CN109146176A - 一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法 - Google Patents

Abstract

一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，属于配电***优化调度技术领域，包括：根据车主的自由充电行为确定***中各时段各线路的传输功率；计算不同阻塞线路不同时段各自的削减阻塞功率、不同非阻塞线路不同时段各自的阻塞裕度功率；确定各个充电站阻塞时段各自的充电功率削减量约束，各个充电站非阻塞时段各自的充电功率增加量约束；兼顾车主和运营商的利益，充换电设施运营商优化各个充电站各自的实时充换电服务费。本发明通过引入对充换电服务费的调整实现对车主的激励，以此引导车主制定合理的充电计划，解决网络中可能出现的阻塞问题，提高电网运行的安全性和经济性。

Description

一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法

技术领域

本发明属于配电***优化调度技术领域，涉及到配电网中阻塞调度的策略，特别涉及配电网在电动汽车高渗透率情形下的阻塞调度问题。

背景技术

日益严重的环境污染以及传统化石燃料短缺等问题驱使分布式发电技术尤其是可再生能源发电技术迅速发展，风力发电和光伏发电等可再生能源发电以及需求侧的新起之秀电动汽车的发展越来越受到人们的关注。国际能源机构2009年预估2050年电动汽车的大规模接入电网，将使全球电力需求量增加10％。我国汽车产业正处于高速发展期，为了提高EV的渗透率，国家相关单位也相继出台鼓励政策，如2009年开始实施的“十城千辆”计划、2012年8月《电动汽车科技发展十二五专项规划》的提出，对电动汽车将在2020年后实现大范围普及也作了说明。所以未来的配电***势必要实现对风电、光伏以及高渗透率电动汽车的兼容并包，向着主动配电网的方向发展。

传统情形下配电网由于受到电力***调度机构垂直管制和自身结构特点的影响，网络容量足够承担配电网的用电需求而不会有阻塞现象发生。但是，随着分布式发电、储能装置、主动负荷和可控负荷等分布式能源大规模的接入配电网，主动配电网较传统配电网在组成和结构上发生了巨大的变化，特别是随着电动汽车的快速发展，其具有时空灵活多变的充换电特性，如果不对其进行约束和引导，制订合理的调度策略，会造成主动配电网能量平衡控制难度增大，源-网-荷交织，导致主动配电网出现负荷尖峰和阻塞等问题，影响其安全与经济运行。分布式能源高渗透率情形下，主动配电网阻塞管理机制可以分为直接和间接两种方式。直接方式：网络重构、无功功率控制和有功功率控制，分别通过在配电网事先配置分段开关和联络开关、利用无功补偿装置和直接减少负荷需求来解决阻塞问题；间接方式：日前阻塞电价、日内影子价格、配电容量市场和灵活服务市场，四种机制都将配电***调度机构与电动汽车作为市场的参与者，以线路容量作为约束，调度机构会对电动汽车负荷的充电计划做出调整，解决阻塞问题。但是，鉴于目前国内并不完全的电力市场，电价需要政府来制定，所以亟需一种符合国内电力市场的激励措施以充分发挥电动汽车作为柔性负荷所具备的灵活充放电时间转移能力来解决阻塞，维持配电***的安全稳定性。

发明内容

本发明的目的是在含有高渗透率电动汽车的配电网中，提出一种电动汽车充换电服务费引导的配电网时空调度策略。针对主动配电网中电动汽车引起的阻塞问题，采用价格弹性矩阵反映车主对不同地点充电站充电价格的响应程度，并基于此设计了一套能够引导车主充电行为的多个充电站最优实时充换电服务费定价方案，通过引入对充换电服务费的调整实现对车主的激励，以此引导车主制定合理的充电计划，解决网络中可能出现的阻塞问题，提高电网运行的安全性和经济性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，包括以下步骤：

第一步，车主对充换电服务费的响应行为分析

电动汽车充电价格(本文中认为充电价格即为充换电服务费)的波动，会影响车主调整充电计划，从而影响各时段的充电功率。实施实时充换电服务费政策时，车主会对充电价格的变化做出响应，如式(1)所示：

r＝E·k (1)

