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💥第一部分——内容介绍
考虑多渗透率电动汽车接入的配电网承载能力评估研究
摘要
大规模电动汽车无序充电会加剧配电网电压越限、线路与变压器过载、负荷峰谷差扩大等运行问题，而电动汽车具备的 V2G 双向互动能力可反向支撑配电网运行，光伏分布式电源、静止无功补偿器（SVC）的协同接入进一步改变配电网潮流分布与承载边界。为量化不同电动汽车渗透率场景下配电网安全运行裕度，本文复现现有文献中电动汽车充电站接入下配电网承载能力基础评估模型，以 IEEE33 节点标准配电网为仿真算例，统筹光伏出力、电动汽车 V2G 充放电调度、SVC 无功调节三类可控资源，构建多维度、全覆盖的配电网承载能力综合评价指标体系，结合熵权法与模糊综合评价法搭建双层量化评分模型，通过多渗透率场景仿真完成指标灵敏度分析，明晰电动汽车渗透率对配电网各项承载约束的影响规律，为充电站规划、车网互动调度、配电网无功优化与扩容改造提供量化评估依据。
关键词：配电网；电动汽车；V2G；渗透率；承载能力；熵权法；模糊综合评价；分布式光伏；SVC
1 引言
1.1 研究背景与意义
新能源汽车产业规模化推进背景下，电动汽车保有量持续攀升，大量电动汽车集中充电将显著提升配电网负荷峰值，加重中低压配网线路、配电变压器运行压力，易引发节点电压跌落、支路功率越限、系统负荷波动加剧等安全隐患，制约现有配电网的供电承载上限。与此同时，电动汽车储能特性赋予其 V2G 双向功率交互能力，可在电网负荷高峰时段反向馈电平抑负荷峰值，分布式光伏就地发电、SVC 动态无功补偿装置能够协同优化配电网有功、无功潮流，从源、荷、储、调节设备多维度拓展配电网承载空间。
电动汽车渗透率直接决定配网新增负荷规模与车网互动调节潜力，不同渗透率下配电网运行状态差异显著，仅依靠单一电压、线路功率约束无法全面衡量配电网整体承载水平。现有研究多采用单约束阈值判定配网承载极限，评价维度单一，缺少覆盖设备运行、负荷波动、电能质量、系统整体利用水平的综合量化评价体系，难以直观对比不同电动汽车接入方案下配电网综合承载优劣。因此，构建多指标综合评估框架，量化分析电动汽车渗透率对配电网承载能力的影响，对合理规划充电站布局、制定有序充放电策略、挖掘配网现有设备供电潜力具备重要工程价值。
1.2 国内外研究现状
现有配电网承载能力研究多聚焦分布式电源、电动汽车单一负荷接入场景，针对承载边界求解、充电调度优化展开分析。部分文献建立电动汽车充电站接入配电网承载能力评估模型，以电压约束、支路容量约束为边界条件求解配网最大可接纳充电负荷，但评价手段仅依靠潮流约束阈值，缺少多维度综合打分机制。
在多源协同调控方面，现有成果证实光伏与 V2G 联合调度可有效降低配网负荷峰值，SVC 能够快速补偿无功功率、抑制节点电压偏移，但多数研究仅单独验证单类调节设备的优化效果，未将光伏、V2G、SVC 三类资源纳入同一承载评估框架，无法体现多设备协同作用下配电网承载裕度变化规律。
综合评价层面，熵权法、模糊综合评价法广泛应用于电力系统综合效能评估，但极少将两类方法结合形成双层评价体系用于配电网承载能力测算，同时现有评价指标覆盖范围有限，缺少线路、变压器、负荷波动、电能质量等多类运行指标的统筹设计，难以完整刻画配电网整体承载状态。基于上述研究缺口，本文复现成熟电动汽车配网承载基础模型，融合光伏、V2G、SVC 多调节资源，搭建 11 项量化评价指标，采用熵权 - 模糊综合双层评价模型完成配网承载能力量化打分，并开展多渗透率灵敏度分析，完善现有配电网承载评估体系。
1.3 主要研究内容与创新点
