CN112848946A - 一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，涉及一种分层分级的V2G配电网，该配电网包含多个变电站、多个开关站和多个环网站。本发明的方法通过收集充电桩信息，用户出行链信息，将电动车充电状态分类，然后计算各区V2G配电网容量，根据各片区的V2G配电网容量大小配置开关站和环网站，环网站和开关站将电动汽车V2G的电网容量收集汇总，作为V2G配电网的有效可调负荷使用。本发明的改进方法具有良好的电源和用户接入适应能力、灵活的站间负荷转移及平衡能力、快速的网络故障自愈能力，同时在中心城区配电网建设改造中具有良好的经济性和可实施性，为实现电动汽车V2G配电网的高质量发展、建设一流能源互联网奠定坚实基础。

Description

一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法

技术领域

本发明涉及配网优化领域，具体涉及一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法。

背景技术

在电力系统中，存在着许多不确定因素，易造成电网波动。随着越来越多的新能源接入，这样的系统不确定性进一步加大。包括负荷预测误差、光伏发电、风力发电、电动汽车充放电行为、电力系统的不同拓朴结构以及预测电价等都是造成电网波动和产生不确定因素的来源。

电动汽车的普及化使得其接入电网的数量不断增大，其总体充电负荷占所接入地区负荷的总量日益增大，加之电动汽车充电时间与空间的随机性，会给电网运行带来极大的风险。电动汽车接入对电力潮流、电能质量、继电保护、规划设计以及电力市场等诸多方面产生重大影响。首先，大规模电动汽车无序充电会造成电网出现“峰上加峰”的现象，进一步增大电网电力负荷峰谷差，使得电网稳定性降低。同时，电动汽车无序充电会增加电网的谐波含量，造成电压畸变、功率因数下降，有可能使得该地区的电能质量达不到相应的指标。因此，如何选择合理的有序充电调度策略来减小对电力系统潮流、电能质量等方面的影响至关重要。其次，电动汽车大规模化需要依赖更多的大规模电动汽车基础充电设施，包括充电桩、充电站，而这些因素目前在传统的配电网规划中尚未得到充分考虑。由于大规模的电动汽车接入配电网，其强随机性会使得整个电力系统对于稳定性、可靠性的要求相当之高，为此传统的发电机组必须留有一定的备用容量来满足增加的充电负荷，此举加重了电力系统的运行成本。最后，大规模接入的电动汽车V2G特性对于竞争自由度越来越高的电力市场也有重大的影响，主要体现在：电动汽车与电网交互技术(V2G)使得电动汽车不仅可以从电网吸收电能，也可以往电网输送电能。这种双向交互技术极大的活跃了电力市场。因此，如何运用有效的调度策略达到维持电力系统稳定、减少用户的充电成本这一“双赢”的目的是重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，它能够降低电动汽车大规模无序接入电网后对电网的影响，通过根据现有充电桩的数量和分布，设计一种分层分级的V2G配电网，引导用户去最佳的充电桩进行充电等活动。该充电改进策略具有良好的电源和用户接入适应能力、灵活的站间负荷转移及平衡能力、快速的网络故障自愈能力，同时在中心城区配电网建设改造中具有良好的经济性和可实施性，为实现智能电动汽车V2G配电网的基础技术。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，该充电方法基于的配电网为包含变电站、充电桩以及依托充电桩建立的开关站和环网站的V2G配电网，包括如下步骤：

S1：从充电桩管理人员处收集各片区的用户给V2G配电网供电开始时间、供电结束时间、V2G过程中用户提供给电网侧的电量数据；

S2：基于出行链统计电动汽车用户的出行规律，并与步骤S1中收集的充电桩的数据进行对照整合；

S3：根据S1步骤和S2步骤将电动汽车利用V2G技术给电网供电的情形分为三类，分别是一日一供电、一日两供电和一日三供电；

S4:根据S3步骤的分类，建立电动汽车利用V2G技术给电网供电的模型，计算得到各片区的V2G配电网容量；

S5：根据各片区的V2G配电网容量大小配置开关站和环网站，开关站为主要节点连接1-2个变电站，环网站为次节点，开环运行，就近连接开关站，并以开关站为电源；

S6:环网站和开关站将电动汽车V2G的电网容量收集汇总，作为V2G配电网的有效可调负荷使用。

进一步的，V2G配电网中，变电站为110kV变电站，开关站为10kV开关站，环网站为10kV环网站，变电站与开关站之间用10kV主干网电缆相连，开关站与环网站之间用10kV次级网电缆相连。

