劉科學(xué),李雪梅,謝楓,鐘侃,介志毅

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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。對充電樁運行效益進(jìn)行檢測，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)實意義[1]。

文獻(xiàn)[2]提出采用肯定測試和否定測試的方法檢測直流充電樁。該方法對直流充電樁的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行全面監(jiān)測，包括充電樁電氣特性、協(xié)議一致性及互操作性，結(jié)合實際測試經(jīng)驗，處理錯誤并對其進(jìn)行優(yōu)化，得到充電樁的電氣參數(shù)和互操作性，直接對充電樁進(jìn)行檢驗測試，使其滿足充電設(shè)備運行檢測的需求。該方法可有效實現(xiàn)充電樁特征的檢測，但對充電樁經(jīng)濟(jì)效益方面考慮甚少。文獻(xiàn)[3]對充電樁的通信協(xié)議進(jìn)行檢測，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，對輸出電流電壓進(jìn)行監(jiān)測，采用模塊集成化與分析智能化的手段，進(jìn)一步監(jiān)測充電樁開放式通信和數(shù)據(jù)交換的運行狀態(tài)，判斷充電樁的正常充電狀態(tài)和異常充電狀態(tài)，實現(xiàn)充電樁業(yè)務(wù)流程的智能化檢測。該方法可智能檢測充電樁業(yè)務(wù)流程，但對充電樁的經(jīng)濟(jì)效益無法預(yù)估。文獻(xiàn)[4]提出測試充電樁控制兼容性和通信兼容性，對充電樁的充電故障進(jìn)行模擬，對常見故障進(jìn)行分類，對充電樁的連接控制時序及通信協(xié)議進(jìn)行測試，針對不同型號充電設(shè)備重點監(jiān)測，檢測充電樁整個充電過程互聯(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)。該方法可實現(xiàn)充電樁充電接口的互聯(lián)互通，但該方法檢測過程較為復(fù)雜，檢測較為耗時，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行效益檢測系統(tǒng)。通過聯(lián)絡(luò)線峰谷差充分體現(xiàn)充電樁發(fā)電的時效性，反映聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的負(fù)荷變化，通過對最優(yōu)調(diào)度值峰谷差的判斷，提高檢測系統(tǒng)的傳輸能力和檢測效率。與傳統(tǒng)方法相比所提方法具有一定優(yōu)勢。

2 充電樁綜合運行效益檢測系統(tǒng)

2.1 聯(lián)絡(luò)線通信信號采集

在聯(lián)絡(luò)線通信信號采集中，需要采集充電握手、充電、充電結(jié)束三個階段中充電樁的聯(lián)絡(luò)線通信信號，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。首先對聯(lián)絡(luò)線通信的報文時間進(jìn)行檢測，報文時間誤差要求如表1所示。

表1 報文時間誤差要求

通過表1所示內(nèi)容，選取符合標(biāo)準(zhǔn)的報文時間段，對該時間段內(nèi)充電樁充電過程報文參數(shù)進(jìn)行分類。在充電握手階段，判斷通信信號是否存在兼容的新增報文，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，對充電參數(shù)進(jìn)行配置。根據(jù)通信采集的報文信息，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，對充電電壓和電流進(jìn)行調(diào)整[5]。在充電結(jié)束階段，獲取含有充電狀態(tài)及充電需求的報文數(shù)據(jù)。將以上三個階段的報文數(shù)據(jù)分為BMV、BSP、BMT三類報文，分類如表2所示。

表2 報文數(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，獲取通信各階段中典型報文，以此對充電樁回應(yīng)報文和通訊進(jìn)程進(jìn)行測試，獲取其變化情況，實現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線通信的否定測試。測試具體流程如圖1所示。對充電栓聯(lián)絡(luò)線的通信信號進(jìn)行檢測，設(shè)定相關(guān)參數(shù)信息，根據(jù)報文邏輯和內(nèi)容，判斷通信信號是否一致，實現(xiàn)通信信號的篩選，去除干擾信號[6]，完成聯(lián)絡(luò)線通信信號的采集。

