一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行和調(diào)度領(lǐng)域，涉及一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法。本發(fā)明從輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)兩個層次研究電動汽車的充放電策略，從輸電網(wǎng)得出電動汽車最優(yōu)充電時間，進而指導配電網(wǎng)中電動汽車最優(yōu)充電位置，而配電網(wǎng)絡的負荷如圖1所示都集中在輸電網(wǎng)上的某一節(jié)點上。本發(fā)明還綜合考慮了風電、基荷和火力發(fā)電機組以及電動汽車充放電的協(xié)調(diào)作用，并且用該模型對電動汽車充放電的時間和位置提出了有效的建議。
【專利說明】-種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行和調(diào)度領(lǐng)域，涉及一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng) 雙層優(yōu)化調(diào)度方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，煤炭在一次能源消費比重中仍然很高，雖然煤炭資源儲量豐富，但其生產(chǎn)消 費過程中造成的溫室氣體和污染物過度排放，對環(huán)境保護的壓力日益增大。除此之外，已探 明的石油、天然氣儲量嚴重不足。因此，構(gòu)建穩(wěn)定、經(jīng)濟、清潔、安全的能源供應體系面臨一 系列重大挑戰(zhàn)。
[0003] 電動汽車（Electric Vehicle，EV)作為新一代的節(jié)能環(huán)保型汽車，是使用電力代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油對汽車進行驅(qū)動，能緩解能源緊張的趨勢，是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。而且 電動汽車具有可控負荷和電源的雙重身份，充電時其可視為電網(wǎng)的負荷，放電時可視為電 網(wǎng)的電源，電動汽車為提高電網(wǎng)的經(jīng)濟運行提供了機遇。然而，若大規(guī)模的電動汽車同時接 入電網(wǎng)，其無序充放電行為將給電網(wǎng)帶來強大的沖擊，可能使電網(wǎng)過負荷運行，影響電網(wǎng)的 安全性和經(jīng)濟性。因此,將接入電網(wǎng)的電動汽車納入電網(wǎng)的調(diào)度體系,研究電動汽車統(tǒng)一充 放電策略，這對于在滿足電動汽車充電需求的同時提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性具有重要的理論 價值和實際意義。
[0004] 目前，學者應對電動汽車接入電網(wǎng)進行了大量研究。但還未見從輸電網(wǎng)和配電網(wǎng) 雙層次研究電動汽車充放電策略的報道和相關(guān)文章。有關(guān)這方面的研究還處于空白。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種從輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)兩 個層次研究電動汽車的充放電策略，從輸電網(wǎng)得出電動汽車最優(yōu)充電時間，進而指導配電 網(wǎng)中電動汽車最優(yōu)充電位置的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法。
[0006] 本發(fā)明還有一目的是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種綜合考慮了風 電、基荷和火力發(fā)電機組以及電動汽車充放電的協(xié)調(diào)作用，并且用該模型對電動汽車充放 電的時間和位置提出了有效的建議的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度 方法。
[0007] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：
[0008] -種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，基于優(yōu)化 模型的建立，包括：基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型以及基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化 模型，所述基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化模型是基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型的結(jié)果 來建立，具體是：
