韓 妍,丁惜瀛,程 錕,李曉東
(沈陽工業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽 110870)
由于能源緊缺與環(huán)境日益惡化,電動(dòng)汽車的發(fā)展已逐漸成為汽車行業(yè)的必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車不僅清潔、環(huán)保,而且其特有的儲(chǔ)能能力使其為電網(wǎng)提供輔助服務(wù)成為可能。大量電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能能力如能得到合理調(diào)控,將緩沖電網(wǎng)中可再生能源不確定性帶來的影響,有效提高新能源的滲透率[1]。電動(dòng)汽車負(fù)荷具有數(shù)量多、容量小、分布散等特點(diǎn)[2],若被大規(guī)模接入電網(wǎng),則電網(wǎng)調(diào)峰將很難控制。將電動(dòng)汽車分類,以集群的方式調(diào)控并網(wǎng),可有效提升電動(dòng)汽車規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)控的快速性,降低調(diào)控難度。在電動(dòng)汽車并網(wǎng)過程中,電動(dòng)汽車可被視為移動(dòng)的儲(chǔ)能單元,實(shí)現(xiàn)能量在電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間雙向流動(dòng)[3]。電網(wǎng)負(fù)荷低谷期,電動(dòng)汽車作為負(fù)荷充電可避免電能浪費(fèi);電網(wǎng)負(fù)荷高峰期,電動(dòng)汽車作為分布式儲(chǔ)能電源可緩解電網(wǎng)壓力,參與調(diào)峰,實(shí)現(xiàn)削峰填谷的目的[4-5]。
近年來,電動(dòng)汽車有序充放電并參與電網(wǎng)調(diào)峰一直是行業(yè)研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]利用遺傳算法搭建隨機(jī)參數(shù)的電動(dòng)汽車集群模型,該方法雖理論性強(qiáng),但不能完全顧及單輛汽車實(shí)際情況,因此難以被實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]根據(jù)開始充電時(shí)刻和車主期望電量這兩個(gè)特征值進(jìn)行電動(dòng)汽車分類集群,但所考慮的電動(dòng)汽車集群因素過于單一。文獻(xiàn)[8]提出了一種智能有序充電策略,其以電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和充電費(fèi)用最小為優(yōu)化目標(biāo),但并未考慮V2G電動(dòng)汽車的電網(wǎng)回饋能力。文獻(xiàn)[9-10]在對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行優(yōu)化時(shí),僅從電網(wǎng)側(cè)或用戶側(cè)進(jìn)行單方面考量,并沒有兼顧雙方利益。目前的研究大多基于以電動(dòng)汽車可用來參與電網(wǎng)調(diào)峰的容量為固定值的假設(shè)[11];可實(shí)際上,考慮用戶意愿以及自身因素,每輛電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰的時(shí)段以及可用容量是可以被調(diào)控的。根據(jù)電網(wǎng)峰谷狀態(tài)及車輛自身需求,以集群化調(diào)控方式確定每輛電動(dòng)汽車參與調(diào)峰的時(shí)間段以及可用容量,這將在有效輔助電網(wǎng)調(diào)峰的同時(shí)降低車輛用電費(fèi)用。
本文在區(qū)域電網(wǎng)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,綜合考慮了電動(dòng)汽車用戶意愿以及電動(dòng)汽車自身狀態(tài),構(gòu)建了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車集群分類網(wǎng)絡(luò),其按調(diào)峰參與能力和意愿對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行調(diào)峰參與度排序并根據(jù)排序結(jié)果集群化,確定各時(shí)段可參與削峰填谷的電動(dòng)汽車的數(shù)量及相關(guān)信息;同時(shí)考慮電網(wǎng)和用戶雙方利益,以電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)和電動(dòng)汽車用戶充放電費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo),采用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法計(jì)算每個(gè)時(shí)段的調(diào)控容量并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
針對(duì)電力負(fù)荷預(yù)測(cè)問題,通過統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(SPSS)仿真平臺(tái)分別建立了指數(shù)平滑法和多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,以預(yù)測(cè)某區(qū)域電網(wǎng)未來一天(24 h)的電力負(fù)荷,并進(jìn)行分析比較。
