高比例可再生能源新型农村电网的技术挑战与展望

陆佳琳，方舒，杜松怀，苏娟，郑颖颖，刘峻玮

（中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100083）

0 引言

随着以高比例新能源为主的新型电力系统建设的持续推进，在国家“双碳”目标的指引下，大规模分布式可再生能源接入农村电网。综合能源的发展和农村电网的发展分别面临机遇和挑战［1］。

我国农村可再生能源丰富，以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统将成为助力农村经济发展和实现“双碳”目标的重要举措。促进高比例可再生能源与农村用能的融合，有利于推动农村“源网荷储”一体化协调发展［2］。但传统的农村电网消纳能力不足，且大规模分布式电源的接入影响电网电能质量和配网自动化及继电保护动作，电网谐波危害增大［3］，电网调峰难度加大［4］。因此，亟需加快建设适应“双碳”目标的高比例可再生能源新型农村电网。

农村电网是智能电网建设的重要环节，本文从我国农村电网的发展现状分析出发，深入剖析“双碳”目标下农村电网面临的技术挑战，对新型农村电网建设的关键举措和亟待研究的课题进行展望，为新型农村电网的规划和建设提供理论支撑。

1 我国农村电网发展现状

1.1 我国农村电网的构建与发展

我国是一个农业大国，农村能源和农村电网对于保障农业生产和农村生活、促进乡村经济和社会发展始终发挥着关键和重要的作用。经过近20年的重点建设和发展，我国农村电网已逐步形成了以220 kV或110 kV线路为主网架、35 kV为电源点、10 kV为配电网的网络体系［5］。

1998年，国家第一次大规模组织实施农村电网改造工程，并取得了丰硕的阶段性成果。以国家电网公司经营区域为例，通过实施农村电网改造和升级，经营区内农村电网的单线单变、设备重载和过载、低电压等突出问题［6］得到了显著改善，网架结构不断优化，供电可靠性持续提升。2015年以来，全国110 kV、35 kV、10 kV线路的供电半径较之前显著缩短，线路N-1通过率稳步提升。2019至2020年，国家电网供电区域内农网的供电可靠率达到99.82%，综合电压合格率上升至99.80%，户均配变容量达到2.76 kVA［7］。总体而言，我国农村电网的供电能力、电能质量和供电可靠性进一步提高，农村用能条件得到显著改善，统计口径的农村用电量已连续多年超过城市用电量，这对拓展农村市场、扩大内需、拉动经济增长、保障脱贫攻坚和新时代乡村振兴战略的顺利实施［8］，始终发挥着关键的能源保障作用。

1.2 经济技术水平差异导致农村电网仍然存在诸多问题

由于我国不同地区的经济发展水平、地理环境及建设条件存在巨大差异，各地区农村电网的建设和发展水平差距明显［9］。欠发达地区的农村电网目前依然相对薄弱，仍然存在不少突出问题。一是供电线路过长、承载容量小、自动化程度和保护能力偏低、应对负荷波动的能力偏弱［10］；二是农村安全用电意识及保障能力不强，家庭布线及用电设施普遍存在问题，漏电自动监测和预警系统尚未普遍建立，基于生物体触电电流的新型生物体自适应剩余电流保护（residual current device，RCD）技术及工程应用欠缺［11］；三是“十三五”后期和“十四五”期间，面对分布式电源的大规模和高比例接入，既有农村电网的接纳能力存在瓶颈、单端保护难以适应双向潮流变化的运行方式。

1.2.1 农村电网结构薄弱、用能负荷点多面广

农村居民住宅不集中，导致农村用电具有分散性，因而农村电网大多为辐射型结构［12］，且呈现出点多、线长、面广、供用电线路普遍较长的特点。且用电负荷如表1所示，具有点多面广的负荷特点。在经济欠发达和落后地区，居民私接电线现象严重，从公用输电线路连接电线不依靠专业电力技术人员，导致公用传输线路经常性短路［13］。并且线路周边环境复杂，道路和房屋交错，竹木丛生，特别是农村居民房屋拆除和新建、违章改扩建、施工堆土现象普遍存在，以及春夏季节植物生长迅速，高压线路及低压外线通道被侵占或破坏，供用电安全的外部隐患突增。

