配电系统光伏电站、电池储能系统与电动汽车充电站规划的研究现状

近年来，随着光伏等分布式电源的规模化接入，以及BESS、EVCS 的不断涌现，配电系统已由“简单无源配电网络”转变为“复杂有源配电系统”，并呈现出潮流复杂化、状态时序耦合化及源荷模糊化等特征。与此同时，配电规划问题也由“基于最大负荷场景的电网规划问题”拓展为“基于时序运行场景的源网荷协同规划问题”。

近年来，研究者对配电系统中的光伏电站、BESS 与EVCS 规划问题进行了系统研究，初步形成了适应配电系统形态变化的规划理论与方法体系。

3.1 光伏电站接入配电系统规划研究现状

如前所述，分布式光伏大规模接入将显著改变配电系统运行工况，并可能导致线路潮流越限，节点电压偏差超标等一系列问题，影响配电系统安全、高效运行。

为缓解分布式光伏大规模接入对配电系统运行的不利影响，国内外学者对光伏规划问题进行了研究，并在规划中考虑了经济性指标。文献[17]通过优化光伏电站接入位置，提升配电系统技术性能，如降低网损、减少电压偏移等。文献[18]提出兼顾经济性、安全性的光伏规划模型，以投资运维成本最低、网损最小为经济性规划目标，以电压偏差、电压波动、谐波指标为规划约束。文献[19]提出了以年净收益最大为目标的光伏接入容量优化模型，并考虑了“弃光”优化，最大化消纳光伏。

综上，现有研究工作主要考虑如何通过优化光伏接入位置和容量，提升配电系统运行性能与光伏并网效益，很少关注如何提升现状网架的光伏消纳能力。

3.2 储能接入配电系统规划研究现状

近年来，以电化学储能技术为代表的储能技术取得飞速进步，为提升光伏高密度接入后的配电系统运行性能提供了有效的解决手段。

储能设备仍较为昂贵，成为其商业化应用的主要障碍，因此，经济可行性分析是储能接入配电系统规划的重要工作之一。文献[20]提出了基于运行工况时序优化的混合整数随机评估模型，对储能接入配电系统的经济可行性进行了全面评估。在储能运行状态时序优化的基础上，文献[21]对我国现行电价制度下的用户侧储能的投资、收益进行了分析。研究表明，只要运行策略得当，对配电系统中的储能来说，收益有望覆盖投资成本，初步具备商业化应用潜力。

选址、定容问题是储能接入配电系统规划核心问题，对储能来说，若其接入位置/容量选择得当，经济性可显著提升、并能促进光伏消纳。文献[22]在对储能年运行状态进行时序仿真的基础上，建立了以储能全寿命周期经济效益最大为目标的配电系统储能优化配置模型，并在研究中考虑了储能容量衰退。文献[23]提出了计及N-1 安全准则的配电网、储能联合规划方法，对配电系统中的储能接入位置与容量进行优化，旨在降低包括储能成本在内的系统投资、运维总成本。文献[24]基于最优潮流模型对配电系统进行了时序运行优化，并以此为依据对储能接入位置与容量进行优化，降低网损成本与购电费用。文献[25]提出了计及光伏并网不确定性的自适应鲁棒优化模型，优化储能在配电系统中的接入位置，提升配电系统光伏消纳能力。为进一步提升配电系统光伏消纳能力，文献[26]构建了光-荷联合时序场景，提出了以分布式光伏全年总发电量最大为目标，并兼顾配网经济性的光、储联合优化配置模型。

储能运行具有强时序耦合特征，因此，上述关于储能规划的研究大多基于配电系统时序运行优化进行。现有研究中，大多将配电系统时序运行优化模型建模为混合整数线性规划（mixed integer linear programming，MILP）问题，并采用CPLEX 等商业优化软件求解。农村配电系统时序运行优化模型为变量规模更大、优化周期更长且约束更为复杂的MILP 问题，现有求解技术为建立基于农村配电系统时序运行优化的光-储-充规划模型，并进行高效求解打下了坚实的基础。

3.3 电动汽车充电站规划研究现状

EVCS 是支撑电动汽车可持续发展的重要基础设施，布局合理的EVCS 网络既能给车主提供便捷的充电服务，又可缓解大规模电动汽车充电对配电系统运行的不利影响，甚至能提升配电系统的光伏消纳能力。

目前，EVCS 网络规划问题主要包括选址与定容2 个子优化问题。文献[27]对EVCS 充电负荷的随机特性进行了模拟，建立了同时考虑充电服务能力最优与网损最小的模糊多目标优化模型，用于EVCS 的最优选址与定容。文献[28]对电动公交系统和充电负荷进行了模拟，建立了同时考虑公交系统与配电系统运行需求的EVCS 最优选址模型，旨在降低EVCS 的建设、运维成本与网损成本。文献[29]采用贝叶斯网络模拟交通行为的随机特性，建立了同时考虑充电等待时间最短、电压质量最佳与网损最小等多个优化目标的EVCS 两阶段选址、定容模型。

EVCS 充电负荷是配电系统中的新型用电负荷，可通过充电功率与光伏出力间的最优匹配提升配电系统运行性能，促进光伏消纳。文献[30-31]对此问题进行了研究，提出了以网损最小为优化目标的光伏电站-EVCS 联合选址、定容模型。

4 结束语

新型电力系统建设目标背景下，大力发展农村光伏既是建设新型农村配电系统的关键措施，又是促进乡村振兴、提高农村居民生活水平的重要保障。

随着乡村振兴战略的实施，城乡差异的不断缩小，农村居民对生活舒适度要求的不断提升，电动汽车与空调/电采暖等柔性负荷将在农村地区不断涌现，成为农村配电系统中的重要新增负荷，为利用负荷消纳光伏奠定了良好的条件。通过光伏、充电负荷与其他柔性负荷之间的最优匹配，可提升农村配电系统的光伏消纳能力。随着电化学储能技术的不断进步，电池储能系统的可靠性稳步提升、成本不断下降，为通过合理配置BESS 进一步提升农村配电系统光伏消纳能力提供了技术保障。

光-储-充协同规划（分布式光伏、充电负荷与其他柔性负荷间的最优匹配与BESS 合理配置）可以做到充分挖掘农村配电系统现状网架下的光伏消纳潜力，这给未来提升农村配电系统光伏消纳能力、促进新型农村配电系统建设提供了一种有效技术手段。