充电站电压优化方法、装置、计算机设备和存储介质与流程

1.本技术涉及电动汽车充电技术领域，特别是涉及一种充电站电压优化方法、装置、计算机设备和存储介质。


背景技术：

2.随着电动汽车用户数量的增加，越来越多的电动汽车充电站作为充电负荷接入到配电网中。汽车充电站大规模随机接入配电网后会造成配配电网部分节点电压越限的情况，严重影响用户的用电体验。为了平衡各节点电压，电网公司需要投入大量的人力物力对配电网进行规模化改造升级，成本较高。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够平衡配电网各节点电压的低成本充电站电压优化方法、装置、计算机设备和存储介质。
4.一种充电站电压优化方法，包括步骤：
5.获取各充电站的初始节点电压；
6.在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
7.根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
8.处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
9.根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
10.在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
11.在其中一个实施例中，基础数据包括充电站的数量；目标函数基于以下公式得到：
[0012][0013][0014]
其中，ui为第i个充电站的节点电压；n为充电站的数量；u
average
为节点电压的平均值。
[0015]
在其中一个实施例中，基础数据还包括各充电站之间的电纳值、电导值和相角的差值；各约束条件包括各充电站的无功功率约束条件和有功功率的约束条件；
[0016]
无功功率约束条件和有功功率约束条件基于以下公式得到：
[0017][0018]
其中，pi(t)为第i个充电站时刻t的有功功率，qi(t)为第i个充电站时刻t的无功功
率，vi为第i个充电站时刻t的电压，vj为第j个充电站时刻t的电压；g
ij
为充电站i与充电站j之间的电导值，b
ij
为充电站i与充电站j之间的电纳值，cosθ
ij
(t)为t时刻充电站i与充电站j之间相角差的余弦值，sinθ
ij
(t)为t时刻充电站i与充电站j之间相角差的正弦值，nb为充电站的数量；
[0019]
在其中一个实施例中，基础数据还包括充电站的电压上限值和电压下限值；各约束条件包括各充电站的节点电压的约束条件；
[0020]
节点电压的约束条件基于以下公式得到：
[0021]vmin
≤vi(t)≤v
max
；
[0022]
其中，v
min
为充电站的节点电压下限；v
max
为充电站的节点电压上限；vi(t)为第i个充电站时刻t的节点电压。
[0023]
在其中一个实施例中，基础数据包括充电站配变的额定容量；各约束条件包括各充电站的充电功率的约束条件；
[0024]
各充电站的充电功率的约束条件基于以下公式得到：
[0025]
p
evcs-i
≤s
ni
×
β
max
×
cosφ；
[0026]
其中，p
evcs-i
表示第i个充电站的充电功率；s
ni
为第i个充电站配变的额定功率；β
max
为配变负载率上限；cosφ为充电站的变压器额定功率因数。
[0027]
在其中一个实施例中，基础数据包括各充电站的单组电容器的容量值和电容器的总组数；各约束条件包括各充电站的电容器组投切的容量值的约束条件；
[0028]
各充电站的电容器组投切的容量值的约束条件基于以下公式得到：
[0029]ctotal,i,t
＝c
per
×nt
；
[0030]
0≤n
t
≤n
max
；
[0031]
其中，c
total,i,t
表示第i个充电站时刻t投切的电容器组的容量；c
per
表示单组电容器的容量值；n
t
表示投切的电容器的组数；n
max
表示电容器的总组数。
[0032]
在其中一个实施例中，处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值的步骤包括：
[0033]
根据各约束条件，调用matlab软件中的yalmip工具箱求解目标函数，得到容量值和充电功率。
[0034]
一种充电站电压优化装置，包括：
[0035]
初始节点电压检测模块，用于获取各充电站的初始节点电压；
[0036]
基础数据获取模块，用于在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
[0037]
模型建立模块，用于根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
[0038]
容量值和功率值计算模块，用于处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
[0039]
电容器投切模块，用于根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
[0040]
充电功率调整模块，用于在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
[0041]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计
data acquisition，scada)系统获取；也可以从连接充电桩的智能终端获取。
[0058]
