CN114006390B - 一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法及系统，包括：城市电网运行模块进行电网运行长过程动态模拟并下发控制指令；交通仿真模块基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；电动汽车充电负荷仿真模块基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据城市电网运行模块下发的控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略。本发明分析了“车‑桩‑路‑网”融合的信息交互机制，可实现电动汽车充电负荷参与电网互动精准仿真。

Description

一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法及系统

技术领域

本发明属于电力系统调度控制技术领域，涉及一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法及系统。

背景技术

电动汽车的普及对于节能减排、能源安全和可持续发展等方面具有重要战略意义。电动汽车的分布式移动储能特性使得它成为未来智能电网中一类较为特殊的负荷，但大规模电动汽车的无序接入势必会对电力系统规划运行产生不可忽视的影响，涉及发、输、配等各个环节。

电动汽车充电特性在时间和空间上受到车主的行车习惯、电动汽车动力电池特性以及电动汽车与电网交互模式等多方面因素影响。如果在用电低谷对电动汽车充电，可以减少电网峰谷差，提高配电系统设施的实际利用率，给电网带来正面影响；但如果无序随机充电，则有可能导致新的用电高峰，加重供电系统的负担。

大量电动汽车充电也将改变配电网负荷结构和特性，传统的城市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，负荷分布改变可能引起部分时段局部配电变压器过载，电网潮流分布改变将造成网络损耗的变化和网络阻塞状况的变化。

因此，面向“车-桩-路-网”融合的信息交互的电动汽车充电负荷参与电网互动特性将成为重点研究内容。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法及系统，构建电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，提出交通仿真和电网仿真方法，分析“车-桩-路-网”融合的信息交互机制，实现电动汽车充电负荷参与电网互动精准仿真，降低了仿真系统的构建难度，从而为电动汽车充电负荷参与辅助服务的有序充电调度策略、充电服务诱导信息发布策略、电动汽车充电需求状态切换、目标充电站及路径选择等多方面研究提供模拟和验证环境。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，包括：

城市电网运行模块，用于基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

交通仿真模块，用于基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

所述城市电网运行模块、电动汽车充电负荷仿真模块和交通仿真模块之间通过互动接口实现数据交互。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，城市电网运行模块中，所述电网模型包括一次系统模型、二次系统模型、分布式电源和可调节负荷模型；

所述一次系统模型包括母线、线路、发电机、变压器和开关各类设备模型；

所述二次系统模型包括二次设备和二次回路模型；

所述分布式电源模型包括分布式风电和分布式光伏模型；

所述可调节负荷模型包括分布式储能、电动汽车、中央空调、电采暖、虚拟电厂、负荷聚合商、大工业用户负荷、自备电厂、智能楼宇和微网模型。

优选地，城市电网运行模块中，根据各调度系统上送的遥控、遥调操作指令在电网模型基础上进行电网的潮流计算，实现电网运行长过程动态模拟；

所述电网运行长过程动态模拟包括电网断面智能调整和连续潮流仿真；

所述断面智能调整是对历史数据断面的智能调整，包括获取历史潮流数据，对功率缺额的自动分配、潮流不收敛的自动调整、支路或断面越限的有功优化和无功电压越限的无功优化，依次调整后生成可用的仿真潮流断面；

所述连续潮流仿真是以电力系统潮流计算为核心，结合频率计算、发电负荷曲线自动跟踪，模拟设备的频率响应，实现电网运行长过程动态模拟。

优选地，城市电网运行模块中，通过统计断面中系统的总发电、总负荷，通过不平衡功率分配、潮流不收敛自动调整、有功越限优化、无功电压越限优化和潮流计算迭代，实现电网断面智能调整，生成基准潮流断面，对负荷和发电数据进行插值处理形成带时标的秒级间隔连续数据，按照时间顺序更新整点基准潮流断面中的发电、负荷数据以及开关状态，生成带时标的连续场景数据断面，实现电网运行长过程动态模拟。

