電動汽車充電站智能化調(diào)度研究

趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072)

電動汽車充電站智能化調(diào)度研究

趙高飛，孫云蓮，張笑迪，段 慶

(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430072)

通過電動汽車充電站智能化調(diào)度控制，服務(wù)器將充電站信息發(fā)送給已請求充電的電動汽車用戶，用戶根據(jù)其提供的信息，選擇最近且有空余充電位的充電站進(jìn)行充電。該智能化調(diào)度可以幫助電動汽車用戶快速就近找到充電站，有效減少充電等待時間。

電動汽車；充電站；智能化調(diào)度

電動汽車的發(fā)展改變了以往的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，從使用一次能源變?yōu)槭褂枚文茉?，這種結(jié)構(gòu)的改變使得電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加分散，電動汽車和配電網(wǎng)之間的連接關(guān)系通過在電動汽車活動范圍內(nèi)建立充電站來完成。因此，研究充電站建設(shè)和布局成為推廣電動汽車應(yīng)用的重點[1]。

充電站建設(shè)對供電部門和電力運營商來說，首要考慮的是配電網(wǎng)的可靠運行，其次是協(xié)調(diào)好供電部門和電力運營商之間的關(guān)系。不考慮電動汽車家用充電樁，電動汽車公共充電站需要為用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，許多文獻(xiàn)研究了電動汽車公共充電站的優(yōu)化布局，并進(jìn)一步研究了智能電網(wǎng)條件下公共充電站在電動汽車和電網(wǎng)之間電能的相互轉(zhuǎn)化。本文研究了電動汽車在市區(qū)或高速公路需要進(jìn)行充電時，如何快速便捷地找到充電站及時進(jìn)行充電，提高用戶工作的時效性。主要方法是針對電動汽車充電的各種情況，通過服務(wù)器信息系統(tǒng)自動完成充電站信息收集并發(fā)送給用戶，完成充電站的智能化調(diào)度，此方法可有效降低用戶充電等待時間，同時也可分散電網(wǎng)負(fù)荷，使電動汽車充電對電網(wǎng)的影響降到最小。

1 電動汽車充電站基本框架

電動汽車充電站是由一個或幾個充電接口組成，與配電網(wǎng)相連接，完成電動汽車充電的基礎(chǔ)設(shè)施。與電網(wǎng)連接部分可以是變壓器、發(fā)電機(jī)或其他電能儲存設(shè)備，能夠為電動汽車提供可靠的充電服務(wù)，電動汽車充電站的選址、投資、經(jīng)營管理和維護(hù)由運營商完成，電網(wǎng)提供電力供應(yīng)[2]。

電動汽車充電站可以通過配電網(wǎng)獲取電能，在高速公路和偏遠(yuǎn)地區(qū)也可通過風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電獲取電能，運營商通過互聯(lián)網(wǎng)對充電站進(jìn)行經(jīng)營和管理，充電站的所有信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至服務(wù)器信息系統(tǒng)，由服務(wù)器自動對充電站進(jìn)行調(diào)度，并將信息發(fā)送至請求充電的電動汽車用戶。圖1為電動汽車充電站基本框架，圖2為電動汽車、充電站、服務(wù)器主從關(guān)系。

圖1 電動汽車充電站基本框架

圖2 電動汽車、充電站、服務(wù)器主從關(guān)系

2 電動汽車充電站智能化調(diào)度

2.1 電動汽車發(fā)送請求

電動汽車在行駛途中，隨著電量消耗，需要實時掌握充電站的相關(guān)信息，用戶可以通過內(nèi)置于移動設(shè)備的程序連接到互聯(lián)網(wǎng)或者GPS服務(wù)器，從而獲取可用充電站的相關(guān)信息，充電站服務(wù)器接到用戶的充電請求后，進(jìn)行判斷和分析，將信息保存在數(shù)據(jù)庫中，流程如圖3所示，主要包括：充電站服務(wù)器讀取電動汽車充電請求；充電站服務(wù)器獲取電動汽車坐標(biāo)和充電站位置布局；充電站服務(wù)器讀取電動汽車電池容量、剩余電量、剩余行駛距離和路況信息，同時讀取數(shù)據(jù)庫中充電站位置信息和工作負(fù)荷信息；充電站服務(wù)器計算各充電站到電動汽車最短距離，并將其排序；充電站服務(wù)器查詢最近充電站是否滿載；若最近充電站已滿載，服務(wù)器尋找下一個最近充電站，此過程循環(huán)往復(fù)直到服務(wù)器找到未滿載的充電站；服務(wù)器找到未滿載的充電站，將信息保存。

