智能電網(wǎng)中電動汽車的雙層有序充電充電調(diào)度策略

安科瑞 陳聰

摘要：大量、無序的插電式混合動力汽車接入電網(wǎng)，會造成高峰時段電網(wǎng)變壓器過熱、過載，導(dǎo)致跳閘甚至大面積停電。因此電動汽車的協(xié)調(diào)充電問題是電網(wǎng)中一個研究熱點和難點。文章首先將插電式混合動力汽車協(xié)調(diào)充電問題定義為帶約束條件的優(yōu)化問題，然后提出一種雙層*優(yōu)充電策略對該優(yōu)化問題進(jìn)行求解。在第一層基于需求側(cè)管理對電網(wǎng)低壓變壓器的負(fù)荷曲線進(jìn)行扁平化平滑優(yōu)化；在第二層基于一致性迭代算法，使插電式混合動力汽車用戶的總體充電成本達(dá)到最小并同時滿足用戶的充電需求。所提充電策略既保持了電網(wǎng)變壓器供電負(fù)荷曲線波動最小，又實現(xiàn)了每個電動汽車用戶的充電成本最小，滿足了用戶的充電需求。

關(guān)鍵詞：插電式混合動力汽車；多目標(biāo)優(yōu)化；需求側(cè)管理；動態(tài)資源分配

0引言

為鼓勵電動汽車用戶參與到電動汽車的協(xié)調(diào)充電過程，本文提出了一種用戶成本分?jǐn)偰Ｐ?，并利用帶約束條件的優(yōu)化模型描述了有*時域內(nèi)電動汽車協(xié)調(diào)充電的動態(tài)變化過程；其次，為解決所描述的優(yōu)化問題，本文提出了兩層*優(yōu)充電策略將描述的優(yōu)化問題分解成2個階段，分別在低壓變壓器控制層和用戶控制層來予以解決。

1系統(tǒng)模型

1.1圖論介紹

在有向圖G=(V,E)中,非空集合V=表示圖的頂點，E=表示從頂點j可以接受到i的信息，wi,j是關(guān)聯(lián)矩陣W的第i行、第j列元素。對于節(jié)點i∈V，其入鄰居和出鄰居為Ni-=和Ni+=。節(jié)點i接收入鄰居的信息，并將自身信息發(fā)送給出鄰居完成信息

在鄰居之間的傳遞。di-=|Ni-|和d=|Ni+|分別表示入鄰居和出鄰居的個數(shù)。強(qiáng)連通的有向圖是指任意兩個節(jié)點之間是可達(dá)的。令k=k0,k1,…,kN-1表示N個時間戳,G(k)=(V,E(k))表示k時刻的強(qiáng)連通圖。

1.2問題描述

本文研究的分布式電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，包含1個高壓變壓器（HVT）連接到1組低壓變壓器（LVTs），每個低壓變壓器又連接到多個用戶，并且每個用戶擁有1臺插電式混合動力汽車。

圖1分布式電網(wǎng)架構(gòu)

圖1所示的分布式電網(wǎng)架構(gòu)［19—20］是一種徑向放射網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于低壓變壓器比高壓變壓器更容易過載，高壓變壓器和低壓變壓器無法同時獲得波動最小的負(fù)荷曲線。因此本文研究低壓側(cè)電網(wǎng)的負(fù)載波動情況。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究使電動汽車用戶充電成本最小化的充電策略，從而使用戶能積極參與到負(fù)荷曲線的削峰填谷中去。

本文將電網(wǎng)中的插電式混合動力汽車協(xié)調(diào)充電問題描述成有*時域的多約束優(yōu)化問題。假設(shè)所有電動汽車充電開始和結(jié)束的時刻分別為k0和kN-1，xi,k∈R表示電網(wǎng)在k時刻提供給電動汽車i的電能。

一般來說，對于約束條件為線性的凸優(yōu)化問題具有*一的全局*優(yōu)解，為了便于求解和表征電動汽車充電用戶的充電成本，本文假設(shè)每個電動汽車i在時刻k均關(guān)聯(lián)一個凸的二次型成本函數(shù)

