能源互联网背景下适应电动汽车规模化发展的配电网规划设计研究

刘文娟 于冰涛

1.北京中恒博瑞数字电力科技有限公司 北京市 100001 2.天津天智华研电力技术集团股份有限公司 天津市 300001

1 研究背景

随着人们物质生活水平的提高，促使其环保意识越来越强，风能、光伏等多种能源得到了大力应用。伴随着各种新能源的不断发展与应用，致使新能源接入成为当前电网发展比较重要的一项工作内容。能源互联网作为能源的生产、传输、存储、消费、市场以及信息技术深度融合的新形态，通过具有的设备智能、多能协同、信息对称、供需多元、交易开放等主要特征，实现能源产业全链条的协同优化和价值创造。在能源互联网背景下，配电网规划应该考虑适应电动汽车规模化的发展，大大降低接入问题造成的影响，从而保证传统配电逐步转变为现代主动配电网，能够适应电动汽车规模化发展的需要。

2 电动汽车和新能源接入对能源互联下配电网的影响

2.1 电动汽车接入对能源互联下配电网的影响

2.1.1 电动汽车接入对配电网规划产生影响

随着电动汽车的广泛推广，致使配电网负荷与日俱增，并且配电网的负荷压力也随之增加，从而对配电网规划产生影响。另外，在配电网规划的过程中，还需要考虑车主的充电行为、各地交通流量、现有配电网络、新能源接入情况、电动汽车充电时间、电压稳定情况、配网建设成本等多重因素，才能进行能源互联下的配电网规划。

2.1.2 电动汽车接入对电网的峰谷平衡产生影响

传统电力负荷高峰主要集中在白天期间，而大部分电动汽车主要是夜间进行充电， 只有这样，才能有效维持电网的峰谷平衡，进而促使电网负荷特性得到完善。因此，电动汽车夜间的接入对电网的峰谷平衡具有显著的促进作用。

2.1.3 电动汽车接入对电网稳定性产生影响

由于电动汽车规模化发展，对充电桩的布置也提出了新的要求，而电动汽车充电具有一定的随机性，各个充电站点所面临的充电压力不一样。在某个充电点大量电动汽车接入充电，则会影响局部电力系统的稳定性。特别是随着大量电动汽车接入配电网中，其运行和结构在一定程度会受到影响，并且传统配电网规划早已无法满足于电动汽车大规模接入的实际需求。当电动汽车集中在某一区域范围内充电，则会影响配电网局部发生过载或者是不平衡问题；当大部分电动汽车在负荷高峰期间进行充电时，会使配电网负担加重，因此，必须对配电网中发电装机方面加大投资力度。

2.2 新能源接入对能源互联下配电网造成的影响

2.2.1 新能源接入对网损的影响

随着我国新能源的大力发展，对于能源短缺问题有了较大改善，但是由于新能源的接入，网损也越来越严重。网损不仅与电力负荷有直接的关系，同时也与新能源接入的位置、接入容量的大小、配电网拓扑结构等有着间接的影响。新能源接入致使配电网中部分单向流动潮流的支路发生变化，最终导致配电网网损发生变化。 由于新能源接入情况大不相同，也会出现网损增大或是减少的情况。

2.2.2 新能源接入对电能质量的影响

新能源接入配电网时，需要依靠大量的电力电子设备才可以完成， 致使配电网电压、电流波形发生变化，造成大量谐波引入， 甚至是电网电压出现闪变问题，严重影响电网电能质量。

2.2.3 新能源接入对继电保护影响

由于传统配电网络结构一般呈放射状，其保护原理和日常运行维护简单便捷，并且经济成本比较低，而新能源接入不仅使电网潮流发生变化，同时也使电网故障时短路电流大小发生改变。一旦新能源和继电保护二者之间出现纰漏，极有可能发生保护失效，甚至是误动作等问题现象。

2.2.4 新能源接入对配电网可靠性的影响

随着新能源接入，给传统负荷预测、规划、运行带来不利影响。首先，由于使用新能源发电的越来越多，对于负荷的增长也更难预测。其次，由于光伏发电、风力发电所产生的能源存在波动性和间歇性，一定程度上影响了配电网的正常运行。

3 能源互联网背景下电动汽车和新能源接入配电网规划设计

能源互联网背景下适应电动汽车规模化发展的配电网规划设计需要满足两方面的要求。首先是符合国家政策和经济效益的基本前提下，严格按照配电网规划区结构对新能源以及电动汽车充电站的位置、类型、容量进行明确规定。其次，从技术方面出发，在第一步基础上对电动汽车和新能源的接入点数量和容量进行确定，然后在经济条件允许的情况下，使新能源、电动汽车充电站与配电网达到最佳匹配状态。

3.1 考虑电动汽车用电特性分析

3.1.1 出租车

一般情况下，出租车很多为24 小时运营，并且在运营期间不间断。因此，为了保证出租车正常运营，需要选择快速充电方式，从而有效缩短充电时间。对此，出租车倚天24小时都需要采用快速充电方式。

