一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法与流程

本发明涉及一种主动配电网承载能力评估方法。特别是涉及一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法

背景技术：

随着科学技术的发展，电力事业的进步，越来越多新事物开始出现。人民生活的丰富、工业的发达使电网的负荷不断增大，电动汽车的接入给电网的控制与运行带来了更大的挑战。雾霾的频现让人们对于空气质量开始有更高的要求，减排成为了一项重要的工作。环境、能源成为电网评估中重要的部分。多方面的要求与矛盾使电力事业不仅仅只专注于电力的发展，还必须关注环境污染、能源消耗、土地占用、人类活动等多方面问题，使之能够与经济、社会、能源、环境一起共同发展。所以，构建主动配电网系统评估体系，实现主动配电网的综合评估成为了一项重要工作。

近年来，为了响应节能减排的号召和解决世界能源危机，文献[1]以丹麦为背景，分析了充电电荷对于配电网的影响。由于电动汽车(Electric Vehicle，EV)的充电时间与空间分布的不确定性，对于主动配电网的控制与规划带来了很大的难度。文献[2-4]分析了EV接入电网的影响，提出了有序充电的充电方式，受到广泛关注。有序充电指电动汽车以可控负荷的形式参与电网调控，其作为有效规避电动汽车大规模充电对电网造成负面影响的重要手段。有序充电在改善配电网电荷、改善电能质量和电网运行经济性与提高配网运行可靠性均有很好的效果。在实现方式上可通过多代理技术来完成，智能代理的典型代表是美国西北太平洋国家实验室开发的名为“Smart Charge Controller”的电动汽车充电控制装置，配备了采用Zig Bee技术的近距离无线通信模块，可接收来自电网企业的电价等信息。

电动汽车与电网双向互动(Vehicle-to-grid,V2G)利用电动汽车的储能作为电网的缓冲，调节了电网负荷，对于电网调峰有极大的意义。文献[4]以纽约为背景，分析了在V2G的有效载荷能力为一定值的情况下，电动汽车的渗透率越大，即电动汽车的数量增加，使电网的可靠性得到改善。我国在电网建设中，也在抓紧制定V2G的战略规划，加强对于V2G的基础研究。

自承载力理论面世而来，随着它的发展及延伸，承载力理论所涉及的领域从最早的生态学开始向物理、工程、人文扩展，研究的问题也越来越符合社会的需求。因此，将承载力理论运用在电气工程也是大势所趋。

系统动力学是一种探寻系统内部各要素相互作用以解决问题的方法。系统动力学运用的是系统内部的交叉因果的反馈关系，从系统的内部结构来探寻问题的根源。社会经济、能源消耗、自然环境与电网发展协调有着紧密的关系，因此，可以构建系统动力学模型来反映它们之间的影响与作用。

主动配电网承载力是指主动配电网能够保证正常运行与应对突发事故，并且能与环境、能源协同发展的能力。因此，利用系统动力学模型进一步探究各相关因素对主动配电网的承载力影响的问题对于主动配电网系统的可持续发展能力，对于新能源的利用有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种从技术合理性、安全可靠性、经济性、环境、能源、更新换代程度共六个方面进行的计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法

本发明所采用的技术方案是：一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法，主动配电网承载能力是指，主动配电网中线路与设备对突发事件的承受能力，评估方法包括如下步骤：

1)根据承载力理论以及主动配电网的特点构建主动配电网承载力评估体系，得到表征主动配电网承载力的各项指标；

2)根据电动汽车的运行特点，给出电动汽车充电站的负荷曲线图；

3)分析配电网承载力系统的各类变量与变量间的反馈，构建配电网承载力的系统动力学模型。

所述的主动配电网的特点是具备一定比例的分布式可控资源、网络拓扑能够灵活调节的配电网和具有实现协调优化管理的管控中心。

步骤1)所述的主动配电网承载力评估体系，是从技术合理性、安全可靠性、经济性、环境、能源、更新换代程度六个方面提出的评价主动配电网承载力的指标体系和对所述指标体系进行综合决策。