Fi,k(xi,k)=(xi,k-αi,k)2/2βi,k+γi,k（1）

式中：αi,k和γi,k∈R為成本系數(shù)；βi,k>0保證了二次型函數(shù)為凸函數(shù)。相應(yīng)的導(dǎo)函數(shù)為

Ji,k(xi,k)=dFi,k(xi,k)/dxi,k=(xi,k-αi,k)/βi,k（2）

由于插電式混合動力汽車的鋰離子電池容量和最大充電功率有一定的限制，因此電動汽車i在k時刻具有相應(yīng)的最大充電功率和最小充電功率約束

-xi,k≤xi,k≤i,k（3）

在本文中，假設(shè)i,k=i，-xi,k=-xi。為了滿足用在某一段時間[k0,kN-1]的充電需求，有如下約束條件

i,k=bi（4）

式中：bi為電動汽車i在時間段[k0,kN-1]內(nèi)需要充的電能。此外，電網(wǎng)低壓變壓器提供給所有電動汽車的電能為

i,k=dk（5）

式中：dk為k時刻電網(wǎng)提供給n個電動汽車的電能。

從電動汽車用戶的角度，每個用戶都希望將自身的充電成本降到*低。因此，在分布式電網(wǎng)中插電式混合動力汽車協(xié)調(diào)充電問題可表示為如下帶約束條件的優(yōu)化問題

在下一節(jié)中本文將給出相應(yīng)的*優(yōu)充電控制策略，來解決式（6）所描述的電動汽車協(xié)調(diào)充電問題。

2*優(yōu)充電策略

為了解決式（6）所示的有*時域內(nèi)帶等式約束和不等式約束的優(yōu)化問題，本文提出了一種雙層*優(yōu)充電策略，其框架如圖2所示。

圖2一種基于LVTs和插電式混合動力汽車之間相互作用的*優(yōu)控制方案

2.1第一階段優(yōu)化

為了能*大程度實現(xiàn)電網(wǎng)低壓變壓器的負(fù)載曲線“削峰填谷”目的，低壓變壓器控制器基于用戶的非電動汽車負(fù)載來規(guī)劃提供給電動汽車充電的電能。令dkj表示在時刻kj變壓器提供給n臺電動汽車充電的電能，qi(k)表示電動汽車用戶i的非電動汽車負(fù)載所消耗的功率（如熱水器、電吹風(fēng)、空調(diào)等），第一階段的目標(biāo)是通過規(guī)劃給電動汽車充電的電能盡可能使得低壓變壓器側(cè)總負(fù)荷曲線（即電動汽車負(fù)荷與非電動汽車負(fù)荷之和）最平。通過對某居民用電區(qū)域統(tǒng)計其負(fù)載變化規(guī)律，本文假設(shè)某個家庭中的非電動汽車負(fù)載對用戶i來講是已知的。第一階段低壓變壓器控制器基于需求側(cè)管理負(fù)荷曲線波動最小問題可以描述為

式中：目標(biāo)函數(shù)f(d)為各個時刻負(fù)荷曲線的波動變化之和，當(dāng)且僅當(dāng)f(d)=0時，總體的功率曲線和理想的功率曲線保持一致，即負(fù)載曲線*全實現(xiàn)了削峰填谷；dkj為優(yōu)化變量，表示在時刻kj變壓器提供給n臺電動汽車充電的電能，kj=k0,k1,…,kN-1為電動汽車的優(yōu)化時刻；qi(k)為電動汽車用戶i的非電動汽車負(fù)載所消耗的功率；i為電動汽車i的最大

充電功率；η為期望的負(fù)載功率曲線，計算公式為

通過MATLAB線性多約束優(yōu)化（mu*ivariatelinearprogrammingproblem,MLPP）工具箱可有效解決式（7）所示的線性多約束優(yōu)化問題。算法如下：

（1）算法1基于LVT需求側(cè)管理調(diào)度算法輸入：bi,qi(k),i=1,2,…n,k=k0,k1,…,kN-1輸出：dkj,kJ=k0,k1,…,kN-1

