CN109767064B - 一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,该方法是通过中值拉丁超立方采样,建立配电网节点负荷半不变量、电动汽车充电需求半不变量,利用概率潮流方法来分析配电网在给定的置信水平下的接纳能力。具有计算效率高、仿真精度高、实用性强的优点,适用于大规模电动汽车接入情况下的配电网接纳能力分析。

Description

一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法
技术领域
本发明涉及一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,属于配电网接纳电动汽车技术领域。
背景技术
目前,电动汽车以其节能、环保、低噪声的优势成为了汽车产业发展的新方向,大多数电动汽车将会直接接入配电网进行充电,由于电动汽车充电负荷的不确定性,大量电动汽车接入电网将会给电网的安全稳定运行带来新的影响,这些影响包括:配电网节点电压越限、支路电流越限、变压器过载等。其中,电压越限是电动汽车充电负荷对配电网最严重的影响,因此,基于节点电压约束,定量评估配电网对电动汽车的接纳能力对配电网运行人员监控系统运行状态,指导电动汽车发展具有重要意义。
在对配电网接纳电动汽车能力的分析中,基于半不变量法的概率潮流应用并不广泛,概率潮流可用于分析配电网接纳电动汽车能力,且具有计算速度快、精确度高的优点。现有的方法大多数采用蒙特卡洛模拟的方法来产生电动汽车的不确定性充电需求,这种方法在产生随机样本时容易缺乏全局代表性,且无法计及充电延时等对电动汽车充电需求不确定性的影响;当电动汽车规模较大时,这种基于蒙特卡洛抽样的确定性潮流算法计算速度会受到限制。另外,有些现有的方法利用小概率事件思想,认为约束条件满足正态分布的‘3σ’原则即可,这种方法只适用于电网负荷波动不大的情况,且无法准确分析电网负荷波动对接纳能力的影响。
发明内容
针对传统配电网接纳电动汽车能力评估方法的不足和缺陷,本发明专利目的是提供一种考虑电动汽车充电负荷不确定性和节点负荷不确定性,基于中值拉丁超立方采样,利用半不变量法概率潮流,在给定置信水平下,分析配电网接纳电动汽车能力的方法。该方法具有计算效率高、仿真精度高、实用性强的优点,适用于大规模电动汽车接入情况下的配电网接纳能力分析。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,包括步骤如下:
步骤1:读入配电网节点负荷参数、支路参数、电动汽车充电起始时刻荷电状态参数、充电结束时刻荷电状态参数、日行驶里程参数、充电时间概率分布参数,给定置信水平;
步骤2:初始化电动汽车规模N,建立节点负荷半不变量模型、电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型,建立配电网节点注入随机功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000021
式中
Figure BDA0001902585990000022
表示节点j的注入随机功率的ν阶半不变量,
Figure BDA0001902585990000023
表示节点j的常规负荷的ν阶半不变量,
Figure BDA0001902585990000024
表示节点j接入的电动汽车充电需求的ν阶半不变量;
步骤3:调用概率潮流计算程序,判断配电网运行约束条件是否成立,若成立,转至步骤4;否则转至步骤5。
步骤4:判断是否达到最大置信水平,若达到给定的最大置信水平,转至步骤7;如果大于最大置信水平转至步骤5,如果小于最大置信水平转至步骤6。
步骤5:减少电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000031
转至步骤3。
步骤6:增加电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000032
转至步骤3。
步骤7:输出该置信水平下配电网接入电动汽车的规模。
作为优选方案,所述建立节点负荷半不变量模型,在给定的负荷水平下,配电网节点负荷的半不变量模型建立过程如下:
2.1计算节点负荷有功、无功功率概率密度函数:
系统节点负荷有功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure BDA0001902585990000033
系统节点负荷无功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure BDA0001902585990000034
式中μp(t)和μq(t)分别表示有功功率和无功功率的期望,σp(t)和σq(t)分别表示有功功率和无功功率的标准差,p(t)和q(t)分别表示时刻t的有功功率和无功功率;