式中：r＝[r₁r₂…r_n]^T为各时段的充电功率变化率列向量，r_i＝ΔP_i/P_i(i∈1,2...n)；k＝[k₁k₂…k_n]^T为各时段的充换电服务费变化率列向量，k_i＝Δp_i/p_i(i∈1,2...n)；为充换电服务费充电功率弹性系数矩阵， i,j代表不同时间段；ΔP_i和Δp_i分别表示i时段充电功率和充换电服务费的变化量；P_i为i时段的充电功率；p_i和p_j分别代表i时段和j时段的充换电服务费。

通过在各时段设置合理的充换电服务费，根据已知的价格弹性系数矩阵，可以得到每一时段充电功率的变化量。通过充电价格的引导使车主尽可能不在电网负荷的峰值进行充电，将负荷转移到其他时段，避免网络中可能出现的阻塞问题。

第二步，运营商对阻塞线路制订调整策略

充换电设施运营商作为市场参与者，为避免配电***出现阻塞，需要校验用电计划，若用电计划会引起网络阻塞，运营商进行充换电服务费的调整，进而改变车主的充电行为，解决配电网中可能出现的阻塞问题。

2.1)定义线路削减阻塞功率作为判断线路阻塞程度的依据：

P_cut,l,t＝max{P_l,t-P_l,max,0} (2)

式中：P_cut,l,t为线路l在时段t的削减阻塞功率；P_l,max为线路l传输有功功率的上限；P_l,t为线路l在时段t的有功功率，可由公式(3)表示：

式中：V_i,t为时段t节点i的电压幅值；V_j,t为时段t节点j的电压幅值；G_ij为支路i、j的电导；B_ij为支路i、j的电纳；θ_ij,t为节点i和j电压相角之差。

在电动汽车自由充电模式下校验用电计划，通过潮流计算，可得各时段线路潮流分布，从而获得发生阻塞的时段和线路号。

本文通过引导电动汽车充电行为解决电动汽车集中充电造成的供电线路阻塞问题。为反映不同节点处的充电站与供电线路的相关性，给出以下定义：

设M为指定区域内所有的充电站节点组成的集合，对于任意子集其补集为M_C,i。若存在供电线路l，其供电潮流与处充电站充电功率相关，且与处充电站充电功率不相关，本文中称线路l为M_i中所有充电站的相关线路，M_i中所有充电站为线路l的相关充电站。

将满足上述定义的线路l组成的集合记为若在时段t，集合中的线路出现阻塞，可通过削减相关充电站的电动汽车充电功率解决。为保证调整后集合中所有线路均无阻塞现象，线路潮流削减量应不小于集合中线路削减阻塞功率的最大值，如公式(4)所示：

式中：ΔP_cut,i,t为节点i处充电站在时段t的电动汽车充电功率削减量(本文中认为ΔP_cut,i,t为负值)，文中忽略线路有功损耗。

2.2)充电站节点将阻塞时段各自需要削减的充电功率转移到其他非阻塞时段，为了保证非阻塞时段在策略引导后不出现新的阻塞现象，需考虑线路潮流承载裕度。定义线路阻塞裕度功率，如公式(5)所示：

P_margin,l,T＝max{P_l,max-P_l,T,0} (5)

式中：P_margin,l,T为线路l在时段T的阻塞裕度功率，其物理意义为线路l在不发生阻塞前提下可承载的最大有功潮流增量，P_l,max为线路l传输有功功率的上限；P_l,T为线路l在时段T的有功功率。

