基于节点边际电价的含电动车汽车的配电网阻塞管理

徐司聪

摘 要：在智能电网中，除了主要的运输功能，电动汽车作为分布式能源资源被广泛认为是宝贵的资产。但是，当电动汽车渗透率比较高的时候，其连接到配电网并且无限制地反复充电可能在高峰期使得线路过载，造成阻塞。现基于节点边际电价，以最小化充电费用为目标，提出一种方式来最优化电动汽车群的充电计划，有效实现含电动汽车的配电网阻塞管理。

关键词：电动汽车；配电网；阻塞管理；节点边际电价

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

0 引言

电动汽车作为一种个人运输和城市配送的工具，由于其有助于减少二氧化碳排放，被广泛倡导使用。然而，电力公司必须确定如何将广泛分布的电动汽车（特别当大量普通人群使用时）平滑整合进电网，即管理大量电动汽车的无序充电同时不造成配电网发生阻塞。

1 电动汽车负荷模型

电动汽车大规模运用以后，其功率需求将会对电网产生一定的影响。作为一种交通工具，电动汽车的使用属性的优先级要高于其充电特性，车主按照自己的行为习惯进行充电，而不是从电网角度。因此，在定量评估电动汽车负荷影响之前，研究其充电负荷模型很有必要的。

1.1 影响电动汽车充电功率因素分析

主要影响因素包括：电动汽车的保有量、电池容量、电动汽车的充电功率、用户行为等。其中，前三者是可以事先得到的，而用户行为是随机的，事先不可得知，因此，研究电动汽车充电特性，需要全面考虑这些因素。

1.2 基于蒙特卡罗法的电动汽车负荷计算

蒙特卡罗法（Monte Carlo method）是一种以概率统计理论为指导的，使用随机数来决解很多计算问题的数值计算方法。其基本思想是：当所求解的问题是某种随机事件出现的概率，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率并将其作为问题的解。

利用蒙特卡罗法研究大量电动汽车充电对电网的影响，能很容易得出大量电动汽车自由充电会造成日基础负荷“峰上加峰”的结果，这说明大量电动汽车的自由充电会存在造成配电网发生阻塞的可能。

2 节点边际电价的阻塞管理手段

20世纪70年代，MIT的F.C.Schweppe教授提出实时电价的数学模型，此后该理论发展至今被规范地称为节点边际电价（Locational Marginal Price，LMP）。随着市场的不断成熟与发展，考虑到其具有明确的经济意义，能够体现网络中不同节点在不同时刻的经济价值，为各市场参与者提供极具参考价值的信号，提高电能的使用效率和资源配置，因此基于节点边际电价的阻塞管理方式受到青睐。

2.1 经济含义

节点边际电价的经济含义为：当前系统运行状态下某节点增加一个单位的有功同时保证电力系统安全运行所需的最小购电费用。其反映了该节点上增加单位负荷所需要增加的成本。根本上讲，它既是一个对时间的边际成本，也是一个对空间的边际成本。

2.2 经济性影响

（1）没有统一的市场出清价，只有不同的节点电价。阻塞发生时，发电机和负荷按各自所在节点的节点边际电价收费，没有统一的出清价。

（2）造成社會效益损失。社会效益包括消费者剩余和生产者剩余。前者指的是买方的支付意愿与实际支出支出的差值；后者指的是卖方收益与其成本的差值。无阻塞发生时，社会效益最大。阻塞发生后，社会效益损失。

（3）交易盈余或阻塞费用。电网出现阻塞的情况下，市场交易中心向用户收取的电费与向发电厂购买的电费会存在差值。考虑到这部分费用是阻塞所造成的，因此又被叫做阻塞费用。

3 基于节点边际电价的含电动汽车的配电网阻塞管理

大渗透率下电动汽车的无序充电行为会对配电网的正常运行提出极大挑战，严重时会发生阻塞。节点边际电价作为一种价格手段，可以有效缓解阻塞，保障配电网的安全运行。解决含电动汽车的配电网的阻塞管理问题的关键，在满足电动汽车用户需求的前提下，通过价格手段来引导大量电动汽车的充电行为，并将其V2G功能考虑进去。因此本文设计一种两级分层调度的阻塞管理机制，在下层中，FO以最小充电费用为目标分配电动汽车充电功率；上层中，DSO使用基于市场的控制来协调FO的功率计划，其校验FO的充电计划是否会发生阻塞。如果发生将通过最优潮流计算获得发生阻塞处该时刻的新的节点边际电价，以此来引导电动汽车的充电行为使得阻塞消除。

分层调度框架。本文所构建的分层调度框架中，上层为配电系统管理层（DSO），下层是电动汽车控制层（FO）。在配电系统中，DSO通过调度协调保证配电系统的安全与经济运行以及电能质量符合要求。由于未来的配电系统中电动汽车渗透率会相当高，DSO直接对每辆电动汽车进行集中调控是不现实的，因此必然导致FO角色的产生。FO代表的是电动汽车的利益，主要接收车主上报的使用需要并将其上传给上层DSO，并对所管理电动汽车进行协调调度，他与DSO和电动汽车之间均存在信息交流。未来的智能配电网中，IEC61850等良好通信协议与技术将保证不同配电主体之间的信息交互、调度命令的传达与执行的迅速和可靠。

4 结论

本文分析影响电动汽车充电负荷的多种因素，通过蒙特卡罗法研究大量电动汽车充电负荷情况，说明其接入配电网造成阻塞的可能性。在此基础上，基于节点边际电价提出了一种针对含电动汽车配电网的两级分层调度的阻塞管理策略，对该阻塞管理策略的结构框架及各层运行原理进行了介绍，该阻塞管理策略能有效缓解含电动汽车的配电网的阻塞情况。

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