基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的配電臺(tái)區(qū)分時(shí)共享充電系統(tǒng)及工程應(yīng)用

李清濤，劉洋，盧鉞，劉順，周亞娟，蘭越前，汪競(jìng)之

（1.國(guó)網(wǎng)北京海淀供電公司，北京 100031；2.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京 100085）

0 引言

發(fā)展新能源汽車是我國(guó)推動(dòng)交通領(lǐng)域綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略舉措，在國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中，有明確要求：加快充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，依托“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源，提升智能化水平，積極推廣智能有序慢充為主、應(yīng)急快充為輔的居民區(qū)充電服務(wù)模式。2021年7月26日，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》，對(duì)各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，意在引導(dǎo)電力用戶盡量在高峰時(shí)段少用電、低谷時(shí)段多用電，從而保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提升系統(tǒng)整體利用效率、降低社會(huì)總體用電成本。

在上述政策驅(qū)動(dòng)下，電動(dòng)汽車快速普及，保有量將日益增長(zhǎng)。可以預(yù)見(jiàn)的是，不斷增加的充電需求與容量有限的配電資源之間的匹配矛盾會(huì)日趨凸顯。既有居民社區(qū)建設(shè)時(shí)并未充分考慮充電負(fù)荷，如大量建設(shè)充電樁，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷與高峰時(shí)段的常規(guī)基礎(chǔ)負(fù)荷容易疊加形成一個(gè)更高的負(fù)荷峰值，造成“峰上加峰”的現(xiàn)象，導(dǎo)致配電網(wǎng)線路過(guò)載、損耗增加，三相負(fù)荷不平衡等各種問(wèn)題，不利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1-2]。而對(duì)于新建的社區(qū)，因?yàn)槌潆娯?fù)荷具有很強(qiáng)的峰谷特性，如果以傳統(tǒng)的裕度設(shè)計(jì)充電負(fù)荷的配電容量，則會(huì)造成變壓器容量的浪費(fèi)，增大建設(shè)投資，不利于節(jié)能降耗。

針對(duì)以上問(wèn)題，近年來(lái)已有不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的有序充電策略和控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于嵌入式平臺(tái)的電動(dòng)汽車充電負(fù)荷控制單元設(shè)計(jì)方案，控制單元與充電樁交互與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)充電樁充電負(fù)荷的調(diào)控。文獻(xiàn)[4]提出一種在小區(qū)配電變壓器旁安裝能源控制器和在各個(gè)充電樁上安裝能源路由器的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)充電樁的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和策略控制，能夠降低住宅小區(qū)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷受配電變壓器容量約束，提升配變臺(tái)區(qū)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行水平。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于精英遺傳算法的電動(dòng)汽車有序充電策略，以降低負(fù)荷曲線峰谷差與充電成本最小為目標(biāo)，建立峰值不超過(guò)變壓器容量和電池電量充滿為約束的優(yōu)化模型，比無(wú)序充電時(shí)峰谷差降低了24%。以上有序充電方式有效調(diào)整了電動(dòng)汽車充電負(fù)荷對(duì)配電網(wǎng)造成的影響，但研究路徑大都是從控制或增加充電樁的功能著手，這種方式增大了充電樁的技術(shù)要求和建設(shè)成本，不利于大規(guī)模推廣。本文提出了一種基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的配電臺(tái)區(qū)分時(shí)共享充電策略，通過(guò)控制充電樁有序接入的方式，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行分時(shí)共享錯(cuò)峰充電，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)配電資源的充分有效利用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

配電臺(tái)區(qū)分時(shí)共享充電系統(tǒng)遵循“云、管、邊、端”的配電物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)[6-7]，采用改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的充電策略，以控制充電樁錯(cuò)峰、有序接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)區(qū)配電資源的充分有效利用，既提高配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力又減少充電費(fèi)用。系統(tǒng)自上而下4 個(gè)層級(jí)為：

