基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差的充電樁綜合運(yùn)行效益檢測(cè)系統(tǒng)

劉科學(xué),李雪梅,謝楓,鐘侃,介志毅

（國網(wǎng)冀北電力有限公司營銷服務(wù)中心（計(jì)量中心），北京 100045）

1 引言

隨著現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展，為了方便人們順利出行，隨處可見充電樁等相關(guān)充電設(shè)備。對(duì)充電樁運(yùn)行效益進(jìn)行檢測(cè)，控制充電樁的傳輸效率和傳輸功率，確保充電的兼容性和安全性，使充電樁能夠按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容高效充電，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

文獻(xiàn)[2]提出采用肯定測(cè)試和否定測(cè)試的方法檢測(cè)直流充電樁。該方法對(duì)直流充電樁的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，包括充電樁電氣特性、協(xié)議一致性及互操作性，結(jié)合實(shí)際測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，處理錯(cuò)誤并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，得到充電樁的電氣參數(shù)和互操作性，直接對(duì)充電樁進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)試，使其滿足充電設(shè)備運(yùn)行檢測(cè)的需求。該方法可有效實(shí)現(xiàn)充電樁特征的檢測(cè)，但對(duì)充電樁經(jīng)濟(jì)效益方面考慮甚少。文獻(xiàn)[3]對(duì)充電樁的通信協(xié)議進(jìn)行檢測(cè)，判斷充電接口的一致性，在通信兼容性基礎(chǔ)上，模擬充電樁的充電過程，對(duì)輸出電流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用模塊集成化與分析智能化的手段，進(jìn)一步監(jiān)測(cè)充電樁開放式通信和數(shù)據(jù)交換的運(yùn)行狀態(tài)，判斷充電樁的正常充電狀態(tài)和異常充電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電樁業(yè)務(wù)流程的智能化檢測(cè)。該方法可智能檢測(cè)充電樁業(yè)務(wù)流程，但對(duì)充電樁的經(jīng)濟(jì)效益無法預(yù)估。文獻(xiàn)[4]提出測(cè)試充電樁控制兼容性和通信兼容性，對(duì)充電樁的充電故障進(jìn)行模擬，對(duì)常見故障進(jìn)行分類，對(duì)充電樁的連接控制時(shí)序及通信協(xié)議進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)不同型號(hào)充電設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)充電樁整個(gè)充電過程互聯(lián)互通，判斷充電兼容性及充電匹配是否達(dá)到指定標(biāo)準(zhǔn)。該方法可實(shí)現(xiàn)充電樁充電接口的互聯(lián)互通，但該方法檢測(cè)過程較為復(fù)雜，檢測(cè)較為耗時(shí)，為解決上述方法中存在的問題，本文提出基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差的充電樁綜合運(yùn)行效益檢測(cè)系統(tǒng)。通過聯(lián)絡(luò)線峰谷差充分體現(xiàn)充電樁發(fā)電的時(shí)效性，反映聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的負(fù)荷變化，通過對(duì)最優(yōu)調(diào)度值峰谷差的判斷，提高檢測(cè)系統(tǒng)的傳輸能力和檢測(cè)效率。與傳統(tǒng)方法相比所提方法具有一定優(yōu)勢(shì)。

2 充電樁綜合運(yùn)行效益檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 聯(lián)絡(luò)線通信信號(hào)采集

在聯(lián)絡(luò)線通信信號(hào)采集中，需要采集充電握手、充電、充電結(jié)束三個(gè)階段中充電樁的聯(lián)絡(luò)線通信信號(hào)，并以相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定內(nèi)容為參照，判斷聯(lián)絡(luò)線的通信一致性。首先對(duì)聯(lián)絡(luò)線通信的報(bào)文時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)，報(bào)文時(shí)間誤差要求如表1所示。

