基于銀行家算法的電動汽車充電擁塞控制機制

張津瑋, 李　婧

(上海電力學院 計算機科學與技術學院, 上?！?00090)

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基于銀行家算法的電動汽車充電擁塞控制機制

張津瑋, 李婧

(上海電力學院 計算機科學與技術學院, 上海200090)

摘要:基于計算機網(wǎng)絡中的“閉環(huán)反饋擁塞控制”和“銀行家算法”,設計了電動汽車充電擁塞控制機制.在充電過程中,若出現(xiàn)擁塞,則反饋信息給控制器.系統(tǒng)根據(jù)當前狀態(tài)和銀行家算法,在充電樁可能的功率組合中尋找能使變壓器負載不超過額定值,且總體所需充滿電池時間最短的解,對各個充電樁重新進行功率分配,并反饋新的狀態(tài)信息到控制器,形成閉環(huán)反饋控制.最后,通過一組隨機的充電樁狀態(tài)進行擁塞發(fā)生后的實驗,并在系統(tǒng)保護裝置未反應的時間內(nèi)找到高效充電功率組合,驗證了該機制的可行性.

關鍵詞：電動汽車; 銀行家算法; 擁塞控制機制; 充電時間

能源和環(huán)境問題是當今世界所面臨的兩大難題,電動汽車這種清潔環(huán)保的交通工具越來越受到人們的關注.但與傳統(tǒng)燃油汽車相比,電動汽車充電時間長、效率低,阻礙了電動汽車的推廣.

目前電動汽車的充電方式有電池更換、慢速充電和快速充電.其中,電池更換成本高,慢速充電耗時長,快速充電效率高、時間短.然而電動汽車快速充電時功耗極大,對電網(wǎng)帶來巨大沖擊.以比亞迪E6純電動汽車為例,快速充電時功率可高達192 kW,15 min充滿80%[1],是普通空調功率的近百倍,很容易造成變壓器或線路的擁塞.所以,目前充電樁的建設只能以“慢充為主、快充為輔”,大大降低了電動汽車的使用效率,限制了電動汽車的進一步發(fā)展.

1問題分析

為了在保證配電網(wǎng)安全運行的同時,又能提高電動汽車的充電速率,需要設計電動汽車充電擁塞控制的相關機制,使配電網(wǎng)能分配盡量多的電能給充電樁使用,并且使變壓器的負載維持在額定范圍內(nèi).

由于一臺變壓器一般會同時對數(shù)個充電樁進行供電,而配電系統(tǒng)的各部分都不能超過額定值工作，所以控制系統(tǒng)只需控制充電樁到與其相連接的變壓器之間不出現(xiàn)擁塞,就可實現(xiàn)對電動汽車充電擁塞的控制.

這樣系統(tǒng)的設計就需要解決2個問題:如何對充電樁總的功率在整體宏觀上的有效調控;如何在細節(jié)上合理地分配變壓器剩余的可用電能資源到各個充電樁.所以,在控制機制上分為“閉環(huán)反饋擁塞控制”和“基于銀行家算法的充電速率分配”兩部分,對應從整體到細分的調控.

首先,為后續(xù)系統(tǒng)設計的便利,需假設3個必要的條件:

(1) 從變壓器到充電樁之間的線路是專門配制的,可滿足快速充電大電流的需求;

(2) 各個充電樁以及變壓器也裝配了可實時監(jiān)控和快速反映的測量設備;

(3) 控制系統(tǒng)可調控各個充電樁的充電速率.

然后,關于控制和測量對象的選擇,分析文獻《大功率電動汽車充電機的設計》中充電機的設計,將功率作為系統(tǒng)的主要測量和控制對象較為合適.設連接變壓器的充電樁數(shù)量為x,當前各個充電樁的充電功率為pk1(k=1,2,3，…,x),記總的功率為yn:

(1)

因為一般變壓器的設計制造中會留有1/5左右的功率余量,所以設定擁塞的閾值為變壓器的額定功率是比較安全的.即充電樁總的功率加其他居民正常用電功率的總量,不得超過變壓器的額定功率,否則判定為擁塞.

設變壓器額定功率為R,其他居民正常用電功率為C,變壓器剩余可用功率余量為rn.測量變壓器每條供電線路的數(shù)據(jù)就可得到除充電樁外的當前其他居民正常用電功率C,且：

(2)

2基于銀行家算法的控制策略

要將變壓器有限的可用電能分配給各個充電樁,這類似于銀行貸款發(fā)放的問題.銀行希望將有限的資金發(fā)給盡量多的客戶,追求放貸利潤的最大化;而電動汽車充電擁塞控制系統(tǒng)希望將有限的電能資源盡量多地分配給用戶,追求最短的充電時間.