1）“云”層級(jí)，包括電網(wǎng)配電管理主站和充電管理云平臺(tái)。配電管理主站主要接收存儲(chǔ)充電樁的運(yùn)行信息；充電管理云平臺(tái)主要完成設(shè)備管理、訂單管理、訂單結(jié)算、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)公告等功能。充電管理云平臺(tái)[8]與配電融合終端通過(guò)4G/5G 通信，完成分時(shí)共享充電系統(tǒng)的信息采集、統(tǒng)計(jì)管理、存儲(chǔ)和費(fèi)用結(jié)算等功能。用戶端通過(guò)移動(dòng)4G/5G 公網(wǎng)與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成充電、付費(fèi)等操作。

2）“管”層級(jí)，即通信網(wǎng)絡(luò)，采用4G/5G 移動(dòng)公網(wǎng)、本地?zé)o線局域網(wǎng)及臺(tái)區(qū)電力通信網(wǎng)（電力載波HPLC）；

3）“邊”層級(jí)，主要是臺(tái)區(qū)的配電融合終端，集邊緣計(jì)算[9-10]和控制功能為一體。分時(shí)共享充電APP 部署于配電融合終端的容器中，對(duì)上與充電管理云平臺(tái)無(wú)線通信，上送充電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，對(duì)下與智能控制單元通過(guò)短無(wú)線/高速電力載波通信。

4）“端”層級(jí)，主要指智能控制單元，通過(guò)無(wú)線或電力線載波（HPLC）[11]的方式與配電融合終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接收并執(zhí)行融合終端下發(fā)的調(diào)控指令，有序控制充電樁的接入。系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

1.1 主要硬件設(shè)備

分時(shí)共享充電系統(tǒng)主要硬件設(shè)備由配電融合終端[12]、智能控制單元和充電樁組成。

1）配電融合終端是配電臺(tái)區(qū)的核心設(shè)備，融合了營(yíng)銷和配電的數(shù)據(jù)源。分時(shí)共享充電APP 既能與其他應(yīng)用程序交互配電臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)用電信息，又能與其他應(yīng)用程序解耦運(yùn)行。

2）智能控制單元是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要由斷路器、控制模塊、換相開(kāi)關(guān)、保護(hù)模塊組成。負(fù)責(zé)接收、執(zhí)行配電融合終端發(fā)送的充電負(fù)荷投切控制指令，并上送控制單元及充電樁的充電負(fù)荷信息。

3）充電樁是自主研制的220 V/32 A 交流充電樁，移動(dòng)端無(wú)需安裝多余應(yīng)用，微信/支付寶掃碼即可完成支付、充電、監(jiān)控充電狀態(tài)和遠(yuǎn)程啟停充電等功能。

1.2 分時(shí)共享充電APP軟件架構(gòu)

分時(shí)共享充電APP 基于配電融合終端軟件開(kāi)放平臺(tái)開(kāi)發(fā)，并部署于LXC（Linux Container）容器中[13]。配電融合終端軟件系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2，Network OS 系統(tǒng)管理所有的網(wǎng)絡(luò)通信接口，LXC 系統(tǒng)接管RS485等接口和存儲(chǔ)設(shè)備，運(yùn)行User app 應(yīng)用。MQTT Broker[14-15]用于承載Network OS 與LXC 容器內(nèi)應(yīng)用APP 的通信[16]。

圖2 配電融合終端軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure of distribution fusion terminal

分時(shí)共享充電APP 軟件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，由主框架程序、數(shù)據(jù)采集模塊[17]、隊(duì)列調(diào)度模塊、控制策略模塊[18]、上下行通信模塊和配置模塊等組成。主框架程序是APP 軟件的基礎(chǔ)，主要負(fù)責(zé)各模塊的內(nèi)部接口和數(shù)據(jù)交互時(shí)的邏輯處理；數(shù)據(jù)采集模塊用來(lái)讀取交采APP 的采樣數(shù)據(jù)；隊(duì)列調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法并把計(jì)算結(jié)果與控制策略模塊交互；控制策略模塊實(shí)現(xiàn)分時(shí)共享充電控制策略并生成控制命令；上下行通信模塊主要是上送分時(shí)共享充電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，下發(fā)控制命令到智能控制單元，并采集執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 分時(shí)共享充電APP軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software structure of time-sharing charging APP

