CN113595062A - 一种基于电动工程车的配电网保供电方法 - Google Patents

一种基于电动工程车的配电网保供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电动工程车的配电网保供电方法，该方法包括下述步骤：结合检修环境、类型、影响用户程度的历史数据和电动汽车市场情况，配置不同规模、车型、电池容量的电动汽车作为电动工程车；预设电动工程车充电方式；根据电动工程车出行抢检修和停电负荷需求，建立电动工程车优化调度模型；结合电动工程车荷电状态、路况信息，采用模拟退火算法规划最优的行驶路线；电动工程车电源接入用户低压配电系统，电动工程车电源切换到逆变放电模式向负荷供电；根据电网公司调度中心预测的停电区域负荷曲线，计算设定约束下最小功率偏差，计算最优电动工程车电池输出功率。本发明有利于保障用户在停电期间的电能需求，从而提高配电网供电可靠性。

Description

一种基于电动工程车的配电网保供电方法
技术领域
本发明涉及配电网的保供电技术领域，具体涉及一种基于电动工程车的配电网保供电方法。
背景技术
随着电气化和智能化的发展，电力在建设和发展领域扮演着极其重要的角色。但是在生活中，用户停电的可能性总是存在的。目前，提高低压配电网供电可靠性的措施主要包括：提高配电网自动化水平、完善配电网架构、采用变电亭或箱式变压器替代杆架式配电变压器、配置用户侧储能设备、发电车保供电等。上述方案的部分措施规模大、成本高，短时间内难以完全实现；而对于发电车而言，供电部门均有配备，但由于其外形大，难以深入狭小街区，使用场景有限。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于电动工程车的配电网保供电方法，使用电动工程车对受到影响的部分用户提供电力，可以缩小故障范围，有利于保障用户在停电期间的电能需求，从而提高配电网的供电可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种基于电动工程车的配电网保供电方法，包括下述步骤：
结合检修环境、类型、影响用户程度的历史数据和电动汽车市场情况，配置不同规模、车型、电池容量的电动汽车作为电动工程车；
预设电动工程车充电方式；
根据电动工程车出行抢检修和停电负荷的需求，建立电动工程车优化调度模型；
结合电动工程车的荷电状态、路况信息，采用模拟退火算法规划最优的行驶路线；
电动工程车的电源接入用户低压配电系统，电动工程车的电源切换到逆变放电模式向负荷供电；
根据电网公司调度中心预测得到的停电区域负荷曲线，计算设定约束下最小功率偏差，计算最优的电动工程车电池输出功率。
作为优选的技术方案，所述预设电动工程车充电方式，具体采用慢充和快充结合的方式，设定充电模式切换的电量阈值，低于设定的电量阈值时，采用快充方式充电至电量阈值临界值，高于设定的电量阈值时，采用慢充方式充电至下次出动任务或者电量达到设置的上限值。
作为优选的技术方案，所述建立电动工程车优化调度模型，具体计算公式为：
min n
约束条件为：
Figure BDA0003153918540000021
其中，Ci表示第i种电动工程车能够提供的电量，ni表示每次接入电网的第i种电动工程车的数量，ki表示整个过程第i种电动工程车因电池容量限制而需要出动的次数，Pi表示第i种电动工程车的最大放电功率，L为停电负荷大小，k为电动工程车实际放电功率占最大放电功率的百分比，T为预期停电时间，i为第i种电动工程车类型，ni,min、ni,max分别为第i种电动工程车的最小、最大数量；ki,min、ki,max分别为第i种电动工程车的最小、最大出动次数。
作为优选的技术方案，所述采用模拟退火算法规划最优的行驶路线，具体步骤包括：
设置随机路径初解x0、初始温度T0、衰减系数K、终止温度阈值Tth；
采用交换法得到一个新的行驶路线pi+1与运行总路程Si+1；
若Si+1-Si≤0，则将pi+1作为新解，代入原有计算步骤继续迭代求解；
若Si+1-Si＞0，则以
Figure BDA0003153918540000031
的概率接受pi+1作为新解，否则仍以pi作为下一次迭代的解；
从T0开始，按T(i+1)＝KT(i)缓慢降低温度，不断重复迭代过程，直至温度T＝Tth时终止计算，并输出最优解，得到电动工程车最优路线结果。
作为优选的技术方案，所述电动工程车的电源接入用户低压配电系统，采用快速拔插连接器、出线电缆和便携式接入装置进行连接；
所述电动工程车连接快速拔插连接器，所述快速拔插连接器连接出线电缆，所述出线电缆连接便携式接入装置，所述便携式接入装置连接用户低压配电系统的低压配电变压器。
