本發(fā)明屬于電動汽車快速充電站規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，涉及配電網(wǎng)潮流約束和交通出行需求的選址定容啟發(fā)式規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

目前為止，充電站規(guī)劃方面的研究還比較初步，尚沒有形成全面而系統(tǒng)的充電站規(guī)劃模型與方法?，F(xiàn)有的有關(guān)選址定容的方法，多數(shù)以俘獲最大的交通網(wǎng)絡(luò)流量對充電站進行選址定容或者以充電站運營商所獲得的凈現(xiàn)值收益最大為目標進行充電站規(guī)劃方案的優(yōu)選。然而，由于電動汽車特有的電池屬性，基于機動車出行歷史數(shù)據(jù)以俘獲最大交通流量為目標的快速充電站規(guī)劃方法并不一定能很好的俘獲電動汽車充電需求點的分布信息，而考慮充電需求點的分布可更加精確的確定快速充電站的候選站址；同時由于充電站既是交通基礎(chǔ)設(shè)施也是電力設(shè)施的二重屬性，在規(guī)劃中還應(yīng)綜合考慮電動汽車用戶的出行需求和配電網(wǎng)的潮流約束，屬于典型的多學科交叉問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，綜合考慮配網(wǎng)潮流約束和交通出行需求，提出了一種高速公路電動汽車快速充電站啟發(fā)式規(guī)劃方法，解決高速公路上電動汽車快速充電站的選址和定容的問題。該啟發(fā)式規(guī)劃方法：1)結(jié)合電動汽車交通出行特征信息考慮電動汽車充電需求點的分布以給出快速充電站的候選站址空間；2)通過提出一種啟發(fā)式規(guī)則來考慮配網(wǎng)潮流約束，確定一種規(guī)劃方案。該規(guī)劃方案可在保障電動汽車用戶的交通出行需求的同時滿足配網(wǎng)潮流約束。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種考慮配網(wǎng)潮流約束的高速公路快速充電站啟發(fā)式規(guī)劃方法，主要包括確定電動汽車充電點的時空分布預(yù)測，確定快速充電站的服務(wù)半徑和確定候選地址的充電需求，從而得到電動汽車快速充電站的規(guī)劃方案；具體步驟如下：

步驟一：電動汽車充電點的時空分布預(yù)測：確定高速公路中每輛電動汽車需要充電的位置和時間；每個位置即為一個快速充電站的候選站址，快速充電站的候選站址的集合即為快速充電站的候選站址空間；

步驟二：根據(jù)步驟一電動汽車充電點的時空分布預(yù)測結(jié)果，利用中心極限定理確定快速充電站的服務(wù)半徑SR；

步驟三：根據(jù)步驟一確定的快速充電站的候選站址空間和步驟二確定的快速充電站的服務(wù)半徑SR，利用共享型最近鄰居聚類算法確定每個候選站址的充電需求；最后確定快速充電站的候選站址空間中所有候選站址按照充電需求由大到小排序的隊列CD；

步驟四：確定快速充電站的規(guī)劃方案：根據(jù)以上步驟確定的電動汽車需要充電的位置和時間，快速充電站的服務(wù)半徑SR和候選站址充電需求的排序隊列CD，按照啟發(fā)式規(guī)則考慮配網(wǎng)潮流約束確定最終的快速充電站的站址和容量，從而得到快速充電站的規(guī)劃方案，具體步驟如下所示：

步驟4-1：取i＝1；

步驟4-2：根據(jù)步驟三得到的隊列CD，取CD(i)為第一個候選站址；

步驟4-3：相鄰電動汽車快速充電站之間的距離滿足公式(1)；依次搜尋隊列CD中滿足公式(1)的候選站址，從而確定一組候選站址方案。

SR≤D_nei≤2*SR (1)

式(1)，D_nei是兩個相鄰電動汽車快速充電站之間的距離；

步驟4-4：利用步驟一得到的電動汽車需要充電的位置和時間和步驟4-3得到的候選站址方案，利用定容模型，確定所述候選站址方案中每個候選快速充電站的容量，從而確定充電機個數(shù)；所述定容模型的優(yōu)化目標是充電機成本和等待成本之和最小，確定快速充電站的充電機臺數(shù)，所述定容模型如公式(2)和公式(3)所示：

min z＝C_sc+C_wL_s (2)

s.t.W_s≤t_w (3)

