一种基于农村配电网的充换电站联合优化方法及系统与流程

本发明属于农村配电网的充换电设施接入与运行，具体涉及一种基于农村配电网的充换电站联合优化方法及系统。

背景技术：

1、目前各类型的充换电设施在各大城市已经得到广泛覆盖，然而在农村地区的普及程度仍有待提升。农村地区主要有两类电动汽车补能需求，一是本地居民自有的各类电动汽车的补电需求，二是前往农村观光或路过的外来电动汽车的补能需求。前者在农村地区分布均匀且广泛，而后者则主要集中在重要景点以及过道等主干道沿线。因此，优化充换电设施的类型、选址和定容，对满足农村地区的电动汽车补能需求而言至关重要。

2、此外，由于农村配电网供电半径大，配电变压器以及配电线路容量不及城市配电网，因此其对电动汽车充电负荷的承载能力有限，大规模的接入充电负荷会对农村配电网潮流带来巨大冲击，可能导致配电网节点尤其是线路末端节点的低电压问题。因此，优化电动汽车充电负荷的接入位置和方式对于农村配电网来说尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种在考虑到农村电动汽车补能需求和农村配电网安全的前提下，最大化充换电服务的综合收益的基于农村配电网的充换电站联合优化方法及系统。

2、为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于农村配电网的充换电站联合优化方法，所述联合优化方法包括：

4、s1、构建充换电站联合优化配置与运行模型；该模型的目标函数为在保证农村电动汽车补能需求和农村配电网安全的前提下最大化充换电服务的综合收益；

5、s2、基于充换电站联合优化配置与运行模型进行仿真计算，对充电站和换电站的选址定容、接入方式以及联合运行方案进行优化。

6、所述充换电站联合优化配置与运行模型的目标函数为：

7、max(ic+is-ce)d-cp[(1+α)γ-1]/αγ2；

8、

9、

10、

11、

12、上式中，ic为日充电服务收益；is为日换电服务收益；ce为日购电成本；cp为年化建设成本；d为一年中的典型日数量；α为贴现率；γ为投资年限；γep为交通流中电动汽车的平均占比；γv为充换电站对于电动汽车的流量捕获率；为时段t内，起讫点对od采用路径k的本地车辆的交通流量；为时段t内，起讫点对od采用路径k的外地车辆的交通流量；为路径与道路的相关性矩阵；为道路和交通节点的相关性矩阵；分别为充电站、换电站的二进制规划决策变量；ev为电动汽车单次充电的能量需求；inc为充电服务的单位价格；ins为换电服务的单次价格；为平衡节点在时段t向整个配电网输出的有功功率，eo为平衡节点；为时段t时配电网节点e处接入的基础有功负荷；为时段t的实时电价；为节点j处的充电站中充电桩的数量；为节点j处的换电站中换电设施的数量；为节点j处的电电池充电设施的数量；prc、prs、prb分别为电动汽车充电设施、换电设施、电池充电设施的单价。

13、所述充换电站联合优化配置与运行模型的约束条件包括充电站和换电站的规划和运行约束、充换电需求半径约束、分布式抽水蓄能电站约束、交通网约束、配电网约束；其中，所述充电站和换电站的规划和运行约束包括充电站和换电站的电池数量上限约束、电动汽车电池流约束、充换电设施配置位置约束、充换电服务能力约束；所述充换电需求半径约束包括本地电动汽车的充换电需求半径约束、电动汽车中产生充换电需求的比例约束；所述分布式抽水蓄能电站约束包括分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量边界约束、分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量状态约束、分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化的约束、分布式抽水蓄能电站的功率约束；所述交通网约束包括道路交通流组成约束、道路交通流容量约束、交通需求总量约束；所述配电网约束包括平衡节点的有功和无功功率平衡约束、配电网线路的功率平衡约束、电动汽车充电站功率约束、配电网节点电压约束；