s120，在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
[0059]
具体而言，节点电压的阈值包括充电站节点电压的上限值和节点电压的下限值。阈值可根据充电站的实际规模和局域配电网的电压分配而定。具体地，部分地区，充电站的电压阈值需保证用户充电成本和充电站电网接入成本的综合成本最小。可选地，当配电网的基准容量为100mva时，节点电压上限可为10千伏。
[0060]
s130，根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
[0061]
具体而言，基础数据可以从数据采集与监视监控系统(supervisory control and data acquisition，scada)系统获取，也可以通过人工统计计算得到。基础数据包括充电站的数量、各充电站之间的电纳值、电导值和相角的差值、充电站的电压上限值和下限值、充电站配变的额定容量、各所述充电站的单组电容器的容量值和电容器的总组数。具体地，各充电站之间的电纳值、电导值和相角的差值用于建立各充电站的无功功率和有功功率的约束条件；充电站的电压上限值和下限值用于建立节点电压约束条件；充电站配变的额定容量用于建立充电站的充电功率约束条件；各所述充电站的单组电容器的容量值和电容器的总组数用于建立充电站的电容器组投切的容量值的约束条件。基础数据还可以包括任何与充电站相关的数据，用于建立目标函数以及目标函数中变量的约束条件。
[0062]
具体地，可以基于以下公式建立目标函数：
[0063][0064][0065]
其中，ui为第i个充电站的节点电压；n为充电站的数量；u
average
为节点电压的平均值。
[0066]
也可以基于以下公式建立目标函数：
[0067][0068][0069]
其中，ui为第i个充电站的节点电压；n为充电站的数量；u
average
为节点电压的平均值。
[0070]
还可以基于以下公式建立目标函数：
[0071][0072][0073]
其中，ui为第i个充电站的节点电压；n为充电站的数量；u
average
为节点电压的平均值。
[0074]
需要说明的是，目标函数的建立可以综合考虑各方面的需要，包括节点电压和充电站的收益等，在此不做限定。
[0075]
s140，处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
[0076]
一方面，电容器组为多个电容器组成的一个工作组，有串联和并联两种形式。串联情况下，耐压为两者之和，容量为两者的倒数和分之一；并联情况下，耐压为两者中耐压最低的那个值，容量为二者之和。即串联耐压升高，容量降低。并联耐压不变，容量升高。采用并联电抗器组可以进行线路的无功功率补偿，而采用串联电容器补偿技术是提高输变电网稳定极限以及经济性的有效手段之一。
[0077]
另一方面，为保证各充电站节点电动汽车充电站安全运行，各充电站的充电功率需小于配变额定容量，同时参与需求响应的各充电站需求响应功率之和需等于需求响应中心发布的需求响应量。充电功率包括充电站内直流充电桩的充电功率和交流充电桩的充电功率。
[0078]
具体地，可以基于以下公式得到各充电站的充电功率：
[0079][0080]
p
dc-ij
＝p
dc-gear
×ndc-ij
；
[0081]
p
ac-ij
＝p
ac-gear
×nac-ij
；
[0082]
其中，p
evcs-i
表示第i个电动汽车充电站的充电功率；p
dc-ij
表示第i个电动汽车充电站内第j台直流充电桩的充电功率；p
dc-gear
表示直流充电桩每档的充电功率；n
dc-ij
表示第i个电动汽车充电站内第j台直流充电桩的充电档位；p
ac-ij
表示第i个电动汽车充电站内第j台交流充电桩的充电功率；p
ac-gear
表示交流充电桩每档的充电功率；n
ac-ij
表示第i个电动汽车充电站内第j台交流充电桩的充电档位。
[0083]
可以采用本领域中任意一个软件或其他求解工具基于各约束条件求解目标函数，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值。可选地，这里调用matlab软件中的yalmip工具箱求解所述目标函数，得到所述容量值和所述充电功率。
[0084]
s150，根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
[0085]
具体而言，根据目标函数求解得到的各充电站所需投切的电容器组的容量值，进行电容器组投切动作。具体地，当节点电压超过上限时，切除电压越上限的充电站节点的电容器组，或切除电压越上限的充电站节点及其附近节点的电容器组；当节点电压超过下限时，投入电压越下限的充电站节点的电容器组，或投入电压越下限的充电站节点及其附近节点的电容器组，提高各充电站节点电压的电压优化效率。
[0086]
需要注意的是，电容器组的投入和切除可以通过人工进行；也可以通过智能终端进行。可选地，智能终端为有序充电控制终端。当前节点电压为完成电容器组的投切工作后的节点电压。当前节点电压从数据采集与监视监控系统(supervisory control and data acquisition，scada)系统获取。
[0087]
s160，在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
[0088]
具体而言，在各充电站完成电容器组的投切工作后，获取当点节点电压，并比较当前节点电压是否超过阈值。若当前节点电压未超过阈值，则不对各充电站的充电功率进行调整；若当前节点电压超过上限，则执行充电功率升档操作；若当前节点电压超过下限，则