表1 农村主要用电负荷Table 1 Main electricity load in rural areas

1.2.2 新能源大规模接入农村电网，带来全新技术挑战

随着新能源政策的不断出台，分布式电源接入配电网呈现两个突出特征：一是大规模和分布式接入［14］，二是供电量占比（渗透率）越来越高。2016年至2020年，分布式电源涨幅持续维持在17%以上［15］。截止到2021年6月，我国光伏发电装机容量已经达到2.67亿kW，其中集中式光伏装机容量1.80亿kW，分布式光伏装机容量0.87亿kW。

分布式光伏发电、风力发电、地热发电、生物质能发电、储能、以及电动汽车海量接入配电网，给农村电网带来了诸如频繁双向潮流、高低压越限、线路阻塞、网损增大、谐波超标等全新技术挑战，亟待研究和推广需求侧管理、综合资源规划、广义负荷、负荷聚合商、虚拟电厂等全新技术。

1.2.3 负荷及用电量快速增长、季节性用能日益凸显、用电安全可靠性仍需提高

一方面，我国农村家庭用电和农业生产用电量不断增大。随着农村居民收入的增加，家电下乡活动和新型城镇化政策的推动，洗衣机、电冰箱、空调、热水器、地热装置、电脑等家用电器日益增多。2020年，我国农、林、牧、渔业用电量合计达到1 422 kWh，我国乡村居民生活用电量合计达到4 789 kWh［16］。另一方面，农村用电具有较强的季节性。夏季是农业生产的繁忙季节，是农业生产的用电高峰时期，而光伏电源等新能源的大规模接入将会加剧农村负荷和用电量的季节性特点，此时又是自然灾害的频发期。在此类场景下，农村用电的随意性较大，田间作业、农田排灌以及修房建屋等临时大功率用电随时可能出现，用电事故发生率较高。

目前，农村用电安全这一短板依然存在隐患。一是用电设施电线线路设置不合理，泄漏电流经常超标；二是安全用电意识薄弱，对用电设备的巡视、检查、维修不及时、不到位，有的为了减少抢修和维护工作量，违规将配电台区的剩余电流保护装置退出运行；三是对用电安全隐患的认识不到位，对老化和失效的插座、开关、电线等设施更换不及时；四是常规RCD保护存在固有动作缺陷，创新性保护技术如基于生物体触电电流的剩余电流保护技术有待进一步开发和推广应用；五是对越来越广泛的低压交直流混合供电系统的剩余电流保护技术缺乏研究［17］。

2 双碳目标下农村电网面临的技术挑战

2020年9月，我国在第七十五届联合国大会上提出了“30·60双碳目标”，为加快推动农村能源转型和绿色发展、构建清洁低碳和安全高效的农村能源体系，形成以新能源为主体的新型农村电力系统指明了方向。2021年，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，明确提出要全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展，坚持集中式与分布式并举，加快建设风电和光伏发电基地。

在此背景下，分布式光伏将大规模和高比例就地分散接入农村电网，从而造成传统的低压配电网由“无源”变“有源”，支路潮流由“单向”变“多向”。从技术层面看，大量可再生能源的分布式接入、用电负荷随季节和节假日的激增、电动汽车充电的随机接入，已经对农配电网的消纳能力、供电安全、调度及运行控制方式带来了巨大的技术挑战。

2.1 农村电网的容量裕度和承载能力不足

近年来，虽然经历过多次改造升级，但各地农村电网的容量裕度仍很有限。一些地区仍存在供电半径大、峰谷差大、电压质量差等突出问题，对光伏接入的承载能力有限。局部地区的用电水平很低，新能源就地消纳能力不足。

近期和未来一段时期内，我国农村电网的建设主要面临以下两个挑战。一是当本地用电量较低、无法完全消纳光伏发电量时，产生大量返送电量的现象；二是当并网的新能源出力远超电网承载能力时，出现的变压器倒送电、设备和线路过载、以及配电网安全和运行稳定问题［18］。

2.2 新能源随机性导致节点电压波动、分布式DG解列和弃风弃光

气候不确定性、风电随机性和光伏的间歇性，均会导致新能源出力呈现波动和随机性，严重影响配电网电压质量，目前的农网配电变压器大多不具备自动调压和调容能力。未来的新型农村电网，应当具备在一定的低电压范围内，满足分布式电源在网稳定运行，避免非正常解列和出现弃光弃风现象。