14、所述充电站和换电站的电池数量上限约束为：

15、

16、

17、上式中，fbt，j为节点j处的换电站在时段t完成充电的电池数量；fbm为换电站中完成充电的电池数量上限；js为建有换电站的节点的集合；ebt，j为节点j处的充电站在时段t待充电的电池数量；ebm为充电站中待充电的电池数量上限；jc为建有充电站的节点的集合；

18、所述电动汽车电池流约束为：

19、

20、

21、上式中，fbt-1，j为节点j处的换电站在时段t-1完成充电的电池数量；ebt-1，j为节点j处的充电站在时段t-1待充电的电池数量；bst，j为节点j处的换电站在时段t由于换电产生的待充电电池数量；bit，j，m为时段t从节点m处的充电站向节点j处的换电站运送的完成充电的电池数量；bct，j为节点j处的充电站在时段t完成充电的电池数量；bot，j，n为时段t从节点j处的充电站向节点n处的换电站运送的待充电的电池数量；

22、所述充换电设施配置位置约束为：

23、

24、

25、

26、上式中，δm为大m常数；

27、所述充换电服务能力约束为：

28、

29、

30、

31、上式中，tc、ts、tb分别为单次电动汽车充电消耗的时间、电动汽车换电消耗的时间、电池充电消耗的时间；tu为单位时间；

32、所述本地电动汽车的充换电需求半径约束为：

33、

34、

35、上式中，di，j为节点i与位于节点j处的充电站或换电站间的距离；dmj，j为节点i与节点j的距离；为二进制辅助变量；ls为充电需求半径；

36、所述电动汽车中产生充换电需求的比例约束为：

37、

38、上式中，fs为满足外地电动汽车充电需求的最小值；

39、所述分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量边界约束为：

40、

41、

42、上式中，分别为分布式抽水蓄能电站上水库、下水库在时段t的水量；vum、vum分别为分布式抽水蓄能电站上水库的水量下限和上限；vdm、vdm分别为分布式抽水蓄能电站下水库的水量下限、上限；

43、所述分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量状态约束为：

44、

45、

46、上式中，分别为分布式抽水蓄能电站上水库、下水库在时段t-1的水量；tn为一个典型日中的最后一个时间段；

47、所述分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化的约束为：

48、

49、上式中，δvt为分布式抽水蓄能电站在时段t的水量变化；δvm为分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化上限；

50、所述分布式抽水蓄能电站的功率约束为：

51、

52、上式中，为分布式抽水蓄能电站在时段t的输出输入功率；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为分布式抽水蓄能电站上、下水库之间的高度差；

53、所述道路交通流组成约束为：

54、

55、上式中，为时段t内道路l上的交通流量；

56、所述道路交通流容量约束为：

57、

58、上式中，fcl为道路l的交通流量上限；

59、所述交通需求总量约束为：

60、

61、

62、上式中，ldt，od、ndt，od为时段t内起讫点对od的本地车辆、外地车辆的交通需求；

63、所述平衡节点的有功和无功功率平衡约束为：

64、

65、

66、上式中，平衡节点在时段t向整个配电网输出的无功功率；分别为时段t时平衡节点的出线上的有功、无功功率；do为平衡节点的出线；

67、所述配电网线路的功率平衡约束为：

68、

69、

70、

71、上式中，分别为时段t时线路w上的有功、无功功率，线路d为与配电网节点e相连的所有线路；为时段t时配电网向节点e处接入的电动汽车充电站输出的有功功率；为时段t时配电网向节点e处接入的光伏的出力；分别为时段t时配电网节点e处接入的基础有功、无功负荷；lcd为配电网线路d的容量；

72、所述电动汽车充电站功率约束为：

73、

74、上式中，eb为电池单次充电需要的能量需求；为交通节点与配电网节点的相关性矩阵；

75、所述配电网节点电压约束为：

76、

77、

78、

79、上式中，分别为配电网线路d的电阻、电抗；δut，d为时段t内配电网线路d上的电压降；ut，a、ut，b分别为时段t内配电网节点a和节点b的母线电压，节点a和节点b分别为配电网线路d的两个端点；un为配电网母线额定电压；um、um为配电网母线电压的上、下限；为时段t内配电网节点e的无功功率；ut，e为时段t内配电网节点e的母线电压。

