電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度研究

劉 越

（國網(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逐步更換為電動公交車，大量的電動公交車都接入電網(wǎng)充電，對配電網(wǎng)有一定的沖擊，帶來線路重載、配電變壓器重載[1]等一系列配電網(wǎng)運行問題。現(xiàn)有研究中對于電動汽車參與系統(tǒng)優(yōu)化運行的研究較多[2-4]而對電動公交車研究較少。電動公交車和電動汽車的運行情況和充電情況有較大的區(qū)別，電動公交車充電地點固定，對于同一公交運營線路而言，運行路線及運行時間相對固定。在電動公交車充電時，充電樁運營商沒有充電樁實時控制系統(tǒng)來操作充電樁的啟停和充電過程中的充電電流，在這種條件下，提出了電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度模型。

1 充電站電動公交車充電問題描述

電動公交車充電涉及公交公司、充電樁運營商和供電公司三方關(guān)系，目前三方?jīng)]有形成互動，僅是傳統(tǒng)的供用電關(guān)系，充電樁運營商為公交公司提供充電服務(wù)并收取服務(wù)費，同時替公交公司代繳電費。公交公司為減少開支，要求充電樁運營商在線路或配電變壓器滿足充電容量條件下，僅在谷時段充電，并且每輛車在次日發(fā)車前均需充滿電。充電樁運營商為電動公交車充電時為了使每輛車盡快充滿電，均采用雙槍充電的方式，同時在谷時時刻一到來就將所有充電車輛接入電網(wǎng)充電，因此會導(dǎo)致線路及配電變壓器重過載，進而導(dǎo)致線路及配電變壓器損耗增加，降低設(shè)備使用壽命。實施電動公交車有序充電策略，對于三方都是有利的，可以實現(xiàn)共贏。對于公交公司而言，不影響電動公交車充電，也不需要多支付充電費用；對充電樁運營商而言，可以減少損耗，延長設(shè)備使用壽命；對供電公司而言，可以消除線路重載情況，降低線損。

2 電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 電動公交車剩余電量預(yù)測

目前，公交公司為保護隱私，不能將電動公交車剩余電量提供給充電樁運營商，所以需要對電動汽車剩余電量進行預(yù)測。每輛車的剩余電量與司機開車風(fēng)格、天氣溫度、公交路線（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公交車運行情況差不多，所以每日同一輛電動公交車的剩余電量近似相同，利用歷史數(shù)據(jù)近似作為當日每輛電動公交車的剩余電量。

2.2 電動公交車充電負荷模型

電動公交車充電負荷曲線與很多因素有關(guān)，從設(shè)備層面上來說，與電池、充電樁及電池與充電樁的匹配程度等有關(guān)；從外界條件上來說，與環(huán)境溫度等因素有關(guān)。電動公交車充電過程主要包括預(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。在進行電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度時可將電動公交車充電負荷近似認為恒功率充電[5]，由于電壓近似認為不變，電動公交車充電負荷近似等效于恒電流充電。即以恒定的充電電流值充電，充電的時間可作為描述每輛電動公交車充電負荷曲線的特征量。由于每個公交運營線路的電動公交車的路線一致，每天收班時剩余電量差別較小，可以近似認為相等。每個公交運營線路所有需充電車輛的充電曲線電流可以認為是車輛數(shù)乘以每輛車充電的電流。

2.3 電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度模型

供電公司和充電樁運營商之間的互動關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，每日充電樁運營商需向供電公司上報每條公交運營線路需要充電的車輛數(shù)，供電公司通過優(yōu)化決策，給充電樁運營商下發(fā)各公交運營線路車輛的充電時刻。

圖1 供電公司與充電樁運營商之間的互動關(guān)系圖

2.3.1 目標函數(shù)

本文優(yōu)化模型以各公交運營線路充電參與狀態(tài)為優(yōu)化變量，建立以充電樁運營商損耗費用最小，且供電公司線路峰谷差最小的目標函數(shù)。

其中，T為調(diào)度時段數(shù)；N為某充電站需要充電的公交運營線路數(shù)為某一公交運營線路j時段t的充電總電流為某一公交運營線路j時段t+1的充電總電流；為某一公交運營線路j時段t的充電狀態(tài)量，非0即1為某一公交運營線路j時段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)度時段數(shù)；w1、w2為權(quán)重系數(shù)，均為非負數(shù)，且w1+w2=1。

2.3.2 約束條件

a）對于任意時段，充電車輛數(shù)不大于充電樁數(shù)。公式為

其中，Npile為充電樁數(shù)。

b）某一公交運營線路車輛充電時長約束。計算公式為

其中，Tj為某一公交運營線路j充滿電所需的時段數(shù)。

c）對于任意時段，配電線路容量約束。

其中，Il，max為線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營線路充電狀態(tài)為優(yōu)化變量的整數(shù)規(guī)劃問題，利用商用求解器CPLEX優(yōu)化求解，計算效率較高。

3 案例分析

3.1 數(shù)據(jù)設(shè)置

以轄區(qū)某日充電站充電車輛相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1）為例進行有序充電優(yōu)化計算分析。考慮次日公交車首班車運營時間和充電站工作人員插拔充電槍時間等，將充電時間定為23：00—次日03：00，每15 min為一個時段，共16個時段進行優(yōu)化計算。在MATLAB R2008a平臺進行編程，調(diào)用CPLEX求解器進行求解。

表1 轄區(qū)某日某充電站充電車輛數(shù)據(jù)

3.2 優(yōu)化結(jié)果及分析

各公交運營線路電動公交車充電時序如下：27、65、S4、858、S6線路電動公交車23：00開始充電，310線路電動公交車次日00：30開始充電，76線路電動公交車次日00：45開始充電，65支線路電動公交車次日01：00開始充電，311、84線路電動公交車次日01：30開始充電。充電站工作人員只需要按照此充電時序?qū)⒏鞴贿\營線路的車輛充電即可。

有序充電前后的電流曲線如圖2所示。由圖2可知，實施有序充電方案后，雖然總充電時長延長了45 min，但是線路充電負荷的峰谷差降低，重載現(xiàn)象得到較大緩解。在次日01：00出現(xiàn)一個充電高峰是由于本文算例中考慮在次日03：00前將所有車輛都充至滿電，而次日01：00前有一些車輛未充滿電，這時又有其他線路車輛充電導(dǎo)致充電負荷疊加。實際中可以將充電總時長進一步延長，負荷高峰就會消失。

圖2 電動公交車有序充電前后的電流曲線圖

4 結(jié)束語

隨著太原市電動公交車的大量投入，充電站電動公交車夜間充電造成線路及變壓器重過載。首先按照公交運營線路預(yù)測了電動公交車的剩余電量，然后以公交運營線路分類，對電動公交車的充電負荷進行聚合，提出了電動公交車有序充電優(yōu)化調(diào)度模型。通過對轄區(qū)某日某充電站的數(shù)據(jù)進行計算，得到了該日的有序充電方案，通過現(xiàn)場實際驗證，消除了線路和配電變壓器的重過載情況，驗證了該方案的可行性和有效性。