圖3 電動汽車發(fā)送充電請求流程

2.2 電動汽車接收充電站服務(wù)器信息

圖4 電動汽車接收服務(wù)器信息流程

充電站服務(wù)器接到電動汽車充電請求信息后，經(jīng)過計算將距離電動汽車最近的充電站信息和電網(wǎng)實時電價信息發(fā)送至電動汽車用戶。具體流程如圖4所示，主要包括：服務(wù)器讀取電動汽車充電請求(電動汽車坐標(biāo)、電池容量、剩余電量、剩余行駛里程)；服務(wù)器讀取充電站信息(充電站位置、與電動汽車距離、行駛路徑、是否滿載、在充電動汽車剩余充電時間)；服務(wù)器讀取電網(wǎng)信息(實時電價)；服務(wù)器將讀取的電動汽車、充電站和電網(wǎng)信息進(jìn)行處理[3]；服務(wù)器將已處理的信息發(fā)送至請求充電電動汽車用戶。

2.3 電動汽車登記/注冊

電動汽車根據(jù)充電站服務(wù)器發(fā)來的信息，通過推薦路徑到達(dá)最近充電站后，在充電前進(jìn)行登記/注冊，當(dāng)太多電動汽車同時到達(dá)同一充電站時，而充電站沒有足夠的充電位，電動汽車需要等待充電直到有空余充電位，若有空余充電位，登記/注冊后直接進(jìn)行充電，具體流程如圖5所示，主要包括：電動汽車到達(dá)最近充電站，登記/注冊到達(dá)信息；充電站服務(wù)器核查該充電站充電位工作數(shù)量和閑置數(shù)量；服務(wù)器判定該充電站是否滿載；若充電站未滿載，充電站負(fù)荷設(shè)置為當(dāng)前充電負(fù)荷+1；電動汽車進(jìn)入充電模式；若充電站滿載，電動汽車進(jìn)入等待充電模式；服務(wù)器不間斷接收充電站信息，判斷是否有空余充電位，若有，發(fā)送信息到待充電汽車，進(jìn)入充電模式；若沒有，待充電電動汽車?yán)^續(xù)等待，直到有空余充電位。

圖5 電動汽車登記/注冊流程

2.4 電動汽車充電開始

電動汽車進(jìn)入空余充電位，將充電接頭連接至電動汽車，開始充電，服務(wù)器讀取電動汽車信息(電池容量、剩余電量)、充電接頭信息(充電功率)、電網(wǎng)信息(實時電價)，經(jīng)計算處理后得出充電所需時間和充電費用，并將信息發(fā)送至充電位顯示屏和用戶終端[4]，由用戶判定是否需要等待電動汽車滿充，流程如圖6所示，主要包括：電動汽車連接充電接頭，開始充電；服務(wù)器讀取電動汽車信息、充電接頭信息和電網(wǎng)信息；服務(wù)器計算電動汽車充電時長和充電費用，并將信息發(fā)送至電動汽車用戶終端和充電位顯示屏；用戶根據(jù)信息和工作任務(wù)判定是否進(jìn)行滿充；選擇滿充，則原地等待直到充滿，也可選擇就近辦事，服務(wù)器實時將充電信息發(fā)送至客戶終端，充滿時提車；不選擇滿充，則選擇充電時間和充電量以滿足工作需要，達(dá)到要求時斷電取車離開。

圖6 電動汽車開始充電流程

2.5 電動汽車充電請求取消

當(dāng)電動汽車在前往服務(wù)器建議的充電站的途中，發(fā)現(xiàn)有距離更近的充電站剛好有空余充電位，則用戶向服務(wù)器發(fā)送取消充電請求，流程如圖7所示，主要包括：電動汽車發(fā)送取消充電請求，同時發(fā)送登記/注冊信息[5]；服務(wù)器讀取用戶取消充電請求、充電站信息和電網(wǎng)信息；服務(wù)器將該充電站信息發(fā)送至用戶終端和充電位顯示屏；電動汽車用戶接收信息；電動汽車開始充電；當(dāng)前充電站接收信息；充電站工作負(fù)荷加1。