1.3.1 主要研究内容
1）复现计及电动汽车充电站接入的配电网承载能力基础评估模型，搭建包含分布式光伏、电动汽车 V2G、SVC 无功补偿的多源协同配电网仿真架构； 2）以 IEEE33 节点配电网为标准算例，梳理配电网运行约束条件，构建涵盖设备运行、负荷特性、电能质量、系统整体运行状态的 11 项承载能力评价指标； 3）建立熵权法 + 模糊综合评价双层综合评分机制，依托客观数据赋权消除主观权重偏差，实现配电网承载能力量化综合评分； 4）设置多梯度电动汽车渗透率仿真场景，完成各项评价指标灵敏度分析，总结渗透率变化对配电网承载性能的影响规律。
1.3.2 研究创新点
1）多资源协同建模：在传统电动汽车配网承载模型基础上，同步引入分布式光伏出力、电动汽车 V2G 双向充放电、SVC 动态无功调节三类可控资源，充分考虑源荷储协同调节对配电网承载上限的提升作用； 2）完备多维度评价指标体系：突破单一潮流约束评价局限，设计包含线路重载率、变压器过载率、负荷波动率、系统负荷率、电压偏移率等共计 11 项评价指标，覆盖一次设备安全、负荷平稳性、电能质量、系统整体利用效率四大维度； 3）双层客观综合评价机制：融合熵权法客观权重计算与模糊综合评价分层打分，规避人为赋权带来的评价偏差，实现配电网承载能力的标准化、量化对比评估； 4）多渗透率灵敏度量化分析：划分多梯度电动汽车渗透率场景，定量分析渗透率变化对每项评价指标及综合承载得分的影响程度，为电动汽车有序充电、配网扩容规划提供数据支撑。
1.4 论文整体结构
本文章节安排如下：第一部分阐述研究背景、国内外现状、研究内容与创新点；第二部分搭建含光伏、V2G、SVC 的多渗透率电动汽车配电网承载评估基础模型；第三部分设计 11 项配电网承载能力评价指标并明确指标计算逻辑；第四部分构建熵权法 - 模糊综合评价双层综合评估模型；第五部分基于 IEEE33 节点系统设置多渗透率仿真场景，完成仿真计算、综合评分与指标灵敏度分析；第六部分总结全文研究结论，并提出后续研究拓展方向。
2 多资源协同下电动汽车配电网承载评估基础模型
本章复现现有文献中计及电动汽车充电站接入的配电网承载能力评估基础模型，在此之上拓展分布式光伏、V2G 双向功率交互、SVC 无功补偿模块，明确配电网各单元运行机理与系统基础约束，为后续指标计算与综合评价提供仿真基础。
2.1 配电网基础系统框架
选取 IEEE33 节点辐射型标准配电网作为仿真算例，该系统节点数量适中、支路分布均衡，是配电网优化、承载能力评估领域通用标准算例。系统包含配电变压器、馈电线路、基础居民与工商业常规负荷，在此基础上新增三类调节单元：分布式光伏电站、电动汽车充电站（支持 V2G 充放电）、静止无功补偿装置 SVC，形成 “常规负荷 + 光伏电源 + 电动汽车充放电负荷 + 无功调节设备” 的多元配电网架构。
2.2 电动汽车渗透率与充放电运行模型
电动汽车渗透率定义为区域内电动汽车充电总负荷占配电网原有峰值负荷的比例，通过调整渗透率参数划分低、中、高多梯度仿真场景。电动汽车具备充电、放电两种工作模式：充电阶段从配电网吸收有功功率，增加系统负荷；V2G 放电阶段向配电网反向输送有功功率，削减负荷峰值。充电行为受用户出行规律约束，负荷时段集中于晚间用电高峰；V2G 放电仅允许在电网负荷高峰区间启动，同时约束电动汽车电池剩余电量上下限，保障车辆出行基本用电需求。
2.3 分布式光伏出力模型
分布式光伏接入配电网节点，仅输出有功功率，出力水平随光照强度时序变化，日间形成正向发电出力，可就地抵消部分电动汽车充电负荷，降低支路传输功率，缓解线路与变压器重载压力。光伏出力具备时序波动性，仿真过程采用典型日光出力曲线模拟全天发电变化，充分还原光伏间歇性对配电网潮流与承载能力的影响。