式(2)和式(3)中，z是總成本；C_w是每個電動汽車用戶單位時間的時間成本；C_s是一個充電機的每一小時的投資成本，其中，V₀是一個充電機的一次性購買成本；i_r是利率；p是一個充電機的使用壽命；L_s平均等待隊長，W_s是平均等待時間，并按照快速充電站服務(wù)系統(tǒng)滿足排隊論M/M/S模型，確定平均等待隊長L_s和平均等待時間W_s；t_w是一個時間常數(shù)，t_w為10到40min；至此得到一快速充電站的候選規(guī)劃方案；

步驟4-5：判斷該快速充電站的候選規(guī)劃方案是否滿足配網(wǎng)潮流約束，如果滿足潮流約束，則將該快速充電站的候選規(guī)劃方案定為快速充電站的規(guī)劃方案；如果不滿足潮流約束，且i≤n，則i＝i+1，返回步驟4-2，直至滿足潮流約束；如果不滿足潮流約束且i＞n，則配網(wǎng)需要升級改造。

本發(fā)明中，考慮的配網(wǎng)潮流約束包括潮流等式約束、電壓約束和線路電流約束；

潮流等式約束：

式(4)中，n_k是配網(wǎng)節(jié)點數(shù)，是節(jié)點i的電壓向量，P_i和Q_i分別是節(jié)點i注入的有功功率和無功功率，是配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素Y_ji的共軛復(fù)數(shù)；

電壓約束：V_k,min<V_k<V_k,max k∈n_k (5)

式(5)中，V_k是節(jié)點k的電壓，V_k,max和V_k,min分別是節(jié)點k所允許的最小電壓和最大電壓；

線路電流約束：I_l≤I_l,max l∈n_l (6)

式(6)中，I_l為線路l的電流，I_l,max是線路l所允許的最大電流值。

與現(xiàn)有的規(guī)劃方法相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明結(jié)合電動汽車交通出行特征信息考慮電動汽車充電需求點的分布以給出快速充電站的候選站址空間；通過提出一種啟發(fā)式規(guī)則來考慮配網(wǎng)潮流約束，以確定一種規(guī)劃方案。該規(guī)劃方案可在保障電動汽車用戶的交通出行需求的同時滿足配網(wǎng)潮流約束。

附圖說明

圖1是本發(fā)明規(guī)劃方法的流程圖；

圖2是考慮和未考慮配網(wǎng)潮流約束兩種規(guī)劃方案的配電系統(tǒng)電壓分布圖；

圖3是本發(fā)明具體實施方式中一算例系統(tǒng)示意圖；

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明如下：

如圖1所示，本發(fā)明一種考慮配網(wǎng)潮流約束的高速公路快速充電站啟發(fā)式規(guī)劃方法，其特征在于，包括電動汽車充電點的時空分布預(yù)測，確定快速充電站的服務(wù)半徑和確定候選地址的充電需求，從而得到電動汽車快速充電站的規(guī)劃方案。步驟如下：

步驟一：電動汽車(EV)充電點的時空分布預(yù)測：確定高速公路中每輛EV需要充電的位置和時間；每個位置即為一個快速充電站的候選站址，快速充電站的候選站址的集合即為快速充電站的候選站址空間；具體內(nèi)容如下：

步驟1-1：獲取如下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：

電動汽車數(shù)據(jù)：包括EV類型、每類EV類型的電池容量的概率密度函數(shù)、每類EV類型的電池容量的上下邊界、每類EV類型的電池容量與其續(xù)航里程的數(shù)學關(guān)系；

交通數(shù)據(jù)：包括交通起止點概率矩陣P_m×m和汽車進入高速公路時間t_s的概率分布；

通過交通起止點調(diào)查數(shù)據(jù)得到高速出入口交通起止點矩陣A_m×m，利用該高速出入口交通起止點矩陣A_m×m根據(jù)下式得到P_m×m；

p_ij＝a_ij/B_i(1≤i≤m,1≤j≤m)

式中，m是高速公路出入口個數(shù)，a_ij是每天從高速出入口i到高速出入口j汽車的平均數(shù)量，p_ij是指某一汽車每天從高速出入口i到高速出入口j的概率；B_i每天從高速出入口i進入高速公路的汽車的平均數(shù)量，其計算公式如下

高速公路基本信息：包括出入口個數(shù)，出入口編號，出入口坐標，出入口之間的距離；仿真算例中選取了一段高速公路，該路段共有6個出入口并且每個出入口距離參考出入口1的距離分別為0，10.4，57，82.7，109.1和114km，如圖3中三角形所示。假設(shè)高速公路中電動汽車快速充電站的規(guī)劃方案需滿足電動汽車雙向充電需求。