3.1.2 公交车

对于公交车的发车时间、行车路线都比较规固定，在没有特殊的情况不会发生太大的变化。因此，在公交车现有的停车场内布设相应的充电桩即可。为了保证公交车在运营期间，不会出现缺电而无法准时发车的现象，应该在停车场内布设一定数量的快充装置。

3.1.3 私家车

一般私家车主要用于上下班、娱乐休闲等活动，并且根据相关调查研究分析得出，私家车在上下班时间段、晚饭后休闲娱乐时间段使用频率比较高。同时，私家车在单位、餐厅、商场等诸多场所停留时间相对比较长，有足够时间进行充电，因此，可以选择常规充电或者是慢速充电方式进行充电。但是在紧急情况下，亦可选择快速充电方式。

3.2 考虑新能源接入配电网的负荷特性

配电网现阶段常见的新能源主要包括光伏发电、风电、电能储存装置、燃料电池等，从而保证在没有阳光，没有风的天气情况下，仍然能够正常供电，保证电能的稳定性和可靠性。如图1 所示，为分布式多能源的统一调度单元，通过互联网技术，将各个单位之间的信息进行有效衔接。

图1 分布式多能源的统一调度单元

由图1 可知，由于风力机组和光伏电池等新能源接入配电网，网络中的电量将存在一定的波动，通过储能装置和燃料电池对其进行电量平衡。而配电网在接入电动汽车充电负荷后，其节点电压将会出现比较严重的下降，特别是在某些时段，比如说0：00—3：00 和14：00—19：00 这两个时段，节点电压会出现明显下降，甚至付出现电压越线。因此，除了考虑电动汽车的不同时段的用电负荷，还需要考虑新能源接入配电网的负荷特性。对新能源和电动汽车充电站进行综合协调规划，从而建立以新能源为主要能源的电动汽车集中充电站。

3.3 考虑电动汽车负荷预测

为实现电动汽车负荷的优化预测，结合等效电路分析和样本信息特征采样方法，采样电动汽车负荷特征，通过子空间映射和特征序列重组，构建电动汽车负荷特征大数据分析模型，得到电动汽车的能量负荷传递模型如图2 所示。

图2 电动汽车能量负荷传递模型

3.3.1 特征提取

对电动汽车的负荷特征序列进行重组，采用统计时间序列的方法进行分析，并且提取相应的特征量，再结合磁链参数估计方法，结合电动汽车的负荷特征，构建对应的分析模型。通过模糊关联特征分析方法进行电动汽车负荷特征提取和聚类分析，得到电动汽车的负荷参量的优化值为：

结合磁场参数辨识方法，对电动汽车的负荷参量进行局部优化，求得特征参数的分布集，构建负荷检测统计特征量，根据统计特征分析方法，进行电动汽车负荷预测，得到电动汽车负荷特征为：

式中，（）表示电动汽车负荷量化分析的自相关特征量，表示电动汽车负荷预测的互感值。

3.3.2 基于卷积神经的电动汽车负荷预测

假设电动汽车负荷特征的输入为：

式中，表示卷积网络的网层，表示负荷加权系数。

通过自适应学习方法，在卷积网络的网层构建电动汽车的负荷增量调度模型，得到负荷预测的神经元，当==…d时，电动汽车负荷的总能量E取最小值。当E′=0，E存在最小值，此时，电动汽车负荷预测的神经网络输出层为：

式中，表示交流电压的相位差，（）表示电动汽车负荷特征的功率谱密度。

通过谐振回路分析，在电动汽车负荷序列的预测评价特征分布集提取电动汽车负荷时间序列的耦合性特征量，而且提出的效率高，用时短，得到电动汽车负荷序列的输出功率因素。此时电动汽车负荷状态的每个模态的换流映射为：

式中，（）表示电动汽车负荷预测数据点x和x之间的相似度水平，表示负荷预测的平均互信息量。

根据上述算法设计，通过卷积神经网络分类识别方法，进行电动汽车负荷特征分类学习，根据特征分类结果实现电动汽车负荷的优化预测。

3.4 明确投资最小化以及系统网损

在电动汽车充电配电网的实际规划中，需要考虑投资成本以及系统网损的情况。通过采用相应的数学模型对其进行分析。配电网规划方案对投资成本与电力网损的影响主要表现为：充电桩的建设成本、变电站的扩容成本、配电线路的建设成本、电力系统的网损成本等。因此，需要采用多个时间段的潮流进行系统网损值的计算，综合考虑各方面的因素，降低投资成本。

4 结语

综上所述，电动汽车和新能源接入到配电网中必然会对其产生一定的影响，从而引起相关人员的重视和关注，并且通过长时间的探讨摸索，具有极大的现实困难。现阶段，配电自动化技术的实效性技术早已成为大部分生产厂家以及用户比较关注的热门话题，因此，必须根据实际情况对能源互联网背景下适应电动汽车规模化发展的配电网进行合理的设计，与此同时，还要对其他实用性技术进行不断改进和完善，对电网接入技术进行深入的研究，可以有效解决谐波等诸多方面的问题。