考虑电动汽车换电模式的主动配电网网架规划方法与流程

本发明涉及一种考虑换电模式的主动配电网网架规划方法。

背景技术：

传统配电网网架规划不考虑分布式电源和电动汽车[1]，但因它们的应用能减少了对化石燃料的使用，缓解能源危机，同时降低碳排放，所以得到了快速发展。大量分布式电源的接入，给配电网带来一些问题，如双向潮流，不确定性、复杂性的增加等，主动配电网对分布式电源接入及接入容量的扩充提出一些有效的解决方案。针对分布式电源产生能量的不确定性和间歇性，主动配电网采用了基于需求侧响应的柔性负荷，与发电端进行信息交流，有效促进分布式电源接入配电网。电动出租车是柔性负荷的重要组成部分，在政府的支持下，电动出租车已经在公共交通领域占领了一席之地。美、中、韩等国的一些城市已经建立了完整的电动公共交通系统。

尽管电动出租车对环境污染较少，但因行驶里程较远、电池容量有限，需要频繁充电。此外，电动出租车司机倾向于在乘客乘车需求较少的时间和距离较近、服务较好的充电站充电，容易集中充电，影响配电网的稳定性和安全性。另一方面，在主动配电网网架规划中，大多数技术方案只考虑电动汽车的插入式充电策略，而通过换电站进行充电的方式却很少提及。

参考文献

[1]李林.基于粒子群算法的城市中压配电网架优化规划研究[d].华北电力大学(河北),2007.

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够降低系统能量损耗，提升总体效益的主动配电网网架规划方法。本发明在主动配电网网架规划中，考虑电动出租车在电池换电站换电的运行模式，建立换电站功率模型，指定目标函数后优化求解。技术方案如下：

一种考虑电动汽车换电模式的主动配电网网架规划方法，包括：

(1)获取乘客的乘车需求以及电池的换电需求统计特征，考虑电动出租车换电需求，绘制换电需求曲线。

(2)采用分时电价的需求响应策略，在分时电价项目的引导下，将电池并入电网参与电网的电力调度，通过高充低放获取利润，通过模拟运行，得到实际的电池换电站充放电功率需求曲线，将其作为主动配电网中一个功率可以双向流动的负荷节点；

(3)建立主动配电网网架规划的目标函数，此目标函数包括线路投资、运行维护、网损和碳排放环境成本在内的综合经济指标的最小化，决策变量为表示线路运行状态的二进制变量；

(4)优化求解。

本发明给出了一种考虑电动汽车换电模式的主动配电网网架规划方法。与文献[1]对比，考虑了分布式发电及电池换电站功率模型，并用场景分析法处理分布式电源出力的不确定性，采取分时电价项目引导用户用电，使本发明方案的主动配电网规划模型，更贴近工程实践。另外，目标函数不仅考虑传统经济成本，还考虑发电传输中缴纳碳税的经济费用，使得规划结果有相对较低的碳排放，环境效益增加。此外，算例分析采用四个方案对比的形式，突出考虑分布式电源及电池换电站的主动配电网规划相对传统规划的优越性。

附图说明

图1是一天中换电需求变化曲线

图2是一天中电网电价变化曲线

图3是bss的仿真负荷曲线

图4是修改的25节点系统待选网架结构图

具体实施方式

采用换电模式的电动出租车的推广可使多个利益主体获益。用户换电更加方便省时，电力公司电力调度更加简单快捷，换电站运营商通过参与电网调峰，盈利更多。本发明基于附图对主动配电网网架规划中采用电池换电模型的过程进行说明。

首先建立电动出租车换电需求曲线。乘客的乘车需求可能会发生在一天的任意时间点，而在深夜和凌晨相对较少。从一些文献可以看出，乘客乘车需求在7a.m.到12p.m.和0a.m.到7a.m之间分别近似服从均匀分布。又因乘客乘车需求分布不影响决策变量求解方法，在此假设乘客乘车需求分别服从均匀分布。与此对应，换电需求相对乘客乘车需求有延迟时间，可以假设其在10a.m.到3p.m.和3a.m.到10a.m之间分别服从均匀分布，两个时间段换电需求的比值可由文献中两个时间段平均值的比例5:2表示，示意图如图1。

