高比例可再生能源新型農(nóng)村電網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

陸佳琳，方舒，杜松懷，蘇娟，鄭穎穎，劉峻瑋

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

隨著以高比例新能源為主的新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在國家“雙碳”目標(biāo)的指引下，大規(guī)模分布式可再生能源接入農(nóng)村電網(wǎng)。綜合能源的發(fā)展和農(nóng)村電網(wǎng)的發(fā)展分別面臨機(jī)遇和挑戰(zhàn)［1］。

我國農(nóng)村可再生能源豐富，以屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)將成為助力農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措。促進(jìn)高比例可再生能源與農(nóng)村用能的融合，有利于推動(dòng)農(nóng)村“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化協(xié)調(diào)發(fā)展［2］。但傳統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)消納能力不足，且大規(guī)模分布式電源的接入影響電網(wǎng)電能質(zhì)量和配網(wǎng)自動(dòng)化及繼電保護(hù)動(dòng)作，電網(wǎng)諧波危害增大［3］，電網(wǎng)調(diào)峰難度加大［4］。因此，亟需加快建設(shè)適應(yīng)“雙碳”目標(biāo)的高比例可再生能源新型農(nóng)村電網(wǎng)。

農(nóng)村電網(wǎng)是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，本文從我國農(nóng)村電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀分析出發(fā)，深入剖析“雙碳”目標(biāo)下農(nóng)村電網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，對新型農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵舉措和亟待研究的課題進(jìn)行展望，為新型農(nóng)村電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)提供理論支撐。

1 我國農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國農(nóng)村電網(wǎng)的構(gòu)建與發(fā)展

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村能源和農(nóng)村電網(wǎng)對于保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村生活、促進(jìn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展始終發(fā)揮著關(guān)鍵和重要的作用。經(jīng)過近20年的重點(diǎn)建設(shè)和發(fā)展，我國農(nóng)村電網(wǎng)已逐步形成了以220 kV或110 kV線路為主網(wǎng)架、35 kV為電源點(diǎn)、10 kV為配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系［5］。

1998年，國家第一次大規(guī)模組織實(shí)施農(nóng)村電網(wǎng)改造工程，并取得了豐碩的階段性成果。以國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)域?yàn)槔?，通過實(shí)施農(nóng)村電網(wǎng)改造和升級(jí)，經(jīng)營區(qū)內(nèi)農(nóng)村電網(wǎng)的單線單變、設(shè)備重載和過載、低電壓等突出問題［6］得到了顯著改善，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，供電可靠性持續(xù)提升。2015年以來，全國110 kV、35 kV、10 kV線路的供電半徑較之前顯著縮短，線路N-1通過率穩(wěn)步提升。2019至2020年，國家電網(wǎng)供電區(qū)域內(nèi)農(nóng)網(wǎng)的供電可靠率達(dá)到99.82%，綜合電壓合格率上升至99.80%，戶均配變?nèi)萘窟_(dá)到2.76 kVA［7］?？傮w而言，我國農(nóng)村電網(wǎng)的供電能力、電能質(zhì)量和供電可靠性進(jìn)一步提高，農(nóng)村用能條件得到顯著改善，統(tǒng)計(jì)口徑的農(nóng)村用電量已連續(xù)多年超過城市用電量，這對拓展農(nóng)村市場、擴(kuò)大內(nèi)需、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長、保障脫貧攻堅(jiān)和新時(shí)代鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的順利實(shí)施［8］，始終發(fā)揮著關(guān)鍵的能源保障作用。

1.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平差異導(dǎo)致農(nóng)村電網(wǎng)仍然存在諸多問題

