鄉(xiāng)村配電網(wǎng)供能范圍與負荷調(diào)控技術(shù)協(xié)同優(yōu)化方法

黃子碩，劉營芳，張新鶴，何桂雄，熊俊杰

(1. 同濟大學 建筑與城市規(guī)劃學院，上海 200092；2. 中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；3. 國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096)

0 引言

隨著國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進，鄉(xiāng)村用戶能源需求多元化，對供能服務品質(zhì)提出了更高要求，鄉(xiāng)村能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及供用能優(yōu)化服務需求巨大。在能源需求側(cè)，鄉(xiāng)村對冷、熱、電等能源需求增長迅速，導致鄉(xiāng)村電網(wǎng)季節(jié)性峰谷差不斷拉大；在能源供給側(cè)，鄉(xiāng)村電網(wǎng)是最重要的供能基礎(chǔ)設(shè)施，由于用戶分散，鄉(xiāng)村電網(wǎng)供電半徑長且有大量供電可靠性低的單輻射線路，對于這些量大面廣的單輻射線路在短期內(nèi)對其完全改造升級的難度較大。與此同時，鄉(xiāng)村豐富的分布式水、光、地熱、沼氣能等清潔能源因缺乏合理的利用技術(shù)和調(diào)控手段，開發(fā)利用率低。鄉(xiāng)村地區(qū)能源供需不匹配不平衡、資源和設(shè)施有效利用程度低的現(xiàn)象仍廣為存在。

鄉(xiāng)村能源供給和利用不能成為“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”等鄉(xiāng)村發(fā)展戰(zhàn)略推進和實施的掣肘。按照供給側(cè)和需求側(cè)雙向協(xié)同提供保障的新觀念，中國在當前階段注重能源生產(chǎn)和消費革命并重，“以科學供給滿足合理需求”將供需互動協(xié)同優(yōu)化作為解決能源問題的重要抓手[1]。鄉(xiāng)村能源基礎(chǔ)設(shè)施和用能服務亟須從傳統(tǒng)的粗放型能源供給利用方式向精細化、清潔化、可持續(xù)的供用能協(xié)同優(yōu)化模式轉(zhuǎn)變[2]。因此，從鄉(xiāng)村供能側(cè)電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化和用戶側(cè)負荷調(diào)控兩個層面對鄉(xiāng)村供用能系統(tǒng)進行優(yōu)化提升受到廣泛關(guān)注。

在鄉(xiāng)村電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化方面，文獻[3]基于電網(wǎng)可靠性和經(jīng)濟性要求，結(jié)合當?shù)匕l(fā)展水平、建設(shè)水平、負荷水平3個方面因素，建立了一種配電網(wǎng)供電區(qū)域劃分評價指標體系，綜合應用層次分析法和熵權(quán)法對河南省某市的配電網(wǎng)供電分區(qū)進行了評估。文獻[4]以節(jié)約線路投資、改善線損、提升電壓合格率和可靠性為目標，提出了一種面向中壓電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃中供電分區(qū)優(yōu)化的模型和方法。文獻[5-6]考慮配電自動化調(diào)度，對環(huán)狀電網(wǎng)的供電分區(qū)進行了規(guī)劃優(yōu)化。鄉(xiāng)村地區(qū)由于用戶較為分散，且單個用戶負荷密度較小，鄉(xiāng)村電網(wǎng)規(guī)劃應將提升線路利用率作為重要的規(guī)劃目標之一。以江西某縣某配網(wǎng)為例，2019年該線路供電面積525.19 km2，用戶數(shù)4.31萬戶，全社會用電量97 856.92萬kW·h，最大負荷163.14 MW，負荷密度0.22 MW/km2，負荷密度不足城鎮(zhèn)地區(qū)的1/10（當?shù)爻擎?zhèn)地區(qū)為2.60 MW/km2）。部分配網(wǎng)線路平均利用率長期處于10%以下，提升其有效利用率對于優(yōu)化農(nóng)網(wǎng)投資具有重要意義。對于農(nóng)網(wǎng)中的單輻射式線路，每條線路實際供能范圍具有一定的彈性，可以對供電范圍進行一定程度的調(diào)整。農(nóng)村不同用戶的負荷曲線波動特征各異，多個用戶疊加后負荷曲線的峰谷差也有所不同，供電分區(qū)的劃分會影響到線路的峰谷特性。因此，在農(nóng)村配電網(wǎng)線路規(guī)劃時除了考慮線路選址及安全管理等因素外，也可從提升線路平均利用率使線路負荷更為平準化的角度探討各線路供能范圍劃分優(yōu)化。