圖7 電動汽車取消充電請求流程

2.6 充電完成

電動汽車充電站智能化調(diào)度的最后一步是充電過程完成，通過電動汽車用戶向服務(wù)器發(fā)送充電完成信息或者通過該充電位向服務(wù)器發(fā)送空置信息來完成，目的是更新服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中可用充電站信息，流程如圖8所示，主要包括：電動汽車用戶向服務(wù)器發(fā)送充電完成信息；充電站當(dāng)前充電位發(fā)送空置信息；電網(wǎng)發(fā)送實時電價信息；充電站服務(wù)器接收電動汽車、充電站和電網(wǎng)信息；服務(wù)器判定電動汽車充電完成；服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫，將可用充電站充電位數(shù)加1；將數(shù)據(jù)信息存儲于數(shù)據(jù)庫中。

圖8 電動汽車充電完成流程

3 結(jié)果與分析

3.1 電動汽車充電站優(yōu)化調(diào)度

通過電動汽車充電站智能化調(diào)度，不僅可以使電動汽車用戶享受方便快捷的充電服務(wù)，運營商還可以節(jié)省運營成本，加大充電站利用率，提高電網(wǎng)效能。運營商也可通過查看每個充電站服務(wù)覆蓋范圍和該充電站利用率，做出是否擴(kuò)建該充電站或在服務(wù)覆蓋范圍之外另新建充電站的決策。

在電動汽車用戶、充電站運營商、交通管理部門和電網(wǎng)之間進(jìn)行信息交互必須在互聯(lián)網(wǎng)連接的基礎(chǔ)上完成，通過充電站服務(wù)器在已有充電站覆蓋區(qū)域進(jìn)行電動汽車用戶最短等待時間的計算，充電站服務(wù)器在此過程中充當(dāng)重要的指揮中樞作用。首要的信息來自于電動汽車，其當(dāng)前所在坐標(biāo)位置、電池容量、剩余電量和剩余行駛里程等信息可以通過電動汽車用戶或電動汽車內(nèi)置設(shè)備發(fā)送，電動汽車用戶可以使用智能手機(jī)或安裝應(yīng)用程序發(fā)送請求信息。開發(fā)基于安卓操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序和用戶界面有助于電動汽車用戶和充電站服務(wù)器進(jìn)行通信。安裝在電動汽車內(nèi)置設(shè)備上的應(yīng)用程序可以嵌入到電動汽車能量管理系統(tǒng)(EMS)中，對電動汽車狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)測。對電動汽車用戶來說，安裝在電動汽車上或用戶智能手機(jī)上的應(yīng)用程序必須得到注冊許可才能使用，且用戶要熟知應(yīng)用程序使用方法。對充電站運營商來說，必須要與交通管理部門和電網(wǎng)達(dá)成信息共享協(xié)議，在此基礎(chǔ)上，可以在充電站控制設(shè)備上安裝相應(yīng)的終端應(yīng)用程序，在充電站服務(wù)器上安裝集信息接收、處理、發(fā)送于一體的智能化調(diào)度管理系統(tǒng)。

3.2 信息支持與智能電網(wǎng)通信

對長途行駛的電動汽車用戶來說，增加充電站覆蓋范圍可以提高用戶滿意度，消除用戶充電恐慌。在城市范圍內(nèi)，基于此系統(tǒng)可以實現(xiàn)電動汽車和充電站網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，城市間也可實現(xiàn)信息共享，這可以通過現(xiàn)有的移動互聯(lián)網(wǎng)很容易地就能建立此信息網(wǎng)絡(luò)。同時需要與區(qū)域通信運營商達(dá)成通信協(xié)議，以加大充電站服務(wù)覆蓋范圍，有條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)還可以使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)實現(xiàn)信息接收和發(fā)送。但是由于衛(wèi)星通信準(zhǔn)入條件所限，并不是所有電動汽車都能使用衛(wèi)星通信系統(tǒng)，未來可以考慮通過智能電網(wǎng)通信系統(tǒng)來解決這一問題，智能電網(wǎng)可以在其所覆蓋的每個節(jié)點很容易實現(xiàn)信息共享。無需在充電站安裝應(yīng)用程序，智能電網(wǎng)也能通過充電站各項指標(biāo)判定該充電站是否過載，從而判定是否有空余充電位供電動汽車充電。雖然許多國家投入大量資金發(fā)展智能電網(wǎng)，但總體來說智能電網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級階段[6]。智能化調(diào)度信息支持網(wǎng)絡(luò)如圖9所示。