指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法是通過對(duì)一定時(shí)間內(nèi)不規(guī)則的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)加以平滑處理來確定指數(shù)平滑值,從而獲取電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,以此推斷和預(yù)測(cè)未來幾天的電力負(fù)荷。該方法將所有數(shù)據(jù)考慮在內(nèi)并給數(shù)據(jù)賦予不同權(quán)重,其中早期觀測(cè)值賦予較小的權(quán)重,而近期觀測(cè)值賦予較大權(quán)重:
式中:Pt,Pt-1——第t期和第(t-1)期的電力負(fù)荷實(shí)際值;P′t-1,P′t+1——第(t-1)期和第(t+1)期電力負(fù)荷預(yù)測(cè)值;α——平滑常數(shù),其取值范圍為[0, 1]。
采用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法,第(t+1)期電力負(fù)荷的單步預(yù)測(cè)值是以往所有觀測(cè)值的加權(quán)平均數(shù)。該方法較為簡便,只要有上期實(shí)際負(fù)荷和預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)就可預(yù)測(cè)下期負(fù)荷,其無需很多負(fù)荷數(shù)據(jù)并節(jié)省處理負(fù)荷數(shù)據(jù)的時(shí)間,減小了負(fù)荷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。
以濰坊青州王母宮地區(qū)為例,將預(yù)測(cè)日前5天每天24 h負(fù)荷數(shù)據(jù)共120個(gè)負(fù)荷數(shù)據(jù)依次輸入,通過SPSS仿真平臺(tái)創(chuàng)建傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)未來一天24 h負(fù)荷。在所有模型中,選用簡單季節(jié)性模型進(jìn)行模型擬合并通過該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型擬合度統(tǒng)計(jì)如表1所示,其中,MAPE表示平均絕對(duì)百分比誤差,MaxAPE表示最大絕對(duì)誤差百分比,R2衡量的是模型整體的擬合度。
表1 模型擬合度Tab. 1 Model fit degree
采用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)測(cè),結(jié)果如圖1所示。
圖1 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)結(jié)果Fig. 1 Exponential smoothing prediction results
在上述模型擬合參數(shù)中,R2其值接近于1??梢钥闯?,指數(shù)平滑模型對(duì)負(fù)荷的擬合情況良好,并通過該模型預(yù)測(cè)未來一天24小時(shí)負(fù)荷。負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率計(jì)算公式如式(2)所示。采用指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法電力負(fù)荷預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為86%。
式中:n——日負(fù)荷預(yù)測(cè)總點(diǎn)數(shù)。
指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法是通過確定平滑常數(shù)對(duì)未來電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)的,平滑常數(shù)過高或過低都會(huì)對(duì)預(yù)測(cè)精確度造成一定的影響。多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練進(jìn)行自組織來處理更為復(fù)雜的數(shù)據(jù),從而提高預(yù)測(cè)精確度。由于負(fù)荷預(yù)測(cè)模型輸入量和輸出量較多,因此對(duì)模型建立的要求更為嚴(yán)苛,而多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)來提高精度??傮w而言,多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有3層,分別為輸入層、隱含層以及輸出層。多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)隱含層數(shù)量以及輸出層神經(jīng)元并沒有具體限制,可根據(jù)個(gè)人需求自行設(shè)定,適用面較廣。多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型如圖2所示。
圖2 多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷預(yù)測(cè)模型Fig. 2 Model of load forecasting by multi layer perceptron(MLP)
