能源互聯(lián)網(wǎng)背景下適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)模化發(fā)展的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究

劉文娟 于冰濤

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

1 研究背景

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，促使其環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，風(fēng)能、光伏等多種能源得到了大力應(yīng)用。伴隨著各種新能源的不斷發(fā)展與應(yīng)用，致使新能源接入成為當(dāng)前電網(wǎng)發(fā)展比較重要的一項(xiàng)工作內(nèi)容。能源互聯(lián)網(wǎng)作為能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)、市場(chǎng)以及信息技術(shù)深度融合的新形態(tài)，通過(guò)具有的設(shè)備智能、多能協(xié)同、信息對(duì)稱(chēng)、供需多元、交易開(kāi)放等主要特征，實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)全鏈條的協(xié)同優(yōu)化和價(jià)值創(chuàng)造。在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，配電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)該考慮適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；陌l(fā)展，大大降低接入問(wèn)題造成的影響，從而保證傳統(tǒng)配電逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代主動(dòng)配電網(wǎng)，能夠適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展的需要。

2 電動(dòng)汽車(chē)和新能源接入對(duì)能源互聯(lián)下配電網(wǎng)的影響

2.1 電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)能源互聯(lián)下配電網(wǎng)的影響

2.1.1 電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生影響

隨著電動(dòng)汽車(chē)的廣泛推廣，致使配電網(wǎng)負(fù)荷與日俱增，并且配電網(wǎng)的負(fù)荷壓力也隨之增加，從而對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃產(chǎn)生影響。另外，在配電網(wǎng)規(guī)劃的過(guò)程中，還需要考慮車(chē)主的充電行為、各地交通流量、現(xiàn)有配電網(wǎng)絡(luò)、新能源接入情況、電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間、電壓穩(wěn)定情況、配網(wǎng)建設(shè)成本等多重因素，才能進(jìn)行能源互聯(lián)下的配電網(wǎng)規(guī)劃。

2.1.2 電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)電網(wǎng)的峰谷平衡產(chǎn)生影響

傳統(tǒng)電力負(fù)荷高峰主要集中在白天期間，而大部分電動(dòng)汽車(chē)主要是夜間進(jìn)行充電， 只有這樣，才能有效維持電網(wǎng)的峰谷平衡，進(jìn)而促使電網(wǎng)負(fù)荷特性得到完善。因此，電動(dòng)汽車(chē)夜間的接入對(duì)電網(wǎng)的峰谷平衡具有顯著的促進(jìn)作用。

2.1.3 電動(dòng)汽車(chē)接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響

由于電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展，對(duì)充電樁的布置也提出了新的要求，而電動(dòng)汽車(chē)充電具有一定的隨機(jī)性，各個(gè)充電站點(diǎn)所面臨的充電壓力不一樣。在某個(gè)充電點(diǎn)大量電動(dòng)汽車(chē)接入充電，則會(huì)影響局部電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別是隨著大量電動(dòng)汽車(chē)接入配電網(wǎng)中，其運(yùn)行和結(jié)構(gòu)在一定程度會(huì)受到影響，并且傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃早已無(wú)法滿(mǎn)足于電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模接入的實(shí)際需求。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)集中在某一區(qū)域范圍內(nèi)充電，則會(huì)影響配電網(wǎng)局部發(fā)生過(guò)載或者是不平衡問(wèn)題；當(dāng)大部分電動(dòng)汽車(chē)在負(fù)荷高峰期間進(jìn)行充電時(shí)，會(huì)使配電網(wǎng)負(fù)擔(dān)加重，因此，必須對(duì)配電網(wǎng)中發(fā)電裝機(jī)方面加大投資力度。

2.2 新能源接入對(duì)能源互聯(lián)下配電網(wǎng)造成的影響

2.2.1 新能源接入對(duì)網(wǎng)損的影響

隨著我國(guó)新能源的大力發(fā)展，對(duì)于能源短缺問(wèn)題有了較大改善，但是由于新能源的接入，網(wǎng)損也越來(lái)越嚴(yán)重。網(wǎng)損不僅與電力負(fù)荷有直接的關(guān)系，同時(shí)也與新能源接入的位置、接入容量的大小、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等有著間接的影響。新能源接入致使配電網(wǎng)中部分單向流動(dòng)潮流的支路發(fā)生變化，最終導(dǎo)致配電網(wǎng)網(wǎng)損發(fā)生變化。 由于新能源接入情況大不相同，也會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)損增大或是減少的情況。

