基于联络线峰谷差的充电桩综合运行效益检测系统

2022-08-17刘科学李雪梅谢枫钟侃介志毅

自动化技术与应用 2022年7期

刘科学,李雪梅,谢枫,钟侃,介志毅

（国网冀北电力有限公司营销服务中心（计量中心），北京 100045）

1 引言

随着现代交通的不断发展，为了方便人们顺利出行，随处可见充电桩等相关充电设备。对充电桩运行效益进行检测，控制充电桩的传输效率和传输功率，确保充电的兼容性和安全性，使充电桩能够按照标准规定内容高效充电，具有重要的现实意义[1]。

文献[2]提出采用肯定测试和否定测试的方法检测直流充电桩。该方法对直流充电桩的通信数据进行全面监测，包括充电桩电气特性、协议一致性及互操作性，结合实际测试经验，处理错误并对其进行优化，得到充电桩的电气参数和互操作性，直接对充电桩进行检验测试，使其满足充电设备运行检测的需求。该方法可有效实现充电桩特征的检测，但对充电桩经济效益方面考虑甚少。文献[3]对充电桩的通信协议进行检测，判断充电接口的一致性，在通信兼容性基础上，模拟充电桩的充电过程，对输出电流电压进行监测，采用模块集成化与分析智能化的手段，进一步监测充电桩开放式通信和数据交换的运行状态，判断充电桩的正常充电状态和异常充电状态，实现充电桩业务流程的智能化检测。该方法可智能检测充电桩业务流程，但对充电桩的经济效益无法预估。文献[4]提出测试充电桩控制兼容性和通信兼容性，对充电桩的充电故障进行模拟，对常见故障进行分类，对充电桩的连接控制时序及通信协议进行测试，针对不同型号充电设备重点监测，检测充电桩整个充电过程互联互通，判断充电兼容性及充电匹配是否达到指定标准。该方法可实现充电桩充电接口的互联互通，但该方法检测过程较为复杂，检测较为耗时，为解决上述方法中存在的问题，本文提出基于联络线峰谷差的充电桩综合运行效益检测系统。通过联络线峰谷差充分体现充电桩发电的时效性，反映联络线传输功率的负荷变化，通过对最优调度值峰谷差的判断，提高检测系统的传输能力和检测效率。与传统方法相比所提方法具有一定优势。

2 充电桩综合运行效益检测系统

2.1 联络线通信信号采集

在联络线通信信号采集中，需要采集充电握手、充电、充电结束三个阶段中充电桩的联络线通信信号，并以相关协议标准规定内容为参照，判断联络线的通信一致性。首先对联络线通信的报文时间进行检测，报文时间误差要求如表1所示。

表1 报文时间误差要求

通过表1所示内容，选取符合标准的报文时间段，对该时间段内充电桩充电过程报文参数进行分类。在充电握手阶段，判断通信信号是否存在兼容的新增报文，确保充电设备和充电桩之间通信链路的正确性。在充电桩充电阶段，对充电参数进行配置。根据通信采集的报文信息，确定充电桩充电过程中最大输出能力。根据发送的充电需求通信信号，对充电电压和电流进行调整[5]。在充电结束阶段，获取含有充电状态及充电需求的报文数据。将以上三个阶段的报文数据分为BMV、BSP、BMT三类报文，分类如表2所示。

表2 报文数据分类

根据表2所示内容，采集发送电池状态和充电需求的通信信号，获取通信各阶段中典型报文，以此对充电桩回应报文和通讯进程进行测试，获取其变化情况，实现联络线通信的否定测试。测试具体流程如图1所示。对充电栓联络线的通信信号进行检测，设定相关参数信息，根据报文逻辑和内容，判断通信信号是否一致，实现通信信号的筛选，去除干扰信号[6]，完成联络线通信信号的采集。

图1 联络线通信信号测试流程

2.2 基于联络线峰谷差计算的传输功率获取

对联络线通信数据进行深入分析，获取充电栓运行状态的负荷变化情况。利用联络线峰谷差率，获取联络线输出负荷的约束函数集，得到充电栓实际输出功率。对联络线的负荷基值进行优化调度，获得最优调度值的峰谷差率φ，则联络线传输功率偏差率δ为：

考虑联络线峰谷差的随机特征，采用置信水平的机会约束，对联络线负荷峰谷差进行描述。在一般置信水平下，使联络线输出功率满足负荷峰谷差的约束条件[7]。则联络线传输功率的平衡约束条件为：

式中，N为充电栓数量，i为充电栓台数，t为检测充电栓的运行时段，Pit为第i台充电栓在t时段的有功出力，Pwt为t时段的常规负荷预测值，Pdt为t时段的储能充放电功率。

设联络线功率期望值为P0，实际功率容量为P′，则联络线传输功率的容量约束条件为：

调动充电栓联络线的反调峰，减少峰谷差的随机性和波动性，控制最优调度的联络线峰谷差率在合理范围内，采用机会规划，并根据充电栓实际参数，确定峰谷差在置信水平中的置信度，在确保充电栓稳定运行的基础上，最大程度消纳联络线的负荷低谷。则联络线净负荷峰谷差机会的约束条件为：