由于我國不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理環(huán)境及建設(shè)條件存在巨大差異，各地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展水平差距明顯［9］。欠發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村電網(wǎng)目前依然相對薄弱，仍然存在不少突出問題。一是供電線路過長、承載容量小、自動(dòng)化程度和保護(hù)能力偏低、應(yīng)對負(fù)荷波動(dòng)的能力偏弱［10］；二是農(nóng)村安全用電意識(shí)及保障能力不強(qiáng)，家庭布線及用電設(shè)施普遍存在問題，漏電自動(dòng)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)尚未普遍建立，基于生物體觸電電流的新型生物體自適應(yīng)剩余電流保護(hù)（residual current device，RCD）技術(shù)及工程應(yīng)用欠缺［11］；三是“十三五”后期和“十四五”期間，面對分布式電源的大規(guī)模和高比例接入，既有農(nóng)村電網(wǎng)的接納能力存在瓶頸、單端保護(hù)難以適應(yīng)雙向潮流變化的運(yùn)行方式。

1.2.1 農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、用能負(fù)荷點(diǎn)多面廣

農(nóng)村居民住宅不集中，導(dǎo)致農(nóng)村用電具有分散性，因而農(nóng)村電網(wǎng)大多為輻射型結(jié)構(gòu)［12］，且呈現(xiàn)出點(diǎn)多、線長、面廣、供用電線路普遍較長的特點(diǎn)。且用電負(fù)荷如表1所示，具有點(diǎn)多面廣的負(fù)荷特點(diǎn)。在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)和落后地區(qū)，居民私接電線現(xiàn)象嚴(yán)重，從公用輸電線路連接電線不依靠專業(yè)電力技術(shù)人員，導(dǎo)致公用傳輸線路經(jīng)常性短路［13］。并且線路周邊環(huán)境復(fù)雜，道路和房屋交錯(cuò)，竹木叢生，特別是農(nóng)村居民房屋拆除和新建、違章改擴(kuò)建、施工堆土現(xiàn)象普遍存在，以及春夏季節(jié)植物生長迅速，高壓線路及低壓外線通道被侵占或破壞，供用電安全的外部隱患突增。

表1 農(nóng)村主要用電負(fù)荷Table 1 Main electricity load in rural areas

1.2.2 新能源大規(guī)模接入農(nóng)村電網(wǎng)，帶來全新技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著新能源政策的不斷出臺(tái)，分布式電源接入配電網(wǎng)呈現(xiàn)兩個(gè)突出特征：一是大規(guī)模和分布式接入［14］，二是供電量占比（滲透率）越來越高。2016年至2020年，分布式電源漲幅持續(xù)維持在17%以上［15］。截止到2021年6月，我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到2.67億kW，其中集中式光伏裝機(jī)容量1.80億kW，分布式光伏裝機(jī)容量0.87億kW。

分布式光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)能發(fā)電、儲(chǔ)能、以及電動(dòng)汽車海量接入配電網(wǎng)，給農(nóng)村電網(wǎng)帶來了諸如頻繁雙向潮流、高低壓越限、線路阻塞、網(wǎng)損增大、諧波超標(biāo)等全新技術(shù)挑戰(zhàn)，亟待研究和推廣需求側(cè)管理、綜合資源規(guī)劃、廣義負(fù)荷、負(fù)荷聚合商、虛擬電廠等全新技術(shù)。

1.2.3 負(fù)荷及用電量快速增長、季節(jié)性用能日益凸顯、用電安全可靠性仍需提高

一方面，我國農(nóng)村家庭用電和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電量不斷增大。隨著農(nóng)村居民收入的增加，家電下鄉(xiāng)活動(dòng)和新型城鎮(zhèn)化政策的推動(dòng)，洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)、熱水器、地?zé)嵫b置、電腦等家用電器日益增多。2020年，我國農(nóng)、林、牧、漁業(yè)用電量合計(jì)達(dá)到1 422 kWh，我國鄉(xiāng)村居民生活用電量合計(jì)達(dá)到4 789 kWh［16］。另一方面，農(nóng)村用電具有較強(qiáng)的季節(jié)性。夏季是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的繁忙季節(jié)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用電高峰時(shí)期，而光伏電源等新能源的大規(guī)模接入將會(huì)加劇農(nóng)村負(fù)荷和用電量的季節(jié)性特點(diǎn)，此時(shí)又是自然災(zāi)害的頻發(fā)期。在此類場景下，農(nóng)村用電的隨意性較大，田間作業(yè)、農(nóng)田排灌以及修房建屋等臨時(shí)大功率用電隨時(shí)可能出現(xiàn)，用電事故發(fā)生率較高。

