基于电动公交的电能输送网络研究

徐建文+易平

摘 要：为了应对随时可能出现的能源问题，受能源互联网概念的启发，文中提出传统高压电网供电之外的电能分配新思路。采用网络结构模型，由传递信息变成传递电能，选择电动公交及城市公交线路作为载体实现电能交换传递。针对电能配送网络最基本的充（放）电站部署和路由连通性问题，使用真实城市交通数据和图论相关算法思路做对比实验，得到实际部署电能输送网络的可行性结论。

关键词：电动公交；能源互联网；电能存储；电能输送；城市交通

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）04-00-04

0 引 言

电能作为现代社会最基本的能源之一，其重要性不言而喻。然而，从很大程度上依赖化石能源的发电，到以高压电网为主的供电，现今仍存在诸多隐患亟待解决。近年来，能源互联网（Energy Internet）的概念出现后深入人心，其结合了传统能源工业和物联网相关的新技术，为能源问题的应对和解决指明了新方向。

结合能源互联网的基本理论，文中提出的电能输送网络旨在实现传统电网供电以外的小规模电能输送。选择电动汽车（Electric Vehicle）作为载体，实验场景为城市道路。借助城市公交线路组成的分布网，借助配备大容量车载蓄电池的电动公交和充（放）电站进行电能的交换传递。

1 电能输送网络的组成及原理

电能输送网络如图1所示。电能输送网络的基本概念是指由位于城郊的新能源电站将电能提供给电动公交，其沿线行驶的同时也能够搬运电能给经停的各站点[1]。此时的公交线路类似计算机网络传送数据报文的链路，可以相应称之为“电能链路”；而专门设置在公交站点上的充（放）电站则扮演了“能源路由器”的角色，负责电能的转发。

电动公交自身需要消耗电能，即电能输送网络中传递的是蓄电池中的剩余部分。而事实上也无法将这部分剩余电能完整地加以利用。作为电能输送网络运行的关键环节，充放电过程本身不可避免地消耗着一定的电能。一般情况下，单次直流充/放电效率约为95%，即每一次都要损耗5%[2]，由此完整的“汽车放电-设备充电”或“设备放电-汽车充电”过程就要浪费部分电能。考虑到建设充（放）电站的成本，因此不必在电能输送网络涉及的每个公交站点都布置充（放）电站。电能输送网络示意图如图2所示，该图进一步说明了电能输送网络的工作原理。

如图2所示为4条不同的公交线路，17个站点，其中有两个分别设置了能源站A、B。实线、虚线、点线表示的线路线路都直接经停能源站A或B，只进行一次完整的电能交换，即从能源站的储电设备里放电，车载蓄电池充电，电能利用率约为90%（0.95^2≈0.9）。而剩下花线表示的路由于沿线没有能源站，需要经过与虚线或点线路共同的站点，通过设置的充（放）电站才能获得电能供给，两次电能交换使得利用率降至81%。

电能输送网络在部署阶段的两个评价指标为充（放）电站数量和电能损耗。能源站本身也具备充（放）电站的功能，但其数量需要因地制宜。在实验阶段要考虑有不同数量的能源站时站点的选择情况，并对比其实验结果。在提出问题解决方案之前，首先对电能输送网络的实际可行性进行分析。

2 电能输送网络可行性分析

计算机网络结构中服务器的来源和路由器的性能在其运行中的作用最为重要，电能输送网络亦如此。相比传统电网的长距离供电能力，以电动公交为载体的电能输送网络还无法满足跨地区的需求。此外，作为“能源路由”的电动公交，其电池容量以及充放电性能极大地影响着网络整体的运行效率。

2.1 电能来源分析

新能源发电一直是国家大力支持的朝阳产业，如今随着技术层面的突破，科技民用化的发展趋势亦开始突显。根据上海市近年来的情况，以光伏为代表的民用新能源发电已经进入了实际部署阶段[3，4]。上海市松江区5 kW民用光伏发电项目如图3所示。