所述主动配电网承载力的指标体系包括：

(1)电压水平合格率用来评估电动汽车接入主动配电网后电压水平能否达到技术合理水平，值越大表示电压水平技术合理性越高，表达式为：

其中，电压水平的要求定为节点电压有效值的±10％；

(2)无功配置不合格率，用来评估电动汽车接入主动配电网后无功配置水平能否达到技术合理水平，值越小表示配电网无功水平技术合理性越高，表达式为：

其中，无功配置要求定为节点无功补偿后功率因数不低于0.85；

(3)短时负载率，用来评估电动汽车接入主动配电网后短时间内对配电网安全运行的影响，值越大表示配电网运行时的安全可靠性越高，表达式为：

(4)网络损耗，用来评估电动汽车接入主动配电网后对经济性的影响，值越小配电网经济性越好，表达式为：

(5)无功补偿耗费，无功补偿耗费是指电动汽车接入主动配电网后，为了保证合格的电压水平与功率因数而进行无功补偿的耗费，用来评估电动汽车接入主动配电网后节点采取必要无功补偿的投资，值越小配电网经济性越好，表达式为：

无功补偿耗费＝每kVar无功补偿容量投资*配电网所需无功补偿容量

其中，每kVar无功补偿容量的价格定为0.01万元；

(6)环境改善程度，环境改善程度是指电动汽车接入主动配电网后在原来基础上带来的减排效益，用来评估电动汽车接入主动配电网后带来的环境效益，值越大环境改善程度越好，表达式为：

电动汽车环境改善程度＝普通汽车污染气体量－替换等量电动汽车污染气体量

其中，系统排放的污染气体量用系统排放的CO₂、CO、SO₂、NO_x四种污染气体量的加权平均值来表示；

(7)能源改善程度，能源改善程度是指是指电动汽车接入主动配电网后在原来基础上节省的能源，用来评估电动汽车接入主动配电网后带来的能源效益，值越大能源改善程度越好，表达式为：

电动汽车能源改善程度＝普通汽车能源消耗－替换等量电动汽车能源消耗

其中，将能源消耗折合为标准煤进行计算，汽车每百公里耗油5.8kg，每kg汽油折合标准煤1.4714kg,电动汽车每百公里耗电15度，每度电折合标准煤0.404kg,每辆汽车日均行程37.7公里；

(8)线路容量裕度变化率，线路容量裕度变化率是指电动汽车接入主动配电网后使线路容量裕度变化的程度，用来评估主动配电网主变的更新换代的速度，值越大需要进行更新换代的时间越长，表达式为：

所述对指标体系进行综合决策是使用层次分析法、熵权法进行权重分配，最终利用模糊评分法得到主动配电网承载能力的综合评分。

步骤2)所述的电动汽车的运行特点，包括：

(1)电池更换站：

(a)初始充电时刻分为两段，第一天中午12点到下午2点与第一天晚上11点到第二天凌晨5点，服从均匀分布；

(b)初始荷电状态服从正态分布；

(c)每次进行充电都将电池充满；

(d)充电功率为定值；

(2)住宅小区充电站：

(a)初始充电时刻、每日电动汽车行程数和充电功率相互独立；

(b)每日电动汽车行程数服从对数正态分布，初始充电时刻服从正态分布；

(c)每次进行充电都将电池充满；

(d)充电功率为定值；

(3)收费快速充电站。综合上述收费快速充电站的特点，进行如下假设：

(a)初始充电时刻、初始荷电状态和结束荷电状态相互独立；

(b)初始荷电状态和结束荷电状态服从正态分布；

(c)初始充电时刻服从均匀分布；

(d)充电功率为定值。

步骤3)所述的变量与变量间的反馈，是指电动汽车接入主动配电网后，分析电动汽车、人口、经济、能源、环境和鼓励政策之间的反馈关系，利用系统动力学理论，建立接入电动汽车的主动配电网承载力模型图，并利用Vensim软件进行仿真模拟，得到接入电动汽车后对主动配电网承载能力的影响，并得出相应的鼓励政策。

本发明的一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法，既可以用于配电网运行安全的实时在线监测控制系统，为配电网的运行提供实时的指导方案；也可以作为离线计算平台，利用配电网运行的历史数据以及预测的负荷水平，离线计算出配电网的安全经济运行方式，以指导配电网的运行以及短期规划。