目前，農(nóng)村用電安全這一短板依然存在隱患。一是用電設(shè)施電線線路設(shè)置不合理，泄漏電流經(jīng)常超標(biāo)；二是安全用電意識(shí)薄弱，對用電設(shè)備的巡視、檢查、維修不及時(shí)、不到位，有的為了減少搶修和維護(hù)工作量，違規(guī)將配電臺(tái)區(qū)的剩余電流保護(hù)裝置退出運(yùn)行；三是對用電安全隱患的認(rèn)識(shí)不到位，對老化和失效的插座、開關(guān)、電線等設(shè)施更換不及時(shí)；四是常規(guī)RCD保護(hù)存在固有動(dòng)作缺陷，創(chuàng)新性保護(hù)技術(shù)如基于生物體觸電電流的剩余電流保護(hù)技術(shù)有待進(jìn)一步開發(fā)和推廣應(yīng)用；五是對越來越廣泛的低壓交直流混合供電系統(tǒng)的剩余電流保護(hù)技術(shù)缺乏研究［17］。

2 雙碳目標(biāo)下農(nóng)村電網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2020年9月，我國在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上提出了“30·60雙碳目標(biāo)”，為加快推動(dòng)農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型和綠色發(fā)展、構(gòu)建清潔低碳和安全高效的農(nóng)村能源體系，形成以新能源為主體的新型農(nóng)村電力系統(tǒng)指明了方向。2021年，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確提出要全面推進(jìn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電大規(guī)模開發(fā)和高質(zhì)量發(fā)展，堅(jiān)持集中式與分布式并舉，加快建設(shè)風(fēng)電和光伏發(fā)電基地。

在此背景下，分布式光伏將大規(guī)模和高比例就地分散接入農(nóng)村電網(wǎng)，從而造成傳統(tǒng)的低壓配電網(wǎng)由“無源”變“有源”，支路潮流由“單向”變“多向”。從技術(shù)層面看，大量可再生能源的分布式接入、用電負(fù)荷隨季節(jié)和節(jié)假日的激增、電動(dòng)汽車充電的隨機(jī)接入，已經(jīng)對農(nóng)配電網(wǎng)的消納能力、供電安全、調(diào)度及運(yùn)行控制方式帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.1 農(nóng)村電網(wǎng)的容量裕度和承載能力不足

近年來，雖然經(jīng)歷過多次改造升級(jí)，但各地農(nóng)村電網(wǎng)的容量裕度仍很有限。一些地區(qū)仍存在供電半徑大、峰谷差大、電壓質(zhì)量差等突出問題，對光伏接入的承載能力有限。局部地區(qū)的用電水平很低，新能源就地消納能力不足。

近期和未來一段時(shí)期內(nèi)，我國農(nóng)村電網(wǎng)的建設(shè)主要面臨以下兩個(gè)挑戰(zhàn)。一是當(dāng)本地用電量較低、無法完全消納光伏發(fā)電量時(shí)，產(chǎn)生大量返送電量的現(xiàn)象；二是當(dāng)并網(wǎng)的新能源出力遠(yuǎn)超電網(wǎng)承載能力時(shí)，出現(xiàn)的變壓器倒送電、設(shè)備和線路過載、以及配電網(wǎng)安全和運(yùn)行穩(wěn)定問題［18］。

2.2 新能源隨機(jī)性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)、分布式DG解列和棄風(fēng)棄光