關(guān)于需求側(cè)負荷調(diào)控方面，需求側(cè)響應和用戶端多能互補綜合供用能系統(tǒng)建設(shè)是當下能源發(fā)展的熱點話題，也是改變用戶電力負荷曲線的重要方式[7-9]。需求側(cè)負荷調(diào)節(jié)主要措施有：一是在用戶端配置儲能系統(tǒng)[10]，通過分布式儲能轉(zhuǎn)移末端用戶（如建筑、產(chǎn)業(yè)及交通等）的冷、熱、電需求時序從而改變用戶電力負荷曲線[11-12]；二是采用需求響應管理系統(tǒng)（如虛擬電廠），通過經(jīng)濟激勵措施或其他管制措施使部分或全部用戶有序用能，減少電網(wǎng)峰谷差[13-14]；三是建設(shè)多能互補的用戶端能源系統(tǒng)，通過對用戶端用能設(shè)備的集成綜合優(yōu)化（特別是冷-熱-電轉(zhuǎn)化設(shè)備）改變其電力負荷曲線[15-17]。

儲能、需求響應及電能替代等需求側(cè)負荷調(diào)控措施均可以顯著改變用戶的電力負荷曲線，使其更為平準化。但是，各類需求側(cè)調(diào)控措施或技術(shù)的具體實施均需要一定的成本，不管是蓄能設(shè)備、電價激勵還是用戶能源系統(tǒng)優(yōu)化升級，都需要支付相應的成本。另外，農(nóng)村配電網(wǎng)線路及其附屬設(shè)備建設(shè)投入也受到用戶供電分區(qū)的影響，如何精準確定各個配電網(wǎng)支路的服務范圍，以及各用戶的最佳需求側(cè)負荷調(diào)控措施，使鄉(xiāng)村供能總成本最低，是目前鄉(xiāng)村配電網(wǎng)升級改造需要回答的問題之一。

本研究對農(nóng)村配電網(wǎng)供電分區(qū)劃分和用戶需求側(cè)負荷調(diào)控進行綜合考慮，建立農(nóng)村單輻射狀配電網(wǎng)供能范圍確定和用戶負荷調(diào)控技術(shù)選擇協(xié)同優(yōu)化模型，以減少農(nóng)村配電網(wǎng)建設(shè)和需求側(cè)負荷調(diào)控總成本，助力農(nóng)村配電網(wǎng)升級改造。

1 單輻射配電網(wǎng)供能范圍和需求側(cè)調(diào)控措施綜合優(yōu)化建模

在工程規(guī)劃設(shè)計階段，在確定每個配網(wǎng)線路的供能范圍時，對于特定的一個村莊（包含多個用戶）、養(yǎng)殖場、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)等重要的電力用戶，面臨將其掛載在哪個配網(wǎng)支路上最有助于提升配網(wǎng)線路的平均利用率、是直接按照用戶最大需求擴充配供電設(shè)施容量還是通過補貼用戶幫助其調(diào)整電力負荷需求進而間接削減配電網(wǎng)容量更經(jīng)濟等問題，需要通過描述配電網(wǎng)建設(shè)成本與供能范圍之間的數(shù)學關(guān)系，綜合考慮不同需求側(cè)負荷調(diào)控措施的調(diào)控效果和成本，建立單輻射配電網(wǎng)供能范圍和需求側(cè)負荷調(diào)控措施綜合優(yōu)化模型，由全局最優(yōu)化計算獲得鄉(xiāng)村地區(qū)供用能總成本最低的系統(tǒng)方案。

1.1 單輻射配電網(wǎng)供能范圍與成本

既有工程實踐表明，用戶自身的能源需求特性對于項目經(jīng)濟性具有重要影響。在均采用經(jīng)濟最優(yōu)的綜合供能系統(tǒng)設(shè)計方案時，項目經(jīng)濟性取決于項目的年等效滿負荷時數(shù)的高低：年等效滿負荷供能時數(shù)越多，項目投資回收期越短，二者之間可以近似采用乘冪關(guān)系表達[18]。實際上，從項目投資經(jīng)濟性角度考慮，各類綜合供能系統(tǒng)設(shè)備購置投資和投資建廠生產(chǎn)工業(yè)/民用產(chǎn)品相同，當生產(chǎn)出的“產(chǎn)品”（這里是冷熱電）無法銷售出去（消費），投資將難以收回。從投資設(shè)備的角度，正如電廠的容量系數(shù)一樣，若等效滿負荷時數(shù)過小，則產(chǎn)能不能有效釋放，項目投資的經(jīng)濟性就差。