再进一步的，任意相邻的两个变电站之间通过开关站相连。

再进一步的，每个变电站与若干个开关站相连，其中两个开关站与相邻变电站的开关站相连形成连接开关站，其余开关站与环网站相连形成环网开关站。

再进一步的，每个环网开关站与至少3个环网站首尾相连，相邻的两个环网开关站通过同一个环网站连接，其余环网站不与任何开关站直接相连。

进一步的，步骤S4中计算得到各片区的V2G配电网容量的方法为：

用户的出行开始时间和出行结束时间的概率密度函数f(x₁₁)均通过式(1)得到：

式(1)中，x₁₁表示出行开始时间或者出行结束时间，x₁₁的概率分布X₁₁表示为X₁₁～N(μ₁₁,σ₁₁ ²)，μ₁₁表示x₁₁的期望，σ₁₁表示x₁₁的标准差；

行驶里程的概率密度函数f(x₁₂)通过式(2)得到：

式(2)中，x₁₂表示行驶里程，x₁₂的对数概率分布ln(X₁₂)表示为ln(X₁₂)～N(μ₁₂,σ₁₂ ²)，μ₁₂表示ln(X₁₂)的平均值，σ₁₂表示ln(X₁₂)的标准差；

设随机变量

为1时，表示电动汽车正在给电网供电；随机变量

为0时，表示电动汽车还未开始给电网供电，其概率满足下式：

式(3)、式(4)中，

为一天中的某时刻t₀的随机变量；t₀表示一天中的某时刻；s表示充电起始时刻；t_c表示供电时长；P表示概率；

为供电开始时刻和供电时长的联合概率分布函数，假设这2个随机变量相互独立，则

其中F_S、

分别为供电开始时刻和供电时长的概率分布函数，电动汽车在一天中某时刻t0的供电功率为

则

的概率分布满足下式：

式(5)、式(6)中，

为t₀时刻的功率；

为t₀的随机变量；P_c为供电功率；P₀为供电额定功率，

根据上述内容电动汽车供电模型，利用蒙特卡洛算法得到各片区的V2G配电网容量。

本发明的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)本发明利用主干网电缆和次级网电缆，将现有的各片区充电桩连接起来，并根据V2G电网容量进行分层分级，依托多个环网站和开关站，不仅将少部分电动汽车V2G的电网容量集中起来，作为配电网的有效可调负荷使用，还能提高电力系统的稳定性；

2)本发明可以通过补贴等方式引导用户有序接入V2G配电网中，使不同需求的用户受益，也为电网的稳定性提供一定支撑能力，为实现电动汽车V2G配电网的高质量发展奠定基础。

附图说明

图1为本发明的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法的V2G配电网结构示意图；

图2为电动汽车简单出行链示意图；

图3为电动汽车复杂出行链示意图；

图4为本发明的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法的电动汽车供电功率计算流程图；

图5为某电动汽车停车场电动汽车日平均V2G充电功率曲线图；

图6为某居民小区电动汽车日平均V2G充电功率曲线图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，为本发明所基于的V2G配电网拓扑实施方式的示意图。优化后的V2G配电网由110kV变电站1、10kV主干网电缆2、10kV开关站3、10kV环网站4和10kV次级网电缆5组成。其中，10kV开关站3和10kV环网站4的选定，主要影响因素是该片区的V2G配电网容量，V2G配电网容量较大的片区设为开关站3，开关站3将通过主干网电缆2直接与变电站1相连；V2G配电网容量较小的片区设为环网站4，环网站4之间通过10kV次级网电缆5单向相连，构成开环环路，并与最近的开关站3通过10kV次级网电缆5首尾相连。

10kv开关站3作为主要节点，连接1-2个110kv变电站1，这样保证了一处变电站出现故障后，可通过另两处变电站对其进行暂时供电，进而增加电力系统的稳定性。10kv环网站4作为次级节点，一个开关站与四个环网站构成回路，且其中有两个环网站作为首尾节点，与两个开关站相连，这样不仅可以将少部分电动汽车V2G的电网容量集中起来，作为配电网的有效可调负荷使用，还能在一个开关站遇到故障时，通过环网站将另两个的开关站对其进行暂时供电，进一步增加电力系统的稳定性。