步驟1-2：確定如下數(shù)據(jù)：確定不同EV類型的比例、每天進入高速公路的EV的平均數(shù)量EB_t、每天從高速出入口i進入高速公路的EV的平均數(shù)量EB_i；仿真算例中假設(shè)從6個路口進入的電動汽車數(shù)量占進入高速總汽車數(shù)量5％。其中每種電動汽車類型(L7e，M1，N1和N2)的比例分別是1.49％，87.51％，10％和1％。

步驟1-3：確定進入高速公路的所有電動汽車充電點的位置和時間。

步驟二：根據(jù)步驟一電動汽車充電點的時空分布預(yù)測結(jié)果，利用中心極限定理確定快速充電站的服務(wù)半徑SR；即統(tǒng)計所有電動汽車需要充電后能行駛的最遠距離Ran_sc，利用中心極限定理，由擬合的正態(tài)分布得到99％的電動汽車在余下電量時都可以行駛的距離，將該距離定義為所有快速充電站的服務(wù)半徑SR。

步驟三：根據(jù)步驟一確定的快速充電站的候選空間和步驟二確定的快速充電站的服務(wù)半徑SR，利用共享型最近鄰居聚類算法確定每個候選站址的充電需求。最后確定快速充電站的候選站址空間中所有候選站址按照充電需求由大到小排序的隊列CD；包括：

步驟3-1：確定距離矩陣D，其中，d_ij代表需要充電的位置P_i到需要充電的位置P_j之間的距離，i，j屬于1～n，n為需要充電的電動車總數(shù)；

步驟3-2：確定相似度矩陣S。根據(jù)距離矩陣D，確定每個需要充電的位置所在服務(wù)半徑SR內(nèi)包含的需要充電的位置的個數(shù)；需要充電的位置P_i和需要充電的位置P_j的相似度s_ij：

s_ij＝size(NN(i)∩NN(j))

式中，NN(i)和NN(j)分別是需要充電的位置P_i和P_j所在服務(wù)半徑SR內(nèi)的需要充電的位置的集合；size是求集合NN(i)和NN(j)交集中元素的個數(shù)；

步驟3-3：確定候選站址的充電需求。將相似度矩陣S按行求和得到每個需要充電的位置的充電需求l_1,j；

步驟3-4：將充電需求按從大到小進行排序即確定候選站址充電需求的排序隊列CD，公式如下：

CD＝sort(l)

式中sort是指將充電需求按從大到小進行排序。

步驟四：確定快速充電站的規(guī)劃方案：根據(jù)以上步驟確定的電動汽車需要充電的位置和時間，快速充電站的服務(wù)半徑SR和候選站址充電需求的排序隊列CD，按照啟發(fā)式規(guī)則考慮配網(wǎng)潮流約束確定最終的快速充電站的站址和容量，從而得到快速充電站的規(guī)劃方案，具體步驟如下所示：

步驟4-1：取i＝1；

步驟4-2：根據(jù)步驟三得到的隊列CD，取CD(i)為第一個候選站址；

步驟4-3：相鄰電動汽車快速充電站之間的距離滿足公式(1)；依次搜尋隊列CD中滿足公式(1)的候選站址，從而確定一組候選站址方案。

SR≤D_nei≤2*SR (1)

式(1)，D_nei是兩個相鄰電動汽車快速充電站之間的距離；

步驟4-4：利用步驟一得到的電動汽車需要充電的位置和時間和步驟4-3得到的候選站址方案，利用定容模型，確定所述候選站址方案中每個候選快速充電站的容量，從而確定充電機個數(shù)；

所述定容模型的優(yōu)化目標是充電機成本和等待成本之和最小，確定快速充電站的充電機臺數(shù)，所述定容模型如公式(2)和公式(3)所示：

min z＝C_sc+C_wL_s (2)

s.t.W_s≤t_w (3)