供能設(shè)備設(shè)施服務范圍內(nèi)用戶的年等效滿負荷供能時數(shù)最高時，表示設(shè)備被充分利用，設(shè)備閑置和浪費減少，供能設(shè)施設(shè)備投資的經(jīng)濟性好。因此，參考電廠容量系數(shù)的概念，提出用戶年等效滿負荷供能時數(shù)H的概念，可表示為

式中：H為年等效滿負荷供能時數(shù)，h/a；Di為用戶逐時電負荷，kW；D0為全年負荷中的最大負荷，一般也同供能設(shè)備或線路設(shè)計容量密切相關(guān)，kW。

按照既有規(guī)范要求，設(shè)備和線路設(shè)計容量一般在最大負荷的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)或者修正系數(shù)，在采用同樣的安全系數(shù)時，年等效滿負荷供能時數(shù)僅由用戶負荷曲線的峰谷特性決定。

考慮到不同用戶進行組合時，確保不同用戶組合后總負荷的年等效滿負荷供能時數(shù)最大時有助于提升線路投資的經(jīng)濟性。假設(shè)有j個用戶，每個用戶在i時刻的負荷為Dj,i，以小時為單位時，則j個用戶的年冷/熱/電負荷集可以表征為一個有j列、8 760行的矩陣。即所有用戶的負荷集合可表示為

優(yōu)化的目標是通過對不同類型用戶組合的優(yōu)化，獲得J個用戶一起總的電力需求的年等效滿負荷供能時數(shù)HD最大化。優(yōu)化目標HD可表示為

該優(yōu)化模型的約束如式（4）所示，約束項需要保證所有用戶的面積為非負且其面積不超過可供能范圍內(nèi)該用戶的最大供能面積。同時，在部分情況下，項目計劃供能規(guī)模存在最大值。因此供能范圍內(nèi)所有用戶的負荷最大值不能超過項目計劃的供能量。

式中：Pmax為項目計劃的最大供能容量，kW。當項目沒有容量計劃或者約束時該值可以為無限大。

1.2 用戶負荷調(diào)控措施及其成本

用戶端電力負荷的調(diào)控一般需要支付額外的成本，比如用戶參與需求側(cè)響應時的電費補貼，鼓勵用戶采用清潔電力時的電能替代補貼以及額外購買儲能設(shè)施的費用支出等。因此，用戶的柔性可調(diào)負荷是一個關(guān)于負荷調(diào)節(jié)程度的函數(shù)，該函數(shù)可以是同負荷調(diào)節(jié)量相關(guān)的線性關(guān)系、以負荷調(diào)節(jié)量為變量的函數(shù)，也可以簡化為離散的常數(shù)：如采用了哪種負荷調(diào)節(jié)技術(shù)或者措施導致成本變化了多少、負荷曲線如何變化等。本研究中通過對用戶可選方案的調(diào)研，由用戶端用能設(shè)備方案選擇的情景設(shè)置得到不同情景下的負荷曲線，除了基準情景外，其他用戶端負荷曲線被調(diào)控時將產(chǎn)生額外的用戶負荷調(diào)控成本Cj。因此，用戶j除了基準負荷向量外，當采用非基準情形時，使用其他情景下的負荷向量均需要額外的成本，成本Cj和需求側(cè)調(diào)控措施有關(guān)，而每一個需求側(cè)調(diào)控措施將產(chǎn)生一個新的電力負荷向量因此，用戶負荷調(diào)控成本可以表征為調(diào)整后的負荷向量的函數(shù)，即

式中：m為 需求側(cè)調(diào)控措施選擇變量，當用戶j選用m方案時xj,m的值為1，否則為0，其滿足如式（6）所示的約束條件。

式中：xj,m作為優(yōu)化模型中的用戶需求側(cè)調(diào)控方案選擇變量，用于判斷用戶是否選用該需求側(cè)調(diào)控措施；M為需求側(cè)調(diào)控措施總數(shù)。