[0009] 模型一：基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型，定義為輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型，具體方法 是：以包含燃煤成本、火力發(fā)電機組的PM2. 5排放量和啟停成本、用戶充電成本、切風成本 六個方面的社會成本為最小目標；以系統(tǒng)電量平衡、保留規(guī)定備用容量、發(fā)電機的出力、機 組的爬坡率、機組的最小運行和關(guān)機時間、電動汽車的數(shù)量和充放電時間、切風電量為約束 條件，獲取基于機組組合模型的輸電網(wǎng)優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型得到的結(jié)果是場景S下t時刻 的電動汽車充放電數(shù)量；
[0010] 模型二：基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化模型，定義為配電網(wǎng)絡優(yōu)化模型的建立，基 于來自輸電網(wǎng)的獲得的優(yōu)化結(jié)果：場景S下t時刻的電動汽車充放電數(shù)量優(yōu)化結(jié)果，獲得電 動汽車在配電網(wǎng)中充放電的最優(yōu)位置，具體方法是以配電網(wǎng)的能量損耗最小為最優(yōu)目標； 以有功和無功平衡、節(jié)點電壓大小、配電網(wǎng)安全條件、節(jié)點電動汽車充電機數(shù)量、區(qū)域內(nèi)電 動汽車數(shù)量和總的電動汽車數(shù)量為約束條件得出配電網(wǎng)的優(yōu)化模型；
[0011] 該考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法基于所述兩個優(yōu)化模型，包 括以下步驟：
[0012] 步驟1，輸電網(wǎng)絡的優(yōu)化，尋找電動汽車最優(yōu)充放電時間；基于從不同的電價曲線 和電動汽車滲透率，考慮用戶電動汽車使用習慣以及用戶對充放電價格接受情況、負荷曲 線平滑狀況，并以社會成本為最小目標；對比得出引導用戶實現(xiàn)最優(yōu)充電時間的價格曲線， 進一步指導電動汽車在配電網(wǎng)中最優(yōu)充放電位置；
[0013] 步驟2 :配電網(wǎng)絡的優(yōu)化，尋找電動汽車最優(yōu)充放電位置；基于電動汽車用戶實際 使用情況，結(jié)合輸電線路的優(yōu)化結(jié)果，將電動汽車充放電區(qū)域分為住宅區(qū)，商業(yè)區(qū)和辦公 區(qū)，并根據(jù)實際情況按比例安排電動汽車24小時內(nèi)流動情況；對比無電動汽車和不同比例 的電動汽車分布流動情況，以網(wǎng)絡損耗最小為目標，得出電動汽車最優(yōu)充放電位置。
[0014] 本發(fā)明從輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)兩個層次研究電動汽車的充放電策略，從輸電網(wǎng)得出電 動汽車最優(yōu)充電時間，進而指導配電網(wǎng)中電動汽車最優(yōu)充電位置，而配電網(wǎng)絡的負荷如圖 1所示都集中在輸電網(wǎng)上的某一節(jié)點上。本發(fā)明還綜合考慮了風電、基荷和火力發(fā)電機組 以及電動汽車充放電的協(xié)調(diào)作用，并且用該模型對電動汽車充放電的時間和位置提出了有 效的建議。該方法以容納IKMW風電場的10單元機組的輸電系統(tǒng)對輸電網(wǎng)進行仿真，以 IEEE33節(jié)點的分布式電網(wǎng)對配電網(wǎng)進行仿真，由于所有場景沒有相互關(guān)聯(lián)，所以本發(fā)明只 研究一種場景。
[0015] 在上述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 所述輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型的基于如下目標函數(shù)：

【權(quán)利要求】
1. 一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，基于優(yōu)化模 型的建立，包括：基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型以及基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化模 型，所述基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化模型是基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型的結(jié)果來 建立，具體是： 模型一：基于機組組合模型的上層優(yōu)化模型，定義為輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型，具體方法是： 以包含燃煤成本、火力發(fā)電機組的PM2. 