计及可靠性的城市配电网中公交枢纽多层优化规划方法_张玉莹.pdf
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1、第51 卷 第12 期 电力系统保护与控制电力系统保护与控制 Vol.51 No.12 2023年6月16日 Power System Protection and Control Jun.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221563 计及可靠性的城市配电网中公交枢纽多层优化规划方法 张玉莹1,2,范小克1,孙 博1,刘文霞1(1.华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;2.国家能源集团新能源技术研究院有限公司,北京 102209)摘要:对公交枢纽(public transport hub,PTH)进行最优并网规划是提升城市客运服务效率及配电网运行效率的重
2、要途径。为此,在深入分析智能公交枢纽与配电网交互机理的基础上,分别考虑正常和故障情况下 PTH 需求响应对系统的影响,提出了一种面向促进配网可靠性和经济性提升的 PTH 三层规划优化模型。该模型上层以配网投资运行总成本最小为目标,优化 PTH 布设位置以及电动公交/充电桩布置数量。中层在满足公交服务需求的前提下以正常运行 PTH 从配网购电最小为目标,优化发车间隔和公交车充电计划。下层以配网故障情况下系统停电损失最小为目标,优化故障时发车间隔、负荷削减量以及电动公交的发车状态和充放电功率。设计多层求解算法实现上述模型的高效求解。最后,基于 IEEE33 节点系统的仿真结果验证了所提规划方法能够
3、充分挖掘 PTH 资源的灵活性潜力,兼顾配网运行经济性和可靠性。关键词:城市配电网;公交枢纽;多层优化;车辆调度 Multi-level optimization approach for public transport hub allocation in urban distribution systems considering reliability ZHANG Yuying1,2,FAN Xiaoke1,SUN Bo1,LIU Wenxia1(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric
4、Power University,Beijing 102206,China;2.CHN Energy New Energy Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 102209,China)Abstract:Optimal grid-integration planning of a public transport hub(PTH)is an important way to improve the efficiency of urban transport and distribution network operation.Based
5、 on an in-depth analysis of the interaction mechanism between PTH and a distribution network,the potential contribution of PTH-based demand response to system operations under normal and contingency conditions are considered.A three-layer optimization model of PTH allocation for improving the reliab
6、ility and economic performance of distribution system is developed.In the proposed formulation,the upper layer aims to minimize the total investment and operational cost of the network by optimizing the location of PTH placement and the number of electric buses/charging piles installed.The middle la
7、yer aims to minimize the PTH energy purchase from the distribution grid during normal operation,while satisfying customer demand for public transport service.The lower layer aims to minimize the outage loss of the system during grid supply interruptions by optimizing the departure intervals,load she
8、dding capacity and charging/discharging power of electric buses.A multi-layer solution algorithm is designed to analyze the proposed model efficiently.Finally,simulation results based on the IEEE33 bus test system demonstrate that the proposed planning approach is capable of fully exploiting the pot