2.2采用中值拉丁超立方采样的方法,产生节点负荷的NS个随机样本,每个样本xc出现的概率为1/NS;计算节点负荷随机变量的各阶原点矩αν,公式为:
Figure BDA0001902585990000041
公式中ν代表阶数,
Figure BDA0001902585990000042
表示样本xc的ν次幂;
2.3根据中心距和原点矩的关系,配电网节点负荷的半不变量模型
Figure BDA0001902585990000043
可用下式计算
Figure BDA0001902585990000044
式中
Figure BDA0001902585990000045
表示组合数。
作为优选方案,所述电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型建立过程如下:
3.1计算电动汽车的日行驶里程:
Figure BDA0001902585990000046
式中D表示日行驶里程;μD、σD分别表示日行驶里程的均值和标准差;
3.2计算电动汽车到家时刻ta即电动汽车开始充电的时刻:
Figure BDA0001902585990000047
式中μa、σa分别表示到家时刻的均值、标准差;
3.3计算电动汽车离家时刻td即电动汽车结束充电的时刻:
Figure BDA0001902585990000048
式中μd、σd分别表示离家时刻的均值、标准差、
3.4计算到家时刻的荷电状态SOCa即电动汽车充电开始时的荷电状态:
Figure BDA0001902585990000051
式中
Figure BDA0001902585990000052
分别表示SOCa的均值、标准差;
3.5计算离家时刻的荷电状态SOCd即电动汽车充电结束时的荷电状态:
Figure BDA0001902585990000053
式中
Figure BDA0001902585990000054
分别表示SOCd的均值、标准差;
3.6利用蒙特卡洛仿真的方法产生充电起始时刻、充电结束时刻、起始荷电状态、结束荷电状态,则NEV辆电动汽车的充电需求为:
Figure BDA0001902585990000055
式中η表示充电装置的充电效率,pch表示充电功率;
3.7基于中值拉丁超立方采样,利用蒙特卡洛模拟,抽样NS次作为电动汽车充电需求的一个样本,每个样本xs出现的概率为1/NS,计算电动汽车充电负荷的各阶原点矩αν,公式如下:
Figure BDA0001902585990000056
公式中ν表示ν次幂,
Figure BDA0001902585990000057
表示样本xs的ν次幂;
3.8:根据中心距和原点矩的关系,电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型
Figure BDA0001902585990000058
可用下式计算:
Figure BDA0001902585990000061
式中
Figure BDA0001902585990000062
表示组合数。
作为优选方案,所述配电网运行约束条件如下:
Figure BDA0001902585990000063
Figure BDA0001902585990000064
Figure BDA0001902585990000065
Figure BDA0001902585990000066
式中
Figure BDA0001902585990000067
U分别表示节点电压的上限、下限;α表示给定的置信水平;Pj、Qj分别表示配电网节点负荷;yj取值为1表示接入电动汽车,否则表示未接入电动汽车;Ui、Uj分别为节点i、j的节点电压,Gji、Bji分别为节点i与j之间的电导和电纳;θij为节点i与j之间的相角差。
作为优选方案,所述配电系统为IEEE33节点配电系统。
作为优选方案,所述配电系统为IEEE69节点配电系统。
有益效果:本发明提供的一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,该方法是通过中值拉丁超立方采样,建立配电网节点负荷半不变量、电动汽车充电需求半不变量,利用概率潮流方法来分析配电网在给定的置信水平下的接纳能力。此外,利用基于半不变量法的概率潮流能显著提高接纳能力分析的计算效率。达到以下有益效果:
(1)通过中值拉丁超立方采样的方法,建立电动汽车充电需求各阶半不变量和节点负荷的各阶半不变量,利用matlab编程,可建立不同规模电动汽车的各阶半不变量、不同负荷水平的节点负荷的各阶半不变量,模型建立过程快速方便、精确度高;
(2)基于所建立的半不变量模型,利用概率潮流方法求解,计算效率高,适用于分析大规模电动汽车接入下配电网接纳电动汽车能力;