表1 報(bào)文時(shí)間誤差要求

通過表1所示內(nèi)容，選取符合標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文時(shí)間段，對(duì)該時(shí)間段內(nèi)充電樁充電過程報(bào)文參數(shù)進(jìn)行分類。在充電握手階段，判斷通信信號(hào)是否存在兼容的新增報(bào)文，確保充電設(shè)備和充電樁之間通信鏈路的正確性。在充電樁充電階段，對(duì)充電參數(shù)進(jìn)行配置。根據(jù)通信采集的報(bào)文信息，確定充電樁充電過程中最大輸出能力。根據(jù)發(fā)送的充電需求通信信號(hào)，對(duì)充電電壓和電流進(jìn)行調(diào)整[5]。在充電結(jié)束階段，獲取含有充電狀態(tài)及充電需求的報(bào)文數(shù)據(jù)。將以上三個(gè)階段的報(bào)文數(shù)據(jù)分為BMV、BSP、BMT三類報(bào)文，分類如表2所示。

表2 報(bào)文數(shù)據(jù)分類

根據(jù)表2所示內(nèi)容，采集發(fā)送電池狀態(tài)和充電需求的通信信號(hào)，獲取通信各階段中典型報(bào)文，以此對(duì)充電樁回應(yīng)報(bào)文和通訊進(jìn)程進(jìn)行測(cè)試，獲取其變化情況，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線通信的否定測(cè)試。測(cè)試具體流程如圖1所示。對(duì)充電栓聯(lián)絡(luò)線的通信信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定相關(guān)參數(shù)信息，根據(jù)報(bào)文邏輯和內(nèi)容，判斷通信信號(hào)是否一致，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的篩選，去除干擾信號(hào)[6]，完成聯(lián)絡(luò)線通信信號(hào)的采集。

圖1 聯(lián)絡(luò)線通信信號(hào)測(cè)試流程

2.2 基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差計(jì)算的傳輸功率獲取

對(duì)聯(lián)絡(luò)線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，獲取充電栓運(yùn)行狀態(tài)的負(fù)荷變化情況。利用聯(lián)絡(luò)線峰谷差率，獲取聯(lián)絡(luò)線輸出負(fù)荷的約束函數(shù)集，得到充電栓實(shí)際輸出功率。對(duì)聯(lián)絡(luò)線的負(fù)荷基值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，獲得最優(yōu)調(diào)度值的峰谷差率φ，則聯(lián)絡(luò)線傳輸功率偏差率δ為：

考慮聯(lián)絡(luò)線峰谷差的隨機(jī)特征，采用置信水平的機(jī)會(huì)約束，對(duì)聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷峰谷差進(jìn)行描述。在一般置信水平下，使聯(lián)絡(luò)線輸出功率滿足負(fù)荷峰谷差的約束條件[7]。則聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的平衡約束條件為：

式中，N為充電栓數(shù)量，i為充電栓臺(tái)數(shù)，t為檢測(cè)充電栓的運(yùn)行時(shí)段，Pit為第i臺(tái)充電栓在t時(shí)段的有功出力，Pwt為t時(shí)段的常規(guī)負(fù)荷預(yù)測(cè)值，Pdt為t時(shí)段的儲(chǔ)能充放電功率。

設(shè)聯(lián)絡(luò)線功率期望值為P0，實(shí)際功率容量為P′，則聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的容量約束條件為：

調(diào)動(dòng)充電栓聯(lián)絡(luò)線的反調(diào)峰，減少峰谷差的隨機(jī)性和波動(dòng)性，控制最優(yōu)調(diào)度的聯(lián)絡(luò)線峰谷差率在合理范圍內(nèi)，采用機(jī)會(huì)規(guī)劃，并根據(jù)充電栓實(shí)際參數(shù)，確定峰谷差在置信水平中的置信度，在確保充電栓穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，最大程度消納聯(lián)絡(luò)線的負(fù)荷低谷。則聯(lián)絡(luò)線凈負(fù)荷峰谷差機(jī)會(huì)的約束條件為：

式中，j為聯(lián)絡(luò)線峰谷個(gè)數(shù)，Aj為最優(yōu)調(diào)度的凈負(fù)荷峰谷差，m為服從三重正態(tài)概率分布的峰谷總個(gè)數(shù)，α為設(shè)定的置信度水平，Q為凈負(fù)荷峰谷差不等式成立的概率值。

使充電栓儲(chǔ)能一部分處于運(yùn)行狀態(tài)，將儲(chǔ)能容量作為聯(lián)絡(luò)線備用，根據(jù)儲(chǔ)能參與調(diào)度的備用約束，可得聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的儲(chǔ)能約束條件為：