本文以濰坊青州王母宮地區(qū)為例,將預(yù)測(cè)日前一周以及前一天24 h負(fù)荷數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入,同時(shí)將預(yù)測(cè)日24 h負(fù)荷數(shù)據(jù)作為輸出。通過SPSS Modeler仿真平臺(tái)訓(xùn)練建模(圖3),并取500組數(shù)據(jù),其中70%用于訓(xùn)練,30%用于測(cè)試。
圖3 負(fù)荷預(yù)測(cè)建模流程Fig. 3 Load forecasting modeling process
采用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與指數(shù)平滑預(yù)測(cè)方法對(duì)同一天電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果如圖4所示。由圖4和式(2)可知,多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)93.6%,相比指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法,其預(yù)測(cè)效果更好。
圖4 多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果Fig. 4 Load prediction results by MLP
為了充分發(fā)揮電動(dòng)汽車的自身優(yōu)勢(shì)、輔助電網(wǎng)削峰填谷,應(yīng)先對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行集群分類。由于電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)較多,本文選取在處理高維復(fù)雜數(shù)據(jù)方面快速性和準(zhǔn)確性較好且便于操作的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電動(dòng)汽車集群分類。
卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其主要包括卷積層和池化層,結(jié)構(gòu)如圖5所示。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不需要任何精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式,只要用已知的模式對(duì)卷積網(wǎng)絡(luò)加以訓(xùn)練,網(wǎng)絡(luò)就具有輸入輸出之間的映射關(guān)系,可以在降低數(shù)據(jù)維度的基礎(chǔ)上獲取數(shù)據(jù)深層的特征信息。
圖5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Convolutional neural network structure diagram
應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將電動(dòng)汽車進(jìn)行集群分類,具體流程如下:
(1)生成電動(dòng)汽車隨機(jī)數(shù)用以模擬電動(dòng)汽車。隨機(jī)數(shù)涉及車主參與意愿度(0~100%)、距離(0~20 km)、車況良好度(0~100%)、汽車荷電狀態(tài)SOC(0~100%)、汽車編號(hào)(1~50)、百公里耗電量(6~16 kW·h)、實(shí)時(shí)續(xù)航里程(100~900 km)以及額定電池容量(10~100 kW·h)。
(2) 根據(jù)規(guī)則人為地將電動(dòng)汽車分為4類,分別為充電(charge)、放電(discharge)、參與調(diào)峰(high)以及不參與調(diào)峰(low)。電動(dòng)汽車集群規(guī)則如圖6所示。
圖6 電動(dòng)汽車集群規(guī)則Fig. 6 Electric vehicle cluster rules
具體規(guī)則包括車主參與意愿較低、電動(dòng)汽車距離電站較遠(yuǎn)或電動(dòng)汽車自身車況較差(屬于不參與調(diào)峰的low類);剩余電動(dòng)汽車根據(jù)荷電狀態(tài)(SOC)大致分成充電和放電兩類,分別按參與調(diào)峰可能性由高到低進(jìn)行排序,根據(jù)該時(shí)段電網(wǎng)負(fù)荷與平均負(fù)荷差值大小,取其中排名較高的電動(dòng)汽車分屬于充電charge類和放電discharge類,排名較低的電動(dòng)汽車屬于備選high類。
(3)隨機(jī)選取1 000組運(yùn)行數(shù)據(jù),其中70%作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),30%作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。GoogLenet作為基本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),學(xué)習(xí)率被設(shè)置為1×10-4。訓(xùn)練結(jié)果如圖7所示。
圖7 深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練結(jié)果Fig. 7 DLA training results