氣候不確定性、風(fēng)電隨機(jī)性和光伏的間歇性，均會(huì)導(dǎo)致新能源出力呈現(xiàn)波動(dòng)和隨機(jī)性，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)電壓質(zhì)量，目前的農(nóng)網(wǎng)配電變壓器大多不具備自動(dòng)調(diào)壓和調(diào)容能力。未來的新型農(nóng)村電網(wǎng)，應(yīng)當(dāng)具備在一定的低電壓范圍內(nèi)，滿足分布式電源在網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，避免非正常解列和出現(xiàn)棄光棄風(fēng)現(xiàn)象。

以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，其出力完全取決于光照強(qiáng)度的變化，它將帶來4個(gè)方面的挑戰(zhàn)：①日間光照強(qiáng)度好，出力最大，單用電負(fù)荷卻較輕，這時(shí)將產(chǎn)生電力倒送和過電壓；②隨著日落，光伏發(fā)電出力逐漸下降，此時(shí)負(fù)荷卻在上升，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓過低；③分布式新能源機(jī)組（系統(tǒng)）不僅在運(yùn)行狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，在啟動(dòng)、停機(jī)和切換過程中也會(huì)產(chǎn)生電壓沖擊；④大規(guī)模分布式電源、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車的接入，進(jìn)一步加劇了節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)范圍。

2.3 逆變器注入諧波影響電能質(zhì)量和設(shè)備自身正常運(yùn)行

當(dāng)分布式光伏、儲(chǔ)能電池、電動(dòng)汽車等廣義負(fù)荷高比例接入時(shí)，將伴隨大量逆變器等電力電子器件接入配電網(wǎng)。一旦遇到逆變器質(zhì)量不佳等狀況，將導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)諧波污染并超標(biāo)。電網(wǎng)注入諧波的危害主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）諧波電壓的影響。導(dǎo)致變壓器磁滯及渦流損耗增加，也可使供配電系統(tǒng)產(chǎn)生電壓諧振，使絕緣材料承受應(yīng)力增大進(jìn)而損壞設(shè)備絕緣。

（2）諧波電流的影響。一是導(dǎo)致變壓器銅耗增加、鐵芯過熱，加速絕緣老化，縮短變壓器使用壽命；二是導(dǎo)致電容器過負(fù)荷，溫度快速上升和越限，并增加電能損耗；三是導(dǎo)致電纜線路能耗增加，纜芯過熱和毀壞。

（3）諧波頻譜的影響。直流分量、低次諧波和高次諧波對過電流保護(hù)、方向電流保護(hù)、零序保護(hù)等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，常常導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，也可使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)失控、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元器件邏輯翻轉(zhuǎn)。

2.4 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式影響電網(wǎng)和作業(yè)安全

目前，國內(nèi)的光伏電站和微電網(wǎng)大都加裝了反孤島保護(hù)裝置。但是，一旦該類保護(hù)失效，則會(huì)出現(xiàn)所謂的“孤島效應(yīng)”。微電網(wǎng)的孤島運(yùn)行，將對配電設(shè)備和作業(yè)人員的安全產(chǎn)生重大隱患。

（1）當(dāng)檢修人員停止電網(wǎng)供電，并對線路和設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，光伏電站仍向電網(wǎng)供電，將會(huì)造成檢修人員傷亡事故。

（2）當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障但光伏電站仍繼續(xù)供電時(shí)，一旦電網(wǎng)恢復(fù)供電，電網(wǎng)電壓和光伏系統(tǒng)的端電壓存在較大相位差，合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流并損壞設(shè)備。

（3）由于接入微電網(wǎng)或分布式電源的運(yùn)行參數(shù)大多沒有加裝測量設(shè)備，且配電網(wǎng)恢復(fù)供電的狀態(tài)未知，這些都會(huì)影響配電網(wǎng)的正常合閘。與此同時(shí)，電網(wǎng)也不能控制處于孤島狀態(tài)的微電網(wǎng)的電壓和頻率，導(dǎo)致其偏離額定值，進(jìn)而造成配電和用戶設(shè)備的損壞。