式中，G為聯(lián)絡(luò)線儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)，T為聯(lián)絡(luò)線峰谷差的調(diào)度周期，H(t)為t時(shí)段的最大允許放電功率，X為儲(chǔ)能荷電狀態(tài)的限值，ξ為充電栓每小時(shí)充電量的自損率。

聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的設(shè)備出力約束條件為：

式中，B為充電栓實(shí)際出力傳輸功率，ζ為充電栓出力無功功率的限值，s為聯(lián)絡(luò)線傳輸因子，s為1時(shí)，表示檢測(cè)系統(tǒng)中的充電栓設(shè)備被調(diào)度，s為0 時(shí)，表示未被調(diào)度，Kmin、Kmax分別為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的最小和最大負(fù)載率。

根據(jù)公式(2)～(6)，對(duì)聯(lián)絡(luò)線實(shí)際傳輸功率進(jìn)行約束，采用蒙特卡洛抽樣法，將聯(lián)絡(luò)線峰谷差的隨機(jī)性因素，轉(zhuǎn)換為可計(jì)算的定性約束條件，選取最大約束條件替換多個(gè)約束函數(shù)集，然后利用階躍函數(shù)，計(jì)算充電栓運(yùn)行效益的目標(biāo)函數(shù)，使函數(shù)值達(dá)到以上約束條件的樣本頻次[8-9]。判斷運(yùn)行效益的目標(biāo)函數(shù)值是否滿足約束條件，選用改進(jìn)遺傳算法NSGA-II，對(duì)最優(yōu)調(diào)度峰谷差率的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，將充電栓的啟停方式和充電狀態(tài)作為離散型變量，確定目標(biāo)函數(shù)的啟停狀態(tài)和儲(chǔ)能調(diào)用狀態(tài)，以此獲得目標(biāo)函數(shù)的Pareto解集前沿，確定充電栓聯(lián)絡(luò)線的實(shí)際傳輸功率，完成基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差傳輸功率的計(jì)算。

2.3 充電樁運(yùn)行效益判斷

將聯(lián)絡(luò)線實(shí)際傳輸功率作為負(fù)荷數(shù)據(jù)，加入充電栓綜合運(yùn)行過程中，對(duì)其運(yùn)行效益進(jìn)行計(jì)算。對(duì)聯(lián)絡(luò)線峰谷差率進(jìn)行更新，迭代計(jì)算充電栓運(yùn)行效益對(duì)應(yīng)的最佳峰谷差率，選取該峰谷差率下最小標(biāo)幺值，將充電栓運(yùn)行效益進(jìn)行標(biāo)幺化處理，則充電栓發(fā)電效益計(jì)算公式為：

式中，C1為充電栓發(fā)電效益，a、b、d分別為發(fā)電效益系數(shù)。發(fā)電栓啟停效益計(jì)算公式為：

式中，C2為充電栓啟停效益，φ為充電栓的啟停因子，φ為1 時(shí)，表示充電栓啟動(dòng)運(yùn)行，φ為0 時(shí)，表示充電栓停止運(yùn)行，L1、L2分別為充電栓的啟、停成本。

選取負(fù)荷峰谷差的優(yōu)化調(diào)度值，將其作為系統(tǒng)內(nèi)所有能量單元的安裝容量，將充電栓的容量?jī)?chǔ)能分為上層效益和下層效益。其中，下層效益為充電栓的維護(hù)及電量成本，上層效益為充電栓運(yùn)行狀態(tài)中的電量?jī)?chǔ)能效益，以及對(duì)下層效益的作用程度。

設(shè)充電栓單位功率輸出的運(yùn)行成本為 ，在t時(shí)段的實(shí)際輸出功率為Ut，峰谷差調(diào)度周期為T，t時(shí)段的購電功率為Ot，分時(shí)電價(jià)為，則充電栓運(yùn)行維護(hù)效益ψ1、和綜合能源購電效益ψ2的計(jì)算公式為：

