考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法与系统与流程

本发明涉及电力系统的配电变压器设备扩展规划方法，具体涉及考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法与系统。
背景技术：
：在能源危机和环境问题日益突出的背景下，电动汽车因良好的节能减排效应和环境友好作用，成为了各国政府和汽车制造厂商关注的焦点。近年来，我国出台了多项政策，从生产、销售、使用等方面全方位推动电动汽车的快速发展。2020年初，国家再次强调加快5g网络、数据中心等新型基础设施建设进度，其中，新能源汽车充电桩作为我国“新基建”的七大领域之一，必将为充电桩投资市场注入巨大活力，极大地推动我国电动汽车产业的发展。便捷、快速的充电设施和广泛覆盖的充电网络是电动汽车行业发展及被人们所接受的根本保障，这就对配电网的容量规划和能量调度提出了新挑战。当集群电动汽车及其配套的充电设施数量达到一定规模时，其表现出来的负荷聚集和无序波动特性可能会导致配电变压器面临过载风险，甚至拉大负荷峰谷差，影响电力系统的安全稳定运行。从电网的角度出发，既要响应国家的号召和用户的需求，又要保障配电变压器(简称配电变压器)的安全运行，同时还要考虑未来的发展做好统一规划建设。当前，解决集群电动汽车接入引起的配电容量矛盾问题主要有两种思路，一种是从规划角度出发的增加配电容量，另一种是从运行角度出发的有序充电控制。增加配电容量是电网应对用户用电需求最常用的传统手段，如文献[1](郭毅,胡泽春,张洪财,等.居民区配电网接纳电动汽车充电能力的统计评估方法[j].电网技术,2015,39(09):2458-2464.)综合考虑居民区用电特性、负荷增长特性、ev渗透率等因素，对居民区配电网接纳ev充电的能力进行评估；文献[2](颜湘武,恩日,海日,等.典型住宅小区接入电动汽车的供电方式研究[j].电网技术,2014,38(04):910-917.)则提出住宅小区接入规模化ev的供电方式需根据小区类型而定。有序充电控制是在不明显增加配电容量的前提下，根据用户车辆停留时间和实际充电时间的周期差异，通过合理控制实现的充电行为有序引导，包括价格间接引导和功率直接控制两种方式。如文献[3](崔金栋,罗文达,周念成.基于多视角的电动汽车有序充放电定价模型与策略研究[j].中国电机工程学报,2018,38(15):4438-4450+4644.)站在不同利益主体的视角，对比分析了不同定价模型和控制策略的优势及劣势；文献[4](陈奎,马子龙,周思宇,等.电动汽车两阶段多目标有序充电策略研究[j].电力系统保护与控制,2020,48(01):65-72.)则建立以负荷波动率最小化和运营商效益最大化为目标的两阶段多目标充电控制模型。总体而言，增加配电容量或有序充电控制都可以有效缓解集群电动汽车接入的充电需求问题，但随着充电负荷特性进一步细分，以及电网和社会资本对投资效益的进一步考核，单一的解决手段和局部的解决思路已经不能适应该领域迅猛发展的需求，因此，可考虑将上述两种手段结合起来，优势互补。技术实现要素：本发明的目的在于，针对集群电动汽车和大规模充电桩接入引起的配电容量不足及投资经济性问题，将有序充电和新建配电变压器的互补优势相结合，搭建组合决策优化模型，并求解最佳的投资规划方案，一方面通过有序充电控制延缓投资、减少建设压力，另一方面有效降低了整体方案的全寿命周期成本，兼顾了配网建设的可靠性和经济性，为大规模电动汽车接入的配网扩展规划提供参考。本发明先对配电变压器基础负荷和电动汽车充电负荷进行分析，从中长期预测的角度，建立了配电变压器的负荷自然增长模型，并基于该模型，进一步提出了计及有序充电的配电变压器扩展规划方法，以全寿命周期成本最小化为目标，建立组合决策优化模型，确定有序充电和新建配电变压器的最佳组合形式，大大提高配网投资建设的经济性。本发明至少通过如下技术方案之一实现。