对于充电站节点子集M_i，为保证调整后所有相关线路均不发生新的阻塞，则M_i中各充电站节点在非阻塞时段可接纳的电动汽车充电功率转移量应满足：

式中：ΔP_margin,i,T为充电行为引导后，节点i处充电站在非阻塞时段T增加的电动汽车充电功率量。

充换电设施运营商考虑车主对充电价格变化的响应，根据各充电站在各时段需要调整的充电功率来制订各充电站的实时充换电服务费，如公式(7)所示。

式中：设区域内共有m个充电站，P_i,t为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充电功率；ΔP_i,t为实施实时充换电服务费政策前后充电站i在t时段的充电功率变化量，根据线路阻塞的情况，当充电站i在t时段需要削减阻塞功率时，ΔP_i,t为ΔP_cut,i,t；当充电站i在T时段需要接纳转移的阻塞功率时，ΔP_i,t为ΔP_margin,i,T；p_i,t为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充换电服务费，Δp_i,t为实施实时充换电服务费政策前后充电站i在t时段的充换电服务费变化量；E为充换电服务费充电功率弹性系数矩阵。

第三步，建立主动配电网阻塞调度模型

3.1)目标函数

充换电设施运营商在实施实时充换电服务费政策时会在解决阻塞问题的同时追求盈利最大为目标，而车主对充电价格的变化做出响应后，与自由充电时相比，其用电方式满意度会下降，因此车主希望在维持较高的用电方式满意度的同时充电费用最少。

站在充换电设施运营商角度，车主的充电费用最大，即运营商盈利最大为目标：

站在车主侧角度，车主的充电费用最小、车主的用电方式满意度最大为车主的两个目标：

式中：p′_i(t)为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充换电服务费；P_i′(t)为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充电功率；P_i(t)为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充电功率；m为区域内充电站个数；n为时段数。

采用带权极小模理想点法对上述多目标优化问题进行求解。

δ₁+δ₂+δ₃＝1 (12)

式中，δ₁、δ₂、δ₃分别为各目标的权重因子。

3.2)约束条件

1)多时段潮流平衡约束：

式中：P_Gi,t、Q_Gi,t、P_Di,t、Q_Di,t、P′_i,t分别为节点i在时段t的有功、无功出力、基准有功、无功负荷以及充电功率；N为***节点数；V_i,t、G_ij、B_ij、θ_ij,t分别为时段t节点i的电压幅值、支路i,j的电导、支路i,j的电纳、节点i和j电压相角之差。

2)发电机组输出功率上下限约束：

式中：和分别为发电机组i有功出力的上、下限，和分别为发电机组i无功出力的上、下限。

3)节点电压幅值上下限约束：

V_i ^min≤V_i,t≤V_i ^max (17)

式中：V_i ^max和V_i ^min为i节点电压幅值的上、下限。

4)一天中区域内所有电动汽车充电站总体充电功率约束：

式中：ΔP_i,t含义与公式(7)相同，公式的物理意义为实施实时充换电服务费前后，一天中区域内总的充电站充电功率之和不变。

5)充换电服务费约束：

p^min≤p′_i,t≤p^max (19)

式中：p^max、p^min分别为充换电服务费的上下限，p′_i,t为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充换电服务费。

6)各充电站在各个时段的充电功率削减量约束和充电功率增加量约束，如公式(4)、(6)所示。

7)车主对充换电服务费响应行为约束，如公式(7)所示。

确定目标函数和约束条件后即可建立主动配电网阻塞调度模型，通过优化求解该模型，得到各个充电站的最优实时充换电服务费，在兼顾车主和运营商利益的同时，解决了配电网中的阻塞问题。

本发明的效果和益处是：本发明提供了一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，通过优化实时充换电服务费，有效地引导车主制订合理的充电计划，解决网络中可能出现的阻塞问题，提高电网运行的安全性和经济性。

附图说明

图1是计及充换电服务费调整的主动配电网阻塞调度流程图；

图2是改进的IEEE33***图；图中：1-33为IEEE33配电***中的节点编号。

具体实施方式

以下以改进的IEEE33节点***为例，如图2所示，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。图1为计及充换电服务费调整的主动配电网阻塞管理流程图，其具体步骤为：

步骤1：根据车主的自由充电行为确定***中各时段各线路的传输功率。

1.1)为了研究电动汽车大规模的接入对配电网的影响，首先对其自由充电进行仿真。通过已知的电动汽车起始充电时刻概率密度函数、日行驶里程概率密度函数进行蒙特卡洛模拟仿真，得到电动汽车自由充电功率分布；

