屋顶光伏推进背景下的配电网技术分析

2024-03-08国网湖北省电力有限公司武汉市东湖新技术开发区供电公司王贾梁

电力设备管理 2024年1期

国网湖北省电力有限公司武汉市东湖新技术开发区供电公司王贾梁

2021年起，国家能源局确定了屋顶光伏的发展战略，期望在全国范围内有序推进屋顶光伏技术。在屋顶光伏项目发展初期，设立项目试点，分析技术不足，完善技术方案。未来，计划党政单位的屋顶区域装设光伏项目的占比高于50%。社会公共建筑，包括学校、医院等，屋顶处进行光伏建设的比例应高于40%。工业生产区建筑的屋顶光伏占比应高于30%。乡村居民建房屋顶光伏比例应高于20%。

1 某地屋顶光伏发展情况

1.1 电网承载消纳能力

配电网的运行特点可能会发生一定变化，某地配电网技术体系中成功建立了双向有源网络，光伏发电功率表现出较强的反送情况，主要集中在中低压线路、乡村地区。在光伏接入量持续增加的环境下，逐步融合于高压配网、主网等位置。

源荷特性在进行时空配置时具有一定困难性。光伏出力表现出一定空间分布、间歇发力、季节变化等技术特点。光伏发电出力顶峰值，主要发生于午间。在四季环境中，光伏发电出力的特点为：夏＞春＞秋＞冬。由此判断：环境温度升高时，光伏发电出力逐渐加大。本公司服务的地区用电负荷高峰集中于夏冬夜晚。每日负荷最低的时段集中于午间。在调峰受到一定阻力时，会增大新能源消纳问题。为此，夏冬夜晚可能会出现光伏发力不足的情况，难以顺应人们的用电需求，需增加备用电源的容量[1]。

整体消纳、部分运行不畅等各类风险共存问题。当前，本公司电网成功接入了较多的新能源项目，多数电网消纳空间处于占用状态。在发展屋顶光伏时，需考虑电网整体消纳状态、各位置运行受阻问题。整体来看，当特高压直流供电功率增加、新能源装机容量增大时，省级电网调峰资源较少，无法顺应新能源容量持续增加的技术需求。从部分位置来看，全省新能源发力时，各阶段电网潮流会出现较大幅度的增长，各节点配电网会出现超负荷运行问题，少量位置电网断面会有新能源传送不畅问题。

1.2 某地配电网控制效果

电压双向超出界限。光伏并网会改变配电网的电源方案，使初期的单电源形式，转变成多端电源。在光伏逆变器正常运行时，纯有功的电力输送，其功率因数约为1。在中低压配电网受到较大阻抗时，可能会升高光伏侧电压，间接提升台区电压。

本公司进行调研时，光伏侧电压增加后，会引起逆变器触发保护，令光伏脱网。在监控装置不充足的情况下，用户难以及时获取信息，无法顺利排故，间接降低了发电效率。对于逆变器保护电压的预设参数，一定数量的用户进行调高设计，以此防止出现电压脱网问题。然而，此种处理措施会形成负面影响，干扰四周用电设备的运行。在电压调节时，配电台区利用配变挡位调整措施，使电压处于有效调节状态。此种电压调节方法实时性不强，无法跟进台区电压变动。

1.3 某地配电网运维能力

台区故障率较高。在光伏发电顶峰状态时，会出现短时间负荷增长现象，致使台区漏电保护装置出现性能问题。当光伏并网、台区出口两个位置的断路设施，未完成极差配置，可能会引起光伏设备出现故障问题，严重时发生越级跳闸故障。配电线路运行不畅时，会表现出光伏孤岛问题。而系统供电状态具有一定未知性，可能会出现多种不利问题。在孤岛效应下，极易发生接地、相间等各类短路问题。此类短路问题持续存在，不会有效清除，威胁着电网设备的性能。

电网检修防护不到位。本公司在处理各类光伏、台区的反孤岛设施时，尚未给出强制规定，各个区域配置方案存在一定差异性。在后续运维不到位的情况下，极易发生装置误动作、较多的未响应问题。在检修期间，会间接增加反送电触电问题，提高了检修风险。鉴于此，检修人员从逐步处理并网断路设施的角度，尝试控制光伏倒送电问题。然而，光伏数量基数较大，表现出一定的分散性，会增加漏电的可能性，极易出现非计划孤岛问题，增大了人员触电风险。

2 加强屋顶光伏发展，配电网技术的应用方案

2.1 改进结构性能，增强光伏消纳能力

本公司从整体屋顶光伏项目出发，深入分析光伏承载性，准确判断光伏消纳能力。在消纳能力较好的地段，进行光伏接入，合理控制区域内的接入量，保证光伏接入的有序性。参照区域内的屋顶光伏技术发展情况，全面调查光伏需求。针对承载性能不强的配电网，参照规划方案，进行技术升级，以此逐步增强配电网接入效果。优化用能结构，增强光伏消纳的整体性能。建立能源管理试点，发展绿色农业，开发光电烘干技术。在乡村种植、畜牧业发展等各个方面，持续发展农光互补技术[2]。

2.2 加强配电网控制

本公司建立了全新的配网调控模式。借助已有的配网图，创建功能全面的电源模型。利用多种通信技术，进行电源接入，探寻非转网络的调控方法，切实增强全景观测效果，给出精准调控方法，保证主配协同。建立数据同源、一张图方案、一条线处理机制。获取配网实时数据，保障电网调度安全。

改进配网保护技术。探究新型电力程序的电网故障形成过程、故障特点，分析光伏电源与馈线运行不善之间的关联性，判断新型配电网运行问题、扰动响应过程，给出全新的方法，有效提取配电网故障信息，切实提高光伏电源利用性，有效隔离故障问题，保证供电恢复的及时性。