5排放量和啟停成本、用戶充電成本、切風成本六個 方面的社會成本為最小目標；以系統(tǒng)電量平衡、保留規(guī)定備用容量、發(fā)電機的出力、機組的 爬坡率、機組的最小運行和關(guān)機時間、電動汽車的數(shù)量和充放電時間、切風電量為約束條 件，獲取基于機組組合模型的輸電網(wǎng)優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型得到的結(jié)果是場景s下t時刻的 電動汽車充放電數(shù)量； 模型二：基于最優(yōu)潮流模型的下層優(yōu)化模型，定義為配電網(wǎng)絡優(yōu)化模型的建立，基于來 自輸電網(wǎng)的獲得的優(yōu)化結(jié)果：場景s下t時刻的電動汽車充放電數(shù)量優(yōu)化結(jié)果，獲得電動汽 車在配電網(wǎng)中充放電的最優(yōu)位置，具體方法是以配電網(wǎng)的能量損耗最小為最優(yōu)目標；以有 功和無功平衡、節(jié)點電壓大小、配電網(wǎng)安全條件、節(jié)點電動汽車充電機數(shù)量、區(qū)域內(nèi)電動汽 車數(shù)量和總的電動汽車數(shù)量為約束條件得出配電網(wǎng)的優(yōu)化模型； 該考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法基于所述兩個優(yōu)化模型，包括以 下步驟： 步驟1，輸電網(wǎng)絡的優(yōu)化，尋找電動汽車最優(yōu)充放電時間；基于從不同的電價曲線和電 動汽車滲透率，考慮用戶電動汽車使用習慣以及用戶對充放電價格接受情況、負荷曲線平 滑狀況，并以社會成本為最小目標；對比得出引導用戶實現(xiàn)最優(yōu)充電時間的價格曲線，進一 步指導電動汽車在配電網(wǎng)中最優(yōu)充放電位置； 步驟2 :配電網(wǎng)絡的優(yōu)化，尋找電動汽車最優(yōu)充放電位置；基于電動汽車用戶實際使用 情況，結(jié)合輸電線路的優(yōu)化結(jié)果，將電動汽車充放電區(qū)域分為住宅區(qū)，商業(yè)區(qū)和辦公區(qū)，并 根據(jù)實際情況按比例安排電動汽車24小時內(nèi)流動情況；對比無電動汽車和不同比例的電 動汽車分布流動情況，以網(wǎng)絡損耗最小為目標，得出電動汽車最優(yōu)充放電位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其 特征在于，所述輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型的基于如下目標函數(shù)：
其中，T是時間之和，Ng是火力機組的總數(shù)，W是風電場的總數(shù)；E{ ?}表示所有場景下 的數(shù)學期望；Ui，t是機組i在t時刻的運行狀態(tài)，1表示運行，O表示關(guān)機；Ce是PM2. 5釋放 量的懲罰成本；Cw是切風電成本，aCG是風電場在場景s下t時段的切風電量，場景的概率 是 Prs。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其 特征在于，所述輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型中，最小目標基于如下公式以及定義： 最小目標一：燃煤成本，在電力系統(tǒng)中，火電機組的燃煤成本是機組出力的二次函數(shù)； 其中，ai，bi和Ci是機組i的正燃煤系數(shù)；《是機組i在場景S下t時刻的出力； 最小目標二：PM2. 5排放量，根據(jù)電能生產(chǎn)環(huán)境需要，尾氣排放也應該考慮在內(nèi)；中國 受霧霾影響很嚴重，火力發(fā)電是PM2. 5的主要來源；作為一個優(yōu)化目標，火電機組PM2. 5的 排放量可以表示為機組出力的二次函數(shù)； Ei(Pi^l) = Aar-0)-(1-T]/IQO)-(Oi+ +r^,2 )/\〇〇〇〇 其中，Aar是煤炭中灰塵平均重量百分數(shù)（％)，默認值是20 是煙塵轉(zhuǎn)化為PM2. 5 的轉(zhuǎn)換系數(shù)（％ )，默認值是5. 1 ; n是排放減少系數(shù)（％ )，默認值是99 ;一個機組的排放 量正比于煤炭消耗量，a i，P i和Y i是機組的耗煤系數(shù)； 最小目標三：開機成本，重新啟動停機的火力發(fā)電機組的開機成本與鍋爐的溫度有關(guān)； 本文中，與溫度有關(guān)的啟動成本的階躍函數(shù)與冷啟動到熱啟動的過渡時間有關(guān)；
其中，Sf是機組i的熱啟動成本，< 是機組i的冷啟動成本，是機組i在時段t的 持續(xù)關(guān)機時間；Tf是機組i的最小持續(xù)關(guān)機時間，17是機組i冷啟動時間； 最小目標四：關(guān)機成本，熱發(fā)電機組的關(guān)機成本是常數(shù)，在標準系統(tǒng)中值為0 ; 最小目標五：用戶充電成本，用戶充電成本是所有電動汽車用戶的經(jīng)濟消費，可由充電 成本減去放電收入計算； m = -PtljKjPlAt 其中，P M和P 分別是t時刻的充放電電價；K和分別是場景S下t時刻的 電動汽車充放電數(shù)量；P。和Pd分別是電動汽車的平均充放電功率；△ t是時間長度，本文中 是一小時； 最小目標六：切風電成本，將切風電成本最低的目標考慮進目標函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其 特征在于，所述輸電網(wǎng)絡優(yōu)化模型中，約束條件基于如下公式以及定義： 約束條件一：電量平衡，電力系統(tǒng)調(diào)度的主要問題是保證供需平衡，所以來自所有運行 的發(fā)電機組、電動汽車的放電量和風電場的電量一定要滿足任何時間內(nèi)基本負荷和電動汽 車充電的需要；
其中，Dt是t時刻的基本負荷，是風電場在場景s下的t時刻的預測風力； 約束條件二：旋轉(zhuǎn)備用，為了提高系統(tǒng)的可靠性，留有充足的旋轉(zhuǎn)備用是必須的；