作为优选的技术方案，所述计算最优的电动工程车电池输出功率，具体步骤包括：
Figure BDA0003153918540000032
约束条件为：
Figure BDA0003153918540000041
其中，L(t)表示电网公司调度中心预测得到的停电区域负荷曲线，Pmax、Pmin分别电动工程车电池的最大、最小输出功率，Δt为时间间隔。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明为探索配电网保供电方法，提出了一种基于电动工程车的配电网保供电方法，结合电动工程车特性，提出了一套从车辆配置到反向送电的配电网供电可靠性提升方案，为供电部门提高供电可靠性方法的制定提供了参考。
(2)本发明通过电动工程车作为移动电源在停电时为受影响用户送电，相较于传统的未配置电动工程车的检修方案，有效地提高了用户的供电可靠性。对供电部门而言，提高了经济效益和检修效率；对用户而言，提高了用电水平和用电体验，以电动工程车替代传统的燃油工程车和发电车，并以体积较小的小轿车型和SUV型的电动工程车替代大型的电动工程车，可以深入大部分街道，确保供电到位。
附图说明
图1为本发明基于电动工程车的配电网保供电方法的流程示意图；
图2为本发明电动工程车确定最优行驶路线中计算得到的线路示意图；
图3为本发明电动工程车接入配电网装置的结构图；
图4为本发明电动工程车接入低压侧配电网的示意图；
图5为本发明电动工程车与配电网的连接线的简化示意图；
图6为本发明电动工程车到达作业现场后接入配电网的流程图；
图7为本发明配电网放射状接线图；
图8为本发明电动工程车蓄电池SOC的示意图。
其中，1-铜鼻子，2-绝缘套，3-电缆，4-电流钳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种基于电动工程车的配电网保供电方法，针对突发的或者计划的停电事件下达作业计划；终端接受作业任务，根据故障情况的分析，确定所要出动的电动工程车的类型和数量；通过导航软件分析事故发生地点和供电部门之间的距离和路况，确定最优的行驶路线；进行检修作业期间，以电动工程车作为移动电源通过接口装置接入配电网，为用户提供一段时间的小功率用电。本实施例通过电动工程车作为移动电源在停电时为受影响用户送电，相较于传统的未配置电动工程车的检修方案，有效地提高了用户的供电可靠性。对供电部门而言，提高了经济效益和检修效率；对用户而言，提高了用电水平和用电体验。
具体包括下述步骤：
S1：结合检修环境、类型、影响用户程度等历史数据和电动汽车市场情况，考虑经济效益，配置不同规模、车型、电池容量的电动汽车作为电动工程车；
考察电动汽车产业和市场现状，以及对电动工程车蓄电池能量密度高、电池寿命长、稳定性和安全性兼优的要求，多规格的电动工程车可以选择轿车车型和SUV车型，电池种类主要选用三元锂电池和刀片电池，能满足一般作业情况下的行驶电能损耗，且还能留有较多的电量提供电能。本实施例可以结合采购电动工程车的资金、所管辖区域内的道路水平和负荷水平及其分布情况、每次外出作业时所需要运载的设备以及人员的数量等各因素配备不同规格的电动工程车。
S2：预设电动工程车充电方式，电动工程车执行充电工作，等待作业指令下达；
由于电动工程车不仅是出动作业时的代步工具和运输工具，而且还需要留有一定的电量作为移动电源在停电时为停电负荷提供电能。考虑到一天之内多次安排作业班组进行检修工作以及使用电动工程车为停电负荷供电的概率较小，因此电动工程车选择慢充和快充结合的方式。当电动工程车返程后开始充电，并且按照剩余电量是否达到60％来选择充电的方式，低于60％选择快充方式充电至60％，高于60％时选择慢充方式充电至下次出动任务或者电量达到上限的时候。
S3：针对不同性质的作业，即预安排停电和故障停电，初步确定停电地点，并分析停电事故的地点环境和影响规模，建立电动工程车优化调度模型，确定出动相应类型和合适数量的电动工程车进行检修工作；
在本实施例中，建立电动工程车优化调度模型，具体计算公式为：
min n
Figure BDA0003153918540000061
其中，Ci表示第i种电动工程车能够提供的电量，ni表示每次接入电网的第i种电动工程车的数量，ki表示整个过程第i种电动工程车因电池容量限制而需要出动的次数，Pi表示第i种电动工程车的最大放电功率，L为停电负荷大小；k为电动工程车实际放电功率占最大放电功率的百分比；T为预期停电时间；i为第i种电动工程车类型，ni,min、ni,max分别为第i种电动工程车的最小、最大数量；ki,min、ki,max分别为第i种电动工程车的最小、最大出动次数；
