基于改进队列调度算法的配电台区分时共享充电系统及工程应用
时间：2023-02-13 15:50:06 来源：千叶帆 本文已影响人
李清涛，刘洋，卢钺，刘顺，周亚娟，兰越前，汪竞之
（1.国网北京海淀供电公司，北京 100031；
2.清华大学能源互联网创新研究院，北京 100085）
发展新能源汽车是我国推动交通领域绿色发展的重大战略举措，在国务院印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中，有明确要求：加快充换电基础设施建设，依托“互联网+”智慧能源，提升智能化水平，积极推广智能有序慢充为主、应急快充为辅的居民区充电服务模式。2021年7月26日，国家发改委发布《关于进一步完善分时电价机制的通知》，对各时段分别制定不同的电价水平，意在引导电力用户尽量在高峰时段少用电、低谷时段多用电，从而保障电力系统安全稳定运行，提升系统整体利用效率、降低社会总体用电成本。
在上述政策驱动下，电动汽车快速普及，保有量将日益增长。可以预见的是，不断增加的充电需求与容量有限的配电资源之间的匹配矛盾会日趋凸显。既有居民社区建设时并未充分考虑充电负荷，如大量建设充电桩，电动汽车的充电负荷与高峰时段的常规基础负荷容易叠加形成一个更高的负荷峰值，造成“峰上加峰”的现象，导致配电网线路过载、损耗增加，三相负荷不平衡等各种问题，不利于电网的经济运行[1-2]。而对于新建的社区，因为充电负荷具有很强的峰谷特性，如果以传统的裕度设计充电负荷的配电容量，则会造成变压器容量的浪费，增大建设投资，不利于节能降耗。
针对以上问题，近年来已有不少国内外学者提出了不同的有序充电策略和控制系统，文献[3]提出了一种基于嵌入式平台的电动汽车充电负荷控制单元设计方案，控制单元与充电桩交互与控制，实现对每台充电桩充电负荷的调控。文献[4]提出一种在小区配电变压器旁安装能源控制器和在各个充电桩上安装能源路由器的方案，实现对各个充电桩的数据采集、状态监测和策略控制，能够降低住宅小区电动汽车充电负荷受配电变压器容量约束，提升配变台区的经济安全运行水平。文献[5]提出了一种基于精英遗传算法的电动汽车有序充电策略，以降低负荷曲线峰谷差与充电成本最小为目标，建立峰值不超过变压器容量和电池电量充满为约束的优化模型，比无序充电时峰谷差降低了24%。以上有序充电方式有效调整了电动汽车充电负荷对配电网造成的影响，但研究路径大都是从控制或增加充电桩的功能着手，这种方式增大了充电桩的技术要求和建设成本，不利于大规模推广。本文提出了一种基于改进队列调度算法的配电台区分时共享充电策略，通过控制充电桩有序接入的方式，对电动汽车进行分时共享错峰充电，实现对台区配电资源的充分有效利用。
配电台区分时共享充电系统遵循“云、管、边、端”的配电物联网技术体系架构[6-7]，采用改进队列调度算法的充电策略，以控制充电桩错峰、有序接入，实现对台区配电资源的充分有效利用，既提高配电网安全稳定运行能力又减少充电费用。系统自上而下4 个层级为：
1）“云”层级，包括电网配电管理主站和充电管理云平台。配电管理主站主要接收存储充电桩的运行信息；
充电管理云平台主要完成设备管理、订单管理、订单结算、数据分析、系统公告等功能。充电管理云平台[8]与配电融合终端通过4G/5G 通信，完成分时共享充电系统的信息采集、统计管理、存储和费用结算等功能。用户端通过移动4G/5G 公网与云平台进行数据交互，完成充电、付费等操作。
2）“管”层级，即通信网络，采用4G/5G 移动公网、本地无线局域网及台区电力通信网（电力载波HPLC）；
3）“边”层级，主要是台区的配电融合终端，集边缘计算[9-10]和控制功能为一体。分时共享充电APP 部署于配电融合终端的容器中，对上与充电管理云平台无线通信，上送充电系统运行数据信息，对下与智能控制单元通过短无线/高速电力载波通信。
4）“端”层级，主要指智能控制单元，通过无线或电力线载波（HPLC）[11]的方式与配电融合终端进行数据交互，接收并执行融合终端下发的调控指令，有序控制充电桩的接入。系统架构见图1。
图1 系统架构框图Fig.1 System structure diagram
1.1 主要硬件设备
分时共享充电系统主要硬件设备由配电融合终端[12]、智能控制单元和充电桩组成。
1）配电融合终端是配电台区的核心设备，融合了营销和配电的数据源。分时共享充电APP 既能与其他应用程序交互配电台区基础用电信息，又能与其他应用程序解耦运行。
2）智能控制单元是执行机构，主要由断路器、控制模块、换相开关、保护模块组成。负责接收、执行配电融合终端发送的充电负荷投切控制指令，并上送控制单元及充电桩的充电负荷信息。
