CN109286197A - 一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，包括配电变压器、负荷调控终端及负荷调控装置，每台配电变压器均连接有一个负荷调控终端和多个负荷调控装置，每台配电变压器均通过多个负荷调控装置分别与多个用户负荷连接，负荷调控终端与所连配电变压器的相应多个负荷调控装置进行双向无线通信，所述用户负荷包括电动汽车。本发明通过转移不平衡相负载对低压三相不平衡问题进行治理，在不影响用户供电可靠性的条件下，实现整个配电台区三相负荷平衡，并对智能配电网进行概率协调规划，在配电网安全稳定运行的前提下满足电动汽车用户的充电需求。

Description

一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统

技术领域

本发明属于电网规划技术领域，特别涉及一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统。

背景技术

随着电动汽车的推广，电动汽车并网对主动配电网经济运行的影响也是不容忽视的。这些影响主要包括：1)负荷的增长。电动汽车充电将导致负荷长，若大量电动汽车集中在负荷高峰期充电，将进一步加剧电网负荷峰谷差，加重电力系统的负担。2)电网运行优化控制难度的增加。电动汽车用户用车行为和充电时间与空间分布的不确定性，使得电动汽车充电负荷具有较大的随机性，这将加大电网控制的难度。3)影响电能质量。电动汽车充电负荷属于非线性负荷，所使用的电力电子设备将产生一定的谐波，有可能引起电能质量问题。4)对配电网规划提出新的要求。在配电网中增加众多充电设施以及大量电动汽车充电，将改变配电网负荷结构和特性，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车大规模接入的情景。目前，电动汽车能源供给模式可分为三种类型：慢速充电、快速充电、电池组快速更换。由于私家车在居民住宅小区内的独立或公共停车场停放时间较长，通常采用常规的慢速充电方式充电。对于家用电动汽车来说，多数用户会在下班之后到夜晚这段时间内对电动汽车进行慢速充电。当大量用户集中在同一时间内充电时会造成配电系统三相中的其中一相负荷增加，继而导致三相不平衡问题的出现。

由于分布式光伏和电动汽车的单相大量接入会导致低压配电网出现三相不平衡等电能质量问题，而配电台区是智能配电网的重要组成部分，因此有必要研究分布式光伏与电动汽车大量单相接入的智能配电台区主动控制技术。

发明内容

本发明公开一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，通过转移不平衡相负载对低压三相不平衡问题进行治理，在不影响用户供电可靠性的条件下，实现整个配电台区三相负荷平衡，并对智能配电网进行概率协调规划，在配电网安全稳定运行的前提下满足电动汽车用户的充电需求。

本发明具体为一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述配网稳定规划系统通过转移不平衡相负载对配电台区低压三相不平衡问题进行治理，所述配网稳定规划系统包括配电变压器、负荷调控终端及负荷调控装置，每台配电变压器均连接有一个负荷调控终端和多个负荷调控装置，每台配电变压器均通过多个负荷调控装置分别与多个用户负荷连接，负荷调控终端与所连配电变压器的相应多个负荷调控装置进行双向无线通信；所述用户负荷包括电动汽车；

负荷调控终端通过实时采集变压器出口三相电压和三相电流确定台区不平衡度，并判断三相间不平衡差，确定负载重的相别和负载轻的相别；负荷调控装置通过汇集各个分馈线用户的电压和电流信息数据，确定要调整的负荷点和相别信息，利用远程无线网络进行自动控制，在线完成各负荷支路在不同相序之间的转换；

此外，负荷调控装置考虑电动汽车类型的不确定性、电动汽车充电模式的不确定性及电动汽车充电行为的不确定性，确定电动汽车概率模型，并根据电动汽车保有情况及配电网现状，确定电动汽车充电站移动规划模型；负荷调控终端对智能配电网进行概率协调规划，在配电网安全稳定运行的前提下满足电动汽车用户的充电需求。

