导语
2023年政府和社会各界对完善充电基础设施建设，助力新能源汽车下乡工作给予高度关注，各地纷纷制定2025年乡村地区充电桩建设目标，以满足乡村地区新能源汽车增长的充电需求。但乡村地区配电网支撑能力有限，制约了乡村充电设施的进一步发展，配网改造进度将影响充电桩规模建设接入工程进度，进而影响新能源汽车下乡行动的开展。
（文章来源 微信公众号：朗新研究院）
在此背景下，本文通过对乡村配电网络承载力的分析预测，合理评估乡村公变可接入充电基础设施能力，辅助电网企业规划乡村配电网配网升级改造方案，加快充电设施在乡村地区的建设进程，协同推进新能源汽车“出得了城、下得了乡”。
政策支持下的乡村充电建设，配电网承载力评估至关重要
2023年，新能源汽车下乡及乡村充电基础设施建设得到了国家层面的大力支持。国家发改委与中央办公厅发布文件，明确提出要在农村地区大力建设充电基础设施，并倡导创建示范县和乡镇。
同时，为进一步提升农村地区供电保障水平，满足人民美好生活需要的内在要求，国家发展改革委办公厅、国家能源局综合司发布《关于实施农村电网巩固提升工程的指导意见（征求意见稿）》，提出精准升级农村电网，提升农村电网现代化水平。
基于此，浙江、上海等地方省市积极响应国家政策，强调电网规划需要与充电设施发展规划相协调，加强配套电网建设，并对乡村地区充电设施数量及建设场景提出具体要求，组织协调各部门开展基础资料收集，对充电设施规划和配套电网投资可行性分析。其中《浙江省公共充电基础设施网点规划指南（试行）》中部分乡村地区主要布局建设场景及标准如表1所示：
表1 浙江省乡村建设场景要求
由于乡村普遍存在配电网老化和承载力不足等问题，所以准确分析乡村配电网承载力，对于确保充电设施建设的顺利进行以及合理规划配电网升级改造至关重要。
评估充电设施发展对配电网的影响，有助于电网公司合理评估充电设施发展对乡村配电网的影响，能更有效地应对新能源下乡与充电设施加速建设给乡村配电网承载带来的挑战，从而推动乡村充电设施的快速建设，促进新能源汽车在乡村地区的普及。
乡村配电网承载力分析目标和思路
（一）整体目标
通过乡村配电网承载力预测分析的探索，从配电网承载力维度，剖析区域乡村充电设施发展缓慢的掣肘和不足，实现可接入能力不足的台区预警，辅助电网企业制定乡村配电网改造工程规划，进而推动新能源汽车下乡和乡村振兴战略的有效落实。
（二）解决思路
围绕乡村充电桩政府规划要求以及实际需求，本文将开展乡村地区配电网承载力分析预测模型构建，有效支撑电网企业开展配网提前改造。
首先，开展算法数据准备工作，采用欧式距离算法匹配政府规划充电设施位置和电力侧充电设施用户档案信息，采集现有充电桩与用户档案数据等主要元素并进行站点标记，针对数据缺失、异常值完成数据质量治理工作。
其次，构建配电网承载力预测模型，引入“充电同时率”概念，构建乡村公变可开放容量、可接入充电桩数量预测以及可支撑充电桩接入时间预测三大模型。合理评估乡村公变可接入充电基础设施能力，定位配电网承载力薄弱乡村，分析及预测结果将为电网企业提供乡村配网改造预警服务，保障电网运行安全。
最后，形成模型成果应用，结合各乡村规划建设目标与配电网可接入能力指标数据，开展配电网承载力薄弱乡村升级规划，辅助政府提高政策灵活性与针对性。
图1 配电网承载力分析思路示意图
模型和应用
（一）数据融合匹配
全面梳理省内各级政府出台的充电设施规划文件，整理形成规划站点数据清单。清单应包含站点名称、地址、桩数等关键信息，以进一步梳理和规整各区县、乡镇内充电设施站点建设情况。
采用欧式距离算法进行政府规划充电设施位置和电力侧充电设施用户档案信息的匹配，实现政府规划站点信息和电力充电设施运营数据融合，成功融合匹配省内主要公共站点，为充电基础设施数据分析提供基础支撑。
图2 数据融合匹配流程示意图
数据准备工作：收集全省各区县政府出台的充电设施规划文件，整理形成格式统一的规划站点数据清单，包含站点名称、地址、充电桩数量、所属地市等关键信息；
数据标记工作：根据规划站点的地址信息，利用地图坐标标记功能进行站点标记，对于地址信息不完整站点，可基于已有地址、站点名称等信息模糊搜索定位，完成站点标记；
数据匹配工作：结合电力侧已完成报装的充电站位置信息，与规划站点位置进行匹配，通过欧式距离方法计算两者之间的距离，将小于阈值的定为同一个充电站，完成规划站点和已建站点标记匹配工作。
表2 政府充电桩站点规划位置示意
数据预处理工作：对收集的数据进行轻度加工汇总，根据充电设施档案及充电行为数据，构建年有效充电小时数、充电频次、充电量、电动汽车数量指标；
根据居民用户档案表和居民月发行电量数据，统计居民户数、居民用电水平等指标，为充电桩充电负荷特性、充电同时率及规划充电设施类型评估模型、乡村配网可接入能力评估模型的构建做准备。
（二）预测模型构建
构建乡村公变可开放容量、可接入充电桩数量预测和可支撑充电桩接入时间预测三大模型。