設(shè)上層效益對(duì)下層效益的影響因子為η，則下層效益C3和上層效益C4的計(jì)算公式為：

由此可得充電栓綜合運(yùn)行效益的目標(biāo)函數(shù)C為：

對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到充電栓綜合運(yùn)行效益，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將此次系統(tǒng)記為實(shí)驗(yàn)A組，兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)分別記為實(shí)驗(yàn)B組、實(shí)驗(yàn)C組，三組實(shí)驗(yàn)分別對(duì)充電栓綜合運(yùn)行效益進(jìn)行檢測(cè)，比較不同系統(tǒng)的檢測(cè)時(shí)間。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

選取電動(dòng)汽車交流充電栓作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在滿足充電需求基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)充電成本最低。根據(jù)充電栓負(fù)荷的峰谷情況，對(duì)電動(dòng)汽車的充電時(shí)間和充電費(fèi)用進(jìn)行劃分，如表3所示。

表3 充電栓劃分標(biāo)準(zhǔn)

交流充電栓的儲(chǔ)能容量上限為20kW/h ，最大充放電功率為50kW，充電效率為0．915，放電效率為0．945，自放電系數(shù)為0．000417，峰時(shí)段負(fù)荷需求為950MW，谷時(shí)段負(fù)荷需求600MW，平時(shí)段負(fù)荷需求為750MW。設(shè)置三組實(shí)驗(yàn)的計(jì)算參數(shù)，如表4所示。

表4 參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)共構(gòu)建3種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，對(duì)充電栓綜合運(yùn)行效益進(jìn)行檢測(cè)。場(chǎng)景1為考慮充電栓運(yùn)行成本，峰谷差控制在10%的檢測(cè)環(huán)境，場(chǎng)景2為峰谷差控制在20%的檢測(cè)環(huán)境，場(chǎng)景3為峰谷差控制在60%的檢測(cè)環(huán)境，3 種場(chǎng)景下的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率不同，如圖2所示。

圖2 各場(chǎng)景聯(lián)絡(luò)線傳輸功率曲線

由圖2可知，場(chǎng)景1的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率峰值為1566．7kW，場(chǎng)景2的傳輸功率峰值為810．9kW，場(chǎng)景3的傳輸功率峰值為613．4kW，谷值則分別為0、378．4kW、521．8kW，谷峰差分別為1566．7kW、432．5kW、91．6kW。三組系統(tǒng)在以上實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

三種場(chǎng)景下各項(xiàng)運(yùn)行效益如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果(萬元)

由表5可知，三組實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)值相差不大，均能保證運(yùn)行效益檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，記錄3種場(chǎng)景下檢測(cè)時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，峰谷差控制在10%時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組平均檢測(cè)時(shí)間為56s，實(shí)驗(yàn)B 組平均檢測(cè)時(shí)間為67s，實(shí)驗(yàn)C 組平均檢測(cè)時(shí)間為86s，實(shí)驗(yàn)A組檢測(cè)時(shí)間分別縮短了10s、30s。峰谷差控制在20%時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組平均檢測(cè)時(shí)間為52s，實(shí)驗(yàn)B組平均檢測(cè)時(shí)間為71s，實(shí)驗(yàn)C 組平均檢測(cè)時(shí)間為89s，實(shí)驗(yàn)A 組檢測(cè)時(shí)間分別縮短了20s、37s。峰谷差控制在60%時(shí)，實(shí)驗(yàn)A組平均檢測(cè)時(shí)間為47s，實(shí)驗(yàn)B 組為81s，實(shí)驗(yàn)C 組為84s，實(shí)驗(yàn)A 組檢測(cè)時(shí)間分別縮短了34s、57s。綜上所述，實(shí)驗(yàn)A 組利用聯(lián)絡(luò)線峰谷差，對(duì)峰谷差進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度，約束了充電栓的輸出功率，相比兩種傳統(tǒng)方法，縮短了運(yùn)行效益檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線峰谷差的優(yōu)勢(shì)，通過峰谷差率計(jì)算聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，縮短了運(yùn)行效益的檢測(cè)時(shí)間。但此次系統(tǒng)仍存在一些不足，缺乏對(duì)遠(yuǎn)程檢測(cè)的設(shè)計(jì)，在今后研究中，會(huì)采用參數(shù)成熟的在外設(shè)模塊，將部件集成于主控板上，充分開放聯(lián)絡(luò)線的輸電能力，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。