附图说明

图1是本发明中电池更换站充电负荷曲线图；

图2是本发明中住宅小区充电站充电负荷曲线图；

图3是本发明中收费快速充电站充电负荷曲线图；

图4是本发明中主动配电网承载力因果关系图；

图5是本发明中主动配电网承载力存量流量图；

图6是IEEE 33节点配电网拓扑图；

图7是本发明中主动配电网承载力图；

图8a是本发明中主动配电网承载力技术合理性图；

图8b是本发明中主动配电网承载力安全可靠性图；

图8c是本发明中主动配电网承载力经济性图；

图8d是本发明中主动配电网承载力环境图；

图8e是本发明中主动配电网承载力能源图；

图8f是本发明中主动配电网承载力更新换代程度图；

图9a是本发明中主动配电网承载力经济性网损图；

图9b是本发明中主动配电网承载力经济性无功补偿费用图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法做出详细说明。

本发明的一种计及电动汽车接入的主动配电网承载能力评估方法，本发明中所述主动配电网承载能力是指，主动配电网中线路与设备对突发事件的承受能力，本发明的评估方法包括如下步骤：

1)根据承载力理论以及主动配电网的特点构建主动配电网承载力评估体系，得到表征主动配电网承载力的各项指标；

所述的主动配电网的特点是具备一定比例的分布式可控资源、网络拓扑可灵活调节的配电网和具有实现协调优化管理的管控中心。

所述的主动配电网承载力评估体系，是从技术合理性、安全可靠性、经济性、环境、能源、更新换代程度六个方面提出的评价主动配电网承载力的指标体系和对所述指标体系进行综合决策。所述主动配电网承载力的指标体系包括：

(1)电压水平合格率(A₁)，电压水平合格率是指满足电压水平要求的节点数与节点总数的比值，用来评估电动汽车接入主动配电网后电压水平能否达到技术合理水平，值越大表示电压水平技术合理性越高，表达式为：

其中，电压水平的要求定为节点电压有效值的±10％；

(2)无功配置不合格率(A₂)，无功配置不合格率是指先将各个节点尽可能进行无功补偿，然后计算不能达到无功配置要求的节点数与节点总数的比值，用来评估电动汽车接入主动配电网后无功配置水平能否达到技术合理水平，值越小表示配电网无功水平技术合理性越高，表达式为：

其中，无功配置要求定为节点无功补偿后功率因数不低于0.85；

(3)短时负载率(B)，短时负载率是指在短时间范围内配电网平均负荷与最大负荷的比值，用来评估电动汽车接入主动配电网后短时间内对配电网安全运行的影响，值越大表示配电网运行时的安全可靠性越高，表达式为：

(4)网络损耗(C₁)，网络损耗是指配电网潮流计算中有功损耗之和，用来评估电动汽车接入主动配电网后对经济性的影响，值越小配电网经济性越好，表达式为：

(5)无功补偿耗费(C₂)，无功补偿耗费是指电动汽车接入主动配电网后，为了保证合格的电压水平与功率因数而进行无功补偿的耗费，用来评估电动汽车接入主动配电网后节点采取必要无功补偿的投资，值越小配电网经济性越好，表达式为：

无功补偿耗费＝每kVar无功补偿容量投资*配电网所需无功补偿容量

其中，每kVar无功补偿容量的价格定为0.01万元；

(6)环境改善程度(D)，环境改善程度是指电动汽车接入主动配电网后在原来基础上带来的减排效益，即将同等效果的普通汽车改为电动汽车后带来的减排效益，用来评估电动汽车接入主动配电网后带来的环境效益，值越大环境改善程度越好，表达式为：

电动汽车环境改善程度＝普通汽车污染气体量－替换等量电动汽车污染气体量

其中，系统排放的污染气体量用系统排放的CO₂、CO、SO₂、NO_x四种污染气体量的加权平均值来表示；

(7)能源改善程度(E)，能源改善程度是指是指电动汽车接入主动配电网后在原来基础上节省的能源，即将同等效果的普通汽车改为电动汽车后节省的能源，用来评估电动汽车接入主动配电网后带来的能源效益，值越大能源改善程度越好，表达式为：

电动汽车能源改善程度＝普通汽车能源消耗－替换等量电动汽车能源消耗

其中，将能源消耗折合为标准煤进行计算，汽车每百公里耗油5.8kg，每kg汽油折合标准煤1.4714kg,电动汽车每百公里耗电15度，每度电折合标准煤0.404kg,每辆汽车日均行程37.7公里；