执行充电功率降档操作。
[0089]
需要注意的是，各充电站的充电功率的升档和降档调节可以通过人工进行；也可以通过智能终端进行。可选地，智能终端为有序充电控制终端。
[0090]
上述充电站电压优化方法，通过获取各充电站的初始节点电压；在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；根据基础数据建立目标函数和各约束条件；处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。实现了在不对基础设施进行改造的情况下，较好的平衡各充电站节点电压，成本低。
[0091]
在一个实施例中，基础数据包括充电站的数量；目标函数基于以下公式得到：
[0092][0093][0094]
其中，ui为第i个充电站的节点电压；n为充电站的数量；u
average
为节点电压的平均值。
[0095]
需要说明的是，不仅仅包括上述公式，上述公式的变形也应当纳入为本技术的保护范围。
[0096]
在一个实施例中，基础数据还包括各充电站之间的电纳值、电导值和相角的差值；各约束条件包括各充电站的无功功率约束条件和有功功率的约束条件；
[0097]
无功功率约束条件和有功功率约束条件基于以下公式得到：
[0098][0099]
其中，pi(t)为第i个充电站时刻t的有功功率，qi(t)为第i个充电站时刻t的无功功率，vi为第i个充电站时刻t的电压，vj为第j个充电站时刻t的电压；g
ij
为充电站i与充电站j之间的电导值，b
ij
为充电站i与充电站j之间的电纳值，cosθ
ij
(t)为t时刻充电站i与充电站j之间相角差的余弦值，sinθ
ij
(t)为t时刻充电站i与充电站j之间相角差的正弦值，nb为充电站的数量；
[0100]
需要说明的是，不仅仅包括上述公式，上述公式的变形也应当纳入为本技术的保护范围。
[0101]
在一个实施例中，基础数据还包括充电站的电压上限值和电压下限值；各约束条件包括各充电站的节点电压的约束条件；
[0102]
节点电压的约束条件基于以下公式得到：
[0103]vmin
≤vi(t)≤v
max
；
[0104]
其中，v
min
为充电站的节点电压下限；v
max
为充电站的节点电压上限；vi(t)为第i个充电站时刻t的节点电压。
[0105]
需要说明的是，不仅仅包括上述公式，上述公式的变形也应当纳入为本技术的保护范围。
[0106]
在一个实施例中，基础数据包括充电站配变的额定容量；各约束条件包括各充电站的充电功率的约束条件；
[0107]
各充电站的充电功率的约束条件基于以下公式得到：
[0108]
p
evcs-i
≤s
ni
×
β
max
×
cosφ；
[0109]
其中，p
evcs-i
表示第i个充电站的充电功率；s
ni
为第i个充电站配变的额定功率；β
max
为配变负载率上限；cosφ为充电站的变压器额定功率因数。
[0110]
可选地，β
max
取0.8；cosφ取0.95。
[0111]
需要说明的是，不仅仅包括上述公式，上述公式的变形也应当纳入为本技术的保护范围。
[0112]
在一个实施例中，基础数据包括各充电站的单组电容器的容量值和电容器的总组数；各约束条件包括各充电站的电容器组投切的容量值的约束条件；
[0113]
各充电站的电容器组投切的容量值的约束条件基于以下公式得到：
[0114]ctotal,i,t
＝c
per
×nt
；
[0115]
0≤n
t
≤n
max
；
[0116]
其中，c
total,i,t
表示第i个充电站时刻t投切的电容器组的容量；c
per
表示单组电容器的容量值；n
t
表示投切的电容器的组数；n
max
表示电容器的总组数。
[0117]
需要说明的是，不仅仅包括上述公式，上述公式的变形也应当纳入为本技术的保护范围。
[0118]
在一个实施例中，处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值的步骤包括：
[0119]
根据各约束条件，调用matlab软件中的yalmip工具箱求解目标函数，得到容量值和充电功率。
[0120]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0121]
为了进一步阐述本技术，下面特结合一具体示例进行说明：
[0122]
以ieee33充电站节点为例，充电站接入的情况如图2所示。各充电站接入的位置及其配置参数如表1所示。
[0123]
表1充电站接入的位置及其配置参数
[0124][0125][0126]
选取图2中33个充电站节点在某一时段内的初始节点电压，如图3所示。从图3可知，充电站节点10及节点29电压越下限导致其后节点电压均越下限。根据本技术中的区域配电网电压优化数学模型，即目标函数和各约束条件计算电容器组投切的容量值。对充电站节点10及充电站节点29附近的电容器组进行投入动作，各节点电容器投入情况如表2所示。
[0127]
表2各节点电容器投入容量
[0128]
节点电容器投入容量/kvar节点电容器投入容量/kvar8501710920181010202720112028201220292013103020141031301510324016103320
[0129]
节点电容器投切后，各充电站当前节点电压如图4所示。图4中，电压1为电容器组
投入后，各充电站的当前节点电压。明显地，节点10及节点2电压略有提升，但由于调节能力有限，仍有部分节点电压不合格。因此，根据本技术中的通过求解目标函数和各约束条件计算得到的充电功率对充电站的充电功率进行调整，具操作如表3所示。
