CN109583706A - 配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法及系统。本发明的多元优化评估方法包括步骤：输入电力系统的网架信息；设置充电场景及电动汽车规模；构建配电系统运行模型；缺供电量裕度与N‑1约束；考虑不同种类负荷的需求侧响应；配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；而后得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车充电需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。本发明研究了N‑1安全性需求、需求侧响应参与运行和系统负荷缺供电量裕度对配电系统接纳电动汽车能力的影响。采用本发明模型，可以在计及需求侧响应的前提下，获得全网以及各充电站节点对电动汽车的接纳能力，同时兼顾系统运行的安全性和经济性。

Description

配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别是一种配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法及系统。

背景技术

电动汽车充电站作为充电负荷接入到配电网中，增加了配电网系统的可变负荷，配电网接纳电动汽车能力定义为配电网在满足电力系统安全、可靠、稳定运行的条件下，能接纳的最大电动汽车充电负荷大小。在此基础上，配电网接纳电动汽车评估模型还需要考虑信息网络、电动汽车渗透率发展目标、不同区域不同行业的负荷特性以及相应的对可靠性差异化要求等不同输入元素，结合缺供电量控制裕度，来研究配电网现状态接纳电动汽车的能力和规划态下的接纳潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其在计及需求侧响应的前提下，获得全网以及各充电站节点对电动汽车的接纳能力，同时兼顾系统运行的安全性和经济性。

为此，本发明采用如下的技术方案：配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其包括：

输入电力系统的网架信息；

设置充电场景及电动汽车规模；

构建配电系统运行模型并考虑缺供电量裕度与N-1约束，同时计及不同种类负荷的需求侧响应对配电系统接纳电动汽车能力的影响；

进行配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；

通过上述配电系统运行模型的计算得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车充电需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的配电系统运行模型考虑多时段潮流等式约束、节点电压约束、上级变电站传输功率约束和线路传输功率约束。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的多时段潮流等式约束为：

采用线性化DistFlow方程来描述配电系统的节点功率平衡方程：

忽略该方程中线路的有功和无功损耗：

式中，Ω_E和Ω_CF分别为配电系统节点集合和线路集合；Ω_i为与配电系统节点i相连的节点集合；和分别为配电系统节点i在时段t内的有功负荷和无功负荷；为接入节点i的电动汽车在时段t内的有功负荷；和分别为上级电源节点i在时段t内注入的有功和无功功率；P_ij,t和Q_ij,t分别为配电线路ij在时段t内的有功和无功功率；r_ij和x_ij分别为线路ij的电阻和电抗；考虑到电网发生故障N-1时，网络拓扑会发生改变，所遵循的潮流约束也会有相应的变动，因此引入状态变量来表示线路ij的工作状态，线路ij故障时反之V_i为节点i的电压；T为总优化时间段。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的节点电压约束为：

1-ε≤V_i,t/V₀≤1+ε，

式中：V_i,t和V₀分别为配电系统节点i的电压幅值和基准值；ε为电压偏差系数上限，M为一个正数，用于分离候选线路状态变量和节点电压变量；

当候选线路ij故障时，上式为松弛约束；当候选线路ij处于正常工作状态，则此时上述节点电压约束转换为下式所示形式的约束，即表明故障线路无需满足电压跌落方程，从而通过引入M的方法消除模型的非线性：

式中，Ω_EF为正常工作的配电线路集合。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的上级变电站传输功率约束为：

式中：P_i ^Gmax和P_i ^Gmin分别为上级变压器i的有功传输上、下限；μ为上级变压器运行最大负载率；Q_i ^Gmax和Q_i ^Gmin分别为上级变压器i的无功传输的上、下限。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的线路传输功率约束为：

式中：P_l,t和Q_l,t分别为时段t内线路l的传输有功功率和无功功率；S_Nl表示在线路l的额定容量；μ_l表示线路l的负载率；为有功功率因数；为无功功率因数。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的配电系统运行模型，考虑配电系统接纳电动汽车能力最大为优化目标，优化目标函数表示为：

式中：P_i ^EV为接入节点i的电动汽车充电功率；Ω_c为电动汽车充电节点的个数，随研究目标的不同有两种选择，若研究全网充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为全网充电节点的数量；若研究充电站的充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为充电站充电节点的数量。

作为上述多元优化评估方法的补充，所述的考虑配电系统缺供电量裕度与N-1约束，具体包括：

可靠性的差异化需求通过设定差异化的变电站运行负载率体现，当变压器在低负载率约束下运行时，能够保证其具有一定的转供能力，保障供电的可靠性；同时低的负载率会降低变压器的利用率，造成一定的可用容量闲置，因此有必要结合缺供电量控制裕度，进一步分析配电系统在允许缺供电量范围内的电动汽车最大接纳能力。