在本实施例中，假定所配备的电动工程车类型为轿车车型和SUV车型，其具有不同的最大放电功率，分别为20kW和30kW；
依据下式求取需要出动电动工程车的最少总车次，即最小的n值，根据电动工程车出行抢检修和停电负荷的需求，建立优化调度模型为：
min n
Figure BDA0003153918540000071
其中，C1、C2分别为轿车型、SUV型电动工程车能够提供的电量；n1、n2分别为每次接入电网的轿车型、SUV型电动工程车的数量；k1、k2分别表示整个过程轿车型、SUV型电动工程车因电池容量限制而需要出动的次数；L为停电负荷大小；k为电动工程车实际放电功率占最大放电功率的百分比；T为预期停电时间；i为第i种电动工程车类型，其中，1代表小轿车型，2代表SUV型；ni,min、ni,max分别为第i种电动工程车的最小、最大数量；ki,min、ki,max分别为第i种电动工程车的最小、最大出动次数。
现举例说明如下：某次作业任务中，某条馈线因供电干线故障导致了80kW的负荷停电，预期停电时间T需要3小时，且C1＝60kW·h，C2＝80kW·h，n1,min和n2,min均为0，n1,max和n2,max均为5，k1,min和k2,min均为1，k1,max和k2,max均为3，建立优化调度模型为：
min n
Figure BDA0003153918540000081
本实施例基于Matlab平台Yalmip工具箱和Cplex求解器，经过对上述优化调度模型的最优值求解，得到最优方案n1＝0，n2＝3，k1＝1，k2＝1，则n＝3，即确定一次性出动3辆SUV型电动工程车，可以在满足供电要求的情况下，使得总的出动车次最少。
可在上式的基础上，考虑实际的停电区域的用户数量和性质、停电区域的线路情况、检修地点和供电部门的路程和路况、作业人员的数量、检修设备的运载等实际情况灵活配置电动工程车的类型和数量。
S4：出行前和出行中，结合电动工程车的荷电状态(State of Charge,SOC)情况，采用导航软件分析事故发生点和供电部门之间的路线和路况，在行驶前和行驶中确定最优的规划路线；
现举例说明如下：某次作业任务中，所要经过的节点及其坐标如下表1所示。
表1电动工程车作业必经节点
Figure BDA0003153918540000082
Figure BDA0003153918540000091
接收到指派的作业任务后，考虑电动工程车的SOC、路况等情况，结合导航软件查找出行路线中必经的节点(如故障排查节点、长途作业任务中充电桩节点)。一般情况下，上述的每个节点只经过一次，因此问题可转换成确认一条经过各必经节点仅一次的最短出行路线。则其优化目标数学表达式为：
Figure BDA0003153918540000092
其中，xi为两个节点之间的直线距离；N为各个节点之间路程的总段数，若考虑到返程的情况，则N也是节点数量。
本实施例采用模拟退火算法求解电动工程车的最优路径。模拟退化算法中设置随机路径为初解x0、初始温度T0为104、衰减系数K为0.99，终止温度阈值Tth为10-4。
首先使用交换法得到一个新的行驶路线pi+1与运行总路程Si+1，通过比较Si+1-Si是否大于零，决定是否接受pi+1作为新解，若Si+1-Si≤0，则将pi+1作为新解，代入原有计算步骤继续迭代求解；若Si+1-Si＞0，则以
Figure BDA0003153918540000093
Figure BDA0003153918540000101
的概率接受pi+1作为新解，否则仍以pi作为下一次迭代的解。从T0开始，按T(i+1)＝KT(i)缓慢降低温度，不断重复上述迭代过程，直至温度T＝Tth时终止计算，并输出最优解。如图2所示，得到电动工程车最优路线结果。
S5：到达停电现场进行检修，找出被迫停电的用户所对应的配电室，将电动工程车作为移动电源接入其负荷用户的低压母排；
在本实施例中，将电动工程车的电源接入用户低压配电系统，包括配置接入装置、确定出线电缆的配置、确定电动工程车的接入方式等步骤；
S51：配置接入装置
为兼顾大部分用户的用电需求和提高工作效率，采用现有的灵活接入方式，本实施例采用当前现有的便携式接入装置，如图3所示，该装置主要是由铜鼻子1、绝缘套2、电缆3、电流钳4四个部分组成。其中，电流钳4采用工业用钳改造，钳身全绝缘包裹，最大能够通过800A电流，接口接面经过打磨，可以轻松接入用户低压母排。电流钳4、电缆3和铜鼻子1采用一体压接，全长100cm左右。电缆柔软且可以弯曲，电缆的其中一节配备可拉伸绝缘套，以便将接入装置与电动工程车电缆对接时，用绝缘套2包裹，防止连接部位裸露在外产生误碰危险。
