一种配电网电动汽车时空充放电电价制定方法与流程

本发明涉及电力系统分析技术领域，具体涉及一种配电网电动汽车时空充放电电价制定方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，化石燃料短缺以及严重的环境污染问题也变得愈发严重，电动汽车作为一种清洁的交通工具，其发展和普及将成为必然趋势，各国政府都在大力鼓励电动汽车的发展。然而随着电动汽车数量的增加，大量电动汽车需要接入电网充电。当电动汽车无序接入电网时，其充电负荷将对电网产生很大的影响，可能会导致电网局部过载，影响电网的安全稳定运行。而电动汽车的有序充放电行为不仅可以减少电网的网损，减小配电网的峰谷差，提高配电网的电压质量，还能够减少电动汽车用户的充电费用。

电动汽车用户对电价具有一定的敏感性，通过设置合适的电价能够引导电动汽车用户有序充放电。目前在电动汽车充放电电价制定方法的研究主要集中在分时电价策略，没有考虑到不同充电站所在的空间位置差异对配电网潮流的影响。

因此，亟需提供一种能够在时间和空间两个尺度上引导电动汽车用户有序充放电，实现电网与电动汽车用户的双赢的充放电策略。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种配电网电动汽车时空充放电电价制定方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于电动汽车的时空迁移特性及用户对电价的响应特性，以降低配电网的负荷波动为目标，通过优化负荷曲线确定分时电价策略；

以降低配电网的网损为目标建立配电网重构模型，求解得到充放电负荷最优空间电价；

确定配电网电动汽车时空充放电电价。

在上述方法中，所述电动汽车的行驶特性包括：

统计历史电动汽车的数据得到电动汽车行驶消耗电量曲线以及电动汽车接入电网的比例分布曲线，得到电动汽车的时空迁移特性。

在上述方法中，所述用户对电价的响应特性具体包括：

通过需求价格弹性系数描述电动汽车用户对电价的响应特性，其中

分别用时间弹性系数和空间弹性系数表示电价的时间性差异和空间性差异。

在上述方法中，包括通过二阶锥松弛将配电网重构模型转化为二阶锥规划模型，并通过求解器求得全局最优解。

在上述方法中，所述电动汽车用户对电价的响应特性具体计算如下：

式中，和分别表示节点n在t时间段内的平均充电和放电负荷；α和β表示需求价格弹性系数；和分别表示节点n在t时间段内的充电电价和放电电价；

式中，εct和εdt分别表示与电价的时间差异有关的充电和放电功率弹性系数；εcn和εdn分别表示与电价的空间差异有关的充电和放电功率弹性系数；

式中，和分别表示节点n在t时间段内的平均充电和放电功率变化值；和分别表示节点n在t时间段内的充电电价和放电电价的变化值；其中

在上述方法中，所述分时电价的数学模型具体为：

目标函数：

式中，pl,t是t时间段内配电网总的基础负荷；pc,t和pd,t分别表示t时间段内配电网总的充电负荷和放电负荷；

约束条件包括充放电功率上限约束、充放电状态互斥约束、放电容量约束、电动汽车电池荷电状态约束、电动汽车行驶耗电量需求约束、需求价格弹性约束及充放电电价上下限约束。

在上述方法中，所述充放电功率上限约束为：

式中，xt和yt分别表示t时间段内的充电状态和放电状态；和分别表示配电网内总充电功率和放电功率的上限；

式中，和分别表示配电网中所有充电站的充电功率和放电功率上限；nt表示在t时间段内配电网中可调度的电动汽车数量；和分别表示每辆电动汽车的平均充电功率和平均放电功率；

充放电状态互斥约束：

xt+yt≤0(7)

放电容量约束：

式中，sd表示最大放电电量；

电动汽车电池荷电状态约束：

式中，s0表示电动汽车的初始电量；et表示t时间段内电动汽车行驶消耗的电量；和分别表示电动汽车电池电量的上下限；

电动汽车行驶耗电量需求约束：

需求价格弹性约束：

充放电电价上下限约束：

式中，和分别表示放电电价的上下限；和分别表示充电电价的上下限。

在上述方法中，所述空间电价的数学模型具体为：

目标函数：

式中，line为配电网支路集合；t是24小时内的调度时间；n是配电网的节点数量；gij是支路ij的电导；vi,t是节点i在t时间段内的平均电压；vj,t是节点j在t时间段内的平均电压；θij,t是t时间段内节点i与节点j的功角差；c(j)是与节点j相连接的节点集合；αij表示支路ij的投入状态，αij＝1表示支路ij投入，αij＝0表示支路ij断开；δt表示一个调度周期；