2.2.2 新能源接入對(duì)電能質(zhì)量的影響

新能源接入配電網(wǎng)時(shí)，需要依靠大量的電力電子設(shè)備才可以完成， 致使配電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生變化，造成大量諧波引入， 甚至是電網(wǎng)電壓出現(xiàn)閃變問(wèn)題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。

2.2.3 新能源接入對(duì)繼電保護(hù)影響

由于傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般呈放射狀，其保護(hù)原理和日常運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單便捷，并且經(jīng)濟(jì)成本比較低，而新能源接入不僅使電網(wǎng)潮流發(fā)生變化，同時(shí)也使電網(wǎng)故障時(shí)短路電流大小發(fā)生改變。一旦新能源和繼電保護(hù)二者之間出現(xiàn)紕漏，極有可能發(fā)生保護(hù)失效，甚至是誤動(dòng)作等問(wèn)題現(xiàn)象。

2.2.4 新能源接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響

隨著新能源接入，給傳統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、規(guī)劃、運(yùn)行帶來(lái)不利影響。首先，由于使用新能源發(fā)電的越來(lái)越多，對(duì)于負(fù)荷的增長(zhǎng)也更難預(yù)測(cè)。其次，由于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的能源存在波動(dòng)性和間歇性，一定程度上影響了配電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下電動(dòng)汽車(chē)和新能源接入配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足兩方面的要求。首先是符合國(guó)家政策和經(jīng)濟(jì)效益的基本前提下，嚴(yán)格按照配電網(wǎng)規(guī)劃區(qū)結(jié)構(gòu)對(duì)新能源以及電動(dòng)汽車(chē)充電站的位置、類(lèi)型、容量進(jìn)行明確規(guī)定。其次，從技術(shù)方面出發(fā)，在第一步基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和新能源的接入點(diǎn)數(shù)量和容量進(jìn)行確定，然后在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，使新能源、電動(dòng)汽車(chē)充電站與配電網(wǎng)達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。

3.1 考慮電動(dòng)汽車(chē)用電特性分析

3.1.1 出租車(chē)

一般情況下，出租車(chē)很多為24 小時(shí)運(yùn)營(yíng)，并且在運(yùn)營(yíng)期間不間斷。因此，為了保證出租車(chē)正常運(yùn)營(yíng)，需要選擇快速充電方式，從而有效縮短充電時(shí)間。對(duì)此，出租車(chē)倚天24小時(shí)都需要采用快速充電方式。

3.1.2 公交車(chē)

對(duì)于公交車(chē)的發(fā)車(chē)時(shí)間、行車(chē)路線(xiàn)都比較規(guī)固定，在沒(méi)有特殊的情況不會(huì)發(fā)生太大的變化。因此，在公交車(chē)現(xiàn)有的停車(chē)場(chǎng)內(nèi)布設(shè)相應(yīng)的充電樁即可。為了保證公交車(chē)在運(yùn)營(yíng)期間，不會(huì)出現(xiàn)缺電而無(wú)法準(zhǔn)時(shí)發(fā)車(chē)的現(xiàn)象，應(yīng)該在停車(chē)場(chǎng)內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的快充裝置。

3.1.3 私家車(chē)

一般私家車(chē)主要用于上下班、娛樂(lè)休閑等活動(dòng)，并且根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究分析得出，私家車(chē)在上下班時(shí)間段、晚飯后休閑娛樂(lè)時(shí)間段使用頻率比較高。同時(shí)，私家車(chē)在單位、餐廳、商場(chǎng)等諸多場(chǎng)所停留時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，有足夠時(shí)間進(jìn)行充電，因此，可以選擇常規(guī)充電或者是慢速充電方式進(jìn)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(wǎng)的負(fù)荷特性

配電網(wǎng)現(xiàn)階段常見(jiàn)的新能源主要包括光伏發(fā)電、風(fēng)電、電能儲(chǔ)存裝置、燃料電池等，從而保證在沒(méi)有陽(yáng)光，沒(méi)有風(fēng)的天氣情況下，仍然能夠正常供電，保證電能的穩(wěn)定性和可靠性。如圖1 所示，為分布式多能源的統(tǒng)一調(diào)度單元，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個(gè)單位之間的信息進(jìn)行有效銜接。