2 控制策略

在互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，隊(duì)列調(diào)度算法[19-21]一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。隊(duì)列調(diào)度算法主要是解決在一定的資源下，如何公平快速地處理數(shù)據(jù)信息。分時(shí)共享充電系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題亦是在供電資源有限的情況下如何調(diào)度充電樁進(jìn)行有序充電，同時(shí)確保供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)分時(shí)共享充電系統(tǒng)自身的特征，借鑒隊(duì)列調(diào)度算法[22]，本文提出了一種基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的配電臺(tái)區(qū)分時(shí)共享充電策略。

2.1 配電臺(tái)區(qū)供電資源

隨著電動(dòng)汽車保有量持續(xù)增加，既有配電臺(tái)區(qū)的容量已經(jīng)不能滿足大量電動(dòng)汽車無(wú)序充電[23-31]。以臺(tái)區(qū)擴(kuò)容的方式來(lái)應(yīng)對(duì)會(huì)降低設(shè)備的利用率，造成電網(wǎng)資源的極大浪費(fèi)。優(yōu)選的方式是在確保臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷的前提下，根據(jù)日負(fù)荷曲線充分利用配變的富裕容量資源為電動(dòng)汽車充電。新建充電系統(tǒng)根據(jù)車主對(duì)充電的急需情況，將汽車充電分為高、中、低3 個(gè)優(yōu)先級(jí)，采用分時(shí)電價(jià)[32-33]支付充電費(fèi)用。需緊急充電的汽車歸為高優(yōu)先級(jí)，充電價(jià)格最高，不論是高峰時(shí)段還是低谷時(shí)段，即插即充；其次是不緊急充電，日間平常時(shí)段充電即可，歸為中優(yōu)先級(jí)，充電價(jià)格居中，在平常時(shí)段和低谷時(shí)段充電；最后是白天出行，可選擇夜間充電的，歸為低優(yōu)先級(jí)，在低谷時(shí)段充電，充電價(jià)格最低。這樣，既能滿足用戶的充電需求，又充分挖掘變壓器在各負(fù)荷狀態(tài)下的供電能力，提高資源利用率。這對(duì)分時(shí)共享充電控制策略提出了很高的要求。

2.2 基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的分時(shí)共享充電策略

2.2.1 隊(duì)列調(diào)度算法

常用的隊(duì)列調(diào)度算法有3 種：SP（strict priority，嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)算法）、RR（round robin，輪詢調(diào)度算法）和WRR（weighted round robin，加權(quán)輪詢調(diào)度算法）[34-35]。RR 主要用于分時(shí)系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度，系統(tǒng)把進(jìn)程按先入先出的原則排成一個(gè)隊(duì)列，首進(jìn)程執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片后，停止該進(jìn)行并送到隊(duì)列末尾，再執(zhí)行下一個(gè)首進(jìn)程一個(gè)時(shí)間片后停止并送到隊(duì)列末尾，如此循環(huán)往復(fù)。這是一個(gè)絕對(duì)公平的調(diào)度算法。RR算法示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 RR算法示意圖Fig.4 RR algorithm diagram

WRR 算法在RR 算法的基礎(chǔ)上，為每個(gè)隊(duì)列設(shè)置了權(quán)重值，通過(guò)權(quán)重值的分配可以較多地調(diào)度高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列里的進(jìn)程。WRR 算法示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 WRR算法示意圖Fig.5 WRR algorithm diagram