S52：确定出线电缆的配置
由于所配备的电动工程车由轿车车型和SUV车型组成，供电电源为自身的电池，不需要发电机，所以其体积小于一般发电车，能够出入大部分街道、居民小区等。相较于普通发电车，其供电的功率也较低，所以其出线电缆并不需要特殊的定制，只需配备一般的0.4kV发电车的电源出线即可。由于电动工程车的车型不同，其车内空间、马力和载重量会有差异，因此可根据不同车型来配置不同长度的电缆，本实施例中，轿车车型配置10米出线电缆，SUV车型配置30米出线电缆。
S53：确定电动工程车的接入方式
如图4所示，电动工程车内部配置逆变模块，引出三相四线。在现场接好线后只需要切换到逆变放电模式，接入低压配电变压器的低压侧，即可向负荷供电。
如图5所示，快速拔插连接器、出线电缆、便携式接入装置的连接关系为：电动工程车--快速拔插连接器--出线电缆--便携式接入装置--低压配电变压器。
电动工程车的出线侧采用IP68防护级别快速拔插连接器，连接用户侧的电缆端头上采用上述的便携式接入装置，即可实现电缆在工程车侧和用户侧即插即用的效果，方便作业人员的操作。
如图6所示，采用便携式接入装置的接入方式具体步骤如下：首先，需要分闸高低压进线开关，挂地线；其次，查找低压母排螺栓的位置，敷设好电缆；最后，将电动工程车的出线通过快速拔插连接器接入电缆，电缆的另一端连接到便携式接入装置的铜鼻子，作业人员做好绝缘防护即可手握接入装置，将电流夹入低压母排，确认无误后便可向用户供电。
S6：根据停电用户的数量和预测用电量，按照电动工程车的放电功率为用户分配电能，维持用户一段时间的小功率用电。
为使得电动工程车的出力与停电负荷的偏差尽量小，应根据电网公司调度中心预测得到的停电区域负荷曲线L(t)，结合电动工程车SOC、电池容量、有功出力等约束，根据下式确定符合要求的最小功率偏差ΔP，以确定最优的电动工程车电池输出功率P(t)。
Figure BDA0003153918540000111
Figure BDA0003153918540000121
其中，Pmax、Pmin分别电动工程车电池的最大、最小输出功率；Δt为时间间隔，本实施例取为0.5小时。
现举例说明如下：如图7所示，在小型配电网中，因线路故障导致负荷2发生停电，现使用电池容量C为70kW·h的小轿车型电动工程车为负荷2至少连续供电3小时，结合电动工程车的行驶路线制定了SOC下限值m为20％。基于停电区域负荷历史数据，电网公司调度中心预测得到在电动工程车执行任务的3小时内负荷2的负荷曲线，如下表2所示。
表2负荷2预测负荷曲线参数表
t/h 0～0.5 0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～2.5 2.5～3.0
L(t)/kW 15 20 25 20 22 18
将数据代入上式，经最优化计算，得到电动工程车不同时刻的输出功率，如下表3所示，且其平均输出功率为P＝18.67kW，得到最小功率偏差ΔP＝8kW，最小电量偏差ΔW＝4kW·h。
表3电动工程车放电功率曲线参数表
t/h 0～0.5 0.5～1.0 1.0～1.5 1.5～2.0 2.0～2.5 2.5～3.0
P(t)/kW 15 20 20 20 19 18
作业完成，作业班组进行返程，如图8所示，得到电动工程车蓄电池SOC情况。
在本实施例中，采用故障模式后果分析法，通过评估电动工程车对于电力系统配电网供电可靠性的影响从而说明本发明的可行性。本发明采用元件可靠性指标中的故障率λ、故障平均持续时间r以及系统可靠性指标中的每年用户停电次数(ACI)、用户停电持续总时间(CID)、系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)、平均供电可用率(ASAI)比较。
本实施例选择一种典型的结构即单端供电、多分段、配备备用电源的放射状结构，如图7所示，考虑备用电源的载荷能力，用负荷转移概率来描述，并设为0.5，图中QF为断路器，QS1、QS2、QS3为隔离开关，F1、F2、F3为熔断器，左边MS为母线，右边AS为备用电源。同时，假定出动一台SUV车型的电动工程车，电池容量选为100kW·h，最大放电功率可达30kW，电量最少保留10％，并考虑一般出动任务行驶消耗10kW·h，则可以保留80kW·h可供放电使用。
本实例假设用户负荷1平均用电功率为0.5kW，负荷2平均用电功率为1kW，负荷3平均用电功率为2kW。发生停电期间，普通居民用户用电功率根据用户数的不同设定不同值，但总功率数值不会超过电动工程车输出的最大功率。本实施例只考虑线路故障，相关可靠性计算参数如表4所示。
表4相关可靠性计算参数表
