張津瑋, 李　婧

(上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上?！?00090)

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基于銀行家算法的電動(dòng)汽車充電擁塞控制機(jī)制

張津瑋, 李婧

(上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海200090)

摘要:基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的“閉環(huán)反饋擁塞控制”和“銀行家算法”,設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車充電擁塞控制機(jī)制.在充電過程中,若出現(xiàn)擁塞,則反饋信息給控制器.系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和銀行家算法,在充電樁可能的功率組合中尋找能使變壓器負(fù)載不超過額定值,且總體所需充滿電池時(shí)間最短的解,對(duì)各個(gè)充電樁重新進(jìn)行功率分配,并反饋新的狀態(tài)信息到控制器,形成閉環(huán)反饋控制.最后,通過一組隨機(jī)的充電樁狀態(tài)進(jìn)行擁塞發(fā)生后的實(shí)驗(yàn),并在系統(tǒng)保護(hù)裝置未反應(yīng)的時(shí)間內(nèi)找到高效充電功率組合,驗(yàn)證了該機(jī)制的可行性.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車; 銀行家算法; 擁塞控制機(jī)制; 充電時(shí)間

能源和環(huán)境問題是當(dāng)今世界所面臨的兩大難題,電動(dòng)汽車這種清潔環(huán)保的交通工具越來越受到人們的關(guān)注.但與傳統(tǒng)燃油汽車相比,電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、效率低,阻礙了電動(dòng)汽車的推廣.

目前電動(dòng)汽車的充電方式有電池更換、慢速充電和快速充電.其中,電池更換成本高,慢速充電耗時(shí)長(zhǎng),快速充電效率高、時(shí)間短.然而電動(dòng)汽車快速充電時(shí)功耗極大,對(duì)電網(wǎng)帶來巨大沖擊.以比亞迪E6純電動(dòng)汽車為例,快速充電時(shí)功率可高達(dá)192 kW,15 min充滿80%[1],是普通空調(diào)功率的近百倍,很容易造成變壓器或線路的擁塞.所以,目前充電樁的建設(shè)只能以“慢充為主、快充為輔”,大大降低了電動(dòng)汽車的使用效率,限制了電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展.

1問題分析

為了在保證配電網(wǎng)安全運(yùn)行的同時(shí),又能提高電動(dòng)汽車的充電速率,需要設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車充電擁塞控制的相關(guān)機(jī)制,使配電網(wǎng)能分配盡量多的電能給充電樁使用,并且使變壓器的負(fù)載維持在額定范圍內(nèi).

由于一臺(tái)變壓器一般會(huì)同時(shí)對(duì)數(shù)個(gè)充電樁進(jìn)行供電,而配電系統(tǒng)的各部分都不能超過額定值工作，所以控制系統(tǒng)只需控制充電樁到與其相連接的變壓器之間不出現(xiàn)擁塞,就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電擁塞的控制.

這樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就需要解決2個(gè)問題:如何對(duì)充電樁總的功率在整體宏觀上的有效調(diào)控;如何在細(xì)節(jié)上合理地分配變壓器剩余的可用電能資源到各個(gè)充電樁.所以,在控制機(jī)制上分為“閉環(huán)反饋擁塞控制”和“基于銀行家算法的充電速率分配”兩部分,對(duì)應(yīng)從整體到細(xì)分的調(diào)控.

首先,為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的便利,需假設(shè)3個(gè)必要的條件:

(1) 從變壓器到充電樁之間的線路是專門配制的,可滿足快速充電大電流的需求;

(2) 各個(gè)充電樁以及變壓器也裝配了可實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速反映的測(cè)量設(shè)備;

(3) 控制系統(tǒng)可調(diào)控各個(gè)充電樁的充電速率.

然后,關(guān)于控制和測(cè)量對(duì)象的選擇,分析文獻(xiàn)《大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)》中充電機(jī)的設(shè)計(jì),將功率作為系統(tǒng)的主要測(cè)量和控制對(duì)象較為合適.設(shè)連接變壓器的充電樁數(shù)量為x,當(dāng)前各個(gè)充電樁的充電功率為pk1(k=1,2,3，…,x),記總的功率為yn:

(1)

因?yàn)橐话阕儔浩鞯脑O(shè)計(jì)制造中會(huì)留有1/5左右的功率余量,所以設(shè)定擁塞的閾值為變壓器的額定功率是比較安全的.即充電樁總的功率加其他居民正常用電功率的總量,不得超過變壓器的額定功率,否則判定為擁塞.