1.2)将电动汽车负荷与传统负荷叠加进行潮流计算，观察各线路各时段是否有阻塞现象产生：若出现阻塞现象，则进行如下步骤；若没有出现阻塞现象，则无需调整充换电服务费，即不执行如下步骤；

步骤2：计算不同阻塞线路不同时段各自的削减阻塞功率，如公式(2)所示；不同非阻塞线路不同时段各自的阻塞裕度功率，如公式(5)所示；

步骤3：确定各个充电站阻塞时段各自的充电功率削减量约束，如公式(4)所示；各个充电站非阻塞时段各自的充电功率增加量约束，如公式(6)所示；

步骤4：兼顾车主和运营商的利益，充换电设施运营商优化各个充电站各自的实时充换电服务费。

充换电服务费未调整时的线路负载率如表1所示。

表1充换电服务费未调整时的线路负载率(以前3条支路为例)

充换电服务费调整后的线路负载率如表2所示。

表2充换电服务费调整后的线路负载率(以前3条支路为例)

Claims (3)

1.一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，其特征在于以下步骤：

第一步，车主对充换电服务费的响应行为分析

实施实时充换电服务费政策时，车主对充电价格的变化做出响应；

第二步，运营商对阻塞线路制订调整策略

充换电设施运营商作为市场参与者，为避免配电***出现阻塞，需要校验用电计划；若用电计划会引起网络阻塞，运营商进行充换电服务费的调整，改变车主的充电行为，解决配电网中可能出现的阻塞问题；

2.1)定义线路削减阻塞功率作为判断线路阻塞程度的依据：

P_cut,l,t＝max{P_l,t-P_l,max,0} (2)

式中：P_cut,l,t为线路l在时段t的削减阻塞功率；P_l,max为线路l传输有功功率的上限；P_l,t为线路l在时段t的有功功率，可由公式(3)表示：

式中：V_i,t为时段t节点i的电压幅值；V_j,t为时段t节点j的电压幅值；G_ij为支路i、j的电导；B_ij为支路i、j的电纳；θ_ij,t为节点i和j电压相角之差；

在电动汽车自由充电模式下校验用电计划，通过潮流计算得到各时段线路潮流分布，获得发生阻塞的时段和线路号；

通过引导电动汽车充电行为解决电动汽车集中充电造成的供电线路阻塞问题；为反映不同节点处的充电站与供电线路的相关性，给出以下定义：

设M为指定区域内所有的充电站节点组成的集合，对于任意子集其补集为M_C,i；若存在供电线路l，其供电潮流与处充电站充电功率相关，且与处充电站充电功率不相关，线路l为M_i中所有充电站的相关线路，M_i中所有充电站为线路l的相关充电站；

将满足上述定义的线路l组成的集合记为若在时段t，集合中的线路出现阻塞，通过削减相关充电站的电动汽车充电功率解决；为保证调整后集合中所有线路均无阻塞现象，线路潮流削减量应不小于集合中线路削减阻塞功率的最大值，如公式(4)所示：

式中：ΔP_cut,i,t为节点i处充电站在时段t的电动汽车充电功率削减量，忽略线路有功损耗；

2.2)充电站节点将阻塞时段各自需要削减的充电功率转移到其他非阻塞时段，为了保证非阻塞时段在策略引导后不出现新的阻塞现象，需考虑线路潮流承载裕度；定义线路阻塞裕度功率，如公式(5)所示：

P_margin,l,T＝max{P_l,max-P_l,T,0} (5)

式中：P_margin,l,T为线路l在时段T的阻塞裕度功率，其物理意义为线路l在不发生阻塞前提下可承载的最大有功潮流增量，P_l,max为线路l传输有功功率的上限；P_l,T为线路l在时段T的有功功率；

