劉 越

（國(guó)網(wǎng)太原供電公司，山西 太原030001）

0 引言

隨著太原市老舊公交車(chē)逐步更換為電動(dòng)公交車(chē)，大量的電動(dòng)公交車(chē)都接入電網(wǎng)充電，對(duì)配電網(wǎng)有一定的沖擊，帶來(lái)線(xiàn)路重載、配電變壓器重載[1]等一系列配電網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題?，F(xiàn)有研究中對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)參與系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的研究較多[2-4]而對(duì)電動(dòng)公交車(chē)研究較少。電動(dòng)公交車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行情況和充電情況有較大的區(qū)別，電動(dòng)公交車(chē)充電地點(diǎn)固定，對(duì)于同一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路而言，運(yùn)行路線(xiàn)及運(yùn)行時(shí)間相對(duì)固定。在電動(dòng)公交車(chē)充電時(shí)，充電樁運(yùn)營(yíng)商沒(méi)有充電樁實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來(lái)操作充電樁的啟停和充電過(guò)程中的充電電流，在這種條件下，提出了電動(dòng)公交車(chē)有序充電優(yōu)化調(diào)度模型。

1 充電站電動(dòng)公交車(chē)充電問(wèn)題描述

電動(dòng)公交車(chē)充電涉及公交公司、充電樁運(yùn)營(yíng)商和供電公司三方關(guān)系，目前三方?jīng)]有形成互動(dòng)，僅是傳統(tǒng)的供用電關(guān)系，充電樁運(yùn)營(yíng)商為公交公司提供充電服務(wù)并收取服務(wù)費(fèi)，同時(shí)替公交公司代繳電費(fèi)。公交公司為減少開(kāi)支，要求充電樁運(yùn)營(yíng)商在線(xiàn)路或配電變壓器滿(mǎn)足充電容量條件下，僅在谷時(shí)段充電，并且每輛車(chē)在次日發(fā)車(chē)前均需充滿(mǎn)電。充電樁運(yùn)營(yíng)商為電動(dòng)公交車(chē)充電時(shí)為了使每輛車(chē)盡快充滿(mǎn)電，均采用雙槍充電的方式，同時(shí)在谷時(shí)時(shí)刻一到來(lái)就將所有充電車(chē)輛接入電網(wǎng)充電，因此會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路及配電變壓器重過(guò)載，進(jìn)而導(dǎo)致線(xiàn)路及配電變壓器損耗增加，降低設(shè)備使用壽命。實(shí)施電動(dòng)公交車(chē)有序充電策略，對(duì)于三方都是有利的，可以實(shí)現(xiàn)共贏。對(duì)于公交公司而言，不影響電動(dòng)公交車(chē)充電，也不需要多支付充電費(fèi)用；對(duì)充電樁運(yùn)營(yíng)商而言，可以減少損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；對(duì)供電公司而言，可以消除線(xiàn)路重載情況，降低線(xiàn)損。

2 電動(dòng)公交車(chē)有序充電優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 電動(dòng)公交車(chē)剩余電量預(yù)測(cè)

目前，公交公司為保護(hù)隱私，不能將電動(dòng)公交車(chē)剩余電量提供給充電樁運(yùn)營(yíng)商，所以需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)剩余電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。每輛車(chē)的剩余電量與司機(jī)開(kāi)車(chē)風(fēng)格、天氣溫度、公交路線(xiàn)（路段情況）、工作日還是節(jié)假日、載客量等有關(guān)，由于每日同一輛電動(dòng)公交車(chē)運(yùn)行情況差不多，所以每日同一輛電動(dòng)公交車(chē)的剩余電量近似相同，利用歷史數(shù)據(jù)近似作為當(dāng)日每輛電動(dòng)公交車(chē)的剩余電量。

2.2 電動(dòng)公交車(chē)充電負(fù)荷模型

電動(dòng)公交車(chē)充電負(fù)荷曲線(xiàn)與很多因素有關(guān)，從設(shè)備層面上來(lái)說(shuō)，與電池、充電樁及電池與充電樁的匹配程度等有關(guān)；從外界條件上來(lái)說(shuō)，與環(huán)境溫度等因素有關(guān)。電動(dòng)公交車(chē)充電過(guò)程主要包括預(yù)充電階段、恒功率充電階段和恒壓充電階段，其中以恒功率充電階段為主。在進(jìn)行電動(dòng)公交車(chē)有序充電優(yōu)化調(diào)度時(shí)可將電動(dòng)公交車(chē)充電負(fù)荷近似認(rèn)為恒功率充電[5]，由于電壓近似認(rèn)為不變，電動(dòng)公交車(chē)充電負(fù)荷近似等效于恒電流充電。即以恒定的充電電流值充電，充電的時(shí)間可作為描述每輛電動(dòng)公交車(chē)充電負(fù)荷曲線(xiàn)的特征量。由于每個(gè)公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的電動(dòng)公交車(chē)的路線(xiàn)一致，每天收班時(shí)剩余電量差別較小，可以近似認(rèn)為相等。每個(gè)公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路所有需充電車(chē)輛的充電曲線(xiàn)電流可以認(rèn)為是車(chē)輛數(shù)乘以每輛車(chē)充電的電流。