最大出力，Rt是t時刻系統(tǒng)的備用設備； 約束條件三：發(fā)電機出力約束，每一臺機組都有自己的出力約束，約束范圍如下： < P；, < PrxUue e t^s g ^ 其中，if*是機組i的最小出力； 約束條件四：爬坡率，每一機組相鄰時間間隔內(nèi)出力的變化范圍受爬坡率的約束； _^ P-'t_ P>^_| ^ Mu I 5€ T 其中，R1U和RtU分別是機組i的上、下爬坡率； 約束條件五：最小開機/關(guān)機時間，一臺機組無論是否在運行，這臺機組在改變運行狀 態(tài)之前必須保持開機或關(guān)機運行一個最小時間，所以最小開機/關(guān)機時間可表示如下： (Xlu； ^ T；m )(uu ^ . rtl) > 0, Vi e , e r (X；f - Tf )(ii.,;, - uH) > 0, ￥i e N" ,Vf € f 其中，夂;『和分別表示機組i在t時刻內(nèi)保持運行和關(guān)機狀態(tài)的持續(xù)時間；it和 JTif分別表示機組i最小開機和關(guān)機時間； 約束條件六：電動汽車數(shù)量，在每一個時刻，可用于充放電的電動汽車數(shù)量可由下面函 數(shù)計算； N'：< N^yteTys e S /VjXx5V1TeriVseS 其中，和分別表示t時刻可用于充放電電動汽車的最大數(shù)目； 約束條件七：充放電時間，為了給電動汽車提供充足的電能，充電時間不能太短；為了 使電動汽車留有充足電量滿足出行需要；所有的電動汽車充放電時間約束如下； T [〇! = 〇..，Vs e 5 I=I T YjNjjM = Ald,V$e S 1=1 其中，/vrs和Mr分別代表可用于充放電的電動汽車總數(shù)量；at。和atd分別表示電 動汽車平均充放電時間； 約束條件八：切風量約束，切風量和風力預測的關(guān)系表示如下； 0. AF；r < F；( ,Viv e r?￥/ e Ff ￥s e S 其中，表示預測風力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其 特征在于，所述配電網(wǎng)絡優(yōu)化模型基于如下目標函數(shù)：
其中，E[*]表示所有場景的數(shù)學期望，/L1，是配電網(wǎng)在t時段的所有網(wǎng)損。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種考慮大規(guī)模電動汽車接入的電網(wǎng)雙層優(yōu)化調(diào)度方法，其 特征在于，約束條件基于如下公式以及定義： 約束條件一：有功、無功平衡約束，每一節(jié)點都必須滿足有功、無功平衡；所以： P〇aJ + PtlKaj- PMaj - PLt = 〇, € Kyt e r, v, e 5 CL, " = O5Va e K,yt € r,V. € S 其中，K是除了平衡節(jié)點以外的所有節(jié)點，^.,和分別是節(jié)點a在場景sTt時 刻發(fā)出的有功功率和無功功率；PDa，t和QDa，t分別是節(jié)點a在場景S下t時刻有功和無功 負荷；I.,和分別是節(jié)點a在場景S下t時刻電動汽車充放電數(shù)量；和&.,分別 是節(jié)點a在場景s下t時刻傳輸?shù)挠泄蜔o功，它們由下列公式計算：
其中，匕 1，和G分別是節(jié)點a和j在場景s下t時刻的電壓；Gq和Bq分別是導納 矩陣是實數(shù)和虛數(shù)部分；是節(jié)點a和j在場景s下t時刻的相位差； 約束條件二：節(jié)點電壓約束，為了保證電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全，節(jié)點電壓的必須滿足最大 和最小約束； K現(xiàn)揮鄭e麟e r鄭s 其中，Va和Va，min分別是節(jié)點電壓的上下范圍； 約束條件三：電網(wǎng)安全約束，為了保證電網(wǎng)的安全運行，線路的傳輸容量應該限制在一 定范圍內(nèi)； P：tJJ\<Pai.m,yatj^K,yt^T,ys^S 其中，是線路a - j的最大傳輸容量；是輸電線路a - j在場景S下t時刻的 傳輸電量，可由如下公式計算： II = h'；, Vl (Gaj cos CJ；( + Baj sin Cij) ^ , | 約束條件四：節(jié)點充電樁的數(shù)目約束；每一個節(jié)點都有一定數(shù)量的充電樁，所以能連 接到電網(wǎng)的電動汽車最大數(shù)量按下面條件約束： 〇 ^ ^ Najm ,\fa €K^(E T,￥s € 5' 其中，Na，_是節(jié)點a充電樁的數(shù)量； 約束條件五：區(qū)域電動汽車數(shù)量約束，由于電動汽車的流動性，區(qū)域內(nèi)電動汽車的數(shù)量 是變化的；在某區(qū)域內(nèi)可用于充放電的電動汽車數(shù)量可表示如下：

其中，和iViv分別表示區(qū)域i在場景S下t時刻可用于充放電的電動汽車的數(shù)量； 約束條件六：電動汽車總量約束，在區(qū)域內(nèi)可用于充放電的電動汽車的總數(shù)應該滿足 上層調(diào)度計劃；
其中，I表示所有區(qū)域；C,和分別表示場景S下t時刻充放電電動汽車的數(shù)量，這 由輸電網(wǎng)對配電網(wǎng)的調(diào)度計劃決定。
【文檔編號】G06Q10/04GK104361416SQ201410709617
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】彭澤君, 蘭劍, 陳艷, 鄒芹, 楊軍, 何立夫, 陳杰軍, 賈樂剛, 王新普 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司, 武漢大學