“銀行家算法”允許計算進程中動態(tài)地申請資源,然后試探性地計算該申請資源是否安全,若不會導致系統(tǒng)進入不安全狀態(tài),則分配;否則等待[2].圖1為基于“銀行家算法”設計的電動汽車用戶進行充電前的控制策略.用戶在充電之前必須經(jīng)過“用戶充電請求系統(tǒng)”的處理,先根據(jù)自己的需要,向系統(tǒng)請求相應速率的充電服務pq1.系統(tǒng)將查詢變壓器當前的可用功率余量rn,當rn能滿足此次請求,則允許;當不能滿足時,計算rn減去當前其他充電樁功率后所得的值pq2,然后依據(jù)pq2選擇系統(tǒng)可接受的充電速率,并詢問用戶是否接受,不接受則退出.當電動汽車正式開始充電后,將隨之記錄充電狀況的變化,并計算充滿電池所需總的時長、剩余充滿電池時間和實時的費用.這避免了電動汽車大功率快速充電突然接入時,對配電網(wǎng)造成的沖擊.

此外,為保證供電系統(tǒng)的安全運行,對系統(tǒng)做出以下規(guī)定:

(1) 當一個用戶對電能的最大需求量不超過變壓器當前的可用余量時,可接納該用戶充電;

(2) 電動汽車可以分期充電,但充電速率不能超過其最大需求量;

(3) 當變壓器的可用電能余量不能滿足用戶當前的充電速率時,對用戶的電動汽車可推遲充電或降低速率充電,但總能使用戶在有限的時間里充滿電;

(4) 當用戶得到最大需求量的全部電能后,要在規(guī)定的時間完成充電.

3閉環(huán)反饋擁塞控制

從某種角度看,配電網(wǎng)也是一種網(wǎng)絡,跟計算機網(wǎng)絡在整體宏觀上有相似性[3].為解決系統(tǒng)整體功率的有效調控,設計系統(tǒng)基于計算機網(wǎng)絡技術中的“閉環(huán)反饋擁塞控制”,以充電樁為“端”,為充電樁供電的變壓器為“中心”,變壓器承載的其他居民正常用電為“影響”[4],建立“閉環(huán)反饋電動汽車充電擁塞控制機制”,從而達到控制充電擁塞的目的.

計算機閉環(huán)反饋擁塞控制中有3個關鍵機制,即檢索機制,反饋機制和調整機制[5].在電動汽車充電擁塞控制系統(tǒng)中也建立類似的3種關鍵機制.

(1) 檢索機制對變壓器和充電樁進行實時監(jiān)測,若變壓器負載功率大于或等于額定值,則判定發(fā)生擁塞.

(2) 反饋機制當擁塞時,由變壓器的測量裝置向控制器反饋擁塞警告及當前變壓器和充電樁的狀態(tài)信息,通告系統(tǒng)已發(fā)生擁塞.并且控制器將計算變壓器額定功率減去其他居民正常用電功率后剩余的可用功率余量.

(3) 調整機制當系統(tǒng)接收到擁塞信號后,根據(jù)當前變壓器剩余的可用功率余量和電動汽車的充電狀態(tài),對各個充電樁的充電速率(即功率大小)進行調整,使所有充電樁總的功率小于變壓器可用功率余量,且使所有充電樁所需總的充滿電池的時間最短.

閉環(huán)擁塞反饋控制系統(tǒng)如圖2所示.rn作為輸入目標量,與當前yn做比較,若

(3)

則表示擁塞發(fā)生,系統(tǒng)調整各個充電樁的功率,使總的功率下降到y(tǒng)n+1,且

(4)

該系統(tǒng)實時接收來自變壓器和充電樁所反饋的信息,并比較變壓器可用功率余量與充電樁總的功率大小.當C增大,使rn減少到會導致?lián)砣乃綍r,先暫時斷開對充電樁的供電,并計算出能使電動汽車總體所需充滿電池時間最短,且總的功率小于rn的高效充電速率組合;最后,依據(jù)該組合對各個充電樁進行新的功率分配,重啟充電.

而以上控制的關鍵在于如何計算滿足條件的高效充電速率組合,這是除從整體上閉環(huán)反饋控制擁塞外,需從細節(jié)電能分配上進一步解決的問題.要解決這一問題,需知曉電動汽車在大小不同的充電功率條件下與相應充滿電池所需時間之間的函數(shù)關系,以此為基礎按照銀行家算法的思路,試探性計算各個充電組合中是否有滿足條件的最佳解(即高效充電速率組合).

4高效充電速率組合的計算

4.1充電時間函數(shù)

為得到充電功率與充滿時間之間的函數(shù)關系,需先測試電動汽車在大小不同的充電功率條件下對應的充滿電池時間,并記錄相關數(shù)據(jù).表1是以比亞迪E6為參考電動汽車,得到的部分充電信息(具體測試環(huán)境和參數(shù)不詳).由表1可以看出，隨著充電功率的增大,充滿時間也隨之非線性地減少.

注:數(shù)據(jù)來自太平洋汽車網(wǎng).

4.2充電樁當前狀態(tài)

為更清晰地驗證高效充電速率組合的計算選擇過程,假設一臺400 kW配電變壓器供100戶使用,并建有可調速充電樁4個,記為x1,x2,x3,x4,各自對應的當前充電功率為pk1(k=1,2,3,4),剩余充滿電池所需的時間為tk1(k=1,2,3,4).利用Matlab產(chǎn)生4個充電樁的當前隨機狀態(tài),如圖4所示.