1.3 線路供能范圍和用戶需求側(cè)調(diào)控措施綜合優(yōu)化

鄉(xiāng)村配電網(wǎng)與用戶需求側(cè)負荷調(diào)控措施綜合優(yōu)化時，涉及各個用戶的供電線路成本、多個用戶供電的配電網(wǎng)線路成本以及所有用戶的需求側(cè)用戶調(diào)控成本等的總和。

當用戶j由線路k0負責供能時，假設(shè)該用戶有M種可能的需求側(cè)調(diào)控措施，得到M種可能的負荷曲線，該用戶農(nóng)村配電網(wǎng)支線線路及其附屬設(shè)施的建設(shè)成本為

式中：aj為用戶支線線路的平均成本系數(shù)，受到用戶供電容量和供電距離的影響，萬元/(kW·km)。

按照單輻射狀配電網(wǎng)線路拓撲結(jié)構(gòu)，通過疊加每一個用戶供電支路線路和主干線每一段得到總的成本，而每一段用戶支路和主干線線路成本均與該段線路承載的最大負荷有一定的關(guān)系，一般情況下，線路成本隨著該線路承載的最大供電負荷的增加而以階梯性增加。本研究中配電網(wǎng)線路成本可參考當?shù)赝杲ㄔO(shè)成本確定各個支線各段的建設(shè)成本，通過累加得到配電網(wǎng)干線k1的總成本Lk1為

式中：Ak為配電網(wǎng)線路的平均成本系數(shù)，受到線路覆蓋范圍內(nèi)所有用戶供電容量和供電距離的影響，萬元/(kW·km)。

考慮鄉(xiāng)村用戶用能系統(tǒng)升級對村莊負荷的影響及相應的成本，需求側(cè)用能模式調(diào)控與線路供能分區(qū)協(xié)同優(yōu)化建模，最優(yōu)化模型的優(yōu)化目標如式（9）所示，確保各個用戶的負荷調(diào)控成本、線路構(gòu)建成本及附屬設(shè)備總成本最低。

式中：K0為農(nóng)村配電網(wǎng)支線線路總數(shù)；K1為農(nóng)村配電網(wǎng)干線線路總數(shù)。

各個配電網(wǎng)支線線路的最大負荷是該線路所覆蓋的用戶負荷逐時疊加的結(jié)果，實際中往往會在最大負荷的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)，以確保供電安全性，如式（10）所示，本研究中直接采用最大負荷乘以1.25作為線路供電的安全系數(shù)，在其他項目中應用該模型時可以根據(jù)實際需要確定適宜的安全系數(shù)。

除了各個變量滿足非負約束外，供能分區(qū)變量yj,k需滿足任意一個用戶必須被保證供電。因此，供能分區(qū)變量yj,k需滿足的約束為

在上述優(yōu)化目標下，結(jié)合各個變量的約束，可以在Matlab中建立非線性混合整數(shù)最優(yōu)化模型，通過遺傳算法進行最優(yōu)化求解得到最優(yōu)化變量xj,m、yj,k的值，對應就得到了綜合成本最低時各個用戶適宜選用的需求側(cè)負荷調(diào)控措施和農(nóng)網(wǎng)線路的供能對象。

2 案例研究

以某縣供電區(qū)域在地理上相鄰近的兩條農(nóng)網(wǎng)線路覆蓋范圍劃分為例，說明配電網(wǎng)線路上掛載用戶和用戶需求側(cè)調(diào)控措施綜合優(yōu)化對兩條電網(wǎng)線路利用小時數(shù)和配電網(wǎng)經(jīng)濟性的影響。該縣10 kV線路局部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示，在配電網(wǎng)末端以單輻射線路為主，通過6條單輻射狀配網(wǎng)覆蓋域內(nèi)所有村莊和用戶，實現(xiàn)100%供電全覆蓋。

圖1 某縣10 kV線路局部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)示例Fig. 1 Example of rural power network structure of a 10 kV line

以其中兩條向鄰近的單輻射狀配電網(wǎng)線路為例，簡化的兩條單輻射配電網(wǎng)線路相對位置關(guān)系及其潛在的供能對象如圖2所示。

圖2 基于用戶聚合優(yōu)化的鄉(xiāng)村電網(wǎng)供電用戶劃分示意Fig. 2 Schematic diagram of two power distribution networks and potential users