本发明提出一种考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法，包含以下步骤：1)对纯住宅区和商住两用场景下的公用配电变压器基础负荷曲线进行聚类分析，得到两种场景下归一化后的典型基础负荷日负载曲线；2)根据起始充电时间t0、充电功率pth、充电时长tc和充电频率fc的参数对功率，并考虑居民用户与商业用户占比，采用蒙特卡洛模拟方法，得到纯住宅区和商住两用场景下的电动汽车日充电功率曲线；3)考虑基础负荷负载率和电动汽车渗透率的年变化趋势，建立配电变压器综合负荷的自然增长数学模型；4)以有序充电与新建配电变压器综合投资方案的全寿命周期成本最小为目标，建立并求解组合决策优化模型，确定有序充电的应用时间、配电变压器的新建时间、容量和型号。进一步地，所述对纯住宅区和商住两用场景下的公用配电变压器基础负荷曲线进行聚类分析，具体如下：采集某一线城市多个纯住宅区及多个商住两用小区的公变负载率数据，绘制日负荷曲线，对上述两类基础负荷的日负荷曲线进行归一化，进而将各时刻负荷值组成特征向量集，采用k-means算法(k均值聚类算法)进行特征提取，聚类数k均为1，得到典型纯居民和居民-商业混合基础负荷曲线。进一步地，所述纯住宅区和商住两用场景下的电动汽车日充电功率曲线，具体获取方法为：起始充电时间t0：对于国内的居民用户，其t0有两个主要的聚集时段，分别出现于中午下班小高峰和下午下班晚高峰，因此可结合用户出行习惯假设居民用户的t0由表1所示的几种正态分布按一定的混合比例系数组合得到；对于商业用户，t0则较均匀地分布于9:00a.m～7:00p.m这段时间内。表1居民用户起始充电时间正态分布比例系数n(12,12)0.05n(13,12)0.05n(19,12)0.375n(20,12)0.275n(21,12)0.175n(22,12)0.075充电功率pth：电动汽车充电功率与充电桩的类型和型号有关，我国对于充电桩接入公变容量有一定限制，目前仅允许报装容量不超过100kva的充电桩接入公变，报装容量高于100kva的充电桩必须按规定接入专变。在纯住宅区和商住两用这两个公变场景下，一般仅安装小功率的单枪交流慢充桩。充电时长tc：对于商业用户，一般只在商住两用区域短期停留，因此，假设其充电时长tc服从正态分布n(2,12)，并且，当soc低于0.5时，这部分用户才会进行充电操作，而其起始充电soc可认为服从正态分布n(0.5,12)。对于居民用户，其tc的概率分布随机性较大，一般利用起始充电soc来推导tc，如式(1)所示。式中，对于居民用户的起始充电soc即soc0，由于现有负荷预测方法通常认为其服从某种人为给定的正态分布，缺乏理论依据、主观性较强，本发明利用统计规律较强的日行驶里程s，并结合充电频率，对soc0做进一步推导，如式(2)所示，其中s采用对数正态分布lns～n(3.2,0.882)。式中，soct为结束充电soc，车辆在住宅区停留时间较长，一般充至soc＝1；soc0为起始充电soc；e为电池容量；η为充电效率，可取0.9；pth为充电功率，常用慢充桩pth＝7kw；w100为车辆每行驶100km的耗电量；fc为居民用户车辆的充电频率。充电频率fc：由式(2)可知，充电频率fc将对居民用户的soc0产生影响，从而进一步影响后续充电时长tc计算的准确性，而目前大多数的文献对充电负荷建模时忽略了考虑电动汽车用户的充电频率问题。根据2018年上海市新能源汽车的统计数据，纯电动汽车(b电动汽车)周充电次数在1～5次的用户累计占比达74％；6次及以上的用户累计占比为26％。本文将这两类用户的充电频率归类为前者两天一充，后者一天一充，fc分别取2和1。进一步地，步骤3)所述配电变压器综合负荷的自然增长数学模型具体如下：pz,y(t)＝pev,z,y(t)+pbasic,z,y(t)(3)pev,z,y(t)＝mt(m0·α(y))(4)式中，pz,y(t)为第y年第z天的配电变压器综合负荷日功率曲线，t＝1,2,...,96，z＝1,2,...,365，y＝1,2,...,ld，ld为负荷预测的年限；pev,z,y(t)为第y年第z天的电动汽车日充电曲线；pbasic,z,y(t)为第y年第z天的基础负荷日功率曲线；pev,z,y(t)通过蒙特卡洛模拟mt(·)获得，m0为该配电变压器下的电力用户数量，α(y)为第y年的电动汽车渗透率；βbasic(t)为归一化后的典型基础负荷日负载曲线；为归一化后的基础负荷日最大负载率年变化曲线；β(y)为第y年的基础负荷年最大负载率；sb为原配电变压器容量。