2.5 逆向送電影響電網(wǎng)潮流、繼電保護(hù)配置和網(wǎng)損分?jǐn)?/h3>

從配網(wǎng)潮流的角度，大量分布式光伏接入農(nóng)村電網(wǎng)，使配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單向輻射網(wǎng)絡(luò)變?yōu)殡p向潮流網(wǎng)絡(luò)，“上送潮流”可能會(huì)大于原“下送潮流”，這就要求配電線路的設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)必須相應(yīng)提高。

從繼電保護(hù)的角度，分布式光伏并網(wǎng)改變了傳統(tǒng)配網(wǎng)的潮流分布規(guī)律和網(wǎng)供負(fù)荷的性質(zhì)，其故障特性也隨之發(fā)生顯著改變，保護(hù)裝置的整定計(jì)算和邏輯控制變得更為復(fù)雜，配電網(wǎng)運(yùn)行方式分析、短路計(jì)算和整定配合的難度也顯著提高。對于含高比例分布式光伏的配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的單端電氣量保護(hù)裝置無法滿足動(dòng)作選擇性的要求，新的保護(hù)配置方法及方案亟待進(jìn)行研究。

從網(wǎng)損變化的角度，光伏電站在不同接入點(diǎn)、以不同容量接入時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗是不相同的。DG接入位置距離負(fù)荷端越近，網(wǎng)絡(luò)損耗越小。當(dāng)光伏發(fā)電出力大于所在節(jié)點(diǎn)的用電負(fù)荷時(shí)，配電線路中的潮流將會(huì)反向，配電網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)損將會(huì)增大。

2.6 分布式電源及裝置的日常維護(hù)

通常，光伏發(fā)電裝置及系統(tǒng)的資產(chǎn)歸投資人所有，因此無法納入公共配電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。除部分扶貧光伏由政府委托當(dāng)?shù)毓╇姽具M(jìn)行運(yùn)維外，目前并網(wǎng)的光伏設(shè)備主要由產(chǎn)權(quán)所屬單位、用戶個(gè)人、或者委托第三方公司承擔(dān)主體運(yùn)維責(zé)任。

隨著大規(guī)模分布式電源的接入，運(yùn)維管理主體多、管理手段和管理質(zhì)量參差不齊等問題日益突出，對分布式發(fā)電設(shè)備和配電網(wǎng)的安全都會(huì)帶來嚴(yán)重影響或威脅。主要面臨以下兩個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)：

（1）缺乏主動(dòng)監(jiān)測和預(yù)防控制技術(shù)。目前的分布式光伏分散接入方式，大都是僅在用戶側(cè)安裝防孤島裝置、隔離開關(guān)或空氣開關(guān)等開斷設(shè)備，不具備遠(yuǎn)方操作功能，無法接入現(xiàn)有統(tǒng)一的配電網(wǎng)管控平臺(tái)［19］。

（2）缺乏DG并網(wǎng)電壓監(jiān)測與控制微軟件。目前尚未實(shí)現(xiàn)在PC端和手機(jī)端均可操作的簡便型應(yīng)用軟件的全覆蓋，運(yùn)維人員在處理DG并網(wǎng)問題時(shí)缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析或預(yù)警控制手段，存在用戶誤操作安全自動(dòng)裝置和盲目送電的風(fēng)險(xiǎn)。

3 新型農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵舉措

新型農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)涉及面廣、投資量大，是一項(xiàng)長期的任務(wù)。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，對農(nóng)村電網(wǎng)的建設(shè)水平也將提出更高的要求。

3.1 堅(jiān)強(qiáng)農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷不斷增加，加之部分線路供電半徑大、導(dǎo)線截面小，電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題非常突出。在負(fù)荷高峰期，如春節(jié)、農(nóng)忙期、每天晚高峰，農(nóng)村電網(wǎng)均不同程度存在低電壓問題。新型農(nóng)網(wǎng)需要通過優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，解決配電臺(tái)區(qū)內(nèi)的電壓波動(dòng)問題。關(guān)鍵舉措包括：