9、ential flexibility value of PTH resources,while respecting both the economic and reliability criteria of system operations.This work is supported by the National Key R&D Program of China(No.2021YFE0199000).Key words:urban distribution network;public transport hub;multi-level optimization;vehicle dis
10、patch 0 引言 近年来,在全球化石能源危机以及我国双碳目 基金项目:国家重点研发计划项目资助(2021YFE0199000);国家自然科学基金项目资助(52177082);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2022JG005)标的双重背景下,实现能源结构优化和调整刻不容缓1。交通运输行业作为主要碳排放行业,亟待向“清洁化、低碳化”方向转型升级。其中,公共交通是城市系统的重要组成部分,是实现城市交通减排降碳的关键环节2-3。综合考虑公共交通在交通行业实现低碳转型过程中的重要作用,现有城市系统使用电动公交(electric-26-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 bus,EB)替代传统
11、燃油公交车以减少尾气排放,实现能源转型,伴随而来的大型停车场式公交枢纽(public transport hub,PTH)的规划问题不容忽视4。实际应用中,EB 相比于私家电动汽车具有更大的电池容量5,而且 EB 通常在 PTH 中接受统一的发车调度以及充/放电和停放管理。可以预见,未来EB 通过 PTH 聚合接入城市配电网将产生大量充电负荷,为电网可靠运行带来新的挑战6;同时也产生了丰富的灵活性储能资源,为配电系统带来了发展机遇。因此,考虑到 PTH 接入对未来城市电网带来的双面性影响,如何在 PTH 设计时对其进行科学合理的规划成为当前相关领域的研究热点。在满足基本公共交通服务需求的前提下
12、降低 EB 充电负荷对电网的负面冲击影响,并利用 V2G(vehicle to grid,V2G)等相关技术为城市配电系统提供更多的可靠性支撑,这项技术成为该领域研究人员的主要研究内容。目前,国内外学者已经针对相关优化问题进行了大量的研究。文献7将交通网和配电网进行融合,在兼顾公交线路和充电站两方面优化配置的基础上,对电动公交的快速充电桩网络进行优化规划研究,解决 PTH 规划问题的同时减少了配电网扩展投资的成本。文献8充分利用 PTH 中充电站电池的相关特性,在实现对配电网削峰填谷的同时,减少 EB 充电成本。文献9将 PTH 与光伏和城市牵引供电系统构成微网,整体上对其进行优化设计。文献1
13、0对 PTH、分布式可再生能源和储能技术构成的综合系统进行优化规划,通过整体考虑可以实现运行效益的进一步提高。文献11从充电需求的角度出发,基于 EB 的运行特性,对充电桩数量进行优化配置。文献12将电池交换技术与充电系统相结合,对电动公交车的充电系统进行了优化。文献13构建了电动汽车充换储一体站模型,并以投资成本最小确立了充电站选址以及站内设备容量。文献14针对电动汽车的路网交通工具及电网用电负荷的双重属性,提出一种基于路-电耦合网络的充电决策优化方法,在合理调控充电负荷的同时改善耦合网络的运行状态。文献15发掘了规模化电动汽车接入电网后产生的可调控潜力,提出了一种交通-配电网耦合模式下的电
14、动汽车集群可调控裕度及优化运行策略,利用其灵活性提高配电网运行的可靠性。文献16提出了一种考虑电动汽车协调调度的多目标优化策略,以有功网损和节点电压波动为目标函数,建立了配电网多目标优化模型。上述文献表明,现有研究大多将 PTH 视为配电网中的一个负荷节点,围绕配电网稳定性和经济性展开研究,对 PTH 的充电基础设施和电池容量进行分析,证明了综合考虑配电网和交通网可使得 PTH的优化规划更加经济合理。但是,这些工作的开展均是基于正常运行工况这一前提,所提模型方法缺少对系统安全风险的衔接量化,未能充分考虑 PTH资源在故障运行情况下对系统供电可靠性的贡献作用及由此产生的潜在收益。然而事实上,PT
15、H 一方面作为负荷可能会对配电网的安全稳定经济运行产生影响,另一方面 PTH 作为一个具有虚拟储能潜力的聚合体,通过 V2G 技术,也可有效提高城市配电网的可靠性和经济性17。因此,若忽略上述可靠性效益,所得规划策略将难以全面客观地反映 PTH 资源对未来配电系统的真实价值贡献。从现有文献来看,关于电动汽车对配电系统可靠性影响的相关研究大多局限于私家车,而未能就EB/PTH 的资源潜力进行深入探讨和分析。相比于基于私家车的传统充放电停车场模式,PTH 运行特性具有很大的不同:电动公交车因有较为固定的发车时间和行驶路线,其运行特性和充电特性具有一定的规律且容易预测;与此同时,大量电动公交车的充电
16、位置集中在 PTH 中,从而可对其进行大规模的充/放电电能调度,具有较高的可控性。因此,为充分利用 PTH 所具有的巨大的灵活性储能资源,本文在现有研究的基础上,同时考虑 PTH 配置的位置、电动公交车数量和充电桩数量,结合城市配电网的不同运行状态,并计及可靠性效益对 PTH 进行优化规划。这对于未来城市配电网和公共交通系统的协同发展具有重要意义。基于上述背景,本文以 PTH 灵活性资源对配电网可靠性和经济性的提升作为切入点,提出了一种面向配电网运行成本最小的 PTH 规划模型。通过对PTH 在配电网中的安装位置、充放电设备容量以及优化调度策略(包括在系统正常和故障场景下的充放电运行控制策略以
17、及发车计划)进行分层次协调优化,充分释放电动公交车电池的灵活充放电潜力。在满足基本公交服务质量需求的前提下,提升配电网供电可靠性水平,减少因配电网故障造成的社会停电损失,并且兼顾规划运行的经济性。1 计及可靠性的 PTH 多层优化规划模型 为了最大化利用 PTH 的灵活性资源并降低配电网的规划运行成本,本文提出了一个三层规划优化方法。其中,上层模型以城市配电网规划运行总成本最小为目标,优化 PTH 的布设位置、电动公交车配置数量和充电桩布置数量。中层模型在满足公共交张玉莹,等 计及可靠性的城市配电网中公交枢纽多层优化规划方法 -27-通服务需求的前提下,以系统正常运行情况下 PTH从外部电网购