由訓(xùn)練結(jié)果可知,訓(xùn)練完成后的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均準(zhǔn)確率達(dá)到99.17%,用該卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)4種集群進(jìn)行重新驗(yàn)證,各集群判定結(jié)果如表2所示。
表2 4類電動(dòng)汽車集群分類結(jié)果準(zhǔn)確率Tab. 2 Four types electric vehicles cluster accuracy
由表2可以看出,4類電動(dòng)汽車集群分類結(jié)果準(zhǔn)確率均高于90%,具有較高可信度。這表明隨著迭代次數(shù)的提高,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效地根據(jù)規(guī)則對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行集群。對(duì)每一時(shí)段電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,以確定各時(shí)段參與調(diào)峰的電動(dòng)汽車的數(shù)量及狀態(tài)信息,進(jìn)而對(duì)可用充放電容量進(jìn)行優(yōu)化。
對(duì)電動(dòng)汽車個(gè)體而言,其分布散且容量小,很難對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響;只有以集群形式有序充放電,才能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行有效削峰填谷。本文提出一種以電網(wǎng)側(cè)削峰填谷和用戶側(cè)經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的電動(dòng)汽車有序充放電控制策略,并采用改進(jìn)型粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行仿真求解,以驗(yàn)證該集群優(yōu)化調(diào)度控制策略的有效性。
3.1.1 目標(biāo)函數(shù)
針對(duì)電動(dòng)汽車集群削峰填谷問題,選擇未來一天每小時(shí)電動(dòng)汽車集群與電網(wǎng)之間充電和放電的交互功率為優(yōu)化變量,即{PC1,PC2, …,PCt,PF1,PF2, …,PFt},其中t=1, 2, …, 24表示24個(gè)時(shí)間段。
從電網(wǎng)角度考慮,電動(dòng)汽車集群調(diào)度目標(biāo)是通過調(diào)控充放電量來減少負(fù)荷波動(dòng),使電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。以電網(wǎng)負(fù)荷曲線的均方差最小為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)F1:
式中:PLt——沒有電動(dòng)汽車時(shí)t時(shí)段電網(wǎng)的負(fù)荷;Pav——沒有電動(dòng)汽車時(shí)電網(wǎng)的平均負(fù)荷;PCt——電動(dòng)汽車集群在t時(shí)段的充電功率;PFt——電動(dòng)汽車集群在t時(shí)段的放電功率。
從用戶角度考慮,根據(jù)分時(shí)電價(jià)用戶可以通過分時(shí)充電或放電獲取更好的經(jīng)濟(jì)收益。以用戶參與削峰填谷充放電費(fèi)用最少為目標(biāo)函數(shù),根據(jù)上述優(yōu)化變量,構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)F2:
式中:Ct——電動(dòng)汽車在t時(shí)段充電電價(jià);Ft——電動(dòng)汽車在t時(shí)段放電電價(jià)。
3.1.2 約束條件
在建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上,還需考慮各種約束條件。電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰受到的約束條件主要為車輛充放電功率、可用荷電狀態(tài)以及可用容量約束等。
(1)車輛充放電功率約束
電動(dòng)汽車充放電時(shí),充電電流最大值為額定電流的一半,放電電流最大值為額定電流2倍。
式中:IC——電動(dòng)汽車的充電電流;IF——電動(dòng)汽車的放電電流;IN——額定電流,其取決于電池型號(hào)。
考慮線路功率容量約束:
式中:PCmax——電動(dòng)汽車的充電功率上限;PFmax——電動(dòng)汽車的放電功率上限;V——電動(dòng)汽車電壓。
(2)可用荷電狀態(tài)值約束
電池過度充放電會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車本身造成危害,一般需規(guī)定可用荷電狀態(tài)值范圍:
式中:SOCmin——電動(dòng)汽車電池最低荷電狀態(tài);SOCmax——電動(dòng)汽車電池最高荷電狀態(tài)。
(3)可用容量約束
根據(jù)電動(dòng)汽車額定容量不同,結(jié)合荷電狀態(tài)上下限,得到電動(dòng)汽車可用容量約束:
式中:QN——電動(dòng)汽車額定容量;ΔQmin——電動(dòng)汽車可用容量下限;ΔQmax——電動(dòng)汽車可用容量上限。
3.2.1 粒子權(quán)重的設(shè)定和改進(jìn)