进一步的，所述负荷调控终端的硬件模块包括互感器、A/D转换器、DSP、Flash存储器、SRAM、人机交互模块、电源系统、远程通信接口和低压负荷调控装置，配电变压器与互感器连接，互感器与A/D转换器连接，A/D转换器与DSP连接，DSP与Flash存储器和SRAM进行双向连接，DSP还连接到人机交互模块和电源系统，DSP与远程通信接口进行双向连接，远程通信接口与低压负荷调控装置进行双向连接；交流采样模拟量信号经过互感器及信号处理电路后，通过DSP进行计算和分析处理，结果保存在数据存储器中，随时向外部接口提供信息和进行数据交换。

进一步的，所述负荷调控终端的功能模块单元包括实时数据采集单元、实时通信单元、三相电流不平衡度生成单元、综合分析判断单元、三相电流不平衡度限值单元、启动控制单元、最优换相指令计算单元、指令发送单元和信息记录单元；实时数据采集单元与配电变压器连接，采集配电变压器低压侧电流、电压数据，并与实时通信单元连接；实时通信单元负责与低压负荷在线自动调控装置的通信，实时采集低压侧各负荷支路的电流、相序数据，并将最优负荷调控指令发送到各低压负荷调控装置；三相电流不平衡度生成单元与实时数据采集单元连接，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成三相电流不平衡度；综合分析判断单元实现三相电流不平衡度与预设的三相电流不平衡度限值进行比较并生成结果，判断相关约束条件，决定是否执行换相操作；最优换相指令计算单元根据实时采集的配电变压器低压侧电流和各低压负荷支路的电流、相序数据，优化计算得到各低压负荷调控装置的最优换相调控指令，并传输给指令发送单元；信息记录单元对发送的指令数据进行记录储存。

进一步的，所述负荷调控装置是实现负荷相序在A、B、C三相之间合理调整的具体操作机构，安装在用户表箱、低压开关柜或线杆处，并通过无线网络将采集和记录到的信息上送至负荷调控终端。

进一步的，所述负荷调控装置的开关阵列由负荷开关单元组成，每条负荷支路对应1个复合开关单元，每个复合开关单元包含3个单相复合开关，分别对应A、B、C三相；采用高性能的电力电子无触点开关，切换后采用大电流继电器进行供电保持，从而实现高可靠性的短时负载切换；负荷调控装置的处理器通过与配变侧的调控终端进行实时通信，将各个负荷支路电流和相序数据上传至控制终端，并接收最优换相控制指令控制各复合开关按照规定换相流程执行调控操作。

进一步的，构建光伏发电系统的输出功率模型：一天内的太阳辐照度变化曲线近似为正态分布曲线式中，r为太阳辐射照度(W/m²)，服从期望为μ，方差为σ²的正态分布；一定时间段内的太阳辐照度近似于在[0,1]之间的连续分布的Beta分布式中，r_max为该时段太阳的最大辐射照度(W/m²)，α、β为Beta分布的形状参数，取值与地区具体情况有关；由统计时段内的光照强度期望μ和方差σ计算出光强Beta分布的参数相应的Beta分布的数学期望为方差为规则化因子取值为对于光伏阵列数目为N的太阳能电池方阵，若每个阵列的面积和光电转换效率都相同，分别记为S和η，由于光伏系统输出功率与太阳辐照度成正比，则光伏系统总的输出功率为P＝rNSη；太阳能电池方阵输出功率的概率密度函数由光照强度的概率密度函数求得式中，P_max＝r_maxNSη为方阵的最大输出功率(MW)。

进一步的，构建电动汽车充放电模型：

取时间间隔为△t小时，假设电动汽车在每个时间间隔△t内的工作状态保持不变，忽略电动汽车自放电能量损耗，则t时刻单台电动汽车的容量为：

当电动汽车在t-△t时刻为充电状态时，E_c(t)＝E(t-Δt)-η_cP_PEV(t-Δt)；

当电动汽车在t-△t时刻为放电状态时，E_d(t)＝E(t-Δt)-P_PEV(t-Δt)/η_d；

当电动汽车在t-△t时刻为行驶状态时，E_dr(t)＝E(t-Δt)-E_drc×D(t-Δt)；

式中，P_PEV(t-△t)为电动汽车在t-△t时刻的充/放电功率(kW)，充电时P_PEV(t-△t)<0，放电时P_PEV(t-△t)>0，t＝1，2，……24；η_c、η_d为电动汽车的充、放电效率(％)；E_drc为电动汽车每行驶1千米的能耗(kWh/km)；D(t-△t)为时刻电动汽车的行驶距离(km)。