（1）提高負(fù)荷預(yù)測精度。利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，科學(xué)細(xì)致地做好負(fù)荷預(yù)測，精心規(guī)劃設(shè)計(jì)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增強(qiáng)供電能力，提高供電可靠性，保證電能質(zhì)量，保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用戶的優(yōu)質(zhì)用電。

（2）合理增加變電站布點(diǎn)。合理增加35 kV及110 kV變電站布點(diǎn)，加強(qiáng)電源點(diǎn)建設(shè)，增大供電能力，縮短10 kV供電半徑。

（3）合理增加配變布點(diǎn)。采取小容量、多布點(diǎn)的方式，合理優(yōu)化配電變壓器布點(diǎn)，提高配電變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，降低配電變壓器損耗，提高末端供電電壓。

（4）適當(dāng)增大中低壓導(dǎo)線截面。對運(yùn)行時(shí)間較長、老化嚴(yán)重的中低壓線路采用增大導(dǎo)線截面的方式進(jìn)行改造，有效治理因線徑過細(xì)、線路損耗大造成的低電壓問題。

（5）增強(qiáng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)供負(fù)荷能力。優(yōu)化10 kV骨干網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，均衡負(fù)載分布，優(yōu)化接線模式，合理新增聯(lián)絡(luò)開關(guān)，提高線路轉(zhuǎn)供負(fù)荷能力。對10 kV主干線路采用多分段適度聯(lián)絡(luò)的接線方式，導(dǎo)線及設(shè)備應(yīng)滿足轉(zhuǎn)供負(fù)荷的要求。

（6）優(yōu)化35 kV直配網(wǎng)方式。在農(nóng)村用電負(fù)荷點(diǎn)呈帶狀分布的山區(qū)、半山區(qū)、丘陵或平原的“走廊”地帶，開展35 kV配電線路輕型化設(shè)計(jì)，提高配電網(wǎng)供電能力。在偏遠(yuǎn)農(nóng)村，35 kV線路沿線村莊或處于10 kV線路末端而距離35 kV線路較近的負(fù)荷區(qū)域，直接采用35 kV直配供電方式。

（7）推廣應(yīng)用單、三相混合供電模式。在居民分散、三相動(dòng)力負(fù)荷相對集中的山區(qū)或農(nóng)村地區(qū)，可采用單、三相混合供電方式，以單相變壓器供給居民生活用電，三相變壓器供給三相動(dòng)力負(fù)荷。

（8）優(yōu)化小型分布式電源的儲(chǔ)能配置。容量較大的儲(chǔ)能裝置可就近接入配電臺(tái)區(qū)低壓側(cè)，容量較小的單戶用儲(chǔ)能裝置可在用戶處接入，在負(fù)荷低谷期使其處于充電狀態(tài)，在負(fù)荷高峰期使其處于放電狀態(tài)，提高供電電壓質(zhì)量。

3.2 自適應(yīng)新能源就地消納與電動(dòng)汽車有序充放電

（1）采用虛擬電廠或負(fù)荷聚合商模型，實(shí)現(xiàn)分布式DG和多微電網(wǎng)的集群一體化管控。當(dāng)前的農(nóng)村配電自動(dòng)化水平，大多無法適應(yīng)海量隨機(jī)性電源并網(wǎng)場景，對分布式電源的精細(xì)化管控難度很大。面向高比例分布式電源安全、可靠、靈活、友好的并網(wǎng)需求，新型農(nóng)網(wǎng)在并網(wǎng)管控上應(yīng)當(dāng)向集群一體化化管理方向發(fā)展。與此同時(shí)，在優(yōu)化控制模式方面，也將從傳統(tǒng)的“主從模式”向“點(diǎn)對點(diǎn)對等模式”過渡。