設(shè)變壓器額定功率為R,其他居民正常用電功率為C,變壓器剩余可用功率余量為rn.測(cè)量變壓器每條供電線路的數(shù)據(jù)就可得到除充電樁外的當(dāng)前其他居民正常用電功率C,且：

(2)

2基于銀行家算法的控制策略

要將變壓器有限的可用電能分配給各個(gè)充電樁,這類似于銀行貸款發(fā)放的問題.銀行希望將有限的資金發(fā)給盡量多的客戶,追求放貸利潤(rùn)的最大化;而電動(dòng)汽車充電擁塞控制系統(tǒng)希望將有限的電能資源盡量多地分配給用戶,追求最短的充電時(shí)間.

“銀行家算法”允許計(jì)算進(jìn)程中動(dòng)態(tài)地申請(qǐng)資源,然后試探性地計(jì)算該申請(qǐng)資源是否安全,若不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài),則分配;否則等待[2].圖1為基于“銀行家算法”設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用戶進(jìn)行充電前的控制策略.用戶在充電之前必須經(jīng)過“用戶充電請(qǐng)求系統(tǒng)”的處理,先根據(jù)自己的需要,向系統(tǒng)請(qǐng)求相應(yīng)速率的充電服務(wù)pq1.系統(tǒng)將查詢變壓器當(dāng)前的可用功率余量rn,當(dāng)rn能滿足此次請(qǐng)求,則允許;當(dāng)不能滿足時(shí),計(jì)算rn減去當(dāng)前其他充電樁功率后所得的值pq2,然后依據(jù)pq2選擇系統(tǒng)可接受的充電速率,并詢問用戶是否接受,不接受則退出.當(dāng)電動(dòng)汽車正式開始充電后,將隨之記錄充電狀況的變化,并計(jì)算充滿電池所需總的時(shí)長(zhǎng)、剩余充滿電池時(shí)間和實(shí)時(shí)的費(fèi)用.這避免了電動(dòng)汽車大功率快速充電突然接入時(shí),對(duì)配電網(wǎng)造成的沖擊.

此外,為保證供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行,對(duì)系統(tǒng)做出以下規(guī)定:

(1) 當(dāng)一個(gè)用戶對(duì)電能的最大需求量不超過變壓器當(dāng)前的可用余量時(shí),可接納該用戶充電;

(2) 電動(dòng)汽車可以分期充電,但充電速率不能超過其最大需求量;

(3) 當(dāng)變壓器的可用電能余量不能滿足用戶當(dāng)前的充電速率時(shí),對(duì)用戶的電動(dòng)汽車可推遲充電或降低速率充電,但總能使用戶在有限的時(shí)間里充滿電;

(4) 當(dāng)用戶得到最大需求量的全部電能后,要在規(guī)定的時(shí)間完成充電.

3閉環(huán)反饋擁塞控制

從某種角度看,配電網(wǎng)也是一種網(wǎng)絡(luò),跟計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在整體宏觀上有相似性[3].為解決系統(tǒng)整體功率的有效調(diào)控,設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的“閉環(huán)反饋擁塞控制”,以充電樁為“端”,為充電樁供電的變壓器為“中心”,變壓器承載的其他居民正常用電為“影響”[4],建立“閉環(huán)反饋電動(dòng)汽車充電擁塞控制機(jī)制”,從而達(dá)到控制充電擁塞的目的.

計(jì)算機(jī)閉環(huán)反饋擁塞控制中有3個(gè)關(guān)鍵機(jī)制,即檢索機(jī)制,反饋機(jī)制和調(diào)整機(jī)制[5].在電動(dòng)汽車充電擁塞控制系統(tǒng)中也建立類似的3種關(guān)鍵機(jī)制.

(1) 檢索機(jī)制對(duì)變壓器和充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),若變壓器負(fù)載功率大于或等于額定值,則判定發(fā)生擁塞.

(2) 反饋機(jī)制當(dāng)擁塞時(shí),由變壓器的測(cè)量裝置向控制器反饋擁塞警告及當(dāng)前變壓器和充電樁的狀態(tài)信息,通告系統(tǒng)已發(fā)生擁塞.并且控制器將計(jì)算變壓器額定功率減去其他居民正常用電功率后剩余的可用功率余量.

(3) 調(diào)整機(jī)制當(dāng)系統(tǒng)接收到擁塞信號(hào)后,根據(jù)當(dāng)前變壓器剩余的可用功率余量和電動(dòng)汽車的充電狀態(tài),對(duì)各個(gè)充電樁的充電速率(即功率大小)進(jìn)行調(diào)整,使所有充電樁總的功率小于變壓器可用功率余量,且使所有充電樁所需總的充滿電池的時(shí)間最短.