附图说明

图1为本发明一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统的整体结构图；

图2为本发明负荷调控终端的硬件模块框图；

图3为本发明负荷调控终端的功能模块框图；

图4为本发明负荷调控装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统的具体实施方式做详细阐述。

本发明配网稳定规划系统通过转移不平衡相负载对配电台区低压三相不平衡问题进行治理，如图1所示，所述配网稳定规划系统包括配电变压器、负荷调控终端及负荷调控装置，每台配电变压器均连接有一个负荷调控终端和多个负荷调控装置，每台配电变压器均通过多个负荷调控装置分别与多个用户负荷连接，负荷调控终端与所连配电变压器的相应多个负荷调控装置进行双向无线通信；所述用户负荷包括电动汽车；

负荷调控终端通过实时采集变压器出口三相电压和三相电流确定台区不平衡度，并判断三相间不平衡差，确定负载重的相别和负载轻的相别；负荷调控装置通过汇集各个分馈线用户的电压和电流信息数据，确定要调整的负荷点和相别信息，利用远程无线网络进行自动控制，在线完成各负荷支路在不同相序之间的转换；

此外，负荷调控装置考虑电动汽车类型的不确定性、电动汽车充电模式的不确定性及电动汽车充电行为的不确定性，确定电动汽车概率模型，并根据电动汽车保有情况及配电网现状，确定电动汽车充电站移动规划模型；负荷调控终端对智能配电网进行概率协调规划，在配电网安全稳定运行的前提下满足电动汽车用户的充电需求。

如图2所示，所述负荷调控终端的硬件模块包括互感器、A/D转换器、DSP、Flash存储器、SRAM、人机交互模块、电源系统、远程通信接口和低压负荷调控装置，配电变压器与互感器连接，互感器与A/D转换器连接，A/D转换器与DSP连接，DSP与Flash存储器和SRAM进行双向连接，DSP还连接到人机交互模块和电源系统，DSP与远程通信接口进行双向连接，远程通信接口与低压负荷调控装置进行双向连接；交流采样模拟量信号经过互感器及信号处理电路后，通过DSP进行计算和分析处理，结果保存在数据存储器中，随时向外部接口提供信息和进行数据交换。

如图3所示，所述负荷调控终端的功能模块单元包括实时数据采集单元、实时通信单元、三相电流不平衡度生成单元、综合分析判断单元、三相电流不平衡度限值单元、启动控制单元、最优换相指令计算单元、指令发送单元和信息记录单元；实时数据采集单元与配电变压器连接，采集配电变压器低压侧电流、电压数据，并与实时通信单元连接；实时通信单元负责与低压负荷在线自动调控装置的通信，实时采集低压侧各负荷支路的电流、相序数据，并将最优负荷调控指令发送到各低压负荷调控装置；三相电流不平衡度生成单元与实时数据采集单元连接，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成三相电流不平衡度；综合分析判断单元实现三相电流不平衡度与预设的三相电流不平衡度限值进行比较并生成结果，判断相关约束条件，决定是否执行换相操作；最优换相指令计算单元根据实时采集的配电变压器低压侧电流和各低压负荷支路的电流、相序数据，优化计算得到各低压负荷调控装置的最优换相调控指令，并传输给指令发送单元；信息记录单元对发送的指令数据进行记录储存。

所述负荷调控装置是实现负荷相序在A、B、C三相之间合理调整的具体操作机构，安装在用户表箱、低压开关柜或线杆处，并通过无线网络将采集和记录到的信息上送至负荷调控终端。

如图4所示，所述负荷调控装置的开关阵列由负荷开关单元组成，每条负荷支路对应1个复合开关单元，每个复合开关单元包含3个单相复合开关，分别对应A、B、C三相；采用高性能的电力电子无触点开关，切换后采用大电流继电器进行供电保持，从而实现高可靠性的短时负载切换；负荷调控装置的处理器通过与配变侧的调控终端进行实时通信，将各个负荷支路电流和相序数据上传至控制终端，并接收最优换相控制指令控制各复合开关按照规定换相流程执行调控操作。