（2）采用多能流Hub技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活性綜合能源供給。為適應(yīng)未來不同的應(yīng)用場景和目標(biāo)需求，多能流Hub技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。面向直流負(fù)荷供電場景，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展直流或交直流混合微電網(wǎng)技術(shù)；面向綜合能源供給需求，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展多能流微能網(wǎng)技術(shù)。在微電網(wǎng)群運(yùn)行場景下，通過微電網(wǎng)群優(yōu)化協(xié)調(diào)技術(shù)，借助新型控制策略和裝備，實(shí)現(xiàn)多微電網(wǎng)的在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

（3）研發(fā)新的需求側(cè)管理技術(shù)，推進(jìn)低壓配電網(wǎng)電動(dòng)汽車有序充放電。隨著電動(dòng)汽車規(guī)模的不斷和快速擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車有序充放電、實(shí)現(xiàn)削峰填谷和需求側(cè)管理的要求越來越迫切。一方面，電動(dòng)汽車無序充電時(shí)充電最大負(fù)荷的隨機(jī)性也將變大，可能造成本地供電負(fù)荷的劇烈波動(dòng)，導(dǎo)致配電變壓器過負(fù)荷，影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，電動(dòng)汽車的隨機(jī)充放電疊加節(jié)假日時(shí)段出現(xiàn)的隨機(jī)高峰負(fù)荷，會(huì)顯著降低配電臺(tái)區(qū)的安全供電水平。

未來在實(shí)施層面，針對農(nóng)村或者縣域各類電動(dòng)汽車出行特點(diǎn)，應(yīng)該統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)智能充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，形成符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的有序充電模式譬如峰谷電價(jià)模式、智能管理模式等。峰谷電價(jià)模式能夠基于價(jià)格引導(dǎo)用戶自發(fā)在“低谷”時(shí)段充電，在“高峰”時(shí)段放電，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車用戶利益共享。智能管理模式能夠根據(jù)負(fù)荷及車輛的充放電狀態(tài)，自動(dòng)優(yōu)化與充電樁連接車輛的充電時(shí)序、充電功率和放電時(shí)序、放電功率。

3.3 不斷提高農(nóng)村電網(wǎng)的安全用電保護(hù)水平

新型農(nóng)村電網(wǎng)應(yīng)該研發(fā)安全用電新技術(shù)和新裝備，不斷改善和提高低壓電網(wǎng)的安全用電水平，尤其是從硬件和軟件兩方面提升剩余電流保護(hù)裝置的快速性、選擇性、靈敏性和可靠性［9］。

（1）硬件層面。利用人工智能及單片機(jī)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)剩余電流保護(hù)裝置之間的通信及裝置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；動(dòng)態(tài)監(jiān)測供電系統(tǒng)正常泄漏電流和發(fā)生觸電時(shí)的觸電電流，做出自主判斷，并對故障情況做到及時(shí)上報(bào)；利用芯片及單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息加密技術(shù)，保證剩余電流保護(hù)裝置數(shù)據(jù)的安全性，維護(hù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

（2）軟件層面。采用快速自適應(yīng)剩余電流保護(hù)技術(shù)，具有自主判斷故障類型和定位觸電時(shí)刻功能，充分考慮生物體觸電特征，建立完備可靠的綜合保護(hù)邊界判據(jù)系統(tǒng)，切實(shí)提高三級(jí)剩余電流保護(hù)裝置的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性［20］。

3.4 適應(yīng)新一輪電力體制改革和行業(yè)發(fā)展要求，改進(jìn)農(nóng)村電網(wǎng)運(yùn)營模式

新型農(nóng)村電網(wǎng)的運(yùn)營模式應(yīng)當(dāng)同時(shí)滿足電網(wǎng)發(fā)展和新一輪電力體制改革的高要求。對于電網(wǎng)發(fā)展和配網(wǎng)調(diào)度而言，應(yīng)始終堅(jiān)持以電為統(tǒng)領(lǐng)，協(xié)調(diào)冷-熱-電-氣多種能源，實(shí)現(xiàn)多能用戶的優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)調(diào)度。對于配電側(cè)改革和市場交易而言，應(yīng)當(dāng)研究獨(dú)立分布式電源、微電網(wǎng)、負(fù)荷聚合商、虛擬電廠參與電力調(diào)度、日前市場和輔助服務(wù)市場的機(jī)制、模型及方法。