80、第二方面，本发明提供了一种基于农村配电网的充换电站联合优化系统，所述联合优化系统包括模型构建模块、仿真计算模块；

81、所述模型构建模块，用于构建充换电站联合优化配置与运行模型，该模型的目标函数为在保证农村电动汽车补能需求和农村配电网安全的前提下最大化充换电服务的综合收益；

82、所述仿真计算模块，用于基于充换电站联合优化配置与运行模型进行仿真计算，对充电站和换电站的选址定容、接入方式以及联合运行方案进行优化。

83、所述充换电站联合优化配置与运行模型的目标函数为：

84、max(ic+is-ce)d-cp[(1+α)γ-1]/αγ2；

85、

86、

87、

88、

89、上式中，ic为日充电服务收益；is为日换电服务收益；ce为日购电成本；cp为年化建设成本；d为一年中的典型日数量；α为贴现率；γ为投资年限；γep为交通流中电动汽车的平均占比；γv为充换电站对于电动汽车的流量捕获率；为时段t内，起讫点对od采用路径k的本地车辆的交通流量；为时段t内，起讫点对od采用路径k的外地车辆的交通流量；为路径与道路的相关性矩阵；为道路和交通节点的相关性矩阵；分别为充电站、换电站的二进制规划决策变量；ev为电动汽车单次充电的能量需求；inc为充电服务的单位价格；ins为换电服务的单次价格；为平衡节点在时段t向整个配电网输出的有功功率，eo为平衡节点；为时段t时配电网节点e处接入的基础有功负荷；为时段t的实时电价；为节点j处的充电站中充电桩的数量；为节点j处的换电站中换电设施的数量；为节点j处的电电池充电设施的数量；prc、prs、prb分别为电动汽车充电设施、换电设施、电池充电设施的单价。

90、所述充换电站联合优化配置与运行模型的约束条件包括充电站和换电站的规划和运行约束、充换电需求半径约束、分布式抽水蓄能电站约束、交通网约束、配电网约束；其中，所述充电站和换电站的规划和运行约束包括充电站和换电站的电池数量上限约束、电动汽车电池流约束、充换电设施配置位置约束、充换电服务能力约束；所述充换电需求半径约束包括本地电动汽车的充换电需求半径约束、电动汽车中产生充换电需求的比例约束；所述分布式抽水蓄能电站约束包括分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量边界约束、分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量状态约束、分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化的约束、分布式抽水蓄能电站的功率约束；所述交通网约束包括道路交通流组成约束、道路交通流容量约束、交通需求总量约束；所述配电网约束包括平衡节点的有功和无功功率平衡约束、配电网线路的功率平衡约束、电动汽车充电站功率约束、配电网节点电压约束。

91、所述充电站和换电站的电池数量上限约束为：

92、

93、

94、上式中，fbt，j为节点j处的换电站在时段t完成充电的电池数量；fbm为换电站中完成充电的电池数量上限；js为建有换电站的节点的集合；ebt，j为节点j处的充电站在时段t待充电的电池数量；ebm为充电站中待充电的电池数量上限；jc为建有充电站的节点的集合；

95、所述电动汽车电池流约束为：

96、

97、

98、上式中，fbt-1，j为节点j处的换电站在时段t-1完成充电的电池数量；ebt-1，j为节点j处的充电站在时段t-1待充电的电池数量；bst，j为节点j处的换电站在时段t由于换电产生的待充电电池数量；bit，j，m为时段t从节点m处的充电站向节点j处的换电站运送的完成充电的电池数量；bct，j为节点j处的充电站在时段t完成充电的电池数量；bot，j，n为时段t从节点j处的充电站向节点n处的换电站运送的待充电的电池数量；