优选地，城市电网运行模块中，通过车-桩-网数据接口实现数据交互，包括电动汽车充电负荷仿真信息采集和控制指令下发。

优选地，所述电动汽车充电负荷仿真信息包括各电动汽车充电站和充电桩的模型数据、充电负荷申报计划数据及量测数据。

所述控制指令包括控制目标功率、开始时间、控制时间。

优选地，交通仿真模块中，所述道路模型包括高速公路、城市道路、厂矿道路、林区道路和乡村道路各类道路模型，以及在道路中设置的信号灯、检测装置模型。

优选地，交通仿真模块中，所述交通信号控制策略包含路段、交叉口、交通网通行能力分析，公交优先规则，定周期、自适应的匝道交通信号控制策略。

优选地，交通仿真模块中，通过车-桩-路数据接口实现电动汽车充电策略采集。

优选地，电动汽车充电负荷仿真模块中，根据不同类型电动汽车运行特性，对各类型电动汽车充电负荷进行仿真，预测电动汽车充电负荷曲线；

以减少负荷峰谷差、减少充电成本为目标，并根据用户参与电网调度意愿，电动汽车的剩余电量和安全里程，以及充电路径、充电价格生成电动汽车充电策略。

优选地，所述电动汽车充电策略包括充电时间、充电量、充电路径信息。

优选地，电动汽车充电负荷仿真模块中，通过车-桩-路-网数据接口进行数据交互。

优选地，所述电动汽车充电负荷仿真模块中，基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，具体为：

对电动汽车单体负荷进行建模：

式中，分别为电动汽车n在t时段的充放电调度功率；

分别为电动汽车n的充放电功率上限；

表示电动汽车n并网时间集合，则：

式中，s_n,t和s_n,t-1分别表示电动汽车n在t时段及其上一时段的电池电量；

η^ch、η^dis分别为电动汽车的充放电效率；

Δt表示调度时间窗；

η^ref表示放电补偿系数，由放电损耗决定；

电动汽车n的电池电量安全边界为：

式中，表示电动汽车n的电池电量安全边界；

进一步计算得到充电站的总负荷为：

式中：和/>分别为充电站j在t时段的总充、放电功率；

和/>分别为电动汽车n在t时段的充、放电调度功率；

为充电站j中的电动汽车集合；

T为调度时间集合。

本发明还公开了一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：城市电网运行模块基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

步骤2：交通仿真模块基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

步骤3：电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

所述城市电网运行模块、电动汽车充电负荷仿真模块和交通仿真模块之间通过互动接口实现数据交互。

本申请所达到的有益效果：

本发明将交通接入电网，在构建电网仿真和交通仿真的基础上，拓展了电动汽车与电网互动特性的模拟仿真、电动汽车充电负荷模型仿真及其充电服务调度策略，实现了车-桩-路-网的互动，可仿真验证面向“车-桩-路-网”的电动汽车充电负荷和电网互动特性。

本发明具备电动汽车充电站与电网互动特性的高精度仿真结果的同时降低了仿真系统的构建难度，能够为充电站选址、站内充电桩型号及数量配置策略、充电站参与辅助服务的有序充电调度策略、充电服务诱导信息发布策略、电动汽车充电需求状态切换、目标充电站及路径选择等多方面研究提供模拟和验证环境。

附图说明

图1是本发明一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统的结构图；

图2是本发明电网运行长过程动态模拟仿真实施步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

如图1所示，本发明的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，包括：

城市电网运行模块，用于基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

具体实施时，城市电网运行模块中，所述电网模型包括一次系统模型、二次系统模型、分布式电源和可调节负荷模型；

所述一次系统模型包括母线、线路、发电机、变压器、开关各类设备模型；

进一步的，所述二次系统模型包括二次设备(测控设备、保护设备、自动装置)、二次回路(交流回路-电流回路、电压回路、直流回路-控制回路、合闸回路、测量回路、保护回路、信号回路)模型；