多家设备企业面向全市居民住户提供完整的装配方案和技术支持，将光伏太阳能板安装在建筑物房顶等闲置区域实现分布式光伏发电。除去居民自用之外富余的电能还可以输出并获得经济补贴。其他如风能、地热也根据地区特点相继开展，前景光明。电能输送网络完全可以利用其作为能源站。

2.2 电池及充放电技术分析

作为电能输送的载体，装配在电动汽车上的车载蓄电池容量很大程度决定着电能输送网络的效率和规模。以国内电动公交的代表车型，图4所示的比亚迪（BYD）K9为例，根据2016年最新发布的网站数据[5]，其电池容量为324 kW·h，最大功率为100 kW×2。假设一条完整的公交线路为10 km，以30 km/h的速度行驶，K9自身仅消耗掉20% （10 km÷（30 km/h）×200 kW=66.67 kW·h），即剩下的80%（324 kW·h-66.67kW·h=237.33kW·h）可作為电能进行输送。这里的计算没有考虑充放电的百分比损耗，是为最理想的状况。

当前车载电池以锂电为主，充电方式主要有恒压、恒流、脉冲等，充电时间和成本各有优劣，然而在充电速度上始终存在瓶颈，若一味追求快充与过高的功率极易发生危险[6，7]。最早由美国Nanotek公司研究并开发的石墨烯新材料电池有着传统电池所不具备的高速充放电属性，在小容量的电子设备上几乎可以实现即充即用[8]。虽然由于制造成本无法有效降低，导致石墨烯材料的电池离大规模商品化仍有一定距离，但作为化学材料领域的热点，技术突破指日可待。充电技术方面，几年前已经出现了“充电马路”的概念，有望在不远的未来真正得到实用[9]。石墨烯分子结构如图5所示。

3 主要问题研究

部署电能输送网络有两个主要目标，即满足线路需求和电能损耗最小化的充（放）电站选站，及以保持网络结构鲁棒性为目的的路由连通情况。

3.1 充（放）电站选站

要减少“能源路由”的数量，最容易想到的是先考虑多条线路经停的站点。比起位置偏僻相对只有单条线路的公交站（这样的情况占最大的比例），充（放）电站的利用率明显更高。

设计算法的基本思路是：从能源站（如图1左端）起始，选择当前线路上和其他线路共用次数多的站点，由此完成类似路由转发中的“一跳（HOP）”。然后转到由该站点连接的其他线路上，重复之前的操作，直到所有线路都被覆盖。此时得到一张伪最小连通图（Minimal Connected Graph），图中出（入）度大于1的顶点即选出放置充（放）电站的公交站点。而各线路从能源站获得供给经历的“跳数”即需要的最少充放电次数，全部带入公式（1）计算平均电能损耗率。

3.2 路由连通性

城市交通最多发的异常状况即道路阻塞，类似计算机网络中的信道拥塞。城市公交因为要沿着固定线路行驶，更容易受到影响。由此，研究电能输送载体的路由连通性具备实际意义[10]。

在计算机网络中，路由转发前会以广播的方式对所有监听范围内的节点进行轮询，分析电能输送网络的路由连通性也采用类似办法，对能源站到其他站点的可达情况进行统计分析。将所有站点划分为能源站节点组和其他节点组，分别采用以下三种思路完成彼此的连接路径寻址：

（1）给每个其他节点找一条连接至任一能源站节点的路径，即将其他节点看作原像，将能源站节点看作像得到的映射；

（2）在（1）的基础上再试图找出一条不存在公共连接边的路径；

（3）无向图最大流法（Max-flow）找出所有存在的其他节点到任一能源站节点的路径。

一条由能源站节点连接到其他节点的线路可能包括多段连接边，即转乘了多少公交线路，也就是经历了多少次充放电。故对比连接边和连接距离的总数量即可得到线路整体的连通性指标，多种思路可以相互补充验证。