Figure BDA0003153918540000131
分别考虑配电网中是否加入电动工程车保供电措施，基于故障模式后果分析法，列举并分析配电网电力元件所有可能的故障及其产生的后果，例如：供电干线2km发生故障，则母线断路器QF断开，主电源MS停止供电；然后手动分开隔离开关QS1，手动合上隔离开关QS3，接入备用电源AS，则负荷2和负荷3可以恢复供电，而负荷1处于停电状态直至故障处理修复完成后复电，停电时长为3小时。如此类推，列出所有可能的情况及其后果，通过基于故障模式后果分析法的配电网供电可靠性计算过程，有无电动工程车的供电可靠性指标差异如下表5所示：
表5有无电动工程车的供电可靠性指标对比
Figure BDA0003153918540000141
可以看出，采用本发明可以提高配电网供电可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，包括下述步骤：
结合检修环境、类型、影响用户程度的历史数据和电动汽车市场情况，配置不同规模、车型、电池容量的电动汽车作为电动工程车；
预设电动工程车充电方式；
根据电动工程车出行抢检修和停电负荷的需求，建立电动工程车优化调度模型；
结合电动工程车的荷电状态、路况信息，采用模拟退火算法规划最优的行驶路线；
电动工程车的电源接入用户低压配电系统，电动工程车的电源切换到逆变放电模式向负荷供电；
根据电网公司调度中心预测得到的停电区域负荷曲线，计算设定约束下最小功率偏差，计算最优的电动工程车电池输出功率。
2.根据权利要求1所述的基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，所述预设电动工程车充电方式，具体采用慢充和快充结合的方式，设定充电模式切换的电量阈值，低于设定的电量阈值时，采用快充方式充电至电量阈值临界值，高于设定的电量阈值时，采用慢充方式充电至下次出动任务或者电量达到设置的上限值。
3.根据权利要求1所述的基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，所述建立电动工程车优化调度模型，具体计算公式为：
min n
约束条件为：
Figure FDA0003153918530000021
其中，Ci表示第i种电动工程车能够提供的电量，ni表示每次接入电网的第i种电动工程车的数量，ki表示整个过程第i种电动工程车因电池容量限制而需要出动的次数，Pi表示第i种电动工程车的最大放电功率，L为停电负荷大小，k为电动工程车实际放电功率占最大放电功率的百分比，T为预期停电时间，i为第i种电动工程车类型，ni，min、ni，max分别为第i种电动工程车的最小、最大数量；ki，min、ki，max分别为第i种电动工程车的最小、最大出动次数。
4.根据权利要求1所述的基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，所述采用模拟退火算法规划最优的行驶路线，具体步骤包括：
设置随机路径初解x0、初始温度T0、衰减系数K、终止温度阈值Tth；
采用交换法得到一个新的行驶路线pi+1与运行总路程Si+1；
若Si+1-Si≤0，则将pi+1作为新解，代入原有计算步骤继续迭代求解；
若Si+1-Si＞0，则以
Figure FDA0003153918530000022
的概率接受pi+1作为新解，否则仍以pi作为下一次迭代的解；
从T0开始，按T(i+1)＝KT(i)缓慢降低温度，不断重复迭代过程，直至温度T＝Tth时终止计算，并输出最优解，得到电动工程车最优路线结果。
5.根据权利要求1所述的基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，所述电动工程车的电源接入用户低压配电系统，采用快速拔插连接器、出线电缆和便携式接入装置进行连接；
所述电动工程车连接快速拔插连接器，所述快速拔插连接器连接出线电缆，所述出线电缆连接便携式接入装置，所述便携式接入装置连接用户低压配电系统的低压配电变压器。
6.根据权利要求1所述的基于电动工程车的配电网保供电方法，其特征在于，所述计算最优的电动工程车电池输出功率，具体步骤包括：
Figure FDA0003153918530000031
约束条件为：
Figure FDA0003153918530000032
其中，L(t)表示电网公司调度中心预测得到的停电区域负荷曲线，Pmax、Pmin分别电动工程车电池的最大、最小输出功率，Δt为时间间隔。
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