【Applied Energy 最新原创论文】基于时空图注意力网络充电负荷需求预测的电力-交通网络隐私保护协同

学术   2024-10-22 18:31   美国  

原文信息:

Privacy-preserving coordination of power and transportation networks using spatiotemporal GAT for predicting EV charging demands

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924017744

Highlights

•提出了一种预测电动汽车时空充电需求的时空图注意力模型。

引入了增强排队论模型刻画充电排队行为。

所提出的时空图注意力模型与增强排队论模型相结合,提高了电动汽车充电需求预测的准确性。

所提模型在有限的信息交换下支撑了充分的电力-交通协同。

摘要

      近年来,随着电动汽车逐渐取代传统燃油车,对配电网和城市交通网的协同优化提出了更高的要求。然而,由于需要在两个独立运营的网络之间存在信息隐私屏障,配电网和交通网的集中式协同优化模型目前尚不现实。本研究提出了一种预测-优化框架,该框架结合了时空图注意力网络和增强排队理论,实现了时空充电需求的精准预测,为配电网和交通网的时空协同运行提供了支撑,同时保护了两个独立运营网络的信息隐私。具体而言,所提时空图注意力网络模型利用交通网历史交通数据中的动态时空依赖性来预测车流量;然后,采用考虑充电站服务容量限制和电动汽车用户行为的增强排队论模型,将预测的流量转换为时空电动汽车充电需求,建立了基于时空充电负荷预测结果的多时段配电网调度模型。基于IEEE 33节点配电网和现实世界交通流数据集的数值计算结果表明:与理想的电力-交通充分协同模型对比,所提方法提供的决策结果仅相差0.5%。

Abstract

The gradual replacement of conventional-fuel vehicles by electric vehicles (EVs) in recent years provides a growing incentive for the collaborative optimization of power distribution networks (PDNs) and urban transportation networks (UTNs). However, the implementation of a centralized optimization model for PDNs and UTNs is currently unrealistic due to the requirement for establishing information privacy barriers between the two independently operated networks. The present work proposes a predict-then-optimize (PTO) framework that combines Spatiotemporal Graph Attention Network (STGAT) with enhanced queueing theory to achieve accurate prediction of EV charging demands. Building upon this, it efficiently coordinates optimization between the PDN and UTN, while preserving the information privacy of both independently operated networks. Specifically, the proposed STGAT model predicts vehicle flow by simultaneously exploiting the dynamic temporal and spatial dependencies in the historical traffic data of the target UTN. It then converts the predicted flow into spatiotemporal EV charging demands using an enhanced queuing model that considers the service capacity constraints of charging stations (CSs) and the behavior of EV users. Subsequently, the predicted EV charging demands are integrated into a multi-period PDN scheduling model. The results of numerical computations based on an IEEE 33-bus PDN and real-world traffic flow datasets demonstrate that the scheduling results provided by the proposed approach differ by only 0.5% compared to results obtained when applying actual EV charging demands.

Keywords

Power-transportation coordination;

Graph attention network;

Prediction of EV charging demands;

Queuing theory;

Graphics

Fig. 1. Process flow of the proposed PTO framework.

Fig. 3. Conventional M/M/C/N queuing model for a CS.

Fig. 9. The average relative errors in predictions made for each time segment from 12:00 to 24:00 by different models: (a) STGAT; (b) LSTM.

Fig. 12. Comparisons of predicted EV charging loads at the four CSs across different time periods using different queuing models: (a) conventional queuing model; (b) enhanced queuing model.

团队简介

       本研究由河海大学、澳门大学以及美国加州大学戴维斯分校的研究人员共同完成。

第一作者简介:

       陈胜,河海大学电力工程系教授,入选中国科协青年人才托举工程,入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。从事综合能源系统、电力交通融合等研究,担任中国电工技术学会青年工作委员会委员。目前主持国家自然科学基金2项。在本学科主流期刊上发表学术论文90余篇(含一作IEEE汇刊14篇,4篇论文入选中信所F5000领跑者),Scopus累计被引3600余次,H指数35。担任中科院一区期刊《Journal of Modern Power Systems and Clean Energy》编委,担任《电力自动化设备》、《浙江电力》等期刊青年编委。曾获电力建设科学技术进步一等奖(排2)、江苏省优秀博士学位论文等荣誉。

关于Applied Energy

本期小编:武龙星;审核人:李自豪

《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊,在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下,1975年创刊,影响因子10.1,CiteScore 21.2,本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源(Open Access)姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0,CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上,致力于发表应用能源领域顶尖科研成果,并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台,欢迎关注!

公众号团队小编招募长期开放,欢迎发送自我简介(含教育背景、研究方向等内容)至wechat@applied-energy.org

点击“阅读原文”

喜欢我们的内容?

点个“赞”或者“再看”支持下吧!

AEii国际应用能源
发布应用能源领域资讯,介绍国际应用能源创新研究院工作,推广应用能源优秀项目,增进应用能源领域合作
 最新文章