式中，j为联络线峰谷个数，Aj为最优调度的净负荷峰谷差，m为服从三重正态概率分布的峰谷总个数，α为设定的置信度水平，Q为净负荷峰谷差不等式成立的概率值。

使充电栓储能一部分处于运行状态，将储能容量作为联络线备用，根据储能参与调度的备用约束，可得联络线传输功率的储能约束条件为：

式中，G为联络线储能的荷电状态，T为联络线峰谷差的调度周期，H(t)为t时段的最大允许放电功率，X为储能荷电状态的限值，ξ为充电栓每小时充电量的自损率。

联络线传输功率的设备出力约束条件为：

式中，B为充电栓实际出力传输功率，ζ为充电栓出力无功功率的限值，s为联络线传输因子，s为1时，表示检测系统中的充电栓设备被调度，s为0 时，表示未被调度，Kmin、Kmax分别为联络线传输功率的最小和最大负载率。

根据公式(2)～(6)，对联络线实际传输功率进行约束，采用蒙特卡洛抽样法，将联络线峰谷差的随机性因素，转换为可计算的定性约束条件，选取最大约束条件替换多个约束函数集，然后利用阶跃函数，计算充电栓运行效益的目标函数，使函数值达到以上约束条件的样本频次[8-9]。判断运行效益的目标函数值是否满足约束条件，选用改进遗传算法NSGA-II，对最优调度峰谷差率的目标函数进行求解，将充电栓的启停方式和充电状态作为离散型变量，确定目标函数的启停状态和储能调用状态，以此获得目标函数的Pareto解集前沿，确定充电栓联络线的实际传输功率，完成基于联络线峰谷差传输功率的计算。

2.3 充电桩运行效益判断

将联络线实际传输功率作为负荷数据，加入充电栓综合运行过程中，对其运行效益进行计算。对联络线峰谷差率进行更新，迭代计算充电栓运行效益对应的最佳峰谷差率，选取该峰谷差率下最小标幺值，将充电栓运行效益进行标幺化处理，则充电栓发电效益计算公式为：

式中，C1为充电栓发电效益，a、b、d分别为发电效益系数。发电栓启停效益计算公式为：

式中，C2为充电栓启停效益，φ为充电栓的启停因子，φ为1 时，表示充电栓启动运行，φ为0 时，表示充电栓停止运行，L1、L2分别为充电栓的启、停成本。

选取负荷峰谷差的优化调度值，将其作为系统内所有能量单元的安装容量，将充电栓的容量储能分为上层效益和下层效益。其中，下层效益为充电栓的维护及电量成本，上层效益为充电栓运行状态中的电量储能效益，以及对下层效益的作用程度。

设充电栓单位功率输出的运行成本为，在t时段的实际输出功率为Ut，峰谷差调度周期为T，t时段的购电功率为Ot，分时电价为，则充电栓运行维护效益ψ1、和综合能源购电效益ψ2的计算公式为：

设上层效益对下层效益的影响因子为η，则下层效益C3和上层效益C4的计算公式为：

由此可得充电栓综合运行效益的目标函数C为：

对目标函数进行计算，得到充电栓综合运行效益，完成系统的软件设计。

3 实验分析

为验证设计系统的有效性，进行对比实验。将此次系统记为实验A组，两种传统系统分别记为实验B组、实验C组，三组实验分别对充电栓综合运行效益进行检测，比较不同系统的检测时间。

3.1 实验过程

选取电动汽车交流充电栓作为实验对象，在满足充电需求基础上，实现充电成本最低。根据充电栓负荷的峰谷情况，对电动汽车的充电时间和充电费用进行划分，如表3所示。

表3 充电栓划分标准

交流充电栓的储能容量上限为20kW/h ，最大充放电功率为50kW，充电效率为0．915，放电效率为0．945，自放电系数为0．000417，峰时段负荷需求为950MW，谷时段负荷需求600MW，平时段负荷需求为750MW。设置三组实验的计算参数，如表4所示。

表4 参数设置

实验共构建3种实验场景，对充电栓综合运行效益进行检测。场景1为考虑充电栓运行成本，峰谷差控制在10%的检测环境，场景2为峰谷差控制在20%的检测环境，场景3为峰谷差控制在60%的检测环境，3 种场景下的联络线传输功率不同，如图2所示。

图2 各场景联络线传输功率曲线

由图2可知，场景1的联络线传输功率峰值为1566．7kW，场景2的传输功率峰值为810．9kW，场景3的传输功率峰值为613．4kW，谷值则分别为0、378．4kW、521．8kW，谷峰差分别为1566．7kW、432．5kW、91．6kW。三组系统在以上实验环境下进行检测。

3.2 实验结果

三种场景下各项运行效益如表5所示。

表5 实验检测结果(万元)

由表5可知，三组实验的检测值相差不大，均能保证运行效益检测的准确性。在此基础上，记录3种场景下检测时间，对比结果如图3所示。

由图3可知，峰谷差控制在10%时，实验A组平均检测时间为56s，实验B 组平均检测时间为67s，实验C 组平均检测时间为86s，实验A组检测时间分别缩短了10s、30s。峰谷差控制在20%时，实验A组平均检测时间为52s，实验B组平均检测时间为71s，实验C 组平均检测时间为89s，实验A 组检测时间分别缩短了20s、37s。峰谷差控制在60%时，实验A组平均检测时间为47s，实验B 组为81s，实验C 组为84s，实验A 组检测时间分别缩短了34s、57s。综上所述，实验A 组利用联络线峰谷差，对峰谷差进行最优调度，约束了充电栓的输出功率，相比两种传统方法，缩短了运行效益检测时间，提高了检测系统的实际应用价值。