2.2.2 改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法

在分時(shí)共享充電系統(tǒng)中，每臺(tái)充電汽車就像一個(gè)進(jìn)程，根據(jù)充電需求，分別歸于高、中、低3 個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，控制系統(tǒng)根據(jù)電力資源的情況按公平策略有序充電。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的隊(duì)列調(diào)度是按算法給某一個(gè)進(jìn)程分配執(zhí)行的時(shí)間片，其他進(jìn)行等待。分時(shí)共享充電系統(tǒng)相反，首先默認(rèn)電源可以給所有接入的汽車充電，在資源不夠的情況下，按調(diào)度算法斷開(kāi)隊(duì)列里的某些充電汽車，等待一個(gè)時(shí)間片后，再排到隊(duì)列末尾充電，如此往復(fù)，以確保每輛接入的充電車輛公平有序充電。

高峰時(shí)段，只有高優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的車可以充電，如電力資源不足時(shí)，采用改進(jìn)RR 輪詢算法，按順序切除部分充電車，等待一個(gè)時(shí)間片后再排到隊(duì)列末尾開(kāi)始充電，改進(jìn)RR 算法見(jiàn)圖6。

圖6 改進(jìn)RR算法示意圖Fig.6 Improved RR algorithm diagram

平常時(shí)段，高、中優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的車同時(shí)充電，低谷時(shí)段，高、中、低優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的車都可充電。在這兩個(gè)時(shí)段，采用WRR 加權(quán)輪詢算法，按權(quán)值比重切除隊(duì)列里部分車進(jìn)入等待充電模式，直到滿足電力資源閾值，一個(gè)時(shí)間片后，再排到相應(yīng)隊(duì)列末尾充電。改進(jìn)WRR 算法見(jiàn)圖7。

圖7 改進(jìn)WRR算法示意圖Fig.7 Improved WRR algorithm diagram

2.2.3 改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的分時(shí)共享充電策略

分時(shí)共享充電系統(tǒng)控制策略是通過(guò)控制充電樁的接入電源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電臺(tái)區(qū)變壓器供電資源的有效利用。高峰時(shí)段，僅投入高優(yōu)先級(jí)的車充電，按改進(jìn)RR 算法，對(duì)充電車輛進(jìn)行分時(shí)有序充電；平常時(shí)段，投入高、中優(yōu)先級(jí)的車充電，低谷時(shí)段，高、中、低優(yōu)先級(jí)的車都可排隊(duì)充電，按改進(jìn)WRR 算法，對(duì)充電車輛進(jìn)行分時(shí)有序充電控制。根據(jù)動(dòng)力鋰電池的充電特性，充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)20 min為一個(gè)時(shí)間片，一天共劃分72 個(gè)時(shí)間片。控制系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)間片起始時(shí)輪詢一次，根據(jù)峰谷時(shí)間段接入不同優(yōu)先級(jí)的充電車、統(tǒng)計(jì)新加入的車和接入等待列隊(duì)的車，并按優(yōu)先級(jí)分類排入相應(yīng)充電隊(duì)列末尾。再以臺(tái)區(qū)配變低壓側(cè)單相電流和三相電流不平衡度作為控制目標(biāo)進(jìn)行邏輯計(jì)算。當(dāng)控制目標(biāo)超出閾值時(shí)，控制系統(tǒng)逐個(gè)切除充電隊(duì)列前面的車進(jìn)入等待隊(duì)列，直到控制目標(biāo)低于閾值，一個(gè)時(shí)間片后進(jìn)入下一輪次，如此循環(huán)。該系統(tǒng)既能滿足公平充電需求，又使配電變壓器在均衡狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.4 臺(tái)區(qū)可加裝充電樁數(shù)量計(jì)算

配電臺(tái)區(qū)加裝無(wú)序充電樁的數(shù)量是根據(jù)變壓器的高峰時(shí)段的容量裕度計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：Nu為可安裝的充電樁數(shù)量；Se為變壓器容量；β為變壓器負(fù)載率；Pj為臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷；Pc為充電樁容量。