兩條10 kV配電線路覆蓋范圍內(nèi)主要用戶如表1所示。對于單輻射線路，線路結(jié)構(gòu)簡單，但是供電安全可靠性相對較低，一般處于電網(wǎng)的末端，各個線路覆蓋的具體用戶具有一定的彈性。表1中，大用戶1、大用戶2和村落3既可以由線路1覆蓋供電又可以由線路2供電覆蓋，不同線路對大用戶1、大用戶2和村落3供電時對線路自身的年等效滿負荷供能時數(shù)（年平均負載率）具有一定的影響。

表1 兩條供電線路及潛在用戶的負荷Table 1 Two power supply lines and the load of potential users

此外，在多能互補綜合供用能協(xié)同優(yōu)化的背景下，鄉(xiāng)村用戶的電力負荷受到其終端用能系統(tǒng)類型（特別是供熱供冷系統(tǒng)設(shè)備類型的選擇）、終端需求側(cè)響應參與程度及儲能系統(tǒng)配置的影響。在不同的終端用能模式下電力負荷曲線會有明顯的變化。因此，在本次優(yōu)化時，考慮鄉(xiāng)村用戶用能系統(tǒng)升級對村莊負荷的影響及相應的成本，綜合終端電力負荷曲線調(diào)控與線路供能分區(qū)協(xié)同優(yōu)化建模。

考慮鄉(xiāng)村用戶用能系統(tǒng)升級對村莊負荷的影響及相應的成本，終端用能負荷曲線調(diào)整與線路供能分區(qū)協(xié)同優(yōu)化建模，最優(yōu)化模型的優(yōu)化目標如式(12)所示，以兩條線路覆蓋的所有用戶的負荷調(diào)控成本、線路構(gòu)建成本及負數(shù)設(shè)備總成本最低為優(yōu)化目標函數(shù)。

在本算例中配電自動化主站、附屬設(shè)備及儀表等成本參考當?shù)赝杲ㄔO(shè)成本確定各個支線各段的建設(shè)成本（見表2），通過累加得到配電網(wǎng)干線的總成本，將其折算為單位供電容量成本。

表2 當?shù)?0 kV及以下電網(wǎng)工程成本核算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Cost data of local power grid projects 10 kV and below

本案例中通過對用戶可選方案的調(diào)研，通過用戶端用能設(shè)備方案選擇和需求側(cè)儲能設(shè)備的配置，可以將各個用戶電力需求的峰值進行削減，不同削減程度下需要支付的需求側(cè)調(diào)控成本不同。當?shù)毓╇娋€路建設(shè)成本構(gòu)成如表2所示。3種情景下每個用戶的負荷曲線如表3所示，除了基準情景外，另外兩種情景的負荷曲線將產(chǎn)生額外的用戶負荷調(diào)控成本如表3所示。即11個用戶除了基準負荷向量外，當對用戶需求進行削峰時需要支付不同數(shù)額的需求側(cè)調(diào)控成本。

表3 各個用戶負荷調(diào)控成本Table 3 Demand-side load management cost for each user

按照枝狀線路拓撲結(jié)構(gòu)，可以通過疊加每一個用戶供電支路線路和主干線每一段得到兩條農(nóng)村配電網(wǎng)線路及其附屬設(shè)施的建設(shè)總成本。其中每一段用戶支路和主干線線路成本均與該段線路承載的最大負荷有一定的關(guān)系。一般情況下，線路成本隨著該線路承載的最大供電負荷的增加而以階梯性增加。本算例中線路成本參考當?shù)赝杲ㄔO(shè)成本確定各個支線各段的建設(shè)成本，通過累加得到用戶側(cè)支路總成本l1和l2分別為

式中：aj、bj為線路l1、l2線路用戶端支線的平均成本系數(shù)，萬元/（kV·A），本例中根據(jù)當?shù)赝瓿杀竞怂惚?中的成本數(shù)據(jù)，通過累積計算得到aj、bj取值分別為1.26萬元/（kV·A）、1.33萬元/（kV·A）；xj,m為需求側(cè)負荷調(diào)控方案選擇變量，m=1,2,3。當選擇某一負荷調(diào)節(jié)方案時，則采用該負荷向量，這時其值為1，否則為0，其滿足式（6）的約束。