约束条件包括节点功率平衡约束、配电网辐射状拓扑约束、电压上下限约束、线路功率传输容量约束、充电站充放电服务能力约束、电动汽车空间分布约束、需求价格弹性约束、充放电电价上下限约束与平均电价约束。

在上述方法中，所述节点功率平衡约束为：

式中，表示i节点在t时间段内的基础有功功率；和分别表示i节点在t时间段内的平均充电功率和平均放电功率；bij是支路ij的电纳；表示i节点在t时间段内的基础无功功率；

配电网辐射状拓扑约束：

式中，βij表示节点i与节点j的层次关系，当βij＝1时认为节点i是节点j的父节点。

ⅲ、电压上下限约束

vimin≤vi,t≤vimax(16)

式中，vimin和vimax分别表示节点i的电压下限和上限。

ⅳ、线路功率传输容量约束

式中，pm表示线路传输有功的上限。

ⅴ、充电站充放电服务能力约束

式中，和分别表示节点i的充电功率上限和放电功率上限。

电动汽车空间分布约束：

式中，i是配电网区域集合，i＝{住宅区,商业区,办公区}；

需求价格弹性约束：

充放电电价上下限约束：

平均电价约束：

在上述方法中，通过二阶锥松弛将式(13)-式(22)所示的配电网重构模型转化为二阶锥规划模型具体包括：

通过式(23)对式(13)-式(17)所示的潮流方程进行等价替换：

式中，rij,t，tij,t和ui,t为等式变换过程中引入的变量，没有实际物理意义。

为了考虑配电网重构问题，引入与线路连通变量相关的虚拟电压与若αij＝1时则有与若αij＝0时则有通过下式保证其成立：

目标函数转化为：

节点有功平衡约束：

节点无功平衡约束：

线路安全容量约束：

节点电压上下限约束：

通过下式将解空间投影至锥体上，实现潮流方程的松弛：

本发明提供一种配电网电动汽车时空充放电电价制定方法，能够在时间和空间两个尺度上引导电动汽车用户有序充放电，减少电网的网损，减小配电网的峰谷差，提高配电网的电压质量和减少电动汽车用户的充电费用。

附图说明

图1为本发明提供的流程图。

图2为本发明通过统计得到的电动汽车行驶消耗电量曲线图；

图3为本发明通过统计得到的电动汽车接入电网的比例分布曲线图；

图4为本发明通过统计得到的电动汽车在配电网的时空迁移特性示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种配电网电动汽车时空充放电电价制定方法，包括以下步骤：

s1、基于电动汽车的时空迁移特性及用户对电价的响应特性；

s11、通过统计历史电动汽车的数据得到电动汽车行驶消耗电量曲线以及电动汽车接入电网的比例分布曲线，得到电动汽车的时空迁移特性。

如图2～4所示，通过统计得到在一天之中电动汽车有95％的时间处于停车状态，每个时段中能接入电网进行充电或放电的电动汽车数量分别占总数的95％和40％，电动汽车离开电网的时间服从正态分布，分别为n(7.5,0.25)和n(17.5,0.25)，9:00-16:30时间段内，电动汽车离开电网的概率均为0.02。并假设配电网分成了居民区、商业区和办公区3个功能区，70％的电动汽车属于居民区，20％的电动汽车属于商业区，10％的电动汽车属于办公区。当考虑电动汽车的迁移时，在白天大部分的电动汽车停留在办公区和商业区，在晚上大部分的电动汽车停留在居民区。假设在早上上班时间，居民区中80％的电动汽车将迁移到办公区，15％的电动汽车将迁移到商业区；在傍晚下班时间，这些从居民区迁出的电动汽车将会回到居民区，其他的车辆不会驶出其所属于的区域。

s12、通过需求价格弹性系数描述电动汽车用户对电价的响应特性，其中电价的时间性差异和空间性差异分别用时间弹性系数和空间弹性系数表示，具体如下：

式中，和分别表示节点n在t时间段内的平均充电和放电负荷；α和β表示需求价格弹性系数；和分别表示节点n在t时间段内的充电电价和放电电价。

式中，εct和εdt分别表示与电价的时间差异有关的充电和放电功率弹性系数；εcn和εdn分别表示与电价的空间差异有关的充电和放电功率弹性系数。

式中，和分别表示节点n在t时间段内的平均充电和放电功率变化值；和分别表示节点n在t时间段内的充电电价和放电电价的变化值；其中

s2、以降低配电网的负荷波动为目标，通过优化负荷曲线确定分时电价策略；具体如下。

分时电价制定的数学模型：

目标函数如下：

式中，pl,t是t时间段内配电网总的基础负荷；pc,t和pd,t分别表示t时间段内配电网总的充电负荷和放电负荷。

约束条件：

分时电价制定时需满足以下约束条件：

i、充放电功率上限约束

式中，xt和yt分别表示t时间段内的充电状态和放电状态；和分别表示配电网内总充电功率和放电功率的上限，由(6)定义。

式中，和分别表示配电网中所有充电站的充电功率和放电功率上限；nt表示在t时间段内配电网中可调度的电动汽车数量；和分别表示每辆电动汽车的平均充电功率和平均放电功率。