进一步的，构建光伏发电系统的输出功率模型：一天内的太阳辐照度变化曲线近似为正态分布曲线式中，r为太阳辐射照度(W/m²)，服从期望为μ，方差为σ²的正态分布；一定时间段内的太阳辐照度近似于在[0,1]之间的连续分布的Beta分布式中，r_max为该时段太阳的最大辐射照度(W/m²)，α、β为Beta分布的形状参数，取值与地区具体情况有关；由统计时段内的光照强度期望μ和方差σ计算出光强Beta分布的参数相应的Beta分布的数学期望为方差为规则化因子取值为对于光伏阵列数目为N的太阳能电池方阵，若每个阵列的面积和光电转换效率都相同，分别记为S和η，由于光伏系统输出功率与太阳辐照度成正比，则光伏系统总的输出功率为P＝rNSη；太阳能电池方阵输出功率的概率密度函数由光照强度的概率密度函数求得式中，P_max＝r_maxNSη为方阵的最大输出功率(MW)。

进一步的，构建电动汽车充放电模型：

取时间间隔为△t小时，假设电动汽车在每个时间间隔△t内的工作状态保持不变，忽略电动汽车自放电能量损耗，则t时刻单台电动汽车的容量为：

当电动汽车在t-△t时刻为充电状态时，E_c(t)＝E(t-Δt)-η_cP_PEV(t-Δt)；

当电动汽车在t-△t时刻为放电状态时，E_d(t)＝E(t-Δt)-P_PEV(t-Δt)/η_d；

当电动汽车在t-△t时刻为行驶状态时，E_dr(t)＝E(t-Δt)-E_drc×D(t-Δt)；

式中，P_PEV(t-△t)为电动汽车在t-△t时刻的充/放电功率(kW)，充电时P_PEV(t-△t)<0，放电时P_PEV(t-△t)>0，t＝1，2，……24；η_c、η_d为电动汽车的充、放电效率(％)；E_drc为电动汽车每行驶1千米的能耗(kWh/km)；D(t-△t)为时刻电动汽车的行驶距离(km)。

最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (7)

1.一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述配网稳定规划系统通过转移不平衡相负载对配电台区低压三相不平衡问题进行治理，所述配网稳定规划系统包括配电变压器、负荷调控终端及负荷调控装置，每台配电变压器均连接有一个负荷调控终端和多个负荷调控装置，每台配电变压器均通过多个负荷调控装置分别与多个用户负荷连接，负荷调控终端与所连配电变压器的相应多个负荷调控装置进行双向无线通信；所述用户负荷包括电动汽车；

负荷调控终端通过实时采集变压器出口三相电压和三相电流确定台区不平衡度，并判断三相间不平衡差，确定负载重的相别和负载轻的相别；负荷调控装置通过汇集各个分馈线用户的电压和电流信息数据，确定要调整的负荷点和相别信息，利用远程无线网络进行自动控制，在线完成各负荷支路在不同相序之间的转换；