各個線路的最大負荷是用戶負荷逐時疊加的結(jié)果，實際中往往會在最大負荷的基礎(chǔ)上乘以安全系數(shù)，以確保供電安全性。如式（15）（16）所示，本算例中將供電范圍內(nèi)各個用戶的負荷曲線進行逐時疊加，疊加后負荷曲線中的最大值乘以1.25作為配電網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計負荷。

除了各個變量滿足非負約束外，供能分區(qū)變量yj,k需滿足任意一個用戶必須被保證供電。因此，供能分區(qū)變量yj,k需滿足如式（17）所示的約束。

表3給出了各個用戶全年逐時負荷及其在不同負荷調(diào)控方案下的成本數(shù)據(jù)。其中不同用戶的需求側(cè)負荷調(diào)控措施主要以儲能和需求側(cè)響應邀約獎勵為主要手段。方案1、方案2負荷調(diào)控方案實施成本表示各個用戶分別實施不同程度的需求側(cè)負荷調(diào)控措施時所付出的成本。

在表3信息基礎(chǔ)上，可以建立一個混合整數(shù)最優(yōu)化模型，在最優(yōu)化結(jié)算過程中，優(yōu)化變量y1,6、y1,7、y1,8、y2,6、y2,7、y2,8對應兩條線路的供能對象優(yōu)化，變量xj,1，yj,3，zj,3（j=1,2,3,···,11）對各個用戶需求側(cè)負荷調(diào)控方案選擇進行優(yōu)化。最優(yōu)化目標是兩條線路的建設(shè)成本和各個用戶需求側(cè)負荷調(diào)控方案實施成本綜合最低。通過上述優(yōu)化模型的建立，對農(nóng)村配網(wǎng)供電用戶的選擇、各個用戶需求側(cè)負荷調(diào)控措施的選擇進行綜合最優(yōu)化。

3 結(jié)果與討論

對于上述混合整數(shù)非線性最優(yōu)化問題，在Matlab中建立最優(yōu)化數(shù)學模型，利用Matlab自帶的最優(yōu)化求解算法得到最優(yōu)化結(jié)果如表4所示。可以看出配電網(wǎng)線路1承擔了用戶1～5、7全部的供電負荷，同時承擔了用戶6部分供電負荷（占比19.65%）。線路2承擔了用戶8～11全部的供電負荷，并承擔用戶6部分負荷（占比80.35%）。這一結(jié)果在常規(guī)的配電網(wǎng)規(guī)劃中僅憑借經(jīng)驗分區(qū)時一般不會形成。同時，對用戶1、3、4、6、7實施需求側(cè)負荷調(diào)控方案1，即通過配置少量的儲能設(shè)備，將用戶1、3、4、6、7的最大負荷削減至原峰值負荷的88%左右?？梢钥吹剑谧顑?yōu)化的方案中，篩選出部分用戶實施精準的需求側(cè)負荷調(diào)控措施，而非大面積全面開展負荷調(diào)控，可以最大化降低鄉(xiāng)村配電網(wǎng)供能總成本。

表4 線路和需求響應綜合成本最低時供能分區(qū)與需求響應方案Table 4 Energy supply zoning and demand response scheme with the lowest integrated cost of line and demand response

考慮當前鄉(xiāng)村配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)模式，設(shè)定如表5所示7種配網(wǎng)規(guī)劃和需求側(cè)負荷調(diào)控方案實施的情景，對不同規(guī)劃情景下的結(jié)果進行比較分析。情景1和情景2采用簡單化的模式，對供能分區(qū)不刻意進行精細化的考慮，也不考慮用戶需求側(cè)負荷調(diào)控方案的實施。方案3～6不對線路的供電范圍進行專門優(yōu)化，僅實施不同程度的需求側(cè)負荷調(diào)控措施。方案7對配電網(wǎng)線路的供能范圍和各個用戶的需求側(cè)負荷調(diào)控措施進行整體優(yōu)化。最終得到11個用戶的供能總成本和線路年均利用率結(jié)果如表5所示。

表5 不同情景下供能總成本和線路年等效滿負荷供能時數(shù)比較Table 5 Comparison of total cost and annual equivalent full-load energy supply hours under different scenarios