4 算法仿真

4.1 充（放）电站选点布站算法

将采集筛选得到的上海市闵行区36条长短（包含站点个数）不一的公交线路带入仿真，分别使用广度优先搜索（Breadth-First Search，BFS）和最短路径（Shortest Path）算法进行仿真，实验重复50次取平均，在Matlab 2016a的环境下得到的仿真结果如图6所示。

如图6所示，横轴为能源站数量（例如图1中有3个）。最短路径算法略优于广度优先搜索，即需要更少的充（放）电站就可保证电能输送网络的基本运行。而随着能源站数量增加，充（放）电站的利用率并未增加。例如选取最短路径算法（虚线）在能源站数量取2和9时对应所需充（放）电站数取整约为21与16，在将能源站看成充（放）电站的前提下彼此加和得到23、25，总数增加了。仅由此得到的结论是能源站数量的增加并不意味整体输电效率的提升，更何况能源站的建设成本高于充（放）电站。

如图7所示，两种算法得到的平均电能损耗基本持平，均随着能源数量的递增迅速下降。结合图3得到的另一结论是，增加能源站数量在减少电能损耗方面具备优势，为了同时顾及效率和损耗需要权衡。

4.2 路由连通性实验分析

将三种实验思路带入纽约市曼哈顿区34条线路、116个站点数据进行仿真，实验重复10次取平均，仿真结果如图8所示。

图8的横轴依然是能源站数量，三种思路下找到的连接边数与路径数比值的变化差异反映了按照“1-2-n”的顺序寻找从能源站节点到其他节点路径时连接边的共用程度越来越高。共用的连接边意味着有更多的路段被包含在多条路径中，为判断这些共用路段发生中断是否会对电能输送网络整体产生影响，就需要进行道路阻塞模拟。模拟结果分别如图9、图10所示。

分别在路由连通性仿真的基础上对10%、50%的连接边（路段）进行中断标记，即这些路段无法被选取，分别对比前后所能找到的总路径数。

在10%的路段发生阻塞中断时，思路1实际受影响程度几乎翻倍；思路2则能在所到两条路径中一条阻塞的情况下利用另一条保证连接；最大流的情况与其类似，在当前的中断占比情况下并未体现出优势。

当上升至50%，即一般路段无法正常通行时，思路2的两条无共用边路径通过率未明显降低，而最大流还能将实际拥塞率降到较低水平。

综上所述，即使建设充（放）电站要考虑成本因素尽量减少其数量，遇到道路阻塞尤其是早晚高峰时的极端状况，额外的充（放）电站能够起到缓解交通压力从而增加电能输送网络鲁棒性的关键作用。在选点布站时也应该综合考虑路由连通性的因素，更好地应对能源问题带来的挑战。

5 结 语

本文基于电动公交提出了传统高压电网输电之外的一种电能输送新思路。对电能输送网络两方面的可行性进行了分析，当前技术条件下仍存在瓶颈，但能够在可预见的时间内得到解决。结合能源互联网相关概念，完整阐述了两个主要问题及相应的解决方案、算法仿真，由此证明设计的电能输送网络具备实际部署的可能性。

参考文献

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[3] 王斌，谭洪卫.上海地区独立住宅分布式光伏发电系统的后评估研究[J].建筑节能，2016（12）： 21-24，29.

[4] 吴旭鹏，解大，戴敏，等.上海居民光伏发电并入电网的相关问题分析[J].电力与能源， 2014，35（4）： 517-520.

[5] K9 Electric Transit Bus[EB/OL].http：//www.byd.com/usa/bus/k9-electric-transit-bus/.

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[9] 易雨.韩国出现充电马路[J].环境与生活， 2013（9）： 62.

[10] Ling Guangyu， Yi Ping， Si Liangqi， et al. Robustness analysis on electric vehicle energy distribution networks[C].2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting， 2013.