3）充电桩是自主研制的220 V/32 A 交流充电桩，移动端无需安装多余应用，微信/支付宝扫码即可完成支付、充电、监控充电状态和远程启停充电等功能。
1.2 分时共享充电APP软件架构
分时共享充电APP 基于配电融合终端软件开放平台开发，并部署于LXC（Linux Container）容器中[13]。配电融合终端软件系统架构见图2，Network OS 系统管理所有的网络通信接口，LXC 系统接管RS485等接口和存储设备，运行User app 应用。MQTT Broker[14-15]用于承载Network OS 与LXC 容器内应用APP 的通信[16]。
图2 配电融合终端软件结构图Fig.2 Software structure of distribution fusion terminal
分时共享充电APP 软件结构见图3，由主框架程序、数据采集模块[17]、队列调度模块、控制策略模块[18]、上下行通信模块和配置模块等组成。主框架程序是APP 软件的基础，主要负责各模块的内部接口和数据交互时的逻辑处理；
数据采集模块用来读取交采APP 的采样数据；
队列调度模块实现改进队列调度算法并把计算结果与控制策略模块交互；
控制策略模块实现分时共享充电控制策略并生成控制命令；
上下行通信模块主要是上送分时共享充电系统的运行数据及运行状态，下发控制命令到智能控制单元，并采集执行设备的运行状态。
图3 分时共享充电APP软件结构图Fig.3 Software structure of time-sharing charging APP
在互联网、计算机领域，队列调度算法[19-21]一直是研究的重点和热点。队列调度算法主要是解决在一定的资源下，如何公平快速地处理数据信息。分时共享充电系统需要解决的问题亦是在供电资源有限的情况下如何调度充电桩进行有序充电，同时确保供电系统的安全稳定运行。根据分时共享充电系统自身的特征，借鉴队列调度算法[22]，本文提出了一种基于改进队列调度算法的配电台区分时共享充电策略。
2.1 配电台区供电资源
随着电动汽车保有量持续增加，既有配电台区的容量已经不能满足大量电动汽车无序充电[23-31]。以台区扩容的方式来应对会降低设备的利用率，造成电网资源的极大浪费。优选的方式是在确保台区基础负荷的前提下，根据日负荷曲线充分利用配变的富裕容量资源为电动汽车充电。新建充电系统根据车主对充电的急需情况，将汽车充电分为高、中、低3 个优先级，采用分时电价[32-33]支付充电费用。需紧急充电的汽车归为高优先级，充电价格最高，不论是高峰时段还是低谷时段，即插即充；
其次是不紧急充电，日间平常时段充电即可，归为中优先级，充电价格居中，在平常时段和低谷时段充电；
最后是白天出行，可选择夜间充电的，归为低优先级，在低谷时段充电，充电价格最低。这样，既能满足用户的充电需求，又充分挖掘变压器在各负荷状态下的供电能力，提高资源利用率。这对分时共享充电控制策略提出了很高的要求。
2.2 基于改进队列调度算法的分时共享充电策略
2.2.1 队列调度算法
常用的队列调度算法有3 种：SP（strict priority，严格优先级算法）、RR（round robin，轮询调度算法）和WRR（weighted round robin，加权轮询调度算法）[34-35]。RR 主要用于分时系统中的进程调度，系统把进程按先入先出的原则排成一个队列，首进程执行一个时间片后，停止该进行并送到队列末尾，再执行下一个首进程一个时间片后停止并送到队列末尾，如此循环往复。这是一个绝对公平的调度算法。RR算法示意图见图4。
图4 RR算法示意图Fig.4 RR algorithm diagram
WRR 算法在RR 算法的基础上，为每个队列设置了权重值，通过权重值的分配可以较多地调度高优先级队列里的进程。WRR 算法示意图见图5。
图5 WRR算法示意图Fig.5 WRR algorithm diagram
2.2.2 改进队列调度算法
在分时共享充电系统中，每台充电汽车就像一个进程，根据充电需求，分别归于高、中、低3 个优先级队列，控制系统根据电力资源的情况按公平策略有序充电。计算机系统的队列调度是按算法给某一个进程分配执行的时间片，其他进行等待。分时共享充电系统相反，首先默认电源可以给所有接入的汽车充电，在资源不够的情况下，按调度算法断开队列里的某些充电汽车，等待一个时间片后，再排到队列末尾充电，如此往复，以确保每辆接入的充电车辆公平有序充电。
高峰时段，只有高优先级队列的车可以充电，如电力资源不足时，采用改进RR 轮询算法，按顺序切除部分充电车，等待一个时间片后再排到队列末尾开始充电，改进RR 算法见图6。