2.4 SVC 静止无功补偿运行模型
SVC 作为连续可调无功补偿设备，可根据节点电压实时状态动态输出容性或感性无功功率，调节配电网无功潮流，改善节点电压水平，降低系统无功损耗，减小电压偏移幅度，提升配电网无功承载裕度。SVC 设置无功调节上下限约束，避免无功补偿过度引发电压越上限。
2.5 配电网基础运行约束
承载能力评估的底层约束为配电网安全运行边界，包含节点电压幅值约束、馈电线路传输容量约束、配电变压器额定容量约束、光伏出力上下限、电动汽车电池电量约束、V2G 充放电功率约束、SVC 无功调节范围约束。所有仿真场景均需满足上述约束，若任意约束越限，则判定当前电动汽车渗透率下配电网承载不足，通过各项量化指标反映配电网距离安全边界的裕度大小。
3 配电网承载能力多维评价指标体系构建
为全面、客观衡量不同电动汽车渗透率下配电网整体承载水平，摆脱单一约束阈值评价的局限性，本文从设备安全运行、负荷平稳特性、电能质量、系统整体利用效率四大维度，设计共计 11 项量化评价指标，所有指标均可依托潮流仿真结果直接计算，指标数值大小直观反映配电网承载优劣，分为正向指标（数值越大承载性能越好）与负向指标（数值越大承载压力越大）两类。
3.1 一次设备安全运行类指标
该类指标用于评估线路、变压器等核心配电设备的过载、重载程度，直接反映设备运行安全裕度，包含 3 项指标：线路重载率、变压器过载率、设备重载持续时长占比。 1）线路重载率：统计全部馈线实际传输功率与额定容量的比值，取最大值表征线路整体重载水平，渗透率提升、电动汽车无序充电会显著推高线路重载率，加大线路发热、损耗超标风险； 2）变压器过载率：各配电变压器实际负荷与额定容量比值的最大值，高渗透率场景下集中充电负荷易造成台区变压器短时过载，缩短设备使用寿命； 3）设备重载持续时长占比：全天仿真周期内，线路或变压器负荷超过额定阈值的时长占总时长比例，量化设备重载持续风险。
3.2 负荷平稳特性类指标
聚焦配电网整体负荷时序波动水平，衡量 V2G、光伏平抑峰谷负荷的效果，包含 3 项指标：系统负荷波动率、负荷峰谷差率、负荷峰值增长率。 1）系统负荷波动率：全天各时段负荷的波动离散程度，数值越高代表负荷变化越剧烈，不利于配电网稳定运行； 2）负荷峰谷差率：日负荷峰值与谷值的差值占峰值负荷比例，电动汽车无序充电会拉大峰谷差，V2G 放电可有效降低该指标数值； 3）负荷峰值增长率：相较于无电动汽车接入基准场景，配电网日负荷峰值的增长幅度，直观体现电动汽车新增负荷对系统峰值的冲击。
3.3 电能质量类指标
评估电动汽车接入后配电网节点电压运行水平，反映电能质量承载裕度，包含 2 项指标：节点电压偏移率、电压越限节点数量占比。 1）电压偏移率：全部节点实际电压与标准额定电压偏移幅度的最大值，电动汽车集中充电易造成末端节点电压跌落，提升偏移率；光伏与 SVC 协同调节可抑制电压偏移； 2）电压越限节点数量占比：全天内电压超出安全允许区间的节点总数占系统全部节点比例，是衡量配电网电压承载能力的直观指标。
3.4 系统整体利用与效率类指标
衡量配电网整体负荷利用水平与运行损耗，包含 3 项指标：系统平均负荷率、网络有功损耗率、无功功率缺额均值。 1）系统平均负荷率：全天平均负荷与峰值负荷比值，负荷率适中代表配电网容量利用合理，过高易过载，过低造成设备资源浪费； 2）网络有功损耗率：配电网全天总有功损耗与总有功负荷比值，渗透率提升、潮流过重会增大线路损耗，降低系统运行效率； 3）无功功率缺额均值：全天各时段系统无功供需差值平均值，反映配电网无功承载缺口，可通过 SVC、V2G 无功协同补充缩小缺额。