圖1 聯(lián)絡(luò)線通信信號測試流程

2.2 基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差計算的傳輸功率獲取

對聯(lián)絡(luò)線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，獲取充電栓運行狀態(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，得到充電栓實際輸出功率。對聯(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)會約束，對聯(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為充電栓臺數(shù)，t為檢測充電栓的運行時段，Pit為第i臺充電栓在t時段的有功出力，Pwt為t時段的常規(guī)負(fù)荷預(yù)測值，Pdt為t時段的儲能充放電功率。

設(shè)聯(lián)絡(luò)線功率期望值為P0，實際功率容量為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)會規(guī)劃，并根據(jù)充電栓實際參數(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)會的約束條件為：

式中，j為聯(lián)絡(luò)線峰谷個數(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。

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

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

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，表示檢測系統(tǒng)中的充電栓設(shè)備被調(diào)度，s為0 時，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)，對聯(lián)絡(luò)線實際傳輸功率進(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)換為可計算的定性約束條件，選取最大約束條件替換多個約束函數(shù)集，然后利用階躍函數(shù)，計算充電栓運行效益的目標(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)線的實際傳輸功率，完成基于聯(lián)絡(luò)線峰谷差傳輸功率的計算。

2.3 充電樁運行效益判斷

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

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，表示充電栓啟動運行，φ為0 時，表示充電栓停止運行，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，將充電栓的容量儲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行狀態(tài)中的電量儲能效益，以及對下層效益的作用程度。

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

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

由此可得充電栓綜合運行效益的目標(biāo)函數(shù)C為：

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行計算，得到充電栓綜合運行效益，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3 實驗分析

為驗證設(shè)計系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行對比實驗。將此次系統(tǒng)記為實驗A組，兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)分別記為實驗B組、實驗C組，三組實驗分別對充電栓綜合運行效益進(jìn)行檢測，比較不同系統(tǒng)的檢測時間。

3.1 實驗過程

選取電動汽車交流充電栓作為實驗對象，在滿足充電需求基礎(chǔ)上，實現(xiàn)充電成本最低。根據(jù)充電栓負(fù)荷的峰谷情況，對電動汽車的充電時間和充電費用進(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，峰時段負(fù)荷需求為950MW，谷時段負(fù)荷需求600MW，平時段負(fù)荷需求為750MW。設(shè)置三組實驗的計算參數(shù)，如表4所示。

表4 參數(shù)設(shè)置

實驗共構(gòu)建3種實驗場景，對充電栓綜合運行效益進(jìn)行檢測。場景1為考慮充電栓運行成本，峰谷差控制在10%的檢測環(huán)境，場景2為峰谷差控制在20%的檢測環(huán)境，場景3為峰谷差控制在60%的檢測環(huán)境，3 種場景下的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率不同，如圖2所示。

圖2 各場景聯(lián)絡(luò)線傳輸功率曲線

由圖2可知，場景1的聯(lián)絡(luò)線傳輸功率峰值為1566．7kW，場景2的傳輸功率峰值為810．9kW，場景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)在以上實驗環(huán)境下進(jìn)行檢測。

3.2 實驗結(jié)果

三種場景下各項運行效益如表5所示。

表5 實驗檢測結(jié)果(萬元)

由表5可知，三組實驗的檢測值相差不大，均能保證運行效益檢測的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，記錄3種場景下檢測時間，對比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，峰谷差控制在10%時，實驗A組平均檢測時間為56s，實驗B 組平均檢測時間為67s，實驗C 組平均檢測時間為86s，實驗A組檢測時間分別縮短了10s、30s。峰谷差控制在20%時，實驗A組平均檢測時間為52s，實驗B組平均檢測時間為71s，實驗C 組平均檢測時間為89s，實驗A 組檢測時間分別縮短了20s、37s。峰谷差控制在60%時，實驗A組平均檢測時間為47s，實驗B 組為81s，實驗C 組為84s，實驗A 組檢測時間分別縮短了34s、57s。綜上所述，實驗A 組利用聯(lián)絡(luò)線峰谷差，對峰谷差進(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，縮短了運行效益檢測時間，提高了檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值。

圖3 實驗對比結(jié)果

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計系統(tǒng)充分發(fā)揮聯(lián)絡(luò)線峰谷差的優(yōu)勢，通過峰谷差率計算聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，縮短了運行效益的檢測時間。但此次系統(tǒng)仍存在一些不足，缺乏對遠(yuǎn)程檢測的設(shè)計，在今后研究中，會采用參數(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，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。