以光伏发电系统为例，其出力完全取决于光照强度的变化，它将带来4个方面的挑战：①日间光照强度好，出力最大，单用电负荷却较轻，这时将产生电力倒送和过电压；②随着日落，光伏发电出力逐渐下降，此时负荷却在上升，将导致节点电压过低；③分布式新能源机组（系统）不仅在运行状态会产生电压波动和闪变，在启动、停机和切换过程中也会产生电压冲击；④大规模分布式电源、储能和电动汽车的接入，进一步加剧了节点电压的波动范围。

2.3 逆变器注入谐波影响电能质量和设备自身正常运行

当分布式光伏、储能电池、电动汽车等广义负荷高比例接入时，将伴随大量逆变器等电力电子器件接入配电网。一旦遇到逆变器质量不佳等状况，将导致电网侧谐波污染并超标。电网注入谐波的危害主要体现在以下3个方面：

（1）谐波电压的影响。导致变压器磁滞及涡流损耗增加，也可使供配电系统产生电压谐振，使绝缘材料承受应力增大进而损坏设备绝缘。

（2）谐波电流的影响。一是导致变压器铜耗增加、铁芯过热，加速绝缘老化，缩短变压器使用寿命；二是导致电容器过负荷，温度快速上升和越限，并增加电能损耗；三是导致电缆线路能耗增加，缆芯过热和毁坏。

（3）谐波频谱的影响。直流分量、低次谐波和高次谐波对过电流保护、方向电流保护、零序保护等均会产生不同程度的影响，常常导致继电保护和自动装置发生误动或拒动，也可使计算机控制系统失控、电子设备误触发、电子元器件逻辑翻转。

2.4 微电网孤岛运行方式影响电网和作业安全

目前，国内的光伏电站和微电网大都加装了反孤岛保护装置。但是，一旦该类保护失效，则会出现所谓的“孤岛效应”。微电网的孤岛运行，将对配电设备和作业人员的安全产生重大隐患。

（1）当检修人员停止电网供电，并对线路和设备进行检修时，光伏电站仍向电网供电，将会造成检修人员伤亡事故。

（2）当配电网发生故障但光伏电站仍继续供电时，一旦电网恢复供电，电网电压和光伏系统的端电压存在较大相位差，合闸瞬间会产生巨大的冲击电流并损坏设备。

（3）由于接入微电网或分布式电源的运行参数大多没有加装测量设备，且配电网恢复供电的状态未知，这些都会影响配电网的正常合闸。与此同时，电网也不能控制处于孤岛状态的微电网的电压和频率，导致其偏离额定值，进而造成配电和用户设备的损坏。

2.5 逆向送电影响电网潮流、继电保护配置和网损分摊

从配网潮流的角度，大量分布式光伏接入农村电网，使配电网由传统的单向辐射网络变为双向潮流网络，“上送潮流”可能会大于原“下送潮流”，这就要求配电线路的设备选型标准必须相应提高。

从继电保护的角度，分布式光伏并网改变了传统配网的潮流分布规律和网供负荷的性质，其故障特性也随之发生显著改变，保护装置的整定计算和逻辑控制变得更为复杂，配电网运行方式分析、短路计算和整定配合的难度也显著提高。对于含高比例分布式光伏的配电网，传统的单端电气量保护装置无法满足动作选择性的要求，新的保护配置方法及方案亟待进行研究。

从网损变化的角度，光伏电站在不同接入点、以不同容量接入时的网络损耗是不相同的。DG接入位置距离负荷端越近，网络损耗越小。当光伏发电出力大于所在节点的用电负荷时，配电线路中的潮流将会反向，配电网络的网损将会增大。

2.6 分布式电源及装置的日常维护

通常，光伏发电装置及系统的资产归投资人所有，因此无法纳入公共配电网设备进行统一管理。除部分扶贫光伏由政府委托当地供电公司进行运维外，目前并网的光伏设备主要由产权所属单位、用户个人、或者委托第三方公司承担主体运维责任。

随着大规模分布式电源的接入，运维管理主体多、管理手段和管理质量参差不齐等问题日益突出，对分布式发电设备和配电网的安全都会带来严重影响或威胁。主要面临以下两个技术挑战：

（1）缺乏主动监测和预防控制技术。目前的分布式光伏分散接入方式，大都是仅在用户侧安装防孤岛装置、隔离开关或空气开关等开断设备，不具备远方操作功能，无法接入现有统一的配电网管控平台［19］。