作为上述多元优化评估方法的补充，对于不同负荷类型，以可中断负荷的形式设置供电功率的波动范围，从而获得计及需求侧响应前提下的配电系统电动汽车接纳能力。

本发明的另一目的是提供一种配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估系统，其包括：

输入模块：输入电力系统的网架信息；

设置模块：设置充电场景及电动汽车规模；

运行模型构建模块：构建配电系统运行模型，考虑缺供电量裕度与N-1约束，计及不同种类负荷的需求侧响应对配电系统接纳电动汽车能力的影响；

潮流分析模块：配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；

评估计算及分析模块：通过计算，得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。

本发明具有的有益效果如下：本发明研究了N-1安全性需求、需求侧响应参与运行和系统负荷缺供电量裕度对配电系统接纳电动汽车能力的影响；采用本发明的运行模型，可以在计及需求侧响应的前提下，获得全网以及各充电站节点对电动汽车的接纳能力，同时兼顾系统运行的安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例中配电网接纳电动汽车能力的多元优化评估方法流程图；

图2为本发明实施例中单环式网架结构示意图；

图3为本发明应用例的系统示意图；

图4为本发明应用例中各充电站接纳电动汽车能力评估结果仿真图。

具体实施方式

为更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图1对本发明进行进一步的讲解说明。

实施例1

本实施例提出了一种配电网接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其流程包括如下详细步骤：

步骤1、输入电力系统的网架信息。

根据配电网区域划分研究，对配电网的拓扑结构进行合理的地块划分。以实际的地理区域中的主干道为分割依据，将主干道路在地理上所围成的多边形区域划为一个片区。

步骤2、设置充电场景及电动汽车规模。

根据电动汽车的统计信息，设置初始电动汽车规模。

步骤3、构建配电系统运行模型。

本发明所提出的配电网接纳电动汽车能力的多元优化评估模型目标函数可表示为：

式中：P_i ^EV为接入节点i的电动汽车充电功率；Ω_c为电动汽车充电节点的个数，随研究目标的不同有两种选择，若研究全网充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为全网充电节点的数量。若研究充电站的充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为充电站充电节点的数量。

同时该优化评估模型满足如下约束：

(1)多时段潮流等式约束

采用线性化DistFlow方程来描述配电系统的节点功率平衡方程：

忽略该方程中线路的有功和无功损耗：

式中：Ω_E和Ω_CF分别为配电系统节点集合和线路集合；Ω_i为与配电系统节点i相连的节点集合；和分别为配电系统节点i在时段t内的有功负荷和无功负荷；为接入节点i的电动汽车在时段t内的有功负荷；和分别为上级电源节点i在时段t内注入的有功和无功功率；P_ij,t和Q_ij,t分别为配电线路ij在时段t内的有功和无功功率；r_ij和x_ij分别为线路ij的电阻和电抗；本发明考虑到电网发生故障N-1时，网络拓扑会发生改变，所遵循的潮流约束也会有相应的变动，因此引入状态变量来表示线路ij的工作状态，线路ij故障时反之V_i为节点i的电压；T为总优化时间段。

(2)节点电压约束

1-ε≤V_i,t/V₀≤1+ε

式中：V_i，t和V₀分别为配电系统节点i的电压幅值和基准值；ε为电压偏差系数上限，一般取0.05；M为一个很大的正数，用于分离候选线路状态变量和节点电压变量。

当候选线路ij故障时，上式为松弛约束；当候选线路ij处于正常工作状态，则此时上述节点电压约束转换为下式所示形式的约束，即表明故障线路无需满足电压跌落方程，从而通过引入大M的方法消除模型的非线性。

式中：Ω_EF为正常工作的配电线路集合。

(3)上级变电站传输功率约束

式中：P_i ^Gmax和P_i ^Gmin分别为上级变压器i的有功传输上、下限；μ为上级变压器运行最大负载率；Q_i ^Gmax和Q_i ^Gmin分别为上级变压器i的无功传输的上、下限。

(4)线路传输功率约束

式中：P_l,t和Q_l,t分别为时段t内线路l的传输有功功率和无功功率；S_Nl表示在线路l的额定容量；μ_l表示线路l的负载率；为有功功率因数；为无功功率因数。

步骤4、缺供电量裕度与N-1约束。

可靠性的差异化需求通过设定差异化的变电站运行负载率体现，当变压器在较低负载率约束下运行时，能够保证其具有一定的转供能力，保障供电的可靠性。同时较低的负载率会降低变压器的利用率，造成一定的可用容量闲置，因此有必要结合缺供电量控制裕度，进一步分析配电系统在允许缺供电量范围内的电动汽车最大接纳能力。