本发明的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法具体包括如下步骤：

S1：从充电桩管理人员处收集各片区的用户给V2G配电网供电开始时间、供电结束时间、V2G过程中用户提供给电网侧的电量数据。

S2：基于出行链统计电动汽车用户的出行规律，并与步骤S1中收集的充电桩的数据进行对照整合。请参阅图2和图3,用户的单日出行地点可划分为家(H)、工作场所(W)、社交场所(SO)、购物场所(SH)和其他场所(O)。当用户为简单出行链时，一般认为用户从家(H)出发，在其他四场所之一进行停车并接入V2G配电网，最终又回到家(H)并接入V2G配电网，这一过程构成了一条完整的简单出行链。当用户为复杂出行链时，一般认为用户从家出发，到达目的地1后进行停车并接入V2G配电网，之后从目的地1出发，前往目的地2后停车并接入V2G配电网，最终从目的地2出发，回到家(H)中并接入V2G配电网，这一过程构成了一条完整的复杂出行链。

S3：根据S1步骤和S2步骤将电动汽车利用V2G技术给电网供电的情形分为三类，分别是一日一供电、一日两供电和一日三供电。根据S2步骤可得，电动汽车一日一供的时间主要集中于20-22时，一日二供的时间主要集中于3-5时和20-22时，一日三供的时间主要集中于3-5时、12-14时以及20-22时。

S4:根据S3步骤的分类，建立电动汽车利用V2G技术给电网供电的模型，并利用蒙特卡洛算法计算得到各片区的V2G配电网容量。

请参阅图4，为了得到某片区的电动汽车供电功率曲线，首先需要设置各类电动汽车的总量N，通过概率密度函数生成日随机里程数及电动汽车接入V2G配电网时的起始荷电量，通过蒙特卡洛算法生成起始供电时间和供电持续时间，最后通过不断叠加各电动汽车的供电功率曲线，得到输出供电功率曲线。

用户的出行开始时间和出行结束时间的概率密度函数f(x₁₁)均通过式(1)得到：

式(1)中，x₁₁表示出行开始时间或者出行结束时间，x₁₁的概率分布X₁₁表示为X₁₁～N(μ₁₁,σ₁₁ ²)，μ₁₁表示x₁₁的期望，σ₁₁表示x₁₁的标准差。

进一步，所述步骤S4中，行驶里程的概率密度函数f(x₁₂)通过式(2)得到：

式(2)中，x₁₂表示行驶里程，x₁₂的对数概率分布ln(X₁₂)表示为ln(X₁₂)～N(μ₁₂,σ₁₂ ²)，μ₁₂表示ln(X₁₂)的平均值，σ₁₂表示ln(X₁₂)的标准差。

所述步骤S4中，设随机变量

为1时，表示电动汽车正在给电网供电；随机变量

为0时，表示电动汽车还未开始给电网供电，其概率满足下式：

式(3)、式(4)中，

为一天中的某时刻t₀的随机变量；t₀表示一天中的某时刻；s表示充电起始时刻；t_c表示供电时长；P表示概率；

为供电开始时刻和供电时长的联合概率分布函数。假设这2个随机变量相互独立，则

其中F_S、

分别为供电开始时刻和供电时长的概率分布函数。电动汽车在一天中某时刻t0的供电功率为

则

的概率分布满足下式：

式(5)、式(6)中，

为t₀时刻的功率；

为t₀的随机变量；P_c为供电功率；P₀为供电额定功率。

根据上述内容建立电动汽车供电模型，利用蒙特卡洛算法得到各片区的V2G配电网容量。

S5：根据各片区的V2G配电网容量大小配置开关站和环网站，开关站为主要节点连接1-2个变电站，环网站为次节点，开环运行，就近连接开关站，并以开关站为电源。

S6:环网站和开关站将电动汽车V2G的电网容量收集汇总，作为V2G配电网的有效可调负荷使用。通过用户端APP可以实时查询用户附近是否需要接入V2G配电网，通过补贴等方式引导用户接入V2G配电网，达到“削峰填谷”的效果，提高电力系统的稳定性。

下面以一个具体实施例来进一步阐述本发明的改进策略。

步骤1：以2009年全美家庭出行调查统计结果,提取私家车一天内的开始时间、结束时间和行驶里程来研究电动汽车的运行特性。如图5所示，某电动汽车停车场的电动汽车参与V2G充电。电动汽车的参数信息如表1所示，车辆总数为600辆，车型数量各占总数的三分之一。

表1 3种电动汽车电池参数比较

步骤2：设电动汽车接入V2G配电网后一日一供占30％，一日二供占40％，一日三供占30％。设不同电动汽车的随机里程数以10km进行抽取，起始充电时间以2小时为单位进行抽取，起始电荷量以0.1KWh为单位进行抽取。