进一步地，步骤4)所述综合投资方案的全寿命周期成本包括两部分：新建变压器成本和有序充电控制成本，具体如下：新建变压器成本及有序充电控制成本，具体如下：所述新建变压器成本f主要由初始投资成本fi、运行损耗成本fl、上级电网投资成本fu、检修维护成本fo、故障成本fg和退役处置成本fr组成，均采用现值表示；其中，fi包括配电变压器购置成本fgz、配电变压器安装成本faz及土地购置成本ftd；fl包括空载损耗成本fkz、负载损耗成本ffz；fo包含大修费用fdx及小修费用fxx；fr包含设备报废成本fbf及设备残值费fcz。具体地，fgz＝f(xt，sn)(7)ftd＝ftd·s(8)fkz＝a·(p0+kqi0sn)(9)ffz＝b·(pk+kquksn)(10)式中，lx为配电变压器的新建年限，即于第lx年新建变压器；r0为贴现率，通常取0.1；f为fgz随配电变压器容量sn和型号xt变化的函数；faz一般为fgz的6.2％；ftd和s分别为配电变压器占地面积和地皮单价；lt为配电变压器运行寿命，通常取20年；a、b分别为配电变压器空载、负载损耗等效初始费用系数；p0、pk分别为配电变压器额定空载、负载损耗；kq为无功经济当量，10kv配电变压器一般有0.05≤kq≤0.1；i0、uk分别为配电变压器的额定空载电流和短路阻抗；pe为平均售电电价；hpy为配电变压器的年带电小时数，一般取8760h；g为年限；τ为年最大负载损耗小时数，城市生活负荷一般为1874h；kt为配电变压器温度校正系数，可取1.0；kpv为贴现率为r0的连续lt年费用现值系数；β0为配电变压器投运年高峰负载率；fdx为单次大修费用，设为fgz的6％；fxx为单次小修费用，占fgz的1.5％；h为大修次数，floor(·)表示小数向下取整；fbf为设备报废成本，占faz的32％；fcz为设备残值，占fgz的5％。有序充电控制成本g包括初始建设投资成本gi和运营成本gs，运营成本即用户电费补贴成本。初始建设投资成本gi又包括有序充电控制器的造价和通信改造费用等，主要场定价决定；而运营成本gs则受基础负荷、用户补贴接受度及有序充电控制策略影响，其现值计算具体如下：h＝h(ps)(18)m＝w(α)·h(19)式中，g's,y为第y年的用户补贴费用；preal,mn为可控车辆n在对应受控时段δdmn的实实际充电功率；ps为有序充电用户补贴单价；h为在一定补贴电价ps下愿意参与有序充电控制的用户占比；h为用户补贴接受度函数，即h用户占比随ps变化的函数，可采用调研结果h＝0.1871ps；m为第y年参与有序充电的可控电动汽车数量；n为第m辆车的充电功率分段数；w为电动汽车总数随电动汽车渗透率α变化的函数；lx为配电变压器的新建年限；r0为贴现率，pth为慢充桩充电功率。进一步地，步骤4)所述组合决策优化模型，具体如下：i.目标函数：式中，lt为配电变压器运行寿命，通常取20年；ii.新建年限约束：lover≤lx≤lt(22)lx≤min{l-1,l-2}(23)式中，lover为原配电变压器预测开始过载的第一年，即有序充电的起始应用时间，用式(3)～式(5)及下式(24)～式(25)计算得到；l-1为出现不可控用电负荷导致过载的预测年限；l-2为无法在保证用户正常取车和用车需求的前提下进行有序充电控制的预测年限。y＝{y|max{pz,y(t)}＞sb}(24)lover＝min{y}(25)式中，y为原配电变压器预测将发生过载的年限集合；iii.配电变压器选型约束：xt,sn∈ω{x0,s0}(26)sn+sb≥max{pz,y(t)},y＝1,...,lx+lt(27)式中，ω为供选的配电变压器型号x0、容量s0集合。