上述 11 项指标完整覆盖配电网设备、负荷、电能质量、系统效率四大运行维度，可全方位刻画不同电动汽车渗透率下配电网承载状态，为后续双层综合评价提供完整数据基础。
4 基于熵权法 - 模糊综合评价的双层承载能力评分模型
单一指标仅能反映配电网某一维度运行状态，无法横向对比不同渗透率场景下配电网综合承载优劣。本文采用熵权法实现指标客观权重赋值，结合模糊综合评价搭建双层量化评分体系，规避传统层次分析法、专家打分法带来的主观偏差，实现配电网承载能力标准化综合打分。
4.1 第一层：熵权法客观指标权重计算
熵权法依托各指标仿真数据离散程度计算权重，指标数据波动越大、包含信息越多，对应熵权权重越高，完全基于仿真客观数据计算，无需人为设定权重，保证评价公平性。 1）指标标准化处理：区分正向、负向指标分别进行标准化，消除各指标量纲、数值区间差异，统一映射至 0~1 评价区间； 2）计算指标信息熵：根据标准化后各渗透率场景下指标数值分布，求解每项评价指标的信息熵，熵值越小代表指标区分度越强； 3）求解指标熵权：基于信息熵差值计算 11 项指标各自权重，所有权重之和归一化为 1，得到各项指标客观权重分配结果，明确线路重载、电压偏移、负荷波动等指标在综合承载评估中的重要程度。
4.2 第二层：模糊综合评价模型构建
配电网承载状态属于模糊概念，不存在绝对 “承载充足” 或 “承载不足” 的明确边界，采用模糊综合评价将定性承载等级转化为定量综合得分。 1）划分承载评价等级：将配电网承载能力划分为五级等级，分别为承载充裕、承载良好、承载适中、承载紧张、承载不足； 2）建立指标模糊隶属度矩阵：针对标准化后的 11 项指标，构建各指标对应五级承载等级的隶属度函数，代入不同渗透率下指标数值，求解单指标隶属度矩阵； 3）多层模糊合成运算：将熵权法得到的指标权重向量与隶属度矩阵进行模糊算子运算，得到各承载等级综合隶属度； 4）综合承载得分换算：对五级承载等级赋予对应分值，结合各等级隶属度加权求和，得到单一渗透率场景下配电网承载能力综合得分，得分区间 0~100 分，分数越高代表配电网综合承载性能越好。
4.3 双层评价模型整体流程
第一步：多渗透率场景潮流仿真，提取 11 项评价指标原始数据； 第二步：对全部指标原始数据标准化预处理； 第三步：熵权法计算 11 项指标客观权重； 第四步：构建模糊隶属度函数，生成各指标隶属度矩阵； 第五步：权重与隶属度矩阵模糊运算，求解各承载等级隶属度； 第六步：加权换算得到配电网综合承载得分，完成场景量化对比。
5 算例仿真与指标灵敏度分析
5.1 仿真算例与场景设置
以 IEEE33 节点辐射型配电网为仿真载体，接入分布式光伏、V2G 电动汽车充电站、SVC 无功补偿装置，依托 MATLAB、Yalmip、Gurobi 优化工具搭建仿真计算框架。设置多梯度电动汽车渗透率仿真场景，覆盖低、中、高全区间渗透率，其余光伏装机容量、SVC 调节范围、用户出行充电规律参数保持统一，仅改变电动汽车渗透率单一变量，保证灵敏度分析变量唯一性。
5.2 不同渗透率下指标变化规律仿真结果
针对各渗透率场景完成全天时序潮流仿真，提取 11 项评价指标数值并进行标准化处理，通过熵权法计算各项指标权重，再经模糊综合评价得到各场景综合承载得分。 低电动汽车渗透率场景下，新增充电负荷规模较小，线路、变压器重载率维持在较低水平，负荷峰谷差、电压偏移幅度微弱，网络损耗偏低，综合承载得分处于高位，配电网承载裕度充足； 随着电动汽车渗透率逐步提升，无序充电负荷持续增加，线路重载率、变压器过载率、负荷峰值增长率、电压偏移率、网络损耗率等负向指标同步上升，负荷波动率、峰谷差持续扩大，配电网承载压力逐步加剧，综合承载得分持续下降； 引入 V2G 双向充放电、光伏就地发电与 SVC 无功协同调节后，同等渗透率下各项负面指标增幅明显放缓，负荷平稳性、节点电压质量显著改善，综合承载得分降幅收窄，验证多资源协同调控可有效拓展配电网电动汽车接纳承载上限。