步骤3：通过不断叠加600辆电动汽车的供电功率曲线，最终可得到该电动汽车停车场电动汽车日平均V2G充电功率曲线(图5)。

步骤4：对车辆数量为210辆某居民小区进行上述步骤，同样车型数量各占总数的三分之一，且该小区与上述停车场的地理位置较近，得到该居民小区电动汽车日平均V2G充电功率曲线(图6)。

比较图5和图6可以看出，居民小区的供电功率比停车场的供电功率要少，但居民小区的输出功率在3-5时和20-22时较为平稳。可以将该停车场设为开关站，将居民小区设为与停车场相连的环网站，该小区用户可以根据两地实时的V2G配电网容量，由充电APP进行引导，用户自由选择在小区内或停车场接入V2G配电网，从而进一步维护V2G配电网的稳定性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，该充电方法基于的配电网为包含变电站、充电桩以及依托充电桩建立的开关站和环网站的V2G配电网，其特征在于包括如下步骤：

S1：从充电桩管理人员处收集各片区的用户给V2G配电网供电开始时间、供电结束时间、V2G过程中用户提供给电网侧的电量数据；

S2：基于出行链统计电动汽车用户的出行规律，并与步骤S1中收集的充电桩的数据进行对照整合；

S3：根据S1步骤和S2步骤将电动汽车利用V2G技术给电网供电的情形分为三类，分别是一日一供电、一日两供电和一日三供电；

S4:根据S3步骤的分类，建立电动汽车利用V2G技术给电网供电的模型，计算得到各片区的V2G配电网容量；

S5：根据各片区的V2G配电网容量大小配置开关站和环网站，开关站为主要节点连接1-2个变电站，环网站为次节点，开环运行，就近连接开关站，并以开关站为电源；

S6:环网站和开关站将电动汽车V2G的电网容量收集汇总，作为V2G配电网的有效可调负荷使用。

2.根据权利要求1所述的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，其特征在于：V2G配电网中，变电站为110kV变电站，开关站为10kV开关站，环网站为10kV环网站，变电站与开关站之间用10kV主干网电缆相连，开关站与环网站之间用10kV次级网电缆相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，其特征在于：任意相邻的两个变电站之间通过开关站相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，其特征在于：每个变电站与若干个开关站相连，其中两个开关站与相邻变电站的开关站相连形成连接开关站，其余开关站与环网站相连形成环网开关站。

5.根据权利要求4所述的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，其特征在于：每个环网开关站与至少3个环网站首尾相连，相邻的两个环网开关站通过同一个环网站连接，其余环网站不与任何开关站直接相连。

6.根据权利要求1所述的一种基于优化配电网分布的电动汽车充电桩充电改进方法，其特征在于：步骤S4中计算得到各片区的V2G配电网容量的方法为：

用户的出行开始时间和出行结束时间的概率密度函数f(x₁₁)均通过式(1)得到：

式(1)中，x₁₁表示出行开始时间或者出行结束时间，x₁₁的概率分布X₁₁表示为X₁₁～N(μ₁₁,σ₁₁ ²)，μ₁₁表示x₁₁的期望，σ₁₁表示x₁₁的标准差；

行驶里程的概率密度函数f(x₁₂)通过式(2)得到：

式(2)中，x₁₂表示行驶里程，x₁₂的对数概率分布ln(X₁₂)表示为ln(X₁₂)～N(μ₁₂,σ₁₂ ²)，μ₁₂表示ln(X₁₂)的平均值，σ₁₂表示ln(X₁₂)的标准差；

设随机变量

为1时，表示电动汽车正在给电网供电；随机变量

为0时，表示电动汽车还未开始给电网供电，其概率满足下式：

式(3)、式(4)中，

为一天中的某时刻t₀的随机变量；t₀表示一天中的某时刻；s表示充电起始时刻；t_c表示供电时长；P表示概率；

为供电开始时刻和供电时长的联合概率分布函数，假设这2个随机变量相互独立，则

其中F_S、

分别为供电开始时刻和供电时长的概率分布函数，电动汽车在一天中某时刻t0的供电功率为

则

的概率分布满足下式：

式(5)、式(6)中，

为t₀时刻的功率；

为t₀的随机变量；P_c为供电功率；P₀为供电额定功率，

根据上述内容电动汽车供电模型，利用蒙特卡洛算法得到各片区的V2G配电网容量。

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