4 新型農(nóng)村電網(wǎng)亟待研究課題展望

如前所述，在能源轉(zhuǎn)型和零碳目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)的農(nóng)村電網(wǎng)已經(jīng)或正在向新型農(nóng)村電網(wǎng)演變。面對新型農(nóng)村電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行，急需圍繞下列領(lǐng)域開展科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)。

（1）新型農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。包括農(nóng)村電網(wǎng)總體架構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及典型配置方案。

（2）分布式可再生能源最大接入能力。包括整個(gè)縣域屋頂分布式光伏接入能力評(píng)估；光伏發(fā)電量就地消納調(diào)查與評(píng)估；大規(guī)模分布式DG接入對節(jié)點(diǎn)電壓的影響；光伏逆變器接入低壓配電網(wǎng)注入諧波的影響。

（3）高比例新能源農(nóng)村電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行。包括光伏并網(wǎng)裝置“防孤島”能力與風(fēng)險(xiǎn)；配電網(wǎng)電量反送和轉(zhuǎn)移消納時(shí)的網(wǎng)損計(jì)算方法；適應(yīng)分布式就地消納和上網(wǎng)（轉(zhuǎn)移）的計(jì)量方法；大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)的監(jiān)測、調(diào)度及管理；分布式儲(chǔ)能配置與安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；大規(guī)模分布式光伏接入配電網(wǎng)成本構(gòu)成及分?jǐn)偡椒ā?/p>

（4）新型農(nóng)村電網(wǎng)的保護(hù)與用電安全。包括大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)對繼電保護(hù)的影響；交直流混合供電系統(tǒng)的接地方式與保護(hù)配置；基于生物體觸電的新一代剩余電流保護(hù)技術(shù)。

（5）電碳聯(lián)合計(jì)量與交易。包括農(nóng)村再電氣化路徑及方法；大規(guī)模電動(dòng)農(nóng)機(jī)負(fù)荷特性及其與電網(wǎng)互動(dòng)技術(shù)；電碳聯(lián)合計(jì)量與負(fù)荷碳足跡。

5 結(jié)束語

本文圍繞新型農(nóng)村電網(wǎng)的發(fā)展、技術(shù)挑戰(zhàn)、關(guān)鍵舉措和亟待研究的課題開展調(diào)研和分析，主要工作及結(jié)論如下：

（1）分析了我國農(nóng)村電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。包括農(nóng)電網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建與發(fā)展，經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平差異導(dǎo)致農(nóng)村電網(wǎng)存在的問題。

（2）剖析了雙碳目標(biāo)下農(nóng)村電網(wǎng)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。包括電網(wǎng)容量裕度和承載能力不足、新能源隨機(jī)性導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓波動(dòng)、分布式DG解列和棄風(fēng)棄光、逆變器注入諧波、微電網(wǎng)孤島運(yùn)行、變壓器逆向送電、保護(hù)配置與網(wǎng)損分?jǐn)偂⒎植际诫娫慈粘＞S護(hù)等。

（3）提出了新型農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵舉措。包括堅(jiān)強(qiáng)農(nóng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化、自適應(yīng)新能源就地消納與電動(dòng)汽車有序充放電關(guān)鍵技術(shù)。

（4）提出了新型農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)亟待研究的技術(shù)課題。包括新型農(nóng)村電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、分布式可再生能源最大接入能力、高比例新能源農(nóng)村電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、新型農(nóng)村電網(wǎng)保護(hù)與用電安全、電碳聯(lián)合計(jì)量與交易。D