圖1 分布式多能源的統(tǒng)一調(diào)度單元

由圖1 可知，由于風(fēng)力機(jī)組和光伏電池等新能源接入配電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的電量將存在一定的波動(dòng)，通過(guò)儲(chǔ)能裝置和燃料電池對(duì)其進(jìn)行電量平衡。而配電網(wǎng)在接入電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷后，其節(jié)點(diǎn)電壓將會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的下降，特別是在某些時(shí)段，比如說(shuō)0：00—3：00 和14：00—19：00 這兩個(gè)時(shí)段，節(jié)點(diǎn)電壓會(huì)出現(xiàn)明顯下降，甚至付出現(xiàn)電壓越線(xiàn)。因此，除了考慮電動(dòng)汽車(chē)的不同時(shí)段的用電負(fù)荷，還需要考慮新能源接入配電網(wǎng)的負(fù)荷特性。對(duì)新能源和電動(dòng)汽車(chē)充電站進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃，從而建立以新能源為主要能源的電動(dòng)汽車(chē)集中充電站。

3.3 考慮電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的優(yōu)化預(yù)測(cè)，結(jié)合等效電路分析和樣本信息特征采樣方法，采樣電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征，通過(guò)子空間映射和特征序列重組，構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征大數(shù)據(jù)分析模型，得到電動(dòng)汽車(chē)的能量負(fù)荷傳遞模型如圖2 所示。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)能量負(fù)荷傳遞模型

3.3.1 特征提取

對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷特征序列進(jìn)行重組，采用統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列的方法進(jìn)行分析，并且提取相應(yīng)的特征量，再結(jié)合磁鏈參數(shù)估計(jì)方法，結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷特征，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的分析模型。通過(guò)模糊關(guān)聯(lián)特征分析方法進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征提取和聚類(lèi)分析，得到電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷參量的優(yōu)化值為：

結(jié)合磁場(chǎng)參數(shù)辨識(shí)方法，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷參量進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，求得特征參數(shù)的分布集，構(gòu)建負(fù)荷檢測(cè)統(tǒng)計(jì)特征量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)特征分析方法，進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)，得到電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征為：

式中，（）表示電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷量化分析的自相關(guān)特征量，表示電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)的互感值。

3.3.2 基于卷積神經(jīng)的電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)

假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征的輸入為：

式中，表示卷積網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)層，表示負(fù)荷加權(quán)系數(shù)。

通過(guò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法，在卷積網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)層構(gòu)建電動(dòng)汽車(chē)的負(fù)荷增量調(diào)度模型，得到負(fù)荷預(yù)測(cè)的神經(jīng)元，當(dāng)==…d時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的總能量E取最小值。當(dāng)E′=0，E存在最小值，此時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層為：

式中，表示交流電壓的相位差，（）表示電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征的功率譜密度。

通過(guò)諧振回路分析，在電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷序列的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)特征分布集提取電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷時(shí)間序列的耦合性特征量，而且提出的效率高，用時(shí)短，得到電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷序列的輸出功率因素。此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷狀態(tài)的每個(gè)模態(tài)的換流映射為：

式中，（）表示電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)x和x之間的相似度水平，表示負(fù)荷預(yù)測(cè)的平均互信息量。

根據(jù)上述算法設(shè)計(jì)，通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)識(shí)別方法，進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷特征分類(lèi)學(xué)習(xí)，根據(jù)特征分類(lèi)結(jié)果實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)負(fù)荷的優(yōu)化預(yù)測(cè)。

3.4 明確投資最小化以及系統(tǒng)網(wǎng)損

在電動(dòng)汽車(chē)充電配電網(wǎng)的實(shí)際規(guī)劃中，需要考慮投資成本以及系統(tǒng)網(wǎng)損的情況。通過(guò)采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析。配電網(wǎng)規(guī)劃方案對(duì)投資成本與電力網(wǎng)損的影響主要表現(xiàn)為：充電樁的建設(shè)成本、變電站的擴(kuò)容成本、配電線(xiàn)路的建設(shè)成本、電力系統(tǒng)的網(wǎng)損成本等。因此，需要采用多個(gè)時(shí)間段的潮流進(jìn)行系統(tǒng)網(wǎng)損值的計(jì)算，綜合考慮各方面的因素，降低投資成本。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)和新能源接入到配電網(wǎng)中必然會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響，從而引起相關(guān)人員的重視和關(guān)注，并且通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探討摸索，具有極大的現(xiàn)實(shí)困難?，F(xiàn)階段，配電自動(dòng)化技術(shù)的實(shí)效性技術(shù)早已成為大部分生產(chǎn)廠家以及用戶(hù)比較關(guān)注的熱門(mén)話(huà)題，因此，必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)背景下適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展的配電網(wǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，還要對(duì)其他實(shí)用性技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，對(duì)電網(wǎng)接入技術(shù)進(jìn)行深入的研究，可以有效解決諧波等諸多方面的問(wèn)題。