(8)线路容量裕度变化率(F)，线路容量裕度是指线路负荷与主变容量之间的差值，当线路负荷超过主变容量会造成过载，必须更换主变。线路容量裕度变化率是指电动汽车接入主动配电网后使线路容量裕度变化的程度，用来评估主动配电网主变的更新换代的速度，值越大需要进行更新换代的时间越长，表达式为：

本发明中所述的对指标体系进行综合决策是使用层次分析法、熵权法进行权重分配，最终利用模糊评分法得到主动配电网承载能力的综合评分。其中：

1.层次分析法

层次分析法是一种经过专家赋值，最终得到权重的方法。本发明采用层次分析法的步骤如下：

(1)确定各层关系。本文根据评估指标体系，将主动配电网承载能力定为目标层，A、B、C、D、E、F为目的层，A₁～C₃为指标层。

(2)构造判断矩阵。判断矩阵有以下性质：

a_ij为指标i对于指标j的重要性，取值为1～9,取值越大代表相对重要性越高。

(3)一致性检验。计算最大特征根λmax，判断矩阵的一致性指标CI，表达式为：

引入一致性比率指标CR,当满足下式时，矩阵具有一致性。

(4)计算权重矩阵。先对矩阵每一列归一化，再按行求和，最后将向量归一化，得到权重矩阵W。

W＝(w₁ w₂ w₃ w₄ w₅)^T

2.熵权法修正

层次分析法属于主观赋值法，存在主观随意性的缺点。而熵权法属于客观赋值法，可以用来弥补层次分析法的缺点，两者结合使权重更与实际相符。熵权法修正步骤如下：

(1)将判断矩阵每一行归一化得到标准化矩阵。

(2)根据下式，使用标准化矩阵(假设矩阵元素为)a_ij,计算熵权矩阵，公式如下：

U＝(u₁ u₂ u₃ u₄ u₅)^T

U＝(u1 u2 u3 u4 u5)T

(3)根据下式，使用权重矩阵W、熵权矩阵U，计算综合权重矩阵J。

J＝(j₁ j₂ j₃ j₄ j₅)^T

3.模糊评分法

为进行各指标的综合，得到主动配电网可持续发展能力的综合评估，需要同一化各指标的评价标准，采用模糊评分法。模糊评分法的步骤为：

(1)评语集的选择。本发明将主动配电网承载能力的评语集分为三级，分别是优、良和差。

(2)隶属度函数的选择。将电压水平合格率、短时负载率、环境改善程度、能源改善程度、线路容量裕度变化率归为效益型指标；将无功配置不合格率、网络损耗、无功补偿耗费归为成本型指标。根据潮流计算结果，确定隶属度函数的最优值a₁，最差值a₃，中间值a₂。

成本型指标隶属度函数为

式中，μ_ik为成本型指标i评语为k的隶属度；x_i为成本型指标i；其中评语为优、良、差的序号为k＝1、2、3。效益型指标与成本型指标类似，其中评语为差、良、优的序号为k＝1、2、3。

(3)计算模糊评分矩阵。根据优、良、差的评语集，将三级评语隶属度为1时评分分别为F₁＝100、F₂＝80、F₃＝60，则指标i的模糊评分FD_i为

(4)综合评分方法。修正后的权重矩阵为J，模糊评分矩阵为FD，配电网可持续发展能力综合评分F_net为

式中，i＝1～6分别为技术合理性、安全可靠性、经济性、环境、能源、更新换代程度。

2)根据电动汽车的运行特点，给出如图1、图2和图3所示的电动汽车充电站的负荷曲线图；

所述的电动汽车的运行特点，包括：

(1)电池更换站：

(a)初始充电时刻分为两段，第一天中午12点到下午2点与第一天晚上11点到第二天凌晨5点，服从均匀分布；

(b)初始荷电状态服从正态分布；

(c)每次进行充电都将电池充满；

(d)充电功率为定值；

(2)住宅小区充电站：

(a)初始充电时刻、每日电动汽车行程数和充电功率相互独立；

(b)每日电动汽车行程数服从对数正态分布，初始充电时刻服从正态分布；

(c)每次进行充电都将电池充满；

(d)充电功率为定值；

(3)收费快速充电站。综合上述收费快速充电站的特点，进行如下假设：

(a)初始充电时刻、初始荷电状态和结束荷电状态相互独立；

(b)初始荷电状态和结束荷电状态服从正态分布；

(c)初始充电时刻服从均匀分布；

(d)充电功率为定值。

3)分析配电网承载力系统的各类变量与变量间的反馈，构建配电网承载力的系统动力学模型。

所述的变量与变量间的反馈，是指如图4所示的电动汽车接入主动配电网后，分析电动汽车、人口、经济、能源、环境和鼓励政策之间的反馈关系，利用系统动力学理论，建立接入电动汽车的主动配电网承载力模型图，如图5所示，并利用Vensim软件进行仿真模拟，得到接入电动汽车后对主动配电网承载能力的影响，并得出相应的鼓励政策。