5.3 评价指标灵敏度分析
以电动汽车渗透率为单一扰动变量，分析每项指标随渗透率变化的敏感程度，划分高敏感指标、中敏感指标、低敏感指标三类： 1）高灵敏度指标：线路重载率、变压器过载率、负荷峰值增长率、节点电压偏移率。此类指标数值随渗透率提升呈现近似线性快速恶化，是制约配电网电动汽车接纳能力的核心约束，高渗透率场景下优先出现越限风险，在配电网扩容、充电站规划中需作为重点管控指标； 2）中灵敏度指标：负荷峰谷差率、电压越限节点占比、网络有功损耗率。指标随渗透率上升缓慢恶化，恶化幅度低于高敏感指标，依靠 V2G 有序放电、光伏消纳可实现明显改善； 3）低灵敏度指标：设备重载时长占比、系统负荷波动率、平均负荷率、无功缺额均值。渗透率变化对该类指标影响幅度有限，仅在极高渗透率区间才会出现明显波动，可作为辅助评价参考指标。
综合灵敏度分析结果表明，配电网承载能力的核心瓶颈集中在线路、变压器设备容量与节点电压约束，在大规模电动汽车接入规划时，应优先通过 V2G 有序调度、分布式光伏配套建设、SVC 无功补偿缓解设备重载与电压偏移问题，延缓配电网承载极限的到来。
6 结论与展望
6.1 研究结论
1）本文复现计及电动汽车充电站的配电网承载能力基础评估模型，融合分布式光伏、V2G 双向充放电、SVC 无功补偿三类调节资源，完善多源协同下电动汽车配电网仿真架构，可精准还原不同渗透率下配电网时序潮流运行状态； 2）构建包含线路重载率、变压器过载率、负荷波动率、系统负荷率、电压偏移率等 11 项指标的多维度承载评价体系，覆盖设备安全、负荷平稳性、电能质量、系统运行效率四大维度，弥补单一约束评价维度不足的缺陷； 3）搭建熵权法 + 模糊综合评价双层量化评分模型，依托仿真数据客观赋权，消除人为评价偏差，实现不同电动汽车渗透率场景配电网承载能力标准化定量对比； 4）电动汽车渗透率提升会全面加剧配电网运行压力，高敏感指标（线路重载、变压器过载、电压偏移）是限制配网承载上限的关键因素；光伏、V2G、SVC 协同调控可有效改善全部评价指标，显著提升配电网可接纳电动汽车渗透率上限； 5）多指标灵敏度分析可量化区分各类运行指标受电动汽车接入的影响程度，为充电站有序充电策略制定、配电网设备扩容改造、无功补偿装置配置提供量化参考依据。
6.2 后续研究展望
1）拓展多元负荷场景：本文仅考虑常规居民负荷与电动汽车负荷，后续可叠加工商业快充站、储能电站、风电分布式电源，分析多类新型负荷、电源共存下配电网承载能力变化规律； 2）优化电动汽车调度策略：本文采用基础 V2G 充放电调度模式，后续可引入分时电价、需求响应激励机制，构建经济 - 承载双目标优化模型，兼顾配电网承载安全与用户、电网运行经济效益； 3）拓展网络类型与规模：当前仅采用 IEEE33 节点辐射型配电网，后续可拓展环网配电网、大型城市片区配电网算例，验证评价体系与双层评估模型在不同配网结构下的通用性； 4）承载能力优化规划研究：基于本文综合评价指标体系，以配电网综合承载得分最大为优化目标，求解充电站最优选址定容、光伏与 SVC 最优配置方案，形成 “评估 - 优化” 一体化配电网电动汽车接纳规划方法。
📚第二部分——运行结果
【承载力评估】配电网+多渗透率电动汽车接入
🎉第三部分——参考文献
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