99、所述充换电设施配置位置约束为：

100、

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103、上式中，δm为大m常数；

104、所述充换电服务能力约束为：

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107、

108、上式中，tc、ts、tb分别为单次电动汽车充电消耗的时间、电动汽车换电消耗的时间、电池充电消耗的时间；tu为单位时间；

109、所述本地电动汽车的充换电需求半径约束为：

110、

111、

112、

113、上式中，di，j为节点i与位于节点j处的充电站或换电站间的距离；dmi，j为节点i与节点j的距离；为二进制辅助变量；ls为充电需求半径；

114、所述电动汽车中产生充换电需求的比例约束为：

115、

116、上式中，fs为满足外地电动汽车充电需求的最小值；

117、所述分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量边界约束为：

118、

119、

120、上式中，分别为分布式抽水蓄能电站上水库、下水库在时段t的水量；vum、vum分别为分布式抽水蓄能电站上水库的水量下限和上限；vdm、vdm分别为分布式抽水蓄能电站下水库的水量下限、上限；

121、所述分布式抽水蓄能电站的上水库和下水库的容量状态约束为：

122、

123、

124、上式中，分别为分布式抽水蓄能电站上水库、下水库在时段t-1的水量；tn为一个典型日中的最后一个时间段；

125、所述分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化的约束为：

126、

127、上式中，δvt为分布式抽水蓄能电站在时段t的水量变化；δvm为分布式抽水蓄能电站单位时间内水量变化上限；

128、所述分布式抽水蓄能电站的功率约束为：

129、

130、上式中，为分布式抽水蓄能电站在时段t的输出输入功率；ρ为水的密度；g为重力加速度；h为分布式抽水蓄能电站上、下水库之间的高度差；

131、所述道路交通流组成约束为：

132、

133、上式中，为时段t内道路l上的交通流量；

134、所述道路交通流容量约束为：

135、

136、上式中，fcl为道路l的交通流量上限；

137、所述交通需求总量约束为：

138、

139、

140、上式中，ldt，od、ndt，od为时段t内起讫点对od的本地车辆、外地车辆的交通需求；

141、所述平衡节点的有功和无功功率平衡约束为：

142、

143、

144、上式中，平衡节点在时段t向整个配电网输出的无功功率；分别为时段t时平衡节点的出线上的有功、无功功率；do为平衡节点的出线；

145、所述配电网线路的功率平衡约束为：

146、

147、

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149、上式中，分别为时段t时线路w上的有功、无功功率，线路d为与配电网节点e相连的所有线路；为时段t时配电网向节点e处接入的电动汽车充电站输出的有功功率；为时段t时配电网向节点e处接入的光伏的出力；分别为时段t时配电网节点e处接入的基础有功、无功负荷；lcd为配电网线路d的容量；

150、所述电动汽车充电站功率约束为：

151、

152、上式中，eb为电池单次充电需要的能量需求；为交通节点与配电网节点的相关性矩阵；

153、所述配电网节点电压约束为：

154、

155、

156、

157、上式中，分别为配电网线路d的电阻、电抗；δut，d为时段t内配电网线路d上的电压降；ut，a、ut，b分别为时段t内配电网节点a和节点b的母线电压，节点a和节点b分别为配电网线路d的两个端点；un为配电网母线额定电压；um、um为配电网母线电压的上、下限；为时段t内配电网节点e的无功功率；ut，e为时段t内配电网节点e的母线电压。

158、第三方面，本发明提供了一种基于农村配电网的充换电站联合优化设备，所述联合优化设备包括存储器和处理器；

159、所述存储器，用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；

160、所述处理器，用于根据所述计算机程序代码中的指令执行前述的方法。

161、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质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前述的方法。

162、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

163、本发明一种基于农村配电网的充换电站联合优化方法，构建充换电站联合优化配置与运行模型，基于所构建的模型进行仿真计算，优化充电站和换电站的选址定容方案与联合运行方案；本设计所构建的模型，以最大化充换电服务的综合收益为目标，对农村地区电动汽车充电站和换电站的选址定容、接入方式和联合运行方案进行优化，优化时充分考虑了外来电动汽车和本地电动汽车的充换电需求，以及农村地区的光伏和分布式抽水蓄能电站对于充电负荷存在的支撑能力，使最终优化结果更加合理。因此，本发明能够在保证农村电动汽车补能需求和农村配电网安全的前提下最大化充换电服务的综合收益。