分時(shí)共享充電策略除了考慮臺(tái)區(qū)的基礎(chǔ)負(fù)荷，又加入時(shí)間維度計(jì)算可加裝的充電樁數(shù)量，計(jì)算公式為

式中：No為可安裝的充電樁數(shù)量；T24為24 h；Pj為臺(tái)區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷；Tev為單臺(tái)車充滿的時(shí)間。

2.3 控制流程

分時(shí)共享充電系統(tǒng)的邏輯控制中心處于配電融合終端的分時(shí)共享充電APP 中。該應(yīng)用實(shí)時(shí)采集配電變壓器低壓出口處三相電流、電壓等信息，判斷單相電流和三相電流不平衡度是否大于閾值。根據(jù)控制目標(biāo)，對(duì)接入的充電電源進(jìn)行邏輯投切控制，控制流程見(jiàn)圖8。

圖8 控制流程圖Fig.8 Control flow chart

3 工程應(yīng)用

文中所設(shè)計(jì)的分時(shí)共享充電系統(tǒng)已在北京某停車場(chǎng)安裝運(yùn)行，配電臺(tái)區(qū)變壓器型號(hào)為S13-M-315/10，額定容量為315 kVA，變壓器負(fù)載率60%，晚高峰時(shí)段，最大有功功率145 kW 左右，基礎(chǔ)負(fù)荷見(jiàn)圖9。加裝的充電樁為220 V/32 A 交流充電樁，容量為7 kW。單臺(tái)車充滿約為7 h。根據(jù)計(jì)算公式（1）計(jì)算，無(wú)序充電時(shí)，可加裝的充電樁數(shù)量為6臺(tái)。采用分時(shí)共享充電策略時(shí)，根據(jù)計(jì)算公式（2）計(jì)算，可以加裝44 臺(tái)交流充電樁，如果按單車3 天充電一次估算，充電樁的數(shù)量可以再增加2 倍，共計(jì)可安裝132 臺(tái)充電樁。

圖9 配電變壓器基礎(chǔ)負(fù)荷曲線Fig.9 Distribution transformer base load curve

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)充電試驗(yàn)對(duì)文中所提出的基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的分時(shí)共享充電策略進(jìn)行了驗(yàn)證。選用10 臺(tái)車進(jìn)行測(cè)試，1 臺(tái)緊急充電，3 臺(tái)平常時(shí)段充電，6 臺(tái)低谷時(shí)段充電。接入充電樁后變壓器負(fù)荷曲線見(jiàn)圖10，從圖10 可看出，充電負(fù)荷充分利用了低谷時(shí)段和平常時(shí)段的電力資源，削峰填谷明顯，均衡了配電變壓器的出力。

圖10 接入充電樁后變壓器負(fù)荷曲線Fig.10 Transformer load curve after connecting to the charging pile

依據(jù)北京市一般工商業(yè)峰谷電價(jià)（見(jiàn)表1）計(jì)算，用戶采用分時(shí)充電方式充電比無(wú)序充電，可減少30%～60%的充電費(fèi)用。

表1 北京一般工商業(yè)峰谷電價(jià)Table 1 Beijing general industrial and commercial peak and valley electricity price

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于改進(jìn)隊(duì)列調(diào)度算法的配電臺(tái)區(qū)分時(shí)共享充電策略，并進(jìn)行了實(shí)際工程驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明，所提策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)充電汽車有序調(diào)度，不僅提升了配電臺(tái)區(qū)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行水平，而且還減少了電動(dòng)汽車用戶充電費(fèi)用。從電網(wǎng)對(duì)充電負(fù)荷承載能力來(lái)看，本充電策略能夠突破社區(qū)電動(dòng)汽車充電規(guī)模受配電變壓器容量約束的限制，提升既有社區(qū)乃至城市電網(wǎng)對(duì)充電負(fù)荷的接納能力，推動(dòng)電動(dòng)汽車的普及。