实现所述的考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法的系统，包括：基础负荷聚类单元，用于获取纯住宅区和商住两用场景下归一化的典型的基础负荷曲线；充电负荷模拟单元，用于获取纯住宅区和商住两用场景下的电动汽车充电负荷日充电功率曲线；综合负荷预测单元，用于获取配电变压器的综合负荷自然增长数学模型；容量型号计算单元，用于建立并求解组合决策优化模型，获取全寿命周期成本最小目标下最佳的新建配电变压器容量和型号，同时也可确定有序充电的应用时间和配电变压器的新建时间。一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法的步骤。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1)将新增容量和有序充电两种治理手段相结合，利用新增容量弥补有序充电控制能力有限的缺点，而有序充电则延缓和削减了新增容量的巨大投资，实现了优势互补、综合治理；2)将以往单个时间断面的效益分析模型转化为长时间尺度的组合决策模型，从综合治理方案的全寿命周期角度去计算配电容量需求和优化投资经济性，在配电变压器过载初期通过有序充电控制延缓投资，再于最佳年限新建最佳型号配电变压器，增加配电容量，避免重复投资或无效投资。附图说明图1是考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法流程示意图；图2是负载率和电动汽车渗透率年变化曲线；图3是居民基础负荷曲线及聚类所得典型日负荷曲线图；图4是控制前ev日充电功率曲线；图5是基于组合决策模型的负载率年变化图；图6是考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型系统结构示意图；图7是有序充电控制效果图；图8是新建年限对各项成本的影响效果图；图9是配电变压器选型对总成本的影响效果图。具体实施方式为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。以某新建居民小区为研究对象，该小区配电变压器容量为630kva，于2019年投入使用，投运年的年最大负载率为50％，按寿命20年计，可运行至2038年底。小区共160户居民，其中4户居民配备电动汽车，即该小区当前电动汽车渗透率为2.5％，根据公安部的统计及专家预测数据，可以拟合获取2019～2040年的电动汽车渗透率α变化趋势，同时，设基础负荷年最大负载率β的年增长率为4.5％且为常数，所述α和β的年变化曲线如图2所示。仿真采用的补贴电价ps为2.67元/kwh，此时对应的愿意参与有序充电控制的电动汽车用户占比为0.5，有序充电控制器的初始建设投资成本gi为1万元，平均售电电价pe为0.6元/kwh；待选取的变压器型号包括了scb10、scb11和scb13三个系列的新型10kv干式变压器，具体技术参数采用市场数据；电动私家车车型选取市面上较为常见的比亚迪宋e5，该型号的电动汽车电池容量e为61.9kw·h，w100为17.7(kw·h)/百公里。如图1所示的一种考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法，具体包括以下步骤：(1)对纯住宅区的典型公用配电变压器基础负荷曲线进行聚类分析，得到纯住宅区归一化后的典型基础负荷日负载曲线。本算例采集某一线城市多个纯住宅区的公变负载率数据绘制日负荷曲线，对曲线进行归一化，进而将各时刻负荷值组成特征向量集，采用k-means算法进行特征提取，聚类数k均为1，得到典型纯居民和居民-商业混合基础负荷曲线，如图3所示；(2)根据起始充电时间t0、充电功率pth、充电时长tc和充电频率fc等参数对功率，并考虑居民用户与商业用户占比，采用蒙特卡洛模拟方法，得到纯住宅区和商住两用场景下的电动汽车日充电功率曲线，如图4所示为控制前的一组曲线，可以看出，充电负荷高峰主要是由占比较大、两天一充的电动汽车造成，并在工作日下班时间19:00～22:00处于充电高峰，与基础负荷的高峰时期重叠；(3)考虑基础负荷负载率和电动汽车渗透率的年变化趋势，建立配电变压器综合负荷的自然增长数学模型，其中，基础负荷负载率可采用固定的年增长率，而电动汽车渗透率的变化趋势可参照公安部2014～2019年全国新能源汽车保有量的统计数据；(4)以有序充电+新建配电变压器综合投资方案的全寿命周期成本最小为目标，建立组合决策优化模型，具体如下：i.