供能分區(qū)和需求側(cè)負荷調(diào)控方案選擇協(xié)同綜合優(yōu)化的情況下，鄉(xiāng)村供能總成本比較如圖3所示。在不考慮采用需求側(cè)負荷調(diào)控措施時（情景1、情景2），在同樣滿足用戶100%全覆蓋供電的情況下，線路1、線路2供能范圍不同，其建設(shè)成本也有所差異。情景4、情景6對所有用戶均實施深度需求側(cè)負荷調(diào)控措施（需求側(cè)調(diào)控方案2），通過需求側(cè)購置儲能和需求響應調(diào)度，可以大幅削減配電網(wǎng)的峰值負荷，將配電網(wǎng)建設(shè)成本降到最低。但是情景4、情景6實施需求側(cè)負荷調(diào)控需要支付較多的負荷調(diào)控成本，總的供能成本反而最高。情景7與其他情景相比較可以看出，通過供能分區(qū)優(yōu)化和對部分用戶實施精準的需求側(cè)負荷調(diào)控措施，可以明顯減少供能總成本，相對于任意劃分供能分區(qū)和不實施需求側(cè)負荷調(diào)控措施的情景1，對11個村落(用戶)的供能總成本削減了6.84%，減少供電花費182.18萬元。

圖3 不同情景下供能總成本比較Fig. 3 Comparison of the total cost of power supply under different scenarios

從表5可以看出，對農(nóng)村配電網(wǎng)線路的供能范圍和各個用戶的需求側(cè)負荷調(diào)控方案進行綜合優(yōu)化可以明顯提升線路年等效滿負荷供能時數(shù)。由于供電線路年等效滿負荷供能時數(shù)的提升，配電網(wǎng)線路的有效利用率上升，減少了線路及其附屬設(shè)備的閑置和浪費，供電總成本明顯降低。相對于任意劃分供能分區(qū)和不實施需求側(cè)負荷調(diào)控措施，線路1和線路2的年等效滿負荷供能時數(shù)分別提升了448.65 h、482.34 h，有效提升鄉(xiāng)村配電網(wǎng)建設(shè)項目的經(jīng)濟性。

4 結(jié)論

通過建立配電網(wǎng)建設(shè)成本、需求側(cè)負荷調(diào)控成本和線路掛載用戶總負荷間的數(shù)學關(guān)系式，以滿足特定區(qū)域所有用戶電力需求時供電總成本最低為目標，建立了鄉(xiāng)村配電網(wǎng)單輻射線路供能范圍-用戶側(cè)負荷調(diào)控協(xié)同優(yōu)化模型。結(jié)合實際案例開展了配電網(wǎng)供電范圍和用戶需求側(cè)調(diào)控措施協(xié)同最優(yōu)化建模和求解，結(jié)果如下。

（1）由于用能方式和用能設(shè)備使用特征的差異，鄉(xiāng)村地區(qū)不同類型用戶的逐時負荷不同，不同用戶的負荷曲線疊加后總負荷的平準化程度不同（年等效滿負荷供能時數(shù)不同），單輻射配電網(wǎng)線路的供能范圍的優(yōu)化調(diào)整具有減少配電網(wǎng)建設(shè)成本的潛力；（2）通過建立用戶聚合最優(yōu)化模型求解，可以篩選出最適宜通過一個配電網(wǎng)線路進行供電的用戶集合，該用戶集合可以使供電設(shè)備和線路的年平均利用率最大化，在同等條件下有效提升配網(wǎng)建設(shè)項目的投資效益；（3）考慮各個用戶需求側(cè)用能系統(tǒng)負荷調(diào)控成本和線路建設(shè)成本，通過對各配網(wǎng)線路服務范圍和用戶負荷調(diào)控措施的綜合優(yōu)化，可以減少供電系統(tǒng)總的建設(shè)成本。

本研究結(jié)合兩條鄉(xiāng)村單輻射狀配電網(wǎng)和需求側(cè)負荷調(diào)控方案的綜合優(yōu)化，說明用戶需求側(cè)負荷調(diào)控方案和配電網(wǎng)供能范圍綜合優(yōu)化的經(jīng)濟價值，為鄉(xiāng)村配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化提供一種新的視角。但值得注意的是，在工程實踐中由于不同項目配電網(wǎng)建設(shè)成本和用戶需求側(cè)負荷調(diào)控方案實施成本的差異，綜合優(yōu)化所能取得的經(jīng)濟效益會有一定的差異，需要根據(jù)項目基礎(chǔ)信息進行優(yōu)化計算，確定具體的效益。