2.3 電動(dòng)公交車(chē)有序充電優(yōu)化調(diào)度模型

供電公司和充電樁運(yùn)營(yíng)商之間的互動(dòng)關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，每日充電樁運(yùn)營(yíng)商需向供電公司上報(bào)每條公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路需要充電的車(chē)輛數(shù)，供電公司通過(guò)優(yōu)化決策，給充電樁運(yùn)營(yíng)商下發(fā)各公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路車(chē)輛的充電時(shí)刻。

圖1 供電公司與充電樁運(yùn)營(yíng)商之間的互動(dòng)關(guān)系圖

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文優(yōu)化模型以各公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路充電參與狀態(tài)為優(yōu)化變量，建立以充電樁運(yùn)營(yíng)商損耗費(fèi)用最小，且供電公司線(xiàn)路峰谷差最小的目標(biāo)函數(shù)。

其中，T為調(diào)度時(shí)段數(shù)；N為某充電站需要充電的公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路數(shù)為某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路j時(shí)段t的充電總電流為某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路j時(shí)段t+1的充電總電流；為某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路j時(shí)段t的充電狀態(tài)量，非0即1為某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路j時(shí)段t+1的充電狀態(tài)量，非0即1；R為損耗的等效電阻值；Δt為調(diào)度時(shí)段數(shù)；w1、w2為權(quán)重系數(shù)，均為非負(fù)數(shù)，且w1+w2=1。

2.3.2 約束條件

a）對(duì)于任意時(shí)段，充電車(chē)輛數(shù)不大于充電樁數(shù)。公式為

其中，Npile為充電樁數(shù)。

b）某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路車(chē)輛充電時(shí)長(zhǎng)約束。計(jì)算公式為

其中，Tj為某一公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路j充滿(mǎn)電所需的時(shí)段數(shù)。

c）對(duì)于任意時(shí)段，配電線(xiàn)路容量約束。

其中，Il，max為線(xiàn)路不重載的電流限值。

2.4 模型求解

本文所提出的模型為以各公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路充電狀態(tài)為優(yōu)化變量的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，利用商用求解器CPLEX優(yōu)化求解，計(jì)算效率較高。

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)設(shè)置

以轄區(qū)某日充電站充電車(chē)輛相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）為例進(jìn)行有序充電優(yōu)化計(jì)算分析?？紤]次日公交車(chē)首班車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)間和充電站工作人員插拔充電槍時(shí)間等，將充電時(shí)間定為23：00—次日03：00，每15 min為一個(gè)時(shí)段，共16個(gè)時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在MATLAB R2008a平臺(tái)進(jìn)行編程，調(diào)用CPLEX求解器進(jìn)行求解。

表1 轄區(qū)某日某充電站充電車(chē)輛數(shù)據(jù)

3.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

各公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)充電時(shí)序如下：27、65、S4、858、S6線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)23：00開(kāi)始充電，310線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)次日00：30開(kāi)始充電，76線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)次日00：45開(kāi)始充電，65支線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)次日01：00開(kāi)始充電，311、84線(xiàn)路電動(dòng)公交車(chē)次日01：30開(kāi)始充電。充電站工作人員只需要按照此充電時(shí)序?qū)⒏鞴贿\(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的車(chē)輛充電即可。

有序充電前后的電流曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可知，實(shí)施有序充電方案后，雖然總充電時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了45 min，但是線(xiàn)路充電負(fù)荷的峰谷差降低，重載現(xiàn)象得到較大緩解。在次日01：00出現(xiàn)一個(gè)充電高峰是由于本文算例中考慮在次日03：00前將所有車(chē)輛都充至滿(mǎn)電，而次日01：00前有一些車(chē)輛未充滿(mǎn)電，這時(shí)又有其他線(xiàn)路車(chē)輛充電導(dǎo)致充電負(fù)荷疊加。實(shí)際中可以將充電總時(shí)長(zhǎng)進(jìn)一步延長(zhǎng)，負(fù)荷高峰就會(huì)消失。

圖2 電動(dòng)公交車(chē)有序充電前后的電流曲線(xiàn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著太原市電動(dòng)公交車(chē)的大量投入，充電站電動(dòng)公交車(chē)夜間充電造成線(xiàn)路及變壓器重過(guò)載。首先按照公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路預(yù)測(cè)了電動(dòng)公交車(chē)的剩余電量，然后以公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路分類(lèi)，對(duì)電動(dòng)公交車(chē)的充電負(fù)荷進(jìn)行聚合，提出了電動(dòng)公交車(chē)有序充電優(yōu)化調(diào)度模型。通過(guò)對(duì)轄區(qū)某日某充電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到了該日的有序充電方案，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，消除了線(xiàn)路和配電變壓器的重過(guò)載情況，驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。