(3)工程实用性强,分析所得出的结论可为电动汽车的规模发展提供指导。
附图说明
图1是配电网接纳电动汽车能力定量评估方法流程图;
图2是IEEE33节点测试系统接线图;
图3是配电网负荷曲线;
图4是电动汽车充电需求的概率密度曲线;
图5是电动汽车充电需求的累计分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示,一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,充分考虑配电网节点负荷的不确定性和电动汽车充电需求的不确定性、配电网运行条件约束等,通过中值拉丁超立方采样,建立节点随机注入功率的半不变量,利用基于半不变量的概率潮流方法计算给定置信水平下的接纳能力,其步骤如下所示:
步骤1:读入配电网节点负荷参数、支路参数、电动汽车充电起始时刻荷电状态参数、充电结束时刻荷电状态参数、日行驶里程参数、充电时间概率分布参数,给定置信水平。
步骤2:初始化电动汽车规模N,建立节点负荷半不变量模型、电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型,建立配电网节点注入随机功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000081
式中
Figure BDA0001902585990000082
表示节点j的注入随机功率的ν阶半不变量,
Figure BDA0001902585990000083
表示节点j的常规负荷的ν阶半不变量,
Figure BDA0001902585990000084
表示节点j接入的电动汽车充电需求的ν阶半不变量。
所述建立节点负荷半不变量模型,在给定的负荷水平下,配电网节点负荷的半不变量模型建立过程如下:
2.1计算节点负荷有功、无功功率概率密度函数:
系统节点负荷有功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure BDA0001902585990000085
系统节点负荷无功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure BDA0001902585990000086
式中μp(t)和μq(t)分别表示有功功率和无功功率的期望,σp(t)和σq(t)分别表示有功功率和无功功率的标准差,p(t)和q(t)分别表示时刻t的有功功率和无功功率。
2.2采用中值拉丁超立方采样的方法,产生节点负荷的NS个随机样本,每个样本xc出现的概率为1/NS;计算节点负荷随机变量的各阶原点矩αν,公式为:
Figure BDA0001902585990000087
公式中ν代表阶数,
Figure BDA0001902585990000088
表示样本xc的ν次幂。
2.3根据中心距和原点矩的关系,配电网节点负荷的半不变量模型
Figure BDA0001902585990000091
可用下式计算
Figure BDA0001902585990000092
式中
Figure BDA0001902585990000093
表示组合数。
所述电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型建立过程如下:
3.1计算电动汽车的日行驶里程:
Figure BDA0001902585990000094
式中D表示日行驶里程;μD、σD分别表示日行驶里程的均值和标准差。
3.2计算电动汽车到家时刻ta即电动汽车开始充电的时刻:
Figure BDA0001902585990000095
式中μa、σa分别表示到家时刻的均值、标准差。
3.3计算电动汽车离家时刻td即电动汽车结束充电的时刻:
Figure BDA0001902585990000096
式中μd、σd分别表示离家时刻的均值、标准差、
3.4计算到家时刻的荷电状态SOCa即电动汽车充电开始时的荷电状态:
Figure BDA0001902585990000097
式中
Figure BDA0001902585990000101
分别表示SOCa的均值、标准差。
3.5离家时刻的荷电状态SOCd即电动汽车充电结束时的荷电状态:
Figure BDA0001902585990000102
式中
Figure BDA0001902585990000103
分别表示SOCd的均值、标准差。
3.6利用蒙特卡洛仿真的方法产生充电起始时刻、充电结束时刻、起始荷电状态、结束荷电状态,则NEV辆电动汽车的充电需求为:
Figure BDA0001902585990000104
式中η表示充电装置的充电效率,pch表示充电功率。
3.7基于中值拉丁超立方采样,利用蒙特卡洛模拟,抽样NS次作为电动汽车充电需求的一个样本,每个样本xs出现的概率为1/NS,计算电动汽车充电负荷的各阶原点矩αν,公式如下:
Figure BDA0001902585990000105
公式中ν表示ν次幂,
Figure BDA0001902585990000106
表示样本xs的ν次幂。
3.8:根据中心距和原点矩的关系,电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型
Figure BDA0001902585990000107
可用下式计算:
Figure BDA0001902585990000108
式中
Figure BDA0001902585990000109
表示组合数。
步骤3:调用概率潮流计算程序,判断配电网运行约束条件是否成立,若成立,转至步骤4;否则转至步骤5。
所述配电网运行约束条件如下:
Figure BDA0001902585990000111
Figure BDA0001902585990000112
Figure BDA0001902585990000113
Figure BDA0001902585990000114
式中
Figure BDA0001902585990000115
U分别表示节点电压的上限、下限;α表示给定的置信水平;Pj、Qj分别表示配电网节点负荷;yj取值为1表示接入电动汽车,否则表示未接入电动汽车;Ui、Uj分别为节点i、j的节点电压,Gji、Bji分别为节点i与j之间的电导和电纳;θij为节点i与j之间的相角差;
步骤4:判断是否达到最大置信水平,若达到给定的最大置信水平,转至步骤7;如果大于最大置信水平转至步骤5,如果小于最大置信水平转至步骤6。
步骤5:减少电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000116
转至步骤3。
步骤6:增加电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure BDA0001902585990000117
转至步骤3。
步骤7:输出该置信水平下配电网接入电动汽车的规模。
实施例:
某33节点配电系统如图2所示,系统负荷曲线如图3-5所示。系统线电压基准值为12.66kV,节点电压约束的下限取0.90UN,节点电压上限取1.10UN,UN表示节点电压额定值,该系统在节点17和节点27接入电动汽车,电动汽车参数如表1所示。
Figure BDA0001902585990000121
表1电动汽车参数
算例给定变电站电压分别为:1.00UN、1.025UN、1.05UN,置信水平分别取0.10、0.15,按照本发明所述分别分析配电网在t=17、t=18时的接纳能力。
经过计算,得到配电网接纳电动汽车能力如表2所示,比较不同变电站电压、不同置信水平、不同时刻、不同节点的接纳能力,可知配电网接纳电动汽车能力与变电站电压、置信水平及电动汽车充电需求接入位置有关,计算过程高效精确。
Figure BDA0001902585990000122
表2实施例的配电网接纳电动汽车能力定量分析结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,其特征在于:包括步骤如下:
步骤1:读入配电网节点负荷参数、支路参数、电动汽车充电起始时刻荷电状态参数、充电结束时刻荷电状态参数、日行驶里程参数、充电时间概率分布参数,给定置信水平;
步骤2:初始化电动汽车规模N,建立节点负荷半不变量模型、电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型,建立配电网节点注入随机功率的各阶半不变量
Figure FDA0003723082270000011
式中
Figure FDA0003723082270000012
表示节点j的注入随机功率的ν阶半不变量,
Figure FDA0003723082270000013
表示节点j的常规负荷的ν阶半不变量,
Figure FDA0003723082270000014
表示节点j接入的电动汽车充电需求的ν阶半不变量;
步骤3:调用概率潮流计算程序,判断配电网运行约束条件是否成立,若成立,转至步骤4;否则转至步骤5;
步骤4:判断是否达到最大置信水平,若达到给定的最大置信水平,转至步骤7;如果大于最大置信水平转至步骤5,如果小于最大置信水平转至步骤6;
步骤5:减少电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure FDA0003723082270000015
转至步骤3;
步骤6:增加电动汽车规模,重新建立电动汽车充电需求的各阶半不变量,并建立配电网节点注入功率的各阶半不变量
Figure FDA0003723082270000016
转至步骤3;
步骤7:输出该置信水平下配电网接入电动汽车的规模;