圖9 智能化調(diào)度信息支持網(wǎng)絡(luò)

3.3 在V2G系統(tǒng)中的作用

汽車到電網(wǎng)(V2G)系統(tǒng)在電動車不運行時，通過連接到電網(wǎng)的電動馬達(dá)將能量輸給電網(wǎng)，反過來，當(dāng)電動車電池需要充滿時，電流可以從電網(wǎng)中提取出來給到電池[7]。當(dāng)夜間處于用電低谷時對電動汽車進(jìn)行充電，白天處于用電高峰時電動汽車將電能反向輸送給電網(wǎng)，對電網(wǎng)起到“削峰填谷”的作用。電動汽車售電給電網(wǎng)的過程需要電網(wǎng)、電力運營商通力合作，將分散的電動汽車電能進(jìn)行回收和出售，電網(wǎng)、電力運營商可以和充電站運營商進(jìn)行合作，將信息資源整合到電動汽車充電站服務(wù)器中，使電動汽車用戶在就近充電的情況下實現(xiàn)就近售電給電網(wǎng)。這種智能化調(diào)度可以實時接收電網(wǎng)用電信息，通過服務(wù)器向電動汽車用戶發(fā)布用電需求，由用戶通過電動汽車終端設(shè)備判定是否要售電給電網(wǎng)，并實時接收就近售賣點信息，在最短時間內(nèi)完成向電網(wǎng)售電。

4 結(jié)論

本文提出的電動汽車充電站智能化調(diào)度是在已有充電站的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，整個過程是由安裝在充電站運營商處的服務(wù)器來完成的，服務(wù)器將電動汽車、電網(wǎng)、電力運營商、充電站運營商的信息通過互聯(lián)網(wǎng)集成在數(shù)據(jù)庫中，通過計算將信息實時發(fā)送至各用戶終端，這種智能化調(diào)度可以大大減少電動汽車用戶充電等待時間，有效提高充電站使用效率，對降低區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的峰值負(fù)荷也有一定效用。在智能電網(wǎng)條件下還可以實現(xiàn)電動汽車和電網(wǎng)之間的電能相互轉(zhuǎn)化，對智能城市的建設(shè)具有非常重要的意義。

[1]郝建飛.電動汽車充電站選址問題研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2015.

[2]李波.城市內(nèi)和城市間電動汽車充電站的選址布局研究[D].天津：天津大學(xué)，2011.

[3]袁明虎.基于Multi-Agent的電動汽車充電管理研究及仿真軟件開發(fā)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[4]馮艾，劉繼春，吳磊，等.基于前景理論的電動汽車多模式充電行為分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2013(2)：58-64.

[5]羅歡聚.基于Erlang的電動汽車充換電設(shè)施模擬[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2015.

[6]常虹.智能電網(wǎng)背景下的電力供需分析與電價研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[7]賈歡.綠色能源聯(lián)合優(yōu)化運行技術(shù)的研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

Study on electric vehicle charging station intelligent scheduling

ZHAO Gao-fei,SUN Yun-lian,ZHANG Xiao-di,DUAN Qing
(School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China)

By the help of intelligent scheduling and controlling system,the information was sent to the users who had requested to charge electric vehicle by charging station server. According to the provided information, the users selected the nearest charging station where had spare charging pole to charge electric vehicle. The intelligent scheduling helped the users quickly find the nearest electric vehicle charging stations, and the waiting time was reduced efficiently.

electric vehicle;charging station;intelligent scheduling

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1467-04

2017-03-13

趙高飛(1983—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士研究生，主要研究方向為配電網(wǎng)規(guī)劃和電動汽車。