[0130]
表3电动汽车充电站
[0131][0132]
节点充电功率调整后，各节点电压如图5所示。图5中，电压1为电容器组投入后，各充电站的当前节点电压。电压2为充电功率调整后各充电站的节点电压。显然，在电压一次调节的基础上通过区域电网电压协调控制模型优化模型对部分节点的电动汽车充电站的充电功率进行调节可有效改善节点电压，提升电压水平。
[0133]
在一个实施例中，提供了一种充电站电压优化装置，包括：
[0134]
初始节点电压检测模块，用于获取各充电站的初始节点电压；
[0135]
基础数据获取模块，用于在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
[0136]
模型建立模块，用于根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
[0137]
容量值和功率值计算模块，用于处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
[0138]
电容器投切模块，用于根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
[0139]
充电功率调整模块，用于在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
[0140]
在一个实施例中，容量值和功率值计算模块包括：
[0141]
调用模块，用于根据各约束条件，调用matlab软件中的yalmip工具箱求解目标函数，得到容量值和充电功率。
[0142]
关于充电站电压优化装置的具体限定可以参见上文中对于充电站电压优化方法的限定，在此不再赘述。上述充电站电压优化装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。需要说明的是，本技术实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
[0143]
一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下方法的步骤：
[0144]
获取各充电站的初始节点电压；
[0145]
在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
[0146]
根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
[0147]
处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
[0148]
根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
[0149]
在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
[0150]
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
[0151]
根据各约束条件，调用matlab软件中的yalmip工具箱求解目标函数，得到容量值和充电功率。
[0152]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下方法的步骤：
[0153]
获取各充电站的初始节点电压；
[0154]
在初始节点电压超过阈值的情况下，获取各充电站的基础数据；
[0155]
根据基础数据建立目标函数和各约束条件；
[0156]
处理目标函数和各约束条件，得到各充电站所需投切的电容器组的容量值和充电功率值；
[0157]
根据容量值进行电容器组投切动作，并在检测到完成投切动作，获取各充电桩的当前节点电压；
[0158]
在当前节点电压超过阈值的情况下，根据充电功率值对各充电站的充电功率进行调整。
[0159]
在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：
[0160]
根据各约束条件，调用matlab软件中的yalmip工具箱求解目标函数，得到容量值和充电功率。
[0161]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(read-only memory，rom)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(random access memory，ram)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(static random access memory，sram)或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，dram)等。
[0162]
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少
一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
[0163]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0164]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。