所述分布式电源模型包括分布式风电、分布式光伏模型；

所述可调节负荷模型包括分布式储能、电动汽车、中央空调、电采暖、虚拟电厂、负荷聚合商、大工业用户负荷、自备电厂、智能楼宇、微网模型。

进一步的，一次系统模型包含区域、基准电压、厂站、电压等级、间隔、断路器、刀闸、母线段、同步发电机、交流线段、负荷、变压器、变压器绕组、变压器分接头类型、并联补偿器、串联补偿器、地刀、遥测、遥信等对象模型。

进一步的，系统模型文件数据后存放在本地的数据库中，方便后续潮流计算时的模型数据访问以及其它历史数据的匹配关联。

城市电网运行模块中，根据各调度系统上送的遥控、遥调操作指令在电网模型基础上进行电网的潮流计算，实现电网运行长过程动态模拟，具体模拟仿真步骤如图2所示；

所述电网运行长过程动态模拟包括电网断面智能调整和连续潮流仿真；

所述断面智能调整是对历史数据断面的智能调整，包括获取历史潮流数据，对功率缺额的自动分配、潮流不收敛的自动调整、支路或断面越限的有功优化和无功电压越限的无功优化，依次调整后生成可用的仿真潮流断面；

进一步的，所述连续潮流仿真是以电力系统潮流计算为核心，结合频率计算、发电负荷曲线自动跟踪，模拟设备的频率响应，包括有发电机的一次调频和负荷的频率效应，实现电网动态仿真。

具体实施时，城市电网运行模块中，通过统计断面中系统的总发电、总负荷，通过不平衡功率分配、潮流不收敛自动调整、有功越限优化、无功电压越限优化、潮流计算迭代，实现电网断面智能调整，生成基准潮流断面，对负荷和发电数据进行插值处理形成带时标的秒级间隔连续数据，按照时间顺序更新整点基准潮流断面中的发电、负荷数据以及开关状态，生成带时标的连续场景数据断面。

城市电网运行模块中，通过车-桩-网数据接口实现数据交互，包括电动汽车充电负荷仿真信息采集和控制指令下发。

所述电动汽车充电负荷仿真信息包括各电动汽车充电站和充电桩的模型数据、充电负荷申报计划数据及量测数据。

所述控制指令包括控制目标功率、开始时间、控制时间。

具体实施时，所述电动汽车充电负荷采集是通过数据采集装置采集电动汽车充电负荷仿真模块的电动汽车充电负荷仿真信息，包括各电动汽车充电站和充电桩的模型数据、充电负荷申报计划数据及量测数据。

例如，车-桩-网数据接口从电动汽车充电负荷仿真模块数据交互接口采集上送的电动汽车充电负荷(有功功率)，并将系统下达的控制指令下发到电动汽车充电负荷仿真模块的数据交互接口。