式(2)和式(3)中，

z是總成本；

C_w是每個電動汽車用戶單位時間的時間成本；

C_s是一個充電機的每一小時的投資成本，其中，V₀是一個充電機的一次性購買成本；i_r是利率；p是一個充電機的使用壽命；

L_s平均等待隊長，W_s是平均等待時間，并按照快速充電站服務(wù)系統(tǒng)滿足排隊論M/M/S模型，確定平均等待隊長L_s和平均等待時間W_s；

t_w是一個時間常數(shù)，t_w為10到40min；

至此得到一快速充電站的候選規(guī)劃方案；

步驟4-5：判斷該快速充電站的候選規(guī)劃方案是否滿足配網(wǎng)潮流約束，

如果不滿足潮流約束，且i≤n，則i＝i+1，返回步驟4-2；

如果不滿足潮流約束且i＞n，則配網(wǎng)需要升級改造；

如果滿足潮流約束，則將該快速充電站的候選規(guī)劃方案定為快速充電站的規(guī)劃方案。

本發(fā)明中考慮的配網(wǎng)潮流約束包括潮流等式約束、電壓約束和線路電流約束；

潮流等式約束：

式(4)中，n_k是配網(wǎng)節(jié)點數(shù)，是節(jié)點i的電壓向量，P_i和Q_i分別是節(jié)點i注入的有功功率和無功功率，是配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素Y_ji的共軛復(fù)數(shù)；

電壓約束：

V_k,min<V_k<V_k,max k∈n_k (5)

式(5)中，V_k是節(jié)點k的電壓，V_k,max和V_k,min分別是節(jié)點k所允許的最小電壓和最大電壓；

線路電流約束：

I_l≤I_l,max l∈n_l (6)

式(6)中，I_l為線路l的電流，I_l,max是線路l所允許的最大電流值。

研究材料：

下面結(jié)合一個算例來介紹本發(fā)明的實施方法和實際效果，本算例選取一段高速公路路段作為測試路網(wǎng)。假設(shè)該路段上的配網(wǎng)結(jié)構(gòu)是在典型三饋線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的擴充，額定電壓為35kV。所述算例系統(tǒng)仿真參數(shù)見表1。假設(shè)路網(wǎng)中的6個出入口分別與配網(wǎng)中8，14，16，24，26，30節(jié)點在空間上對應(yīng)，如圖3所示。假設(shè)在某個快速充電站映射到電網(wǎng)時，遵循就近原則：將快速充電站的負荷接入到距離該站最近的出入口所對應(yīng)的配網(wǎng)節(jié)點中。

設(shè)置一個“極端場景”，在該極端場景中假設(shè)充電負荷峰值和常規(guī)負荷峰值在時間上是重合的。在極端場景下分析規(guī)劃方案是否滿足配網(wǎng)的潮流約束，目的就是驗證啟發(fā)式規(guī)劃方法的有效性。

表1算例系統(tǒng)仿真參數(shù)

規(guī)劃方案1：不考慮配網(wǎng)潮流約束時所得的規(guī)劃方案如表2所示。

規(guī)劃方案2：利用本發(fā)明考慮配網(wǎng)潮流約束時得到的規(guī)劃方案如表3所示。

表2不考慮配網(wǎng)潮流約束時的規(guī)劃方案

表3考慮配網(wǎng)潮流約束時的規(guī)劃方案

表4不同規(guī)劃方案的相關(guān)參數(shù)對比

表4中給出了兩種規(guī)劃方案在充電機總個數(shù)，峰值服務(wù)EV總數(shù)，覆蓋需要充電的EV總數(shù)，網(wǎng)損和便利性成本方面的對比。從表4中可以看出，考慮配網(wǎng)約束的規(guī)劃方案是以減少快速充電站網(wǎng)絡(luò)峰值服務(wù)EV總數(shù)和EV的便利性成本為代價來滿足配網(wǎng)安全性約束。但是兩種方案都能滿足了電動汽車的出行需求。由于等待時間的約束條件，在滿足同樣的充電需求時，充電機總數(shù)變化不大，只是充電機個數(shù)在空間的分布發(fā)生變化。

圖2給出了兩種規(guī)劃方案的配網(wǎng)節(jié)點電壓分布。由圖2中可以看到在不考慮配網(wǎng)約束時優(yōu)化選擇充電需求較大的規(guī)劃方案，會造成較多的充電負荷接入到配網(wǎng)節(jié)點14和26中。從而引起饋線2和4電壓發(fā)生越線，不滿足配網(wǎng)運行的約束。而考慮配網(wǎng)約束之后的規(guī)劃方案會將配網(wǎng)節(jié)點14和26中部分負荷移到配網(wǎng)節(jié)點16中，使得規(guī)劃方案滿足配網(wǎng)運行約束。

以上所述僅是本發(fā)明的一個應(yīng)用場景，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化，或者應(yīng)用到其他高速公路上，應(yīng)屬本發(fā)明的覆蓋范圍。