目标函数：式中，lt为配电变压器运行寿命，通常取20年。ii.新建年限约束：lover≤lx≤lt(22)lx≤min{l-1,l-2}(23)式中，lover为原配电变压器预测开始过载的第一年，即有序充电的起始应用时间，用式(3)～式(5)及下式(24)～式(25)计算得到；l-1为出现不可控用电负荷导致过载的预测年限；l-2为无法在保证用户正常取车和用车需求的前提下进行有序充电控制的预测年限。y＝{y|max{pz,y(t)}＞sb}(24)lover＝min{y}(25)式中，y为原配电变压器预测将发生过载的年限集合；iii.配电变压器选型约束：xt,sn∈ω{x0,s0}(26)sn+sb≥max{pz,y(t)},y＝1,...,lx+lt(27)式中，ω为供选的配电变压器型号x0、容量s0集合。求解优化模型，确定有序充电的应用时间、配电变压器的新建时间、容量和型号。基于上述参数对组合决策优化模型进行求解，可得，新建配电变压器的最佳年限为2034年，最佳选型为400kva的scb13配电变压器，即基于该小区的综合负荷自然增长趋势，最佳的整体投资治理方案是于2028～2033年采用有序充电控制进行过渡，并于2034年新增容量为400kva的scb13配电变压器。由图5所示的负载率变化趋势图可知，在有序充电控制阶段，通过对可控电动汽车充电功率进行压制，可应对出现的短时过载问题；而此后新建配电变压器的配置容量既满足了用电需求，亦不会出现冗余，配电变压器利用率和经济性较高。根据上述考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型方法，本实施例提供一种考虑充电桩接入的公用配电变压器定容选型系统，其系统结构示意图如图6所示，包括：基础负荷聚类单元，用于获取纯住宅区和商住两用场景下归一化的典型的基础负荷曲线，在本实施例中，该模块将输出如图3所示的纯住宅区典型基础负荷曲线；充电负荷模拟单元，用于获取纯住宅区和商住两用场景下的电动汽车充电负荷日充电功率曲线，在本实施例中，该模块将输出如图4所示的该小区实行有序充电控制前的电动汽车日充电功率曲线；综合负荷预测单元，用于获取配电变压器的综合负荷自然增长数学模型，在本实施例中，在本实施例中，该模块将输出如图6所示的该小区在2019～2038年期间的配电变压器年最大负载率曲线(治理前)；容量型号计算单元，用于建立并求解组合决策优化模型，获取全寿命周期成本最小目标下最佳的新建配电变压器容量和型号，同时也可确定有序充电的应用时间和配电变压器的新建时间，在本实施例中，该模块输出的新建配电变压器最佳容量为400kva，最佳型号为scb13，同时也将输出有序充电控制的最佳起始应用年限为2028年，配电变压器的最佳新建年限为2034年。现对本实施例的输出结果进行分析：1)有序充电控制效果分析由图7所示的有序充电控制效果图可知，在不采用有序充电控制情况下，配电变压器将于20:45和21:45分两次出现短时过载的现象；而在有序充电控制下，其充电功率分别于20:45和21:45降低至2.8kw和4.2kw，从而达到抑制短时过载的作用。2)配电变压器新建年限影响分析由图8所示的新建年限对各项成本的影响可知，前期的有序充电通过延长整体方案的总年限，有效削弱了新建配电变压器的等值年成本达13.37％。3)配电变压器选型影响分析由图9所示配电变压器选型对总成本的影响可知，当选定于2034年新建配电变压器，与同一新建年限下的其他所有选型方案相比，采用400kva容量的scb13配电变压器最高可减少68.36％的等值年成本。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，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12