（2）缺乏DG并网电压监测与控制微软件。目前尚未实现在PC端和手机端均可操作的简便型应用软件的全覆盖，运维人员在处理DG并网问题时缺乏实时监测、分析或预警控制手段，存在用户误操作安全自动装置和盲目送电的风险。

3 新型农村电网建设的关键举措

新型农村电网建设涉及面广、投资量大，是一项长期的任务。随着农村经济和社会的不断发展，对农村电网的建设水平也将提出更高的要求。

3.1 坚强农村电网结构及其优化

随着农村经济和社会的快速发展，电网负荷不断增加，加之部分线路供电半径大、导线截面小，电网电压质量问题非常突出。在负荷高峰期，如春节、农忙期、每天晚高峰，农村电网均不同程度存在低电压问题。新型农网需要通过优化电网结构，建设坚强电网，解决配电台区内的电压波动问题。关键举措包括：

（1）提高负荷预测精度。利用先进的数学模型，科学细致地做好负荷预测，精心规划设计配电网拓扑结构，增强供电能力，提高供电可靠性，保证电能质量，保障经济发展和用户的优质用电。

（2）合理增加变电站布点。合理增加35 kV及110 kV变电站布点，加强电源点建设，增大供电能力，缩短10 kV供电半径。

（3）合理增加配变布点。采取小容量、多布点的方式，合理优化配电变压器布点，提高配电变压器经济运行效率，降低配电变压器损耗，提高末端供电电压。

（4）适当增大中低压导线截面。对运行时间较长、老化严重的中低压线路采用增大导线截面的方式进行改造，有效治理因线径过细、线路损耗大造成的低电压问题。

（5）增强电网转供负荷能力。优化10 kV骨干网架结构，均衡负载分布，优化接线模式，合理新增联络开关，提高线路转供负荷能力。对10 kV主干线路采用多分段适度联络的接线方式，导线及设备应满足转供负荷的要求。

（6）优化35 kV直配网方式。在农村用电负荷点呈带状分布的山区、半山区、丘陵或平原的“走廊”地带，开展35 kV配电线路轻型化设计，提高配电网供电能力。在偏远农村，35 kV线路沿线村庄或处于10 kV线路末端而距离35 kV线路较近的负荷区域，直接采用35 kV直配供电方式。

（7）推广应用单、三相混合供电模式。在居民分散、三相动力负荷相对集中的山区或农村地区，可采用单、三相混合供电方式，以单相变压器供给居民生活用电，三相变压器供给三相动力负荷。

（8）优化小型分布式电源的储能配置。容量较大的储能装置可就近接入配电台区低压侧，容量较小的单户用储能装置可在用户处接入，在负荷低谷期使其处于充电状态，在负荷高峰期使其处于放电状态，提高供电电压质量。

3.2 自适应新能源就地消纳与电动汽车有序充放电

（1）采用虚拟电厂或负荷聚合商模型，实现分布式DG和多微电网的集群一体化管控。当前的农村配电自动化水平，大多无法适应海量随机性电源并网场景，对分布式电源的精细化管控难度很大。面向高比例分布式电源安全、可靠、灵活、友好的并网需求，新型农网在并网管控上应当向集群一体化化管理方向发展。与此同时，在优化控制模式方面，也将从传统的“主从模式”向“点对点对等模式”过渡。

（2）采用多能流Hub技术，实现灵活性综合能源供给。为适应未来不同的应用场景和目标需求，多能流Hub技术具有广阔的应用前景。面向直流负荷供电场景，应重点发展直流或交直流混合微电网技术；面向综合能源供给需求，应重点发展多能流微能网技术。在微电网群运行场景下，通过微电网群优化协调技术，借助新型控制策略和装备，实现多微电网的在线实时优化控制。

（3）研发新的需求侧管理技术，推进低压配电网电动汽车有序充放电。随着电动汽车规模的不断和快速扩大，实现电动汽车有序充放电、实现削峰填谷和需求侧管理的要求越来越迫切。一方面，电动汽车无序充电时充电最大负荷的随机性也将变大，可能造成本地供电负荷的剧烈波动，导致配电变压器过负荷，影响其安全稳定运行；另一方面，电动汽车的随机充放电叠加节假日时段出现的随机高峰负荷，会显著降低配电台区的安全供电水平。