控制指令包括向电动汽车充电负荷仿真模块下发的控制目标功率、开始时间、控制时间。

交通仿真模块，用于不同交通场景和交通信号控制策略模拟，具体的：

基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

具体实施时，所述道路模型包括高速公路、城市道路、厂矿道路、林区道路和乡村道路等各类道路模型，以及在道路中设置的信号灯、检测装置模型。

所述交通信号控制策略包含路段、交叉口、交通网通行能力分析，公交优先规则，定周期、自适应的匝道等交通信号控制策略。

不同的控制策略对于电动汽车的充电路径有影响。

交通仿真模块中，通过车-桩-路数据接口实现数据交互，包括电动汽车充电策略采集。

具体实施时，所述电动汽车充电策略采集是通过数据接口从电动汽车充电负荷仿真模块获取电动汽车充电策略，包括电动汽车充电需求、充电路径规划等信息。

电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

具体实施时，根据公交车、私家车、网约车、物流车等不同类型电动汽车运行特性，对各类型电动汽车充电负荷进行仿真，预测电动汽车充电负荷曲线；

以减少负荷峰谷差、减少充电成本为目标，并根据用户参与电网调度意愿，电动汽车的剩余电量和安全里程，以及充电路径、充电价格生成电动汽车充电策略。

所述电动汽车充电策略包括充电时间、充电量、充电路径信息。

电动汽车充电负荷仿真模块中，通过车-桩-路-网数据接口进行数据交互。

进一步的，电动汽车充电负荷仿真模块中，根据城市电网仿真模块下达的控制指令，将控制目标功率分解到每个充电桩。

具体实施时，所述电动汽车充电负荷仿真模块中，基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，具体为：

对电动汽车单体负荷进行建模：

式中，分别为电动汽车n在t时段的充放电调度功率；/> 分别为电动汽车n的充放电功率上限；/>表示电动汽车n并网时间集合：

式中，s_n,t和s_n,t-1分别表示电动汽车n在t时段及其上一时段的电池电量；η^ch、η^dis分别为电动汽车的充放电效率；Δt表示调度时间窗；η^ref表示放电补偿系数，由放电损耗决定；

式中，表示电动汽车n的电池电量安全边界；

电动汽车个体不直接参与电网互动，而是通过充电站聚合后与电网互动。因此，计算得到充电站的总负荷：

式中：和/>分别为充电站j在t时段的总充、放电功率；/>和/>分别为电动汽车n在t时段的充、放电调度功率；/>为充电站j中的电动汽车集合；T为调度时间集合。

本发明的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法，包括以下步骤：

步骤1：城市电网运行模块基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

步骤2：交通仿真模块基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

步骤3：电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

所述城市电网运行模块、电动汽车充电负荷仿真模块和交通仿真模块之间通过互动接口实现数据交互。

本发明将交通接入电网，在构建电网仿真和交通仿真的基础上，拓展了电动汽车与电网互动特性的模拟仿真、电动汽车充电负荷模型仿真及其充电服务调度策略，实现了车-桩-路-网的互动，可仿真验证面向“车-桩-路-网”的电动汽车充电负荷和电网互动特性。

本发明具备电动汽车充电站与电网互动特性的高精度仿真结果的同时降低了仿真系统的构建难度，能够为充电站选址、站内充电桩型号及数量配置策略、充电站参与辅助服务的有序充电调度策略、充电服务诱导信息发布策略、电动汽车充电需求状态切换、目标充电站及路径选择等多方面研究提供模拟和验证环境。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

所述系统包括：

城市电网运行模块，用于基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

城市电网运行模块中，根据各调度系统上送的遥控、遥调操作指令在电网模型基础上进行电网的潮流计算，实现电网运行长过程动态模拟；

所述电网运行长过程动态模拟包括电网断面智能调整和连续潮流仿真；

所述断面智能调整是对历史数据断面的智能调整，包括获取历史潮流数据，对功率缺额的自动分配、潮流不收敛的自动调整、支路或断面越限的有功优化和无功电压越限的无功优化，依次调整后生成可用的仿真潮流断面；

所述连续潮流仿真是以电力系统潮流计算为核心，结合频率计算、发电负荷曲线自动跟踪，模拟设备的频率响应，实现电网运行长过程动态模拟；

城市电网运行模块中，通过统计断面中系统的总发电、总负荷，通过不平衡功率分配、潮流不收敛自动调整、有功越限优化、无功电压越限优化和潮流计算迭代，实现电网断面智能调整，生成基准潮流断面，对负荷和发电数据进行插值处理形成带时标的秒级间隔连续数据，按照时间顺序更新整点基准潮流断面中的发电、负荷数据以及开关状态，生成带时标的连续场景数据断面，实现电网运行长过程动态模拟；