閉環(huán)擁塞反饋控制系統(tǒng)如圖2所示.rn作為輸入目標(biāo)量,與當(dāng)前yn做比較,若

(3)

則表示擁塞發(fā)生,系統(tǒng)調(diào)整各個(gè)充電樁的功率,使總的功率下降到y(tǒng)n+1,且

(4)

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收來自變壓器和充電樁所反饋的信息,并比較變壓器可用功率余量與充電樁總的功率大小.當(dāng)C增大,使rn減少到會(huì)導(dǎo)致?lián)砣乃綍r(shí),先暫時(shí)斷開對(duì)充電樁的供電,并計(jì)算出能使電動(dòng)汽車總體所需充滿電池時(shí)間最短,且總的功率小于rn的高效充電速率組合;最后,依據(jù)該組合對(duì)各個(gè)充電樁進(jìn)行新的功率分配,重啟充電.

而以上控制的關(guān)鍵在于如何計(jì)算滿足條件的高效充電速率組合,這是除從整體上閉環(huán)反饋控制擁塞外,需從細(xì)節(jié)電能分配上進(jìn)一步解決的問題.要解決這一問題,需知曉電動(dòng)汽車在大小不同的充電功率條件下與相應(yīng)充滿電池所需時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系,以此為基礎(chǔ)按照銀行家算法的思路,試探性計(jì)算各個(gè)充電組合中是否有滿足條件的最佳解(即高效充電速率組合).

4高效充電速率組合的計(jì)算

4.1充電時(shí)間函數(shù)

為得到充電功率與充滿時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系,需先測(cè)試電動(dòng)汽車在大小不同的充電功率條件下對(duì)應(yīng)的充滿電池時(shí)間,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù).表1是以比亞迪E6為參考電動(dòng)汽車,得到的部分充電信息(具體測(cè)試環(huán)境和參數(shù)不詳).由表1可以看出，隨著充電功率的增大,充滿時(shí)間也隨之非線性地減少.

注:數(shù)據(jù)來自太平洋汽車網(wǎng).

4.2充電樁當(dāng)前狀態(tài)

為更清晰地驗(yàn)證高效充電速率組合的計(jì)算選擇過程,假設(shè)一臺(tái)400 kW配電變壓器供100戶使用,并建有可調(diào)速充電樁4個(gè),記為x1,x2,x3,x4,各自對(duì)應(yīng)的當(dāng)前充電功率為pk1(k=1,2,3,4),剩余充滿電池所需的時(shí)間為tk1(k=1,2,3,4).利用Matlab產(chǎn)生4個(gè)充電樁的當(dāng)前隨機(jī)狀態(tài),如圖4所示.

若此時(shí),變壓器的可用功率余量rn下降到113 kW,且小于4個(gè)充電樁總的充電功率,導(dǎo)致?lián)砣l(fā)生;則需調(diào)整總的充電功率到小于rn的水平,記4個(gè)充電樁調(diào)控后的功率為pk2(k=1,2,3,4),得到約束條件為:

(6)

設(shè)各個(gè)充電樁調(diào)控后的剩余充滿電池的時(shí)間為tk2(k=1,2,3,4),所有充電樁剩余充滿電池的時(shí)間總和為ta,ta的最小值為tmin.在pk2的充電功率下,雖然充電功率大小和充滿電池剩余所需時(shí)間都發(fā)生了變化,但電池還需繼續(xù)充入的電能一樣,則：

(7)

得到方程:

(8)

(9)

4.3按步長(zhǎng)選取充電速率檔位

目前,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)的充電樁有交流充電樁和直流充電樁兩種,充電功率最大的為120 kW.如北京凱源新能科技有限公司生產(chǎn)的交流充電樁額定電壓為220 V/380 V,額定電流為16 A/32 A,直流充電樁輸出功率為20 kW/40 kW/60 kW/90 kW/120 kW.

4.4不同步長(zhǎng)取檔下的計(jì)算耗時(shí)

在配電網(wǎng)中，繼電保護(hù)系統(tǒng)一般快速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為0.04～0.08s,最快的可達(dá)0.01～0.04s.因此,系統(tǒng)應(yīng)在0.01s的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算.而選取充電速率的檔位數(shù)量如果過多,會(huì)大大增加解空間和計(jì)算的耗時(shí),選擇合理的取檔步長(zhǎng),是提高計(jì)算效率的關(guān)鍵.