未来在实施层面，针对农村或者县域各类电动汽车出行特点，应该统一规划和建设智能充电服务网络，形成符合当地实际的有序充电模式譬如峰谷电价模式、智能管理模式等。峰谷电价模式能够基于价格引导用户自发在“低谷”时段充电，在“高峰”时段放电，实现电网和电动汽车用户利益共享。智能管理模式能够根据负荷及车辆的充放电状态，自动优化与充电桩连接车辆的充电时序、充电功率和放电时序、放电功率。

3.3 不断提高农村电网的安全用电保护水平

新型农村电网应该研发安全用电新技术和新装备，不断改善和提高低压电网的安全用电水平，尤其是从硬件和软件两方面提升剩余电流保护装置的快速性、选择性、灵敏性和可靠性［9］。

（1）硬件层面。利用人工智能及单片机等技术，实现剩余电流保护装置之间的通信及装置实时数据远程传输；动态监测供电系统正常泄漏电流和发生触电时的触电电流，做出自主判断，并对故障情况做到及时上报；利用芯片及单片机技术实现信息加密技术，保证剩余电流保护装置数据的安全性，维护自主知识产权。

（2）软件层面。采用快速自适应剩余电流保护技术，具有自主判断故障类型和定位触电时刻功能，充分考虑生物体触电特征，建立完备可靠的综合保护边界判据系统，切实提高三级剩余电流保护装置的选择性、快速性、灵敏性和可靠性［20］。

3.4 适应新一轮电力体制改革和行业发展要求，改进农村电网运营模式

新型农村电网的运营模式应当同时满足电网发展和新一轮电力体制改革的高要求。对于电网发展和配网调度而言，应始终坚持以电为统领，协调冷-热-电-气多种能源，实现多能用户的优化配置和经济调度。对于配电侧改革和市场交易而言，应当研究独立分布式电源、微电网、负荷聚合商、虚拟电厂参与电力调度、日前市场和辅助服务市场的机制、模型及方法。

4 新型农村电网亟待研究课题展望

如前所述，在能源转型和零碳目标驱动下，传统的农村电网已经或正在向新型农村电网演变。面对新型农村电网的规划、建设和运行，急需围绕下列领域开展科学研究和技术攻关。

（1）新型农村电网结构。包括农村电网总体架构、拓扑结构及典型配置方案。

（2）分布式可再生能源最大接入能力。包括整个县域屋顶分布式光伏接入能力评估；光伏发电量就地消纳调查与评估；大规模分布式DG接入对节点电压的影响；光伏逆变器接入低压配电网注入谐波的影响。

（3）高比例新能源农村电网优化运行。包括光伏并网装置“防孤岛”能力与风险；配电网电量反送和转移消纳时的网损计算方法；适应分布式就地消纳和上网（转移）的计量方法；大规模分布式光伏并网的监测、调度及管理；分布式储能配置与安全经济运行；大规模分布式光伏接入配电网成本构成及分摊方法。

（4）新型农村电网的保护与用电安全。包括大规模分布式光伏并网对继电保护的影响；交直流混合供电系统的接地方式与保护配置；基于生物体触电的新一代剩余电流保护技术。

（5）电碳联合计量与交易。包括农村再电气化路径及方法；大规模电动农机负荷特性及其与电网互动技术；电碳联合计量与负荷碳足迹。

5 结束语

本文围绕新型农村电网的发展、技术挑战、关键举措和亟待研究的课题开展调研和分析，主要工作及结论如下：

（1）分析了我国农村电网的发展现状。包括农电网络体系的构建与发展，经济技术水平差异导致农村电网存在的问题。

（2）剖析了双碳目标下农村电网面临的技术挑战。包括电网容量裕度和承载能力不足、新能源随机性导致节点电压波动、分布式DG解列和弃风弃光、逆变器注入谐波、微电网孤岛运行、变压器逆向送电、保护配置与网损分摊、分布式电源日常维护等。

（3）提出了新型农村电网建设的关键举措。包括坚强农网结构及其优化、自适应新能源就地消纳与电动汽车有序充放电关键技术。

（4）提出了新型农村电网建设亟待研究的技术课题。包括新型农村电网结构、分布式可再生能源最大接入能力、高比例新能源农村电网优化运行、新型农村电网保护与用电安全、电碳联合计量与交易。D