下面以图6所示的IEEE 33节点配电网为算例，对系统动力学模型的可靠性与可行性进行了验证，分析与讨论了电动汽车接入对于主动配电网承载力的影响

根据不同种类充电站的特点与充电规律构建电动汽车充电站充电模型。为了既能简化模型建立的工作量，又能表现出不同充电站充电时不同特性，本发明选取电池更换站、居民区充电站、公共场所充电站三种充电站。构建电动汽车充电站概率负荷模型，计算出模型充电负荷曲线，通过蒙特卡洛模拟来反映负荷模型的概率性。本发明采用的是IEEE 33节点配电网，以此来检验模型的可行性与可靠性。该配电网电压等级为12.66kV，合计32条线路，5条联络线路，配电网最左端为电源。

由于电动汽车充电站与分布式电源的负荷模型都是以日负荷曲线表示，所以在潮流计算中，将不同类型电动汽车充电站负荷与分布式电源负荷叠加到接入该类充电站或是分布式电源的节点负荷中。本发明选择将住宅小区充电站、收费快速充电站、电池更换站分别接入节点18、22、23中，集中无功补偿点在节点12。

电动汽车接入主动配电网后，进行潮流计算时，首先满足的是技术合理性的两个指标，所以技术合理性一直都为100分，如图8a所示。安全可靠性随着接入电动汽车充电站数量增加，导致平均负荷与最大负荷的差距变大，指标呈现大幅下降的趋势，如图8b所示。更新换代程度保持稳定略带下降，如图8f所示。环境和能源由于接入的都是环保型的负荷，呈现上升趋势，如图8d和8e所示。

经济性指标评分在10年内的趋势是下滑的，如图8c所示。在经济性的两个指标中，无功补偿费用下降程度剧烈，如图9b所示，一方面是因为电动汽车充电站的接入，为了满足节点的无功配置都需要对其接入的节点进行无功补偿；另一方面，由于需要满足对节点电压水平的要求，需要对整个主动配电网进行集中无功补偿，所以无功补偿费用一直在提高。网损评分虽然下降，但整体趋势平滑，如图9a所示。

电动车充电站接入主动配电网，在政策的反馈下，主动配电网承载力在90分左右达到了动态平衡，如图7所示。说明此时选择的政府政策激励是合理的，让主动配电网的运行与故障应对保持在了稳定水平。在模型中，表现出了电动汽车的接入在主动配电网中的优势与缺点，它虽然会给主动配电网运行与控制带来一些问题，但在节能减排方面的优势非常明显，它们的大力推广符合现阶段国家政策。

本发明的仿真结果显示经仿真平台的测试，建立主动配电网承载力模型后，对方程式进行赋值，随后进行模型仿真，能够正常运行，得到仿真结果，即代表量纲一致性检验初步通过。再进行人工检验其一致性。最后使用Vensim单位检验功能进行检查。模型即使在极端的条件，模型的运行结果也应该符合预测与规律。选择电动汽车增长因子为极端条件检验变量，将其置0，即电动汽车增长为0，得到仿真结果

主动配电网承载力是与电动汽车充电站内充电桩数量相关的。电动汽车充电桩的数量是与电动汽车的数量成正比，而电动汽车的数量与汽车的保有量与国家政策鼓励有关，汽车的保有量则与GDP、人口相关。GDP、人口的增长促进了汽车保有量的增长，汽车保有量的增加又使得GDP获得增加。电动汽车的保有量则受到汽车保有量增长而增长，并与充电桩的数量成比例关系，接入充电桩数量的增加使得配电网承载力评分下降，为了使配电网的承载力下降速度放缓，通过国家制定的政策，使购买电动汽车的热情下降，减少了电动汽车充电时的充电桩接入电网，达到使配电网的承载力下降速度放缓的目的。

参考文献

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