基于節點邊際電價的含電動車汽車的配電網阻塞管理

徐司聰

摘 要：在智能電網中，除了主要的運輸功能，電動汽車作為分布式能源資源被廣泛認為是寶貴的資產。但是，當電動汽車滲透率比較高的時候，其連接到配電網并且無限制地反復充電可能在高峰期使得線路過載，造成阻塞。現基于節點邊際電價，以最小化充電費用為目標，提出一種方式來最優化電動汽車群的充電計劃，有效實現含電動汽車的配電網阻塞管理。

關鍵詞：電動汽車；配電網；阻塞管理；節點邊際電價

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.168

0 引言

電動汽車作為一種個人運輸和城市配送的工具，由于其有助于減少二氧化碳排放，被廣泛倡導使用。然而，電力公司必須確定如何將廣泛分布的電動汽車（特別當大量普通人群使用時）平滑整合進電網，即管理大量電動汽車的無序充電同時不造成配電網發生阻塞。

1 電動汽車負荷模型

電動汽車大規模運用以后，其功率需求將會對電網產生一定的影響。作為一種交通工具，電動汽車的使用屬性的優先級要高于其充電特性，車主按照自己的行為習慣進行充電，而不是從電網角度。因此，在定量評估電動汽車負荷影響之前，研究其充電負荷模型很有必要的。

1.1 影響電動汽車充電功率因素分析

主要影響因素包括：電動汽車的保有量、電池容量、電動汽車的充電功率、用戶行為等。其中，前三者是可以事先得到的，而用戶行為是隨機的，事先不可得知，因此，研究電動汽車充電特性，需要全面考慮這些因素。

1.2 基于蒙特卡羅法的電動汽車負荷計算

蒙特卡羅法（Monte Carlo method）是一種以概率統計理論為指導的，使用隨機數來決解很多計算問題的數值計算方法。其基本思想是：當所求解的問題是某種隨機事件出現的概率，通過某種“實驗”的方法，以這種事件出現的頻率估計這一隨機事件的概率并將其作為問題的解。

利用蒙特卡羅法研究大量電動汽車充電對電網的影響，能很容易得出大量電動汽車自由充電會造成日基礎負荷“峰上加峰”的結果，這說明大量電動汽車的自由充電會存在造成配電網發生阻塞的可能。

2 節點邊際電價的阻塞管理手段

20世紀70年代，MIT的F.C.Schweppe教授提出實時電價的數學模型，此后該理論發展至今被規范地稱為節點邊際電價（Locational Marginal Price，LMP）。隨著市場的不斷成熟與發展，考慮到其具有明確的經濟意義，能夠體現網絡中不同節點在不同時刻的經濟價值，為各市場參與者提供極具參考價值的信號，提高電能的使用效率和資源配置，因此基于節點邊際電價的阻塞管理方式受到青睞。

2.1 經濟含義

節點邊際電價的經濟含義為：當前系統運行狀態下某節點增加一個單位的有功同時保證電力系統安全運行所需的最小購電費用。其反映了該節點上增加單位負荷所需要增加的成本。根本上講，它既是一個對時間的邊際成本，也是一個對空間的邊際成本。

2.2 經濟性影響

（1）沒有統一的市場出清價，只有不同的節點電價。阻塞發生時，發電機和負荷按各自所在節點的節點邊際電價收費，沒有統一的出清價。

（2）造成社會效益損失。社會效益包括消費者剩余和生產者剩余。前者指的是買方的支付意愿與實際支出支出的差值；后者指的是賣方收益與其成本的差值。無阻塞發生時，社會效益最大。阻塞發生后，社會效益損失。

（3）交易盈余或阻塞費用。電網出現阻塞的情況下，市場交易中心向用戶收取的電費與向發電廠購買的電費會存在差值。考慮到這部分費用是阻塞所造成的，因此又被叫做阻塞費用。

3 基于節點邊際電價的含電動汽車的配電網阻塞管理

大滲透率下電動汽車的無序充電行為會對配電網的正常運行提出極大挑戰，嚴重時會發生阻塞。節點邊際電價作為一種價格手段，可以有效緩解阻塞，保障配電網的安全運行。解決含電動汽車的配電網的阻塞管理問題的關鍵，在滿足電動汽車用戶需求的前提下，通過價格手段來引導大量電動汽車的充電行為，并將其V2G功能考慮進去。因此本文設計一種兩級分層調度的阻塞管理機制，在下層中，FO以最小充電費用為目標分配電動汽車充電功率；上層中，DSO使用基于市場的控制來協調FO的功率計劃，其校驗FO的充電計劃是否會發生阻塞。如果發生將通過最優潮流計算獲得發生阻塞處該時刻的新的節點邊際電價，以此來引導電動汽車的充電行為使得阻塞消除。

分層調度框架。本文所構建的分層調度框架中，上層為配電系統管理層（DSO），下層是電動汽車控制層（FO）。在配電系統中，DSO通過調度協調保證配電系統的安全與經濟運行以及電能質量符合要求。由于未來的配電系統中電動汽車滲透率會相當高，DSO直接對每輛電動汽車進行集中調控是不現實的，因此必然導致FO角色的產生。FO代表的是電動汽車的利益，主要接收車主上報的使用需要并將其上傳給上層DSO，并對所管理電動汽車進行協調調度，他與DSO和電動汽車之間均存在信息交流。未來的智能配電網中，IEC61850等良好通信協議與技術將保證不同配電主體之間的信息交互、調度命令的傳達與執行的迅速和可靠。

4 結論

本文分析影響電動汽車充電負荷的多種因素，通過蒙特卡羅法研究大量電動汽車充電負荷情況，說明其接入配電網造成阻塞的可能性。在此基礎上，基于節點邊際電價提出了一種針對含電動汽車配電網的兩級分層調度的阻塞管理策略，對該阻塞管理策略的結構框架及各層運行原理進行了介紹，該阻塞管理策略能有效緩解含電動汽車的配電網的阻塞情況。

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