根据《配电网规划设计技术导则》，以电缆网典型单环式网络结构为例，如图2所示。对于A+、A、B类地区，当发生N-1故障，如线路1发生故障退出运行，原本由线路1所带的A区负荷将由线路2进行转供。若该接线组所允许的缺供电量为Δ，则该接线组所能接纳的电动汽车充电负荷L_ch满足如下约束：

式中：β_N和S分别为线路2在发生N-1时的最大负载率和额定容量；L_A和L_B分别为A区和B区所带基础负荷。

在此基础上，发生N-1时的缺供电量裕度约束可总结如下：

式中：n_l表示接线组l的负荷节点数；k_l表示接线组l的电源数；δ_j为0-1变量，表示线路j的工作状态，线路故障时δ_j＝0，反之δ_j＝1；S_Nj表示在线路j的额定容量；μ_max,j表示10kV配电系统在满足N-1准则时线路j的负载率，即最大负载率；为功率因数；Δ_l为接线组l中负荷所允许的缺供电量，计算公式如下：

式中：m_l为该接线组l所在区域的地块种类数；γ_i和P_i ^D分别表示第i种地块的缺供电量系数和基础负荷。

步骤5、考虑需求侧响应影响。

根据城市总体规划和现状分析、因素分析，结合行政街道和社区界限范围、天然的地理界限如河流、城市土地利用结构、功能内在关联性、土地使用性质的同一性、主次干道围合的街坊、合理的交通分区等因素来划分的网格为单位，各网格中的负荷类型不同。因此结合不同类型负荷对供电可靠性的差异化需求，将需求侧响应纳入配电网接纳能力的评估中。具体而言，居民负荷、工业负荷等不同类型的负荷可以不同程度地响应需求响应信号。对于不同负荷类型，以可中断负荷的形式设置供电功率的波动范围，从而获得计及需求侧响应前提下的配电网电动汽车接纳能力。

步骤6、配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况。

步骤7、通过上述模型的计算，得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。

应用例

为进一步说明本发明，以浙江省某典型A类供电区域为例(如图3所示)来解释本发明的实际应用。

配电网对电动汽车充电负荷的接纳，通过区域内已有的充电站及分散充电桩来实现。应用例系统中现有充电站及停车场(布有充电桩)96个，电动汽车从以上地点接入配电网。通过仿真模拟，得到一天内典型时刻东部分区配电网接纳电动汽车能力的评估结果如图4所示。其中，有圆圈的点圆心的位置表示充电站或停车场在配电网的地理坐标，圆圈大小用来区分充电站或停车场的接纳能力大小，且圆圈越大，表示接纳能力越强。

根据图4，东部分区的HSDB-3、HSDB-5和HSDB-8对应的配电网区域内充电节点具有较强的电动汽车充电负荷接纳能力。这主要是因为以上供电网格中含有较多的电动汽车充电站或停车场，充电桩数多，可以接纳数量较多的电动汽车充电；同时，这部分的配电网可以承受大量电动汽车充电负荷接入带来的在电压偏移、潮流变化方面的影响。HSDB-1、HSDB-2、HSDB-4和HSDB-6网格对应的配电网区域具有一定的电动汽车充电负荷接纳能力，但总体而言不及前三个供电网格接纳能力大；而HSDB-7网格对应的配电网区域接纳电动汽车能力比较弱，其主要原因在于这一网格内的电动汽车充电桩数量较少，同时基础负荷率较大，电动汽车充电负荷的大量接入会造成配电网中变压器母线运行负载率等指标的越限，因此不具备接纳大量电动汽车的能力。表1展示了部分充电站节点在考虑需求侧响应前后电动汽车接纳能力变化。

表1考虑需求侧响应前后部分充电站节点电动汽车接纳能力变化(MW)

节点编号	未考虑需求侧响应	考虑需求侧响应	EAC增加量
				21	0.42955	0.540174	0.110624
23	0.308	0.531682	0.223682
				49	0.805	0.907786	0.102786
154	0.7	0.900885	0.200885
				222	0.175	0.518237	0.343237
321	0.21	0.385742	0.175742
				326	0.35	0.816138	0.466138
334	0.21	0.335932	0.125932
				合计	10.10122	13.54491	3.443684

由上表对比可知，计及需求侧响应后，大部分节点的电动汽车接纳能力显著上升，特别是可中断负荷比例较高的居民区，电动汽车接纳能力变化明显。而以医院为代表的供电可靠性较高的负荷所在片区由于参与需求侧响应的负荷比例较小，电动汽车接纳能力变化不大。