若此時,變壓器的可用功率余量rn下降到113 kW,且小于4個充電樁總的充電功率,導致?lián)砣l(fā)生;則需調整總的充電功率到小于rn的水平,記4個充電樁調控后的功率為pk2(k=1,2,3,4),得到約束條件為:

(6)

設各個充電樁調控后的剩余充滿電池的時間為tk2(k=1,2,3,4),所有充電樁剩余充滿電池的時間總和為ta,ta的最小值為tmin.在pk2的充電功率下,雖然充電功率大小和充滿電池剩余所需時間都發(fā)生了變化,但電池還需繼續(xù)充入的電能一樣,則：

(7)

得到方程:

(8)

(9)

4.3按步長選取充電速率檔位

目前,國內(nèi)設計的充電樁有交流充電樁和直流充電樁兩種,充電功率最大的為120 kW.如北京凱源新能科技有限公司生產(chǎn)的交流充電樁額定電壓為220 V/380 V,額定電流為16 A/32 A,直流充電樁輸出功率為20 kW/40 kW/60 kW/90 kW/120 kW.

4.4不同步長取檔下的計算耗時

在配電網(wǎng)中，繼電保護系統(tǒng)一般快速保護的動作時間為0.04～0.08s,最快的可達0.01～0.04s.因此,系統(tǒng)應在0.01s的時間內(nèi)完成計算.而選取充電速率的檔位數(shù)量如果過多,會大大增加解空間和計算的耗時,選擇合理的取檔步長,是提高計算效率的關鍵.

對充電速率的檔位進行不同步長的取值,建立對應的N×N×N×N四維解空間,根據(jù)圖4中信息在p12+p22+p32+p42<113kW的約束條件下,通過式(8)計算相應的tmin,并記錄完成整個計算所耗的時長,得到相關結果如表2所示.由表2可知，不同步長下,電動汽車總的剩余充滿電池時間ta都維持在5.1h左右,而步長大于8kW時,計算耗時小于0.01s,滿足在繼電保護系統(tǒng)未動作前完成計算的要求.

注:所用臺式電能硬件參數(shù):處理器為Intel Xeon,E3-1230 v3;RAM為8 GB,1 600 MHZ;操作系統(tǒng)為Windows 7 64位.

為了更符合實際中充電樁充電速率檔位的設計和更快地完成計算,將充電功率按照常用充電樁的規(guī)格分為9個檔位:0 kW,4 kW,7 kW,10 kW,20 kW,40 kW,60 kW,90 kW,120 kW.按照9個檔位計算得到高效充電速率組合為:p12=20 kW,p22=20 kW,p32=20 kW,p42=40 kW,tmin約為5.558 h,整個計算過程耗時小于0.002 s,符合需要滿足的要求.

5結語

電動汽車充電擁塞控制的方法只針對變壓器到充電樁之間的擁塞控制,著重于可用電能資源的合理分配,不需要改造或調控配電網(wǎng)其他環(huán)節(jié).具體步驟分為以下6步:控制器實時接收來自變壓器和充電樁的狀態(tài)信息,比較充電樁總的功率是否小于變壓器的剩余可用功率余量,以此判斷是否發(fā)生擁塞;用戶給電動汽車充電前,需經(jīng)過“用戶充電請求系統(tǒng)”的處理;充電過程中,居民正常用電量增大致使擁塞發(fā)生時,先暫停充電;利用充電功率大小與充滿電池所需時間的函數(shù)關系,將所有可能的充電速率組合帶入式(8)進行計算,找出能使電動汽車總的充滿時間最短的高效充電速率組合;將各個充電樁的充電速率按照高效充電速率組合重新分配;反饋調控后的變壓器和充電樁狀態(tài)信息到控制器.

參考文獻：

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[5]張莉.網(wǎng)絡擁塞控制技術的研究[D].天津:天津工業(yè)大學,2007.

(編輯白林雪)

Electric Vehicle Charging Congestion Control Mechanism Based on Banker’s AlgorithmZHANG Jinwei, LI Jing

(School of Computer Science and Technology, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:This electric vehicle charging congestion control mechanism learn results from ideas of “closed-loop feedback congestion control” and “banker’s algorithm” used in computer network.In the charging process,if there is congestion,the system will send feedback to the controller.According to the system state and the principles of “banker’s algorithm”,the combination of charge pile is found,which makes the transformer load within its rating and overall time of full charge the shortest.Then,the power of each charging pile is resigned by the combination,and new status information is sent to the controller from a closed-loop feedback control.Finally,the experiments are carried out when a group of random states of charging piles are congested.Moreover,the algorithm quickly finds out the best combination of charging power before protection devices verify the feasibility of the mechanism.

Key words:electric vehicle; banker’s algorithm; congestion control mechanism; charging time

中圖分類號：U469.72

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0088-05

通訊作者簡介：張津瑋(1990-),男,在讀碩士,貴州貴陽人.主要研究方向為電動汽車充電擁塞控制.E-mail:605302227@qq.com.

收稿日期：2015-05-28

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.019