標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的速度更新方程為
式中:ω——慣性權(quán)重;c1,c2——粒子的學(xué)習(xí)常數(shù);pi——個(gè)體極值;pg——全局極值;k——迭代次數(shù);r1,r2——變量,在[0, 1]間均勻取值。
式(10)中,第一部分(ωvi,k)體現(xiàn)局部尋優(yōu)能力,第二部分(c1r1(pi,k-xi,k))和第三部分(c2r2(pg,k-xi,k))體現(xiàn)整體狀態(tài)下尋優(yōu)能力,粒子權(quán)重的改變會(huì)影響全局搜索能力。相比之下,第一部分權(quán)重為固定值,此算法在不斷迭代時(shí)因?yàn)闄?quán)重不變可能會(huì)對(duì)局部搜索能力產(chǎn)生一定影響,從而影響優(yōu)化結(jié)果。為了更好地解決這個(gè)問題,可以將第一部分慣性權(quán)重從固定值變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)ω,按式(11)進(jìn)行取值。
式中:Tmax——設(shè)定的最大迭代次數(shù);ωmax——最大慣性權(quán)重;ωmin——最小慣性權(quán)重。
3.2.2 對(duì)約束條件進(jìn)行處理
為了滿足上述不等式條件約束,判斷電動(dòng)汽車充放電功率是否處于約束條件范圍之內(nèi),如果超出約束條件的邊界,需要根據(jù)式(12)和式(13)進(jìn)行修正,使其滿足設(shè)定的邊界條件:
式中:Δt——單位時(shí)間。
采用罰函數(shù)的處理方法,將罰函數(shù)放入目標(biāo)函數(shù)里,變換后的目標(biāo)函數(shù)F′為
式中:F——原目標(biāo)函數(shù);K——懲罰系數(shù);U——新增的罰函數(shù);PLt——沒有電動(dòng)汽車時(shí)t時(shí)段電網(wǎng)的負(fù)荷。
以濰坊青州王母宮地區(qū)為例進(jìn)行算例分析,首先預(yù)測(cè)未來一天24 h電力負(fù)荷(表3),通過電動(dòng)汽車集群方式進(jìn)行削峰填谷平抑負(fù)荷波動(dòng),并在不同用戶參與度下進(jìn)行仿真分析。
表3 電力負(fù)荷預(yù)測(cè)值Tab. 3 Power load forecasting values
將電動(dòng)汽車集群,采用基于改進(jìn)型粒子群算法對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷,并運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行仿真。其中優(yōu)化算法中參數(shù)設(shè)置如表4所示。
表4 粒子群算法參數(shù)設(shè)置Tab. 4 Parameters of particle swarm optimization algorithm
在用戶參與度分別為20%、50%以及80%情況下,采用粒子群算法優(yōu)化前后負(fù)荷曲線以及最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度曲線分別如圖8和圖9所示。可以看出,用戶參與度越高,調(diào)峰效果越明顯。因此,希望盡可能調(diào)動(dòng)用戶積極性,使之參與到削峰填谷這項(xiàng)服務(wù)中,這樣不僅在更大程度上可緩解電網(wǎng)壓力,而且用戶通過充放電亦可獲得差價(jià)收益。
圖8 削峰填谷優(yōu)化前后負(fù)荷曲線Fig. 8 Load curves before and after optimization of peak showing and valley filling
圖9 最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度曲線Fig. 9 Optimal individual fitness curves
本文首先針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行電力負(fù)荷預(yù)測(cè),相比指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法,多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來電力負(fù)荷,為后續(xù)集群削峰填谷打下基礎(chǔ);其次,通過隨機(jī)生成電動(dòng)汽車參數(shù)并根據(jù)人為規(guī)則對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行集群分類,再運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,能有效將電動(dòng)汽車集群;最后建立了電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)削峰填谷模型,考慮到不同用戶參與度,采用改進(jìn)型粒子群優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行求解,仿真結(jié)果表明,電動(dòng)汽車用戶參與度越高,對(duì)緩解電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)越有利。
本文所提調(diào)度策略將所有參與削峰填谷的電動(dòng)汽車可用容量均用來降低峰谷差,但并未考慮實(shí)際充放電時(shí)間、電池?fù)p耗等因素。除此之外,如何將參與調(diào)峰的容量合理分配到各電動(dòng)汽車將作為下一步研究的內(nèi)容。