实施例2

本实施例提供一种配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估系统，其包括：

输入模块：输入电力系统的网架信息；

设置模块：设置充电场景及电动汽车规模；

运行模型构建模块：构建配电系统运行模型，考虑缺供电量裕度与N-1约束，计及不同种类负荷的需求侧响应对配电系统接纳电动汽车能力的影响；

潮流分析模块：配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；

评估计算及分析模块：通过计算，得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，包括：

输入电力系统的网架信息；

设置充电场景及电动汽车规模；

构建配电系统运行模型并考虑缺供电量裕度与N-1约束，同时计及不同种类负荷的需求侧响应对配电系统接纳电动汽车能力的影响；

进行配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；

通过上述配电系统运行模型的计算得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车充电需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。

2.根据权利要求1所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的配电系统运行模型考虑多时段潮流等式约束、节点电压约束、上级变电站传输功率约束和线路传输功率约束。

3.根据权利要求2所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的多时段潮流等式约束为：

采用线性化DistFlow方程来描述配电系统的节点功率平衡方程：

忽略该方程中线路的有功和无功损耗：

式中，Ω_E和Ω_CF分别为配电系统节点集合和线路集合；Ω_i为与配电系统节点i相连的节点集合；和分别为配电系统节点i在时段t内的有功负荷和无功负荷；为接入节点i的电动汽车在时段t内的有功负荷；和分别为上级电源节点i在时段t内注入的有功和无功功率；P_ij,t和Q_ij,t分别为配电线路ij在时段t内的有功和无功功率；r_ij和x_ij分别为线路ij的电阻和电抗；考虑到电网发生故障N-1时，网络拓扑会发生改变，所遵循的潮流约束也会有相应的变动，因此引入状态变量来表示线路ij的工作状态，线路ij故障时反之V_i为节点i的电压；T为总优化时间段。

4.根据权利要求3所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的节点电压约束为：

1-ε≤V_i,t/V₀≤1+ε，

式中：V_i,t和V₀分别为配电系统节点i的电压幅值和基准值；ε为电压偏差系数上限，M为一个正数，用于分离候选线路状态变量和节点电压变量；

当候选线路ij故障时，上式为松弛约束；当候选线路ij处于正常工作状态，则此时上述节点电压约束转换为下式所示形式的约束，即表明故障线路无需满足电压跌落方程，从而通过引入M的方法消除模型的非线性:

式中，Ω_EF为正常工作的配电线路集合。

5.根据权利要求3所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的上级变电站传输功率约束为：

式中：P_i ^Gmax和P_i ^Gmin分别为上级变压器i的有功传输上、下限；μ为上级变压器运行最大负载率；和分别为上级变压器i的无功传输的上、下限。

6.根据权利要求2所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的线路传输功率约束为：

式中：P_l,t和Q_l,t分别为时段t内线路l的传输有功功率和无功功率；S_Nl表示在线路l的额定容量；μ_l表示线路l的负载率；为有功功率因数；为无功功率因数。

7.根据权利要求1或2所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的配电系统运行模型，考虑配电系统接纳电动汽车能力最大为优化目标，优化目标函数表示为：

式中：P_i ^EV为接入节点i的电动汽车充电功率；Ω_c为电动汽车充电节点的个数，随研究目标的不同有两种选择，若研究全网充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为全网充电节点的数量；若研究充电站的充电负荷的最大接纳能力，则Ω_c为充电站充电节点的数量。

8.根据权利要求1或2所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，所述的考虑配电系统缺供电量裕度与N-1约束，具体包括：

可靠性的差异化需求通过设定差异化的变电站运行负载率体现，当变压器在低负载率约束下运行时，能够保证其具有一定的转供能力，保障供电的可靠性；同时低的负载率会降低变压器的利用率，造成一定的可用容量闲置，因此有必要结合缺供电量控制裕度，进一步分析配电系统在允许缺供电量范围内的电动汽车最大接纳能力。

9.根据权利要求1或2所述的配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估方法，其特征在于，对于不同负荷类型，以可中断负荷的形式设置供电功率的波动范围，从而获得计及需求侧响应前提下的配电系统电动汽车接纳能力。

10.配电系统接纳电动汽车能力的多元优化评估系统，其特征在于，包括：

输入模块：输入电力系统的网架信息；

设置模块：设置充电场景及电动汽车规模；

运行模型构建模块：构建配电系统运行模型，考虑缺供电量裕度与N-1约束，计及不同种类负荷的需求侧响应对配电系统接纳电动汽车能力的影响；

潮流分析模块：配电系统潮流分析，并判断各约束的越限情况；

评估计算及分析模块：通过计算，得到多元优化评估结果，并与已有的电动汽车需求进行对比，分析并提出配电系统规划意见。