Step1.PHEVi向LVT發(fā)送用戶的充電需求bi以及其他非電動汽車的負(fù)載qi(k)，i=1,2,…n,k=k0,k1,…,kN-1。

Step2.LVT計算k時刻總體非電動汽車負(fù)載

Step3.LVT計算理想的負(fù)載功率曲線

Step4.利用MATLAB的MLPP工具箱求解問題（7）。

Step5.LVT將獲得的需求側(cè)管理調(diào)度結(jié)果發(fā)送給所有的電動汽車用戶。

2.2第二階段優(yōu)化

為了能使所有用戶的充電成本達(dá)到最小，同時滿足用戶的充電需求，第二階段將在第一階段基礎(chǔ)上，基于一致性迭代算法來解決最初的優(yōu)化問題（6），獲得全局的*優(yōu)的調(diào)度策略。其中，問題（6）中的第三項等式約束，通過在迭代算法中引入拉格朗日乘子向量，并通過迭代使其收斂到一致的*優(yōu)值，從而滿足該項等式約束。在文獻(xiàn)中，本文提出了一致性迭代算法并解決動了態(tài)資源分配問題（dynamicresourceallocationproblem,DRAP），獲得了全局*一的*優(yōu)解。在本文中，本文利用一致性迭代算法來解決優(yōu)化問題（6），算法的證明過程見文獻(xiàn)定理1。

（2）算法2基于一致性迭代的*優(yōu)充電算法

PHEVi（i=1,2,…,n）通過基于鄰居信息交換的一致性算法，依次迭代拉格朗日乘子λi,k(t)滿足（6）中的第三項等式約束條件，迭代優(yōu)化變量xi,k(t)滿足（6）中第二項不等式約束條件，迭代殘差變量si,k(t)滿足（6）中第一項等式約束條件。

Step3.電動汽車用戶執(zhí)行相應(yīng)的*優(yōu)成本*優(yōu)調(diào)度策略。

針對基于一致性迭代的*優(yōu)充電算法2，當(dāng)?shù)介L趨向于無窮大時，可以得到問題（6）的*優(yōu)解。另外，算法2中當(dāng)前的電動汽車當(dāng)且僅當(dāng)與鄰居的電動汽車進(jìn)行信息交換實現(xiàn)了全局*優(yōu)，是一種*全分布式算法。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和規(guī)模的擴(kuò)大，該算法仍然適用。通過結(jié)合算法1和算法2，本文提出的雙層*優(yōu)充電策略既保持了電網(wǎng)變壓器端的負(fù)荷曲線的穩(wěn)定性，又使得電動汽車用戶的充電成本最小，進(jìn)一步鼓勵了用戶參與到電網(wǎng)削峰填谷輔助服務(wù)中去。

3仿真研究

為了驗證本文提出的智能電網(wǎng)中電動汽車雙層*優(yōu)充電策略的有效性，以某小區(qū)內(nèi)分布式電網(wǎng)中小規(guī)模的電動汽車滲透為背景?？紤]到電動汽車充電時的充電功率對小區(qū)內(nèi)變壓器峰值的影響若電動汽車數(shù)目過少則導(dǎo)致負(fù)荷波動幅度過小，起不到普適性的研究目的。同時，根據(jù)對不同汽車數(shù)量樣本的計算結(jié)果進(jìn)行比對，一般電動汽車充電個數(shù)達(dá)到4個后，就會對峰值產(chǎn)生顯著影響，并且后續(xù)隨著汽車數(shù)量增多，仿真結(jié)論均趨于一致。因此本文考慮小區(qū)內(nèi)具有普適性的電動汽車充電場景，以4個電動汽車用戶充電為例進(jìn)行仿真研究。

電動汽車參數(shù)如表1所示。電動汽車充電的時間為18:00至次日6:00，共12h，每個小時采樣14個點，一共有168個采樣點。本文通過以最大功率充電的方式進(jìn)行對比，從而突出本文的算法有效性。

表1仿真中的電動汽車參數(shù)設(shè)置

隨著通信技術(shù)和測量技術(shù)在智能電網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，假設(shè)在局域網(wǎng)中電動汽車用戶之間的拓?fù)溥B接方式如圖3所示。另外，以最大功率充電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為全聯(lián)通方式。

圖3仿真中強(qiáng)連通電動汽車拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在本仿真研究中，所有電動汽車的開始充電時間為18:00，結(jié)束時間為次日6:00。采樣周期14samples/h。因此整個電動汽車優(yōu)化運行共有168個采樣時刻，本文等間隔地將其分為4組，每組21個采樣時刻。在每個時刻，與每個電動汽車關(guān)聯(lián)的成本函數(shù)均采用二次型凸函數(shù)形式。算法2中的正參數(shù)ε=0.2。