图6 改进RR算法示意图Fig.6 Improved RR algorithm diagram
平常时段，高、中优先级队列的车同时充电，低谷时段，高、中、低优先级队列的车都可充电。在这两个时段，采用WRR 加权轮询算法，按权值比重切除队列里部分车进入等待充电模式，直到满足电力资源阈值，一个时间片后，再排到相应队列末尾充电。改进WRR 算法见图7。
图7 改进WRR算法示意图Fig.7 Improved WRR algorithm diagram
2.2.3 改进队列调度算法的分时共享充电策略
分时共享充电系统控制策略是通过控制充电桩的接入电源来实现对配电台区变压器供电资源的有效利用。高峰时段，仅投入高优先级的车充电，按改进RR 算法，对充电车辆进行分时有序充电；
平常时段，投入高、中优先级的车充电，低谷时段，高、中、低优先级的车都可排队充电，按改进WRR 算法，对充电车辆进行分时有序充电控制。根据动力锂电池的充电特性，充电系统设计20 min为一个时间片，一天共划分72 个时间片。控制系统在每个时间片起始时轮询一次，根据峰谷时间段接入不同优先级的充电车、统计新加入的车和接入等待列队的车，并按优先级分类排入相应充电队列末尾。再以台区配变低压侧单相电流和三相电流不平衡度作为控制目标进行逻辑计算。当控制目标超出阈值时，控制系统逐个切除充电队列前面的车进入等待队列，直到控制目标低于阈值，一个时间片后进入下一轮次，如此循环。该系统既能满足公平充电需求，又使配电变压器在均衡状态下安全稳定运行。
2.2.4 台区可加装充电桩数量计算
配电台区加装无序充电桩的数量是根据变压器的高峰时段的容量裕度计算，计算公式为
式中：Nu为可安装的充电桩数量；
Se为变压器容量；
β为变压器负载率；
Pj为台区基础负荷；
Pc为充电桩容量。
分时共享充电策略除了考虑台区的基础负荷，又加入时间维度计算可加装的充电桩数量，计算公式为
式中：No为可安装的充电桩数量；
T24为24 h；
Pj为台区基础负荷；
Tev为单台车充满的时间。
2.3 控制流程
分时共享充电系统的逻辑控制中心处于配电融合终端的分时共享充电APP 中。该应用实时采集配电变压器低压出口处三相电流、电压等信息，判断单相电流和三相电流不平衡度是否大于阈值。根据控制目标，对接入的充电电源进行逻辑投切控制，控制流程见图8。
图8 控制流程图Fig.8 Control flow chart
文中所设计的分时共享充电系统已在北京某停车场安装运行，配电台区变压器型号为S13-M-315/10，额定容量为315 kVA，变压器负载率60%，晚高峰时段，最大有功功率145 kW 左右，基础负荷见图9。加装的充电桩为220 V/32 A 交流充电桩，容量为7 kW。单台车充满约为7 h。根据计算公式（1）计算，无序充电时，可加装的充电桩数量为6台。采用分时共享充电策略时，根据计算公式（2）计算，可以加装44 台交流充电桩，如果按单车3 天充电一次估算，充电桩的数量可以再增加2 倍，共计可安装132 台充电桩。
图9 配电变压器基础负荷曲线Fig.9 Distribution transformer base load curve
项目现场充电试验对文中所提出的基于改进队列调度算法的分时共享充电策略进行了验证。选用10 台车进行测试，1 台紧急充电，3 台平常时段充电，6 台低谷时段充电。接入充电桩后变压器负荷曲线见图10，从图10 可看出，充电负荷充分利用了低谷时段和平常时段的电力资源，削峰填谷明显，均衡了配电变压器的出力。
图10 接入充电桩后变压器负荷曲线Fig.10 Transformer load curve after connecting to the charging pile
依据北京市一般工商业峰谷电价（见表1）计算，用户采用分时充电方式充电比无序充电，可减少30%～60%的充电费用。
表1 北京一般工商业峰谷电价Table 1 Beijing general industrial and commercial peak and valley electricity price
本文提出了一种基于改进队列调度算法的配电台区分时共享充电策略，并进行了实际工程验证。现场运行效果表明，所提策略能够实现对充电汽车有序调度，不仅提升了配电台区的经济安全运行水平，而且还减少了电动汽车用户充电费用。从电网对充电负荷承载能力来看，本充电策略能够突破社区电动汽车充电规模受配电变压器容量约束的限制，提升既有社区乃至城市电网对充电负荷的接纳能力，推动电动汽车的普及。
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