建立多元调控技术方案。应对光伏接入量较大的问题，促使调控模式更新。起初是“源随荷动”，整改后是“多元协调源网荷储”。创建资源管理平台，从多个场景视角，全面评价新能源利用情况。

2.3 升级运检技术

在屋顶光伏技术发展视域下，本公司全面引入台区智能设备，明确融合终端的技术地位，建立台区智能互动机制，使光伏电网具有较强的可测性、调控性。在各类场景中，均应秉承“安全用电”“智能运维”“高效供电”的思想，有序规划源网荷储技术方案。

全面获取实时数据。本公司在台区侧建立了本地储能装置，引入了RS485通信技术。利用HPLC/RF、RS485等多种信道，建立数据互传的通信机制。实时获取智能设备的储能数据，添加告警程序，全面掌握并网设备的运行情况。从功率、电压等方面，收集实时数据。在并网、故障等方面建立告警程序。

并网保护。在并网设备中，添加性能稳定的保护程序，用以防范孤岛问题。当发生孤岛故障后，并网设备会在一定时间范围中自主断开电网连接。如果发现低压配电台区有停电情况，利用AP 切断停电用户的逆变、储能各类装置。从双重保护视角，防范孤岛问题。

2.4 精准测算屋顶光伏装机容量

2.4.1 算法介绍

本公司在先进算法模型中添加了“编码+解码”的组成，此组成具有较强的视觉功能，可用于评价人体姿态、测定目标物、划分语义。在编码程序中，利用深度卷积神经技术，优化初始架构，获取输入图像的各类特征。在特征信息内，进行空洞卷积处理，设定多尺度空洞，具体包括1×1、多个空洞并行等。合理拼接特征信息，利用1×1卷积方法，生成层次更高的语义信息。在解码器程序中，利用1×1卷积，获取主干网络的一般特征，给出降维处理，融合于编码器的高级特征。再用3×3卷积，再现特征图的空间分布状态。使用双线性采样技术，准确设计边界线，以此增强图像分割界线的精准性，获取更为精确的建筑屋顶结构[3]。

2.4.2 屋顶分割

本公司利用卫星拍摄图片、先进算法，合理划分建筑屋顶区域：建立数据集。依照实际获取的目标区域高清图片，从多个角度进行数据分析，选择代表性较强的建筑项目、用电场景，标记图像信息，便于进行模型训练；创建算法模型，保证模型建立的准确性；持续改进算法模型。此算法模型利用Pytorch 框架，准确设计初期训练参数。在数据训练期间，持续改进各项参数，存储分割效果最佳的参数方案；运行算法模型，对目标建筑进行屋顶分区。

2.4.3 容量分析

本公司利用系数估算形式，判断屋顶光伏装机参数。参照研究区实况，考虑屋顶角度、平坦性等因素，对光伏朝向系数进行赋值。表1是本公司对目标建筑各个朝向，确定的光伏朝向系数。

表1 光伏朝向系数

屋顶遮阴分析。本公司选择光伏电池组件时，容量多为245W。而目标区域的建筑屋顶，每平方米装设光伏电池组的容量F 约为150W。F 算法：F=S×f1×f2×L，式中：S 表示目标建筑的屋顶面积大小；f1表示光伏朝向系数的赋值结果；f2表示屋顶存在的遮阴系数；L 表示建筑屋顶每平方米可装设的光伏电池容量。

2.5 创建数字配电网模型

2.5.1 文档描述

配电网设施的各项参数、拓扑属性，均添加在CIM 节点文档内。分析CIM 中的文档信息，判断配电网设施的各类属性资料，完成配电网建模。文档对象（DM）是一种可扩展语言，具有标记功能，可用于描述文档数据信息与配电网CIM 内的文档内容，具有较强的适配性。本公司利用DM 技术，分析GIS 传输的文档数据，获取配电网各类设施的属性信息、空间定位数据。采取数组形式，将各类数据逐一存储于本地数据程序中。使用深度优化搜索技术，全面分析CIM 内各类设施与连接点的内在关联，创建配电网初始的拓扑组成。

2.5.2 数字建模方法

在CIM 发电程序中，建立光伏发电模型。在每个光伏发电程序内，含有若干个光伏发电机组。在CIM 解析中，分析配电网各类设施的属性资料，在电网拓扑技术的支持下，依照高清拍摄图像，分析建筑屋顶能够装设的光伏容量。依照定位技术，判断建筑屋顶接入配电网的具体位置，补充配电网光伏发电的各类属性，比如固定式、集成式等。利用数据库，动态更新配电网设施的各项信息。

2.6 评价配电网屋顶光伏的整体承载性

定义屋顶光伏容量。本公司在定义屋顶光伏容量C 时，是指在正常运行条件下，目标建筑屋顶可装设的光伏容量，具体算法：C=Σi∈ΩCi，式中：Ω 表示各类配电网接入建筑屋顶的全部编号；i 表示电网接入的任意节点；Ci表示在i 点位置的光伏容量。

确定约束条件。Ci的约束条件：0≤Ci≤Fi,max，式中：Fi，max表示在算法模型中i 点位置可安装的光伏容量最大值。

算例分析。本公司使用高清卫星影像资料，参照低压配电网技术，对目标区域的50个低压用户，进行屋顶光伏接入分析。在测定屋顶光伏接入量时，本公司研究的目标区域多为平顶式屋顶，建筑群具有一定密集性，场地开阔，无遮阴。赋值方案：f1=0.9，f2=0.8。依照算式F=S×f1×f2×L 所得的屋顶光伏接入量见表2。