所述建立节点负荷半不变量模型,在给定的负荷水平下,配电网节点负荷的半不变量模型建立过程如下:
2.1计算节点负荷有功、无功功率概率密度函数:
系统节点负荷有功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure FDA0003723082270000021
系统节点负荷无功功率服从正态分布,其概率密度函数为:
Figure FDA0003723082270000022
式中μp(t)和μq(t)分别表示有功功率和无功功率的期望,σp(t)和σq(t)分别表示有功功率和无功功率的标准差,p(t)和q(t)分别表示时刻t的有功功率和无功功率;
2.2采用中值拉丁超立方采样的方法,产生节点负荷的NS个随机样本,每个样本xc出现的概率为1/NS;计算节点负荷随机变量的各阶原点矩αν,公式为:
Figure FDA0003723082270000023
公式中ν代表阶数,
Figure FDA0003723082270000024
表示样本xc的ν次幂;
2.3根据中心距和原点矩的关系,配电网节点负荷的半不变量模型
Figure FDA0003723082270000025
可用下式计算
Figure FDA0003723082270000026
式中
Figure FDA0003723082270000027
表示组合数;
所述电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型建立过程如下:
3.1计算电动汽车的日行驶里程:
Figure FDA0003723082270000031
式中D表示日行驶里程;μD、σD分别表示日行驶里程的均值和标准差;
3.2计算电动汽车到家时刻ta即电动汽车开始充电的时刻:
Figure FDA0003723082270000032
式中μa、σa分别表示到家时刻的均值、标准差;
3.3计算电动汽车离家时刻td即电动汽车结束充电的时刻:
Figure FDA0003723082270000033
式中μd、σd分别表示离家时刻的均值、标准差、
3.4计算到家时刻的荷电状态SOCa即电动汽车充电开始时的荷电状态:
Figure FDA0003723082270000034
式中
Figure FDA0003723082270000035
分别表示SOCa的均值、标准差;
3.5计算离家时刻的荷电状态SOCd即电动汽车充电结束时的荷电状态:
Figure FDA0003723082270000036
式中
Figure FDA0003723082270000037
分别表示SOCd的均值、标准差;
3.6利用蒙特卡洛仿真的方法产生充电起始时刻、充电结束时刻、起始荷电状态、结束荷电状态,则NEV辆电动汽车的充电需求为:
Figure FDA0003723082270000041
式中η表示充电装置的充电效率,pch表示充电功率;
3.7基于中值拉丁超立方采样,利用蒙特卡洛模拟,抽样NS次作为电动汽车充电需求的一个样本,每个样本xs出现的概率为1/NS,计算电动汽车充电负荷的各阶原点矩αν,公式如下:
Figure FDA0003723082270000042
公式中ν表示ν次幂,
Figure FDA0003723082270000043
表示样本xs的ν次幂;
3.8:根据中心距和原点矩的关系,电动汽车规模为N时的充电需求半不变量模型
Figure FDA0003723082270000044
可用下式计算:
Figure FDA0003723082270000045
式中
Figure FDA0003723082270000046
表示组合数;
所述配电网运行约束条件如下:
Figure FDA0003723082270000047
Figure FDA0003723082270000048
Figure FDA0003723082270000049
Figure FDA00037230822700000410
式中
Figure FDA00037230822700000411
U分别表示节点电压的上限、下限;α表示给定的置信水平;Pj、Qj分别表示配电网节点负荷;yj取值为1表示接入电动汽车,否则表示未接入电动汽车;Ui、Uj分别为节点i、j的节点电压,Gji、Bji分别为节点i与j之间的电导和电纳;θij为节点i与j之间的相角差。
2.根据权利要求1所述的一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,其特征在于:所述配电网为IEEE33节点配电系统。
3.根据权利要求1所述的一种配电网电动汽车接纳能力定量评估的概率方法,其特征在于:所述配电网为IEEE69节点配电系统。
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