对于充电站节点子集M_i，为保证调整后所有相关线路均不发生新的阻塞，则M_i中各充电站节点在非阻塞时段可接纳的电动汽车充电功率转移量应满足：

式中：ΔP_margin,i,T为充电行为引导后，节点i处充电站在非阻塞时段T增加的电动汽车充电功率量；

充换电设施运营商考虑车主对充电价格变化的响应，根据各充电站在各时段需要调整的充电功率制订各充电站的实时充换电服务费，如公式(7)所示；

式中：设区域内共有m个充电站，P_i,t为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充电功率；ΔP_i,t为实施实时充换电服务费政策前后充电站i在t时段的充电功率变化量，根据线路阻塞的情况，当充电站i在t时段需要削减阻塞功率时，ΔP_i,t为ΔP_cut,i,t；当充电站i在T时段需要接纳转移的阻塞功率时，ΔP_i,t为ΔP_margin,i,T；p_i,t为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充换电服务费，Δp_i,t为实施实时充换电服务费政策前后充电站i在t时段的充换电服务费变化量；E为充换电服务费充电功率弹性系数矩阵；

第三步，建立主动配电网阻塞调度模型

3.1)目标函数

站在充换电设施运营商角度，车主的充电费用最大，即运营商盈利最大为目标：

站在车主侧角度，车主的充电费用最小、车主的用电方式满意度最大为车主的两个目标：

式中：p′_i(t)为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充换电服务费；P′_i(t)为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充电功率；P_i(t)为实施实时充换电服务费政策前充电站i在t时段的充电功率；m为区域内充电站个数；n为时段数；

3.2)约束条件

1)多时段潮流平衡约束：

式中：P_Gi,t、Q_Gi,t、P_Di,t、Q_Di,t、P′_i,t为节点i在时段t的有功、无功出力、基准有功、无功负荷以及充电功率；N为***节点数；V_i,t、G_ij、B_ij、θ_ij,t为时段t节点i的电压幅值、支路i,j的电导、支路i,j的电纳、节点i和j电压相角之差；

2)发电机组输出功率上下限约束：

式中：和分别为发电机组i有功出力的上、下限，和分别为发电机组i无功出力的上、下限；

3)节点电压幅值上下限约束：

V_i ^min≤V_i,t≤V_i ^max (17)

式中：V_i ^max和V_i ^min为i节点电压幅值的上、下限；

4)一天中区域内所有电动汽车充电站总体充电功率约束：

式中：ΔP_i,t含义与公式(7)相同，公式的物理意义为实施实时充换电服务费前后，一天中区域内总的充电站充电功率之和不变；

5)充换电服务费约束：

p^min≤p′_i,t≤p^max (19)

式中：p^max、p^min分别为充换电服务费的上下限，p′_i,t为实施实时充换电服务费政策后充电站i在t时段的充换电服务费；

6)各充电站在各个时段的充电功率削减量约束和充电功率增加量约束，如公式(4)、(6)所示；

7)车主对充换电服务费响应行为约束，如公式(7)所示；

确定目标函数和约束条件后即可建立主动配电网阻塞调度模型，通过优化求解该模型，得到各个充电站的最优实时充换电服务费，在兼顾车主和运营商利益的同时，解决配电网中的阻塞问题。

2.根据权利要求1所述的一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，其特征在于，所述的第一步中，车主对充电价格的变化做出响应如式(1)所示：

r＝E·k (1)

式中：r＝[r₁r₂…r_n]^T为各时段的充电功率变化率列向量，r_i＝ΔP_i/P_i(i∈1,2...n)；k＝[k₁k₂…k_n]^T为各时段的充换电服务费变化率列向量，k_i＝Δp_i/p_i(i∈1,2...n)；为充换电服务费充电功率弹性系数矩阵，i,j代表不同时间段；ΔP_i和Δp_i分别表示i时段充电功率和充换电服务费的变化量；P_i为i时段的充电功率；p_i和p_j分别代表i时段和j时段的充换电服务费。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向电动汽车充换电服务费引导的配电网阻塞调度方法，其特征在于，采用带权极小模理想点法对步骤3.1)的多目标优化问题进行求解；

δ₁+δ₂+δ₃＝1 (12)

式中，δ₁、δ₂、δ₃分别为各目标的权重因子。