首先，通过乡村公变可开放容量模型分析各个时间段内乡村公变可开放容量情况，结合可接入充电桩数量预测模型，计算乡村公变可接入私人充电桩数量，基于可开放容量模型中充电报装增长的时间函数及变化趋势情况，以及该时间范围内私人充电桩报装数量预测结果，分析得出乡村公变能够支持私人充电桩接入的具体时间。
通过三大模型的构建，可以合理评估乡村配电网承载能力，分析乡村公变可接入充电基础设施的水平，为电网企业提供乡村配网改造预警服务，保障电网运行安全，满足乡村充电基础设施日益增长的电力需求。
图3 乡村配电网承载能力预测模型示意图
图4 乡村配电网承载能力预测模型变量流转示意图
1、乡村公变可开放容量模型
在考虑公变居民报装增容、低压非居报装增容及销户减容随时间线性变化，乡村充电报装容量随时间指数变化的基础上，依据省级电网企业可开放容量应用的相关管理规范，构建当前以及未来T时刻乡村公变可开放容量模型。根据管理规范相关规定，将当前公变可开放容量定义为：
当前公变可开放值=公变额定容量x90%-公变一年内最大负荷
T时刻公变可开放容量为剔除居民、非居报装随时间线性变化以及充电桩报装随时间指数增长的剩余的容量。
图5 T时刻乡村可开放容量示意图
乡村其他报装容量为除充电报装外，居民报装增容、低压非居报装增容及销户减容部分的容量，乡村其他报装增长与时间呈现线性增长关系。
乡村其他报装增长=居民新增报装+低压非居新增报装-销户减容容量
图6 乡村其他报装容量随时间函数示意图
近年来，在新能源汽车拉动下，私人充电桩数量发展呈指数型增长，根据市场饱和理论，私人充电报装增长将呈现先快后慢的S型增长曲线。
结合目前的私人充电桩、车比例较低，新能源车销售火热和私人充电桩报装数量逐年上涨等因素，进行政策推广深入、乡村充电桩渗透率逐渐增加背景下的私人充电桩报装增长趋势拟合，构建私人充电桩报装增长曲线；
图7 乡村充电报装容量随时间变化示意图
2、可接入充电桩数量预测模型
在实际情况中，所有充电桩在同一时刻同时使用的可能性较低，所以引入“充电同时率”指标，该指标为同时充电的电动车辆的最大充电功率与充电桩的总负载的比率，用于描述在实际操作中，同时充电的充电桩数量占总充电桩数量的比例。
通过计算不同充电桩数量对应的充电同时率，可以得出充电桩数量越多，同时充电的比例越少，且在充电桩数量增长的初期，充电同时率下降最为明显。
图8 乡村私人充电桩数量和充电同时率的函数
公变最大充电负荷可以用“充电同时率x充电桩数量”进行计算，因此公变最大充电负荷的增长是随着充电桩数量的增加而边际递减的。假设单一充电桩的最大负荷为7kW，如从10桩增长到20桩，只需要增加47kW，而不是70kW。
基于公变可开放容量，以及考虑充电同时率下接入充电桩所需的容量，计算得到可接入充电桩的数量。
表3 乡村充电同时率和最大负荷测算表
乡村公变可接入充电桩数量预测模型：
T桩时最大充电负荷（T：满载接入时充电桩数量）-T0桩时最大充电负荷（T0：当前充电桩数量）=乡村可开放容量，即：
T桩时充电同时率 x 充电桩数量T x 7kW – T0桩时充电同时率 x 充电桩数量T0 x 7kW =乡村公变额定容量 x 90% – 乡村公变一年内最大负荷
3、可支撑充电桩接入时间预测模型
基于乡村公变可开放容量模型的乡村充电报装增长的时间函数及变化趋势成果，按年度对各行政村公变充电桩报装立户数据进行预测分析，计算各行政村公变私人充电桩报装数量。
根据预测数据与乡村当前可接入私桩分析结果进行比对，分析求得各行政村公变可支撑私桩接入时间，即：
当等式成立时，计算n的值，n为可支撑年份
不同乡村公变计算出来的可支撑年份越长，意味着按照目前的公变容量可支撑私人充电桩增长趋势越久，当前公变的承载能力越强。
（三）模型成果应用
通过量化评估配电网可接入充电桩能力，采用一系列策略提升充电桩应用质效：
一是配网规划改造，识别配网可接入充电桩能力薄弱的乡村，有效支撑电网企业开展配网提前改造，提升供电可靠性，确保充电桩接入不受配电网改造升级滞后的影响；
二是实行充电负荷资源管理机制，充电桩用户依据容量大小计算收取备用容量费用；
三是合理推行有序充电策略，采用价格机制，在电网负荷高峰时实行充电尖峰电价，引导用户合理安排充电时间，为充电领域健康发展提供支撑。
截至目前，已对某省近3万个行政村可接入充电设施数量进行评估，甄别需要配网升级改造的乡村300余个。通过对乡村配电网承载力的评估及预测，为电网企业进行扩容改造规划提供了决策支撑，有效促进了乡村配电网与充电设施网络建设的衔接。同时服务政府部门充电设施建设规划政策制定，有效避免了供电能力与充电桩布局不匹配的问题，从而提升了充电设施利用率。
结语
在新能源汽车下乡的浪潮下，乡村充电设施不足的问题困扰着新能源汽车车主，影响新能源汽车乡村地区保有量的进一步增长，同时乡村也面临着配电网升级改造普遍需要和充电桩投资预算有限的尴尬局面。
因此，亟需开展更为详细的配电网承载力研究，基于研究成果制定合理的充电桩建设规划，优先满足配电网承载力不足区域的升级改造需要，合理推动配电网升级改造进程，助力保障乡村充电基础设施“应接即接”，保障“新能源车下乡”政策的顺利实施。