此外，负荷调控装置考虑电动汽车类型的不确定性、电动汽车充电模式的不确定性及电动汽车充电行为的不确定性，确定电动汽车概率模型，并根据电动汽车保有情况及配电网现状，确定电动汽车充电站移动规划模型；负荷调控终端对智能配电网进行概率协调规划，在配电网安全稳定运行的前提下满足电动汽车用户的充电需求。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述负荷调控终端的硬件模块包括互感器、A/D转换器、DSP、Flash存储器、SRAM、人机交互模块、电源系统、远程通信接口和低压负荷调控装置，配电变压器与互感器连接，互感器与A/D转换器连接，A/D转换器与DSP连接，DSP与Flash存储器和SRAM进行双向连接，DSP还连接到人机交互模块和电源系统，DSP与远程通信接口进行双向连接，远程通信接口与低压负荷调控装置进行双向连接；交流采样模拟量信号经过互感器及信号处理电路后，通过DSP进行计算和分析处理，结果保存在数据存储器中，随时向外部接口提供信息和进行数据交换。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述负荷调控终端的功能模块单元包括实时数据采集单元、实时通信单元、三相电流不平衡度生成单元、综合分析判断单元、三相电流不平衡度限值单元、启动控制单元、最优换相指令计算单元、指令发送单元和信息记录单元；实时数据采集单元与配电变压器连接，采集配电变压器低压侧电流、电压数据，并与实时通信单元连接；实时通信单元负责与低压负荷在线自动调控装置的通信，实时采集低压侧各负荷支路的电流、相序数据，并将最优负荷调控指令发送到各低压负荷调控装置；三相电流不平衡度生成单元与实时数据采集单元连接，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成三相电流不平衡度；综合分析判断单元实现三相电流不平衡度与预设的三相电流不平衡度限值进行比较并生成结果，判断相关约束条件，决定是否执行换相操作；最优换相指令计算单元根据实时采集的配电变压器低压侧电流和各低压负荷支路的电流、相序数据，优化计算得到各低压负荷调控装置的最优换相调控指令，并传输给指令发送单元；信息记录单元对发送的指令数据进行记录储存。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述负荷调控装置是实现负荷相序在A、B、C三相之间合理调整的具体操作机构，安装在用户表箱、低压开关柜或线杆处，并通过无线网络将采集和记录到的信息上送至负荷调控终端。

5.根据权利要求4所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，所述负荷调控装置的开关阵列由负荷开关单元组成，每条负荷支路对应1个复合开关单元，每个复合开关单元包含3个单相复合开关，分别对应A、B、C三相；采用高性能的电力电子无触点开关，切换后采用大电流继电器进行供电保持，从而实现高可靠性的短时负载切换；负荷调控装置的处理器通过与配变侧的调控终端进行实时通信，将各个负荷支路电流和相序数据上传至控制终端，并接收最优换相控制指令控制各复合开关按照规定换相流程执行调控操作。

6.根据权利要求3或5所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，配网还有光伏发电系统接入，光伏发电系统的输出功率模型为：一天内的太阳辐照度变化曲线近似为正态分布曲线式中，r为太阳辐射照度(W/m²)，服从期望为μ，方差为σ²的正态分布；一定时间段内的太阳辐照度近似于在[0,1]之间的连续分布的Beta分布式中，r_max为该时段太阳的最大辐射照度(W/m²)，α、β为Beta分布的形状参数，取值与地区具体情况有关；由统计时段内的光照强度期望μ和方差σ计算出光强Beta分布的参数相应的Beta分布的数学期望为方差为规则化因子取值为对于光伏阵列数目为N的太阳能电池方阵，若每个阵列的面积和光电转换效率都相同，分别记为S和η，由于光伏系统输出功率与太阳辐照度成正比，则光伏系统总的输出功率为P＝rNSη；太阳能电池方阵输出功率的概率密度函数由光照强度的概率密度函数求得式中，P_max＝r_maxNSη为方阵的最大输出功率(MW)。

7.根据权利要求3或5所述的一种电动汽车大量接入的配网稳定规划系统，其特征在于，构建电动汽车充放电模型：

取时间间隔为△t小时，假设电动汽车在每个时间间隔△t内的工作状态保持不变，忽略电动汽车自放电能量损耗，则t时刻单台电动汽车的容量为：

当电动汽车在t-△t时刻为充电状态时，E_c(t)＝E(t-Δt)-η_cP_PEV(t-Δt)；

当电动汽车在t-△t时刻为放电状态时，E_d(t)＝E(t-Δt)-P_PEV(t-Δt)/η_d；

当电动汽车在t-△t时刻为行驶状态时，E_dr(t)＝E(t-Δt)-E_drc×D(t-Δt)；

式中，P_PEV(t-△t)为电动汽车在t-△t时刻的充/放电功率(kW)，充电时P_PEV(t-△t)<0，放电时P_PEV(t-△t)>0，t＝1，2，……24；η_c、η_d为电动汽车的充、放电效率(％)；E_drc为电动汽车每行驶1千米的能耗(kWh/km)；D(t-△t)为时刻电动汽车的行驶距离(km)。