耦合交通-电力网络中智能移动电源的协同调度、路径规划与能量管理

《Journal of Energy Storage》：Coordinated scheduling, routing, and energy management of Smart Mobile Power Banks in coupled transport-power networks

　　摘要：本文针对交通网络与电力网络交叉领域中移动能源存储系统集成优化方面的不足，构建了一种统一的混合整数线性规划框架，用于智能移动电源的协同调度、路径规划及能源管理。这类移动装置兼具电池储能、光伏发电和氢气生产功能，能够为电动汽车充电、提供车对网服务、实现点对点能源交易以及协助可再生能源并网。所提出的模型充分考虑了移动性、能源存储运行、电网交互、氢气转换以及服务质量等方面的时空动态特性，在考虑电池衰减、碳成本、运输费用和服务缺失惩罚等因素的前提下，最大化系统整体收益。本研究的主要目标是为移动性管理与多向量能源管理建立联合优化框架，纳入全面的技术经济因素，使点对点交易成为自然产生的结果，并验证该框架的实际应用价值。在包含6台移动装置的33节点交通-配电测试网络上的仿真结果显示，通过为1179次电动汽车充电服务，每天可实现8663美元的净利润。其中，氢气生产和车对网服务是主要的收入来源，占总收入的80%以上；敏感性分析表明氢气价格是影响盈利能力的最关键因素。对比分析显示，相较于固定式运营，该协同框架的净利润高出102%；相较于非协同式移动运营，净利润高出25.7%，同时还能分别减少60%和35.8%的需求未得到满足的情况。可扩展性实验表明，该框架适用于最多300个节点和30台移动装置的网络，在合理的计算时间内可得到接近最优的解决方案。其实际意义在于为车队运营商提供投资优先级建议，为政策制定者提供移动储能监管的依据，同时也为系统规划者提供决策支持工具。研究结果表明，对移动能源资产进行协同优化，能够显著提升未来城市能源与交通系统的灵活性、韧性及经济效益。

术语说明：
N：交通网络节点集合（包括基站/运营中心节点0）
K：智能移动电源集合
T=0,1,…,te：离散时间步长集合
E：表示交通路线的有向边集合ij
A=1,2,3：电动汽车服务类型/充电等级集合
参数说明：
dij：节点i与节点j之间的距离（千米）
ρij：节点i与节点j之间的交通密度系数（无量纲）
vavg：平均行驶速度（千米/小时）
Δt：仿真时间步长
hTij：节点i与节点j之间的行驶时间（整数）
Pes_max：智能移动电源的最大容量

所提出的模型：建模部分构建了一个用于智能移动电源协同运行的综合混合整数线性规划模型。整体管理框架如图2所示，它将多种数据输入和需求方要求整合到一个统一的优化结构中。左侧为各类基础模型，如时空网络模型、交通流密度模型以及实时电价模型，这些作为输入数据被中央优化模块处理，用于确定最佳路径。

仿真结果：仿真研究在了一个结合了真实城市交通布局与低压配电系统的交通-电力耦合测试网络上进行。在该环境中，智能移动电源不仅能在交通网络中移动，还能通过充电、放电、车对网服务、光伏发电和氢气生产等方式与电力系统直接互动。系统中33个交通节点分别与...

讨论：实际挑战与实施路径：所提出的混合整数线性规划框架证明了在交通-电力耦合网络中协同管理智能移动电源的理论可行性和经济潜力。然而，要将这一优化模型转化为实际应用，还需克服诸多复杂的技术、物理和监管方面的挑战。本节阐述了当前研究的局限性，并指出了实际应用过程中可能面临的关键障碍。

结论与未来工作：本文提出了一种新的统一混合整数线性规划框架，用于在交通与电力耦合网络中智能移动电源的协同调度、路径规划及能源管理。与传统固定式储能系统或非协同式移动充电方式不同，该模型能够同时优化智能移动电源的空间移动性及其多种能源交互方式，包括电动汽车充电、车对网服务等。

作者贡献声明：
Esmaeil Nezhadheydari：撰写——初稿、软件应用、方法设计、研究实施、形式化分析、概念构建、可视化处理。
Hamed Zeinoddini-Meymand：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法设计、形式化分析、概念构建、研究实施、资源协调、模型验证。
Hesam Rahbarimagham：撰写——审稿与编辑、可视化处理、模型验证、研究实施、形式化分析、数据整理、资源协调。

资金支持：作者声明本文没有获得任何资金支持。

利益冲突声明：作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

Esmail Nezhadheydari | Hamed Zeinoddini-Meymand | Hesam Rahbarimagham
伊朗克尔曼省高级技术研究生院电气与计算机工程系