交通仿真模块，用于基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

所述城市电网运行模块、电动汽车充电负荷仿真模块和交通仿真模块之间通过互动接口实现数据交互。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

城市电网运行模块中，所述电网模型包括一次系统模型、二次系统模型、分布式电源和可调节负荷模型；

所述一次系统模型包括母线、线路、发电机、变压器和开关各类设备模型；

所述二次系统模型包括二次设备和二次回路模型；

所述分布式电源模型包括分布式风电和分布式光伏模型；

所述可调节负荷模型包括分布式储能、电动汽车、中央空调、电采暖、虚拟电厂、负荷聚合商、大工业用户负荷、自备电厂、智能楼宇和微网模型。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

城市电网运行模块中，通过车-桩-网数据接口实现数据交互，包括电动汽车充电负荷仿真信息采集和控制指令下发。

4.根据权利要求3所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

所述电动汽车充电负荷仿真信息包括各电动汽车充电站和充电桩的模型数据、充电负荷申报计划数据及量测数据；

所述控制指令包括控制目标功率、开始时间、控制时间。

5.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

交通仿真模块中，所述道路模型包括高速公路、城市道路、厂矿道路、林区道路和乡村道路各类道路模型，以及在道路中设置的信号灯、检测装置模型。

6.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

交通仿真模块中，所述交通信号控制策略包含路段、交叉口、交通网通行能力分析，公交优先规则，定周期、自适应的匝道交通信号控制策略。

7.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

交通仿真模块中，通过车-桩-路数据接口实现电动汽车充电策略采集。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

电动汽车充电负荷仿真模块中，根据不同类型电动汽车运行特性，对各类型电动汽车充电负荷进行仿真，预测电动汽车充电负荷曲线；

以减少负荷峰谷差、减少充电成本为目标，并根据用户参与电网调度意愿，电动汽车的剩余电量和安全里程，以及充电路径、充电价格生成电动汽车充电策略。

9.根据权利要求8所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

所述电动汽车充电策略包括充电时间、充电量、充电路径信息。

10.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

电动汽车充电负荷仿真模块中，通过车-桩-路-网数据接口进行数据交互。

11.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统，其特征在于：

所述电动汽车充电负荷仿真模块中，基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，具体为：

对电动汽车单体负荷进行建模：

式中，分别为电动汽车n在t时段的充放电调度功率；

分别为电动汽车n的充放电功率上限；

表示电动汽车n并网时间集合，则：

式中，s_n,t和s_n,t-1分别表示电动汽车n在t时段及其上一时段的电池电量；

η^ch、η^dis分别为电动汽车的充放电效率；

Δt表示调度时间窗；

η^ref表示放电补偿系数，由放电损耗决定；

电动汽车n的电池电量安全边界为：

式中，表示电动汽车n的电池电量安全边界；

进一步计算得到充电站的总负荷为：

式中：和/>分别为充电站j在t时段的总充、放电功率；

和/>分别为电动汽车n在t时段的充、放电调度功率；

为充电站j中的电动汽车集合；

T为调度时间集合。

12.一种基于权利要求1-11任意一项所述的电动汽车充电负荷参与电网互动仿真系统的电动汽车充电负荷参与电网互动仿真方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤1：城市电网运行模块基于电网模型执行电网调度指令，结合电动汽车充电负荷仿真信息，进行电网运行长过程动态模拟，并下发控制指令；

步骤2：交通仿真模块基于道路模型和交通信号控制策略，进行交通控制仿真，根据电动汽车充电策略模拟车辆运行，实现动态交通分配，选择充电价格，并安排电动汽车的充电路径；

步骤3：电动汽车充电负荷仿真模块，用于基于充电负荷运行特性，进行电动汽车充电负荷仿真，并根据控制指令和交通仿真情况生成电动汽车充电策略；

所述城市电网运行模块、电动汽车充电负荷仿真模块和交通仿真模块之间通过互动接口实现数据交互。