圖4算法1的電動汽車充電功率曲線

圖5以最大功率充電的負(fù)荷曲線

圖6不協(xié)調(diào)充電時電動汽車充電的功率分配

圖7不協(xié)調(diào)充電和協(xié)調(diào)充電電動汽車充電的功率曲線

圖8電動汽車用戶每日充電成本柱形圖

仿真結(jié)果如圖4—圖8所示。圖4為通過算法1低壓變壓器的負(fù)載功率曲線。綠色實線表示總的非電動汽車負(fù)載。從圖4可以看出，當(dāng)電動汽車的運行周期被分割的時間區(qū)間個數(shù)趨向于無窮時，總功率曲線將與期望的負(fù)載曲線保持一致，達(dá)到完整的“削峰填谷”效果。

圖5和圖6分別為電動汽車在協(xié)調(diào)充電策略和不協(xié)調(diào)充電策略下的仿真結(jié)果。不協(xié)調(diào)充電策略是指電動汽車以最大功率進(jìn)行充電直到達(dá)到用戶的充電需求。通過圖5和圖6的對比可以看出，電動汽車的協(xié)調(diào)充電策略可以極大的減小電動汽車的充電峰值負(fù)荷，從而可以進(jìn)一步減小對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。圖7表示分別在協(xié)調(diào)充電和非協(xié)調(diào)充電情況下總體的功率曲線變化。

從圖7可以看出，不協(xié)調(diào)充電策略的總功率最大值為42kW，相對于期望的功率曲線20kW造成了110%的過載，而協(xié)調(diào)充電策略波動至25kW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非協(xié)調(diào)充電策略，驗證了本文提出的算法通過控制電動汽車的充電功率和充電時間使總功率曲線波動明顯減小。圖8表示在協(xié)調(diào)充電和非協(xié)調(diào)充電情況下用戶的成本柱形圖。

從圖8可以看出，協(xié)調(diào)充電策略不僅僅可以減小全體的電動汽車用戶充電成本，同時可以大大減少每個電動汽車用戶的充電成本，從而可以鼓勵用戶參與到電網(wǎng)的“削峰填谷”協(xié)調(diào)充電調(diào)度策略中去。

通過對電動汽車的充電策略進(jìn)行規(guī)劃，使用*優(yōu)的充電策略來完成電動汽車的充電，用電能來替代傳統(tǒng)的化學(xué)能源，有利于減緩傳統(tǒng)能源的消耗速度。進(jìn)一步，通過大規(guī)模利用電動汽車來取代傳統(tǒng)的油車，減少污染物的排放，從而減小環(huán)境污染。本文的首要目標(biāo)是通過使得電網(wǎng)曲線波動最小，峰谷差最小，從而避免因峰值過高引起跳閘甚至大面積停電。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)束語

本文研究了分布式電網(wǎng)架構(gòu)中插電式混合動力汽車的協(xié)調(diào)充電問題。首先，將電動汽車的充電協(xié)調(diào)問題描述成帶多個約束條件的凸優(yōu)化問題，基于此，本文提出兩層*優(yōu)充電策略來解決該優(yōu)化問題。在所提提出的*優(yōu)策略中，上層應(yīng)用基于需求側(cè)管理的調(diào)度算法來求解，在此基礎(chǔ)上，下層應(yīng)用一致性迭代的優(yōu)化算法進(jìn)行求解。最后通過數(shù)值仿真驗證了所提算法的有效性。所提出的*優(yōu)充電策略既保持了電網(wǎng)變壓器供電負(fù)荷曲線波動最小，又實現(xiàn)了每個電動汽車用戶的充電成本最小，同時滿足了用戶的充電需求。未來的研究方向會考慮大規(guī)模的電動汽車充電場景，即根據(jù)用戶的行為和習(xí)慣隨機(jī)地將電動汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，并且用戶充電的開始和結(jié)束時刻各不相同，該種場景可通過本文提出的*優(yōu)控制策略結(jié)合滾動域優(yōu)化方法來予以解決。

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