對(duì)充電速率的檔位進(jìn)行不同步長(zhǎng)的取值,建立對(duì)應(yīng)的N×N×N×N四維解空間,根據(jù)圖4中信息在p12+p22+p32+p42<113kW的約束條件下,通過式(8)計(jì)算相應(yīng)的tmin,并記錄完成整個(gè)計(jì)算所耗的時(shí)長(zhǎng),得到相關(guān)結(jié)果如表2所示.由表2可知，不同步長(zhǎng)下,電動(dòng)汽車總的剩余充滿電池時(shí)間ta都維持在5.1h左右,而步長(zhǎng)大于8kW時(shí),計(jì)算耗時(shí)小于0.01s,滿足在繼電保護(hù)系統(tǒng)未動(dòng)作前完成計(jì)算的要求.

注:所用臺(tái)式電能硬件參數(shù):處理器為Intel Xeon,E3-1230 v3;RAM為8 GB,1 600 MHZ;操作系統(tǒng)為Windows 7 64位.

為了更符合實(shí)際中充電樁充電速率檔位的設(shè)計(jì)和更快地完成計(jì)算,將充電功率按照常用充電樁的規(guī)格分為9個(gè)檔位:0 kW,4 kW,7 kW,10 kW,20 kW,40 kW,60 kW,90 kW,120 kW.按照9個(gè)檔位計(jì)算得到高效充電速率組合為:p12=20 kW,p22=20 kW,p32=20 kW,p42=40 kW,tmin約為5.558 h,整個(gè)計(jì)算過程耗時(shí)小于0.002 s,符合需要滿足的要求.

5結(jié)語

電動(dòng)汽車充電擁塞控制的方法只針對(duì)變壓器到充電樁之間的擁塞控制,著重于可用電能資源的合理分配,不需要改造或調(diào)控配電網(wǎng)其他環(huán)節(jié).具體步驟分為以下6步:控制器實(shí)時(shí)接收來自變壓器和充電樁的狀態(tài)信息,比較充電樁總的功率是否小于變壓器的剩余可用功率余量,以此判斷是否發(fā)生擁塞;用戶給電動(dòng)汽車充電前,需經(jīng)過“用戶充電請(qǐng)求系統(tǒng)”的處理;充電過程中,居民正常用電量增大致使擁塞發(fā)生時(shí),先暫停充電;利用充電功率大小與充滿電池所需時(shí)間的函數(shù)關(guān)系,將所有可能的充電速率組合帶入式(8)進(jìn)行計(jì)算,找出能使電動(dòng)汽車總的充滿時(shí)間最短的高效充電速率組合;將各個(gè)充電樁的充電速率按照高效充電速率組合重新分配;反饋調(diào)控后的變壓器和充電樁狀態(tài)信息到控制器.

參考文獻(xiàn)：

[1]何占偉,劉捷,王志本.大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)的設(shè)計(jì)[J].今日電子,2010(9):58-60.

[2]侯剛.深入解析銀行家算法[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2006,6(2):46-48.

[3]ARDAKANIAN O,ROSENBERG C,KESHAV S.Distributed control of electric vehicle charging[C]//Proceedings of the Fourth International Conference on Future Energy Systems.ACM,2013:101-112.

[4]章淼,吳建平,林闖.互聯(lián)網(wǎng)端到端擁塞控制研究綜述[J].軟件學(xué)報(bào),2002,13(3):354-363.

[5]張莉.網(wǎng)絡(luò)擁塞控制技術(shù)的研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2007.

(編輯白林雪)

Electric Vehicle Charging Congestion Control Mechanism Based on Banker’s AlgorithmZHANG Jinwei, LI Jing

(School of Computer Science and Technology, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

Abstract:This electric vehicle charging congestion control mechanism learn results from ideas of “closed-loop feedback congestion control” and “banker’s algorithm” used in computer network.In the charging process,if there is congestion,the system will send feedback to the controller.According to the system state and the principles of “banker’s algorithm”,the combination of charge pile is found,which makes the transformer load within its rating and overall time of full charge the shortest.Then,the power of each charging pile is resigned by the combination,and new status information is sent to the controller from a closed-loop feedback control.Finally,the experiments are carried out when a group of random states of charging piles are congested.Moreover,the algorithm quickly finds out the best combination of charging power before protection devices verify the feasibility of the mechanism.

Key words:electric vehicle; banker’s algorithm; congestion control mechanism; charging time

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0088-05

通訊作者簡(jiǎn)介：張津瑋(1990-),男,在讀碩士,貴州貴陽人.主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車充電擁塞控制.E-mail:605302227@qq.com.

收稿日期：2015-05-28

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.019