18、电功率最小为目标,优化发车间隔和公交车充电计划;下层模型以城市配电网发生故障情况下配电系统的停电损失代价最小为目标,优化故障状态运行时的发车间隔、负荷削减量、电动公交车的发车状态、电动公交车的充放电状态和充放电功率。本文提出了用于描述和解决上述问题的 PTH规划的三层优化模型,其基本框架如图 1 所示。图 1 3 层优化模型架构图 Fig.1 Structure of the three-level optimization model 1.1 优化模型(规划决策)上层优化模型用于确定 PTH 在配电网中的最佳位置、电动公交配置数量以及充电桩的布设数量。模型的目标函数和约束条件如下。1)目标函
19、数 以全年配电网系统总成本最小作为上层优化规划模型的目标函数,如式(1)式(4)所示。总成本包括 PTH 在配电网规划时的投资成本、运行维护成本以及配电网的运行成本,其中城市配电网的运行分为正常部分和故障部分。PTH 配置时的投资成本和运行成本包括 PTH 中电动公交车和充电桩的配置成本;正常运行时的成本为从外部电网的购电成本;故障运行时的成本为故障时产生的电力失负荷价值。电力失负荷价值(value of lost load,VOLL)是指由于停电而造成的经济损失,量化描述了因电网供电中断造成的停电损失对应的社会成本代价18。ALLALL-InvALL-OprVOLLmin()CCCV=+(1
20、)EBEBMain-EBALL-InvCPCPMain-CP()()Nii WiNCN+=|+(2)ALL-OprPurPowerTttt WCPt=(3)8760VOLde,1L1,Nmi ti ttiTWVPttWm=|(4)式(1)(4)中:ALLC表示全年配电网系统总成本;NW表示 PTH 配置在配电网中待选的节点位置集合;TW表示电动公交车运营时间的集合;ALL-InvC为PTH 项目的总投资成本;m表示年数;VOLLV表示故障时产生的电力失负荷价值;EBiN为在 PTH 配置节点i的公交车配置数量;CPiN为在PTH配置节点i的充电桩配置数量;EB为电动公交车的年均投资成本,单位为
21、万元/(年辆);CP为充电桩的年均投资成本,单位为万元/(年桩);ALL-OprC为城市配电系统从外部电网购电的总成本;PurtP代表t时刻配电系统从外部电网的购电功率,单位为 kW;t为单个调度时段的时长;Powert为t时刻城市配电系统从外部电网的购电电价,单位为元/kWh;Main-CP为充电桩每年的运行维护成本,单位为万元/(年桩);Main-EB为电动公交车每年的运行维护成本,单位为万元/(年辆);,i t为城市配电网中节点i处电力失负荷价值系数,单位为元/MW;de,i tP表示配电网中节点i处削减的电力负荷功率,单位为 MW。2)约束条件 受土地面积和空间的限制,且考虑到实际情况
22、中配置的充电桩数量小于电动公交车的数量,设置配置数量的约束条件如式(5)、式(6)所示。EBCP,iNiNWNi (5)此外,PTH 中公交车配置数量不能大于最大车辆容载量限制,故有 EBmax,iiNWNNi (6)式中,maxiN表示位于节点i的 PTH 可配置电动公交的最大数量。1.2 中层优化模型(系统正常运行模拟)在实际运行中,含 PTH 的配电系统会面临正常运行(即系统所有元件或设备无故障且均处于正常运行状态)以及故障运行(即系统中有元件或设备发生故障且无法正常运行)2 种情况。因此,为了有效模拟上述两种运行场景下 PTH 对配电系统运行及其供电可靠性的影响,本文提出了中层正常运行
23、优化模型和下层故障运行优化模型。其中,中层优化模型在给定 PTH 配置状态的条件下进行系统正常-28-电力系统保护与控制电力系统保护与控制 运行方式的模拟。具体而言,针对系统正常运行状态,模型根据交通服务需求计算确定其内部车辆的最优发车间隔和充电计划,通过模型求解确定各时段 PTH 中电动公交车的车辆调度方案以及 PTH 充电功率。1)目标函数 中层优化模型以含 PTH 的配电系统从外部电网的购电成本最小为目标函数。ALLTALL-OprminCC=(7)式中,ALLTC表示含 PTH 的配电系统从外部电网的最小购电成本。2)约束条件(1)线路上电动公交车数量约束 公交线路上的电动公交车数量为
24、,i stT-到t时刻之间离开 PTH 的数量。,road depart depart depart,1,1,i si s ti s ti s ti s t TsTNnnnnisWtWW-+=+(8)式中:SW表示公交线路的集合;,i sT表示从 PTH 配置节点i发车的电动公交在公交线路s上行驶一周所需要的平均时间,单位为 h;road,i s tn表示t时刻从PTH 配置节点i已发出的在公交线路s上的电动公交车数量;depart,i s tn表示t时刻从 PTH 配置节点i向公交线路s上发车的电动公交车数量。(2)可用于发车的公交车数量约束 PTH 可发的电动公交车数量为t时刻可以发车的电
25、动公交车数量减去已经发车的数量再加上t时刻充好电的电动公交车数量,即 ready ready depart,1,ready1,Si ti ti s ti tNTs WnnnDiWtW+=-+(9)ready,0,i tNTniWtW (10)式中:ready,i tn表示PTH在t时刻可发的电动公交车数量;r a,e dyi tD为t时刻刚完成充电的电动公交车数量。(3)到达PTH的公交车数量约束 t时刻到达PTH的公交车数量为各个线路,i stT-时刻发车的电动公交车总数量,即,arrivedepart,i sSi ti s t TNTs WnniWtW-=(11)式中,arrive,i t
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