为增大可再生能源的接纳容量，本发明采取一种需求响应策略。需求响应是电力用户为响应电力系统价格或激励信号调整用电行为，它包括基于价格和基于激励的分类。在基于分时电价的项目中，电价全天都在波动，通常将这24h分为高峰、平段、低谷三个阶段。由于分时电价容易实施且应用广泛，本发明在分时电价激励下分析讨论。分时电价各时间段电价设置如图2。在分时电价激励下，电池换电站运营商倾向低电价时段充电，高电价时段放电。同时考虑到车主需求和备用电池容量，模拟换电站负荷曲线。

在分时电价模式的引导下下，电池换电站运营商倾向低电价时段充电，高电价时段放电。考虑到车主需求和备用电池容量，电池换电站模拟负荷曲线如图3所示。

本发明中网架规划采取的目标函数f(·)是包括馈线投资，运维费用，网损和环境效益，即因发电侧碳排放缴纳的碳税，在内的总费用。

f＝ccap+copr+cemi

其中，ccap是年值化馈线投资，copr是网络损失和运维费用之和，cemi是期望碳税值。因为分布式电源是清洁能源，cemi主要由发电侧网损和超出分布式电源发电量的负荷产生。

系统的约束条件包括线路的数量约束、功率平衡等式、线路允许的电流约束、电压越限约束、受端网络约束和网架的辐射约束。

此外，本发明选取离散二进制粒子群算法[1]对主动配电网进行网架规划的优化求解，基于图4和表1对实施例进行说明。

针对一个10kv配电网规划问题进行算例分析，包含25个节点，42条可扩建支路，电源点1(35/10.5kv变电站)向24个的负荷节点(10/0.4kv变电站)供电,初始网架如图4所示。假设分布式电源接在节点10、13、20、21和25，每个节点最多接10台，电池换电站设在节点2。主动配电网网架规划的最优解取决于线路运行状态。

本发明采取了四种方案进行对比:

ⅰ.传统的成本优化，不包含主动配电网、需求响应及碳税；

ⅱ.计及碳税对对规划的影响；

ⅲ.考虑分布式电源及电池换电站的主动配电网网架规划；

ⅳ.考虑分布式电源及电池换电站需求响应的综合规划。

每种方案的规划结果列于表1，继而分析各自的年值费用。

和方案ⅰ相比，方案ⅱ-ⅳ运营费用、总成本及碳税都得到降低，与预期结果一致。

方案ⅱ总成本和co2排放分别比方案ⅰ降低1.49％和1.85％，但是馈线投资却比方案ⅰ高64.01％，投资与收益不成正比。方案ⅱ中，网损在目标函数占很大比重，这使得主动配电网网架规划倾向选择网络损耗更低的线路，降低网损和碳税。

方案ⅲ总成本和co2排放分别比方案ⅰ降低2.30％和2.37％，接入分布式电源、电池换电站后系统的经济效益与环境效益都得到进一步改善。

方案ⅳ考虑了分布式电源、电池换电站和分时电价项目，总成本和co2排放分别比方案ⅰ降低12.09％和2.44％。其中，购电费用削减了12.58％，占成本削减量的很大比重。首先，分时电价项目的实施激励用户负荷低谷用电，高峰和平时的负荷降低，使得购电费用降低。其次，为获取最大利润，电池换电站运营商在满足电动汽车出租车换电需求的前提下，尽量安排电池在平时与低谷手段充电，在高峰时段向电网售电。最后，基于电价的需求侧响应使得分布式电源充分发挥其发电潜力，避免深夜、凌晨负荷欠载引起的功率削减，这使得分布式电源发电量与用户负荷更加平稳，实现了削峰填谷。

总体而言，方案ⅳ的解决方案更具优越性。

综上，网架规划因采取规划方案的不同导致了规划效果的差异，采取分布式电源、电动出租车电池换电站模式和需求响应方案的系统具有更好的环境效益和经济效益，这证明分布式电源、电池换电站和需求响应可以有效地降低系统功率损耗、提升系统整体效益、突出主动配电网优势，是满足用户侧日益增长的负荷需求以及响应社会节能减排号召的重要方式。

表1不同方案规划结果比较