ⅱ、充放电状态互斥约束

xt+yt≤0(7)

ⅲ、放电容量约束

式中，sd表示最大放电电量。

ⅳ、电动汽车电池荷电状态约束

式中，s0表示电动汽车的初始电量；et表示t时间段内电动汽车行驶消耗的电量；和分别表示电动汽车电池电量的上下限。

ⅴ、电动汽车行驶耗电量需求约束

ⅵ、需求价格弹性约束

ⅶ、充放电电价上下限约束

式中，和分别表示放电电价的上下限；和分别表示充电电价的上下限。

s3、以降低配电网的网损为目标建立配电网重构模型；具体如下：

空间电价制定的数学模型：

目标函数：

式中，line是配电网支路集合；t是24小时内的调度时间；n是配电网的节点数量；gij是支路ij的电导；vi,t是节点i在t时间段内的平均电压；vj,t是节点j在t时间段内的平均电压；θij,t是t时间段内节点i与节点j的功角差；c(j)是与节点j相连接的节点集合；αij表示支路ij的投入状态，αij＝1表示支路ij投入，αij＝0表示支路ij断开；δt表示一个调度周期。

约束条件：

空间电价制定时需满足以下约束条件：

i、节点功率平衡约束

式中，表示i节点在t时间段内的基础有功功率；和分别表示i节点在t时间段内的平均充电功率和平均放电功率；bij是支路ij的电纳；表示i节点在t时间段内的基础无功功率；

ⅱ、配电网辐射状拓扑约束

式中，βij表示节点i与节点j的层次关系，当βij＝1时认为节点i是节点j的父节点。

ⅲ、电压上下限约束

vimin≤vi,t≤vimax(16)

式中，vimin和vimax分别表示节点i的电压下限和上限。

ⅳ、线路功率传输容量约束

式中，pm表示线路传输有功的上限。

ⅴ、充电站充放电服务能力约束

式中，和分别表示节点i的充电功率上限和放电功率上限。

ⅵ、电动汽车空间分布约束

式中，i是配电网区域集合，i＝{住宅区,商业区,办公区}。

ⅶ、需求价格弹性约束

ⅷ、电价上下限约束

ⅸ、平均电价约束

s4、求解配电网重构模型得到充放电负荷最优空间电价；

本实施例中，由于空间电价的制定过程涉及到配电网重构问题，优化的变量包括表示网架结构的二进制变量αij和βij，以及节点的充放电功率，同时由于潮流方程属于非线性方程，因此原问题是一个混合整数非线性规划(mixedintegernonlinearprogrammingproblem,minlp)，导致配电网重构问题难以通过解析法求解。因此需要运用潮流松弛方法，将式(13)-式(22)所示的配电网重构模型转化为二阶锥规划模型，通过式(23)对式(13)-式(17)所示的潮流方程进行等价替换：

式中，rij,t，tij,t和ui,t为等式变换过程中引入的变量，没有实际物理意义。

为了考虑配电网重构问题，引入与线路连通变量相关的虚拟电压与若αij＝1时则有与若αij＝0时则有通过下式保证其成立：

目标函数转化为：

节点有功平衡约束：

节点无功平衡约束：

线路安全容量约束：

节点电压上下限约束：

通过下式将解空间投影至锥体上，实现潮流方程的松弛：

至此将配电网重构问题转化为混合整数二阶锥规划模型(mixedintegersecond-orderconicprogramming，misocp)，并通过常用的商业求解器(如cplex,gurobi,mosek)可以快速求得全局最优解。

s5、确定配电网电动汽车时空充放电电价。

本实施例将分时电价优化策略与空间电价优化策略得到的结果整理得到配电网电动汽车时空充放电电价；

从时间尺度上，在配电网处于用电高峰期的中午和傍晚两个时间段，电网通过较高的放电电价吸引电动汽车用户放电；在午夜用电低谷时段，电网通过较低的充电电价吸引电动汽车用户充电，从而实现削峰填谷，降低配电网的峰谷差和负荷波动；

从空间尺度上，结合配电网重构，配电网通过不同节点的差异性电价引导电动汽车用户前往不同的充电站进行充电。在满足电动汽车空间分布特性的前提下，靠近平衡节点的充电站通过设置更低的充电电价引导电动汽车用户充电，远离平衡节点的充电站通过设置更高的放电电价引导电动汽车用户放电，从而降低配电网的网损，提高配电网的电压质量。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。