电动汽车充电站智能化调度研究

赵高飞，孙云莲，张笑迪，段 庆

(武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072)

电动汽车充电站智能化调度研究

赵高飞，孙云莲，张笑迪，段 庆

(武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072)

通过电动汽车充电站智能化调度控制，服务器将充电站信息发送给已请求充电的电动汽车用户，用户根据其提供的信息，选择最近且有空余充电位的充电站进行充电。该智能化调度可以帮助电动汽车用户快速就近找到充电站，有效减少充电等待时间。

电动汽车；充电站；智能化调度

电动汽车的发展改变了以往的能源供应结构，从使用一次能源变为使用二次能源，这种结构的改变使得电力系统结构更加分散，电动汽车和配电网之间的连接关系通过在电动汽车活动范围内建立充电站来完成。因此，研究充电站建设和布局成为推广电动汽车应用的重点[1]。

充电站建设对供电部门和电力运营商来说，首要考虑的是配电网的可靠运行，其次是协调好供电部门和电力运营商之间的关系。不考虑电动汽车家用充电桩，电动汽车公共充电站需要为用户提供优质的服务，许多文献研究了电动汽车公共充电站的优化布局，并进一步研究了智能电网条件下公共充电站在电动汽车和电网之间电能的相互转化。本文研究了电动汽车在市区或高速公路需要进行充电时，如何快速便捷地找到充电站及时进行充电，提高用户工作的时效性。主要方法是针对电动汽车充电的各种情况，通过服务器信息系统自动完成充电站信息收集并发送给用户，完成充电站的智能化调度，此方法可有效降低用户充电等待时间，同时也可分散电网负荷，使电动汽车充电对电网的影响降到最小。

1 电动汽车充电站基本框架

电动汽车充电站是由一个或几个充电接口组成，与配电网相连接，完成电动汽车充电的基础设施。与电网连接部分可以是变压器、发电机或其他电能储存设备，能够为电动汽车提供可靠的充电服务，电动汽车充电站的选址、投资、经营管理和维护由运营商完成，电网提供电力供应[2]。

电动汽车充电站可以通过配电网获取电能，在高速公路和偏远地区也可通过风力发电或光伏发电获取电能，运营商通过互联网对充电站进行经营和管理，充电站的所有信息通过互联网传输至服务器信息系统，由服务器自动对充电站进行调度，并将信息发送至请求充电的电动汽车用户。图1为电动汽车充电站基本框架，图2为电动汽车、充电站、服务器主从关系。

图1 电动汽车充电站基本框架

图2 电动汽车、充电站、服务器主从关系

2 电动汽车充电站智能化调度

2.1 电动汽车发送请求

电动汽车在行驶途中，随着电量消耗，需要实时掌握充电站的相关信息，用户可以通过内置于移动设备的程序连接到互联网或者GPS服务器，从而获取可用充电站的相关信息，充电站服务器接到用户的充电请求后，进行判断和分析，将信息保存在数据库中，流程如图3所示，主要包括：充电站服务器读取电动汽车充电请求；充电站服务器获取电动汽车坐标和充电站位置布局；充电站服务器读取电动汽车电池容量、剩余电量、剩余行驶距离和路况信息，同时读取数据库中充电站位置信息和工作负荷信息；充电站服务器计算各充电站到电动汽车最短距离，并将其排序；充电站服务器查询最近充电站是否满载；若最近充电站已满载，服务器寻找下一个最近充电站，此过程循环往复直到服务器找到未满载的充电站；服务器找到未满载的充电站，将信息保存。

图3 电动汽车发送充电请求流程

2.2 电动汽车接收充电站服务器信息

图4 电动汽车接收服务器信息流程

充电站服务器接到电动汽车充电请求信息后，经过计算将距离电动汽车最近的充电站信息和电网实时电价信息发送至电动汽车用户。具体流程如图4所示，主要包括：服务器读取电动汽车充电请求(电动汽车坐标、电池容量、剩余电量、剩余行驶里程)；服务器读取充电站信息(充电站位置、与电动汽车距离、行驶路径、是否满载、在充电动汽车剩余充电时间)；服务器读取电网信息(实时电价)；服务器将读取的电动汽车、充电站和电网信息进行处理[3]；服务器将已处理的信息发送至请求充电电动汽车用户。

2.3 电动汽车登记/注册

电动汽车根据充电站服务器发来的信息，通过推荐路径到达最近充电站后，在充电前进行登记/注册，当太多电动汽车同时到达同一充电站时，而充电站没有足够的充电位，电动汽车需要等待充电直到有空余充电位，若有空余充电位，登记/注册后直接进行充电，具体流程如图5所示，主要包括：电动汽车到达最近充电站，登记/注册到达信息；充电站服务器核查该充电站充电位工作数量和闲置数量；服务器判定该充电站是否满载；若充电站未满载，充电站负荷设置为当前充电负荷+1；电动汽车进入充电模式；若充电站满载，电动汽车进入等待充电模式；服务器不间断接收充电站信息，判断是否有空余充电位，若有，发送信息到待充电汽车，进入充电模式；若没有，待充电电动汽车继续等待，直到有空余充电位。

图5 电动汽车登记/注册流程

2.4 电动汽车充电开始

电动汽车进入空余充电位，将充电接头连接至电动汽车，开始充电，服务器读取电动汽车信息(电池容量、剩余电量)、充电接头信息(充电功率)、电网信息(实时电价)，经计算处理后得出充电所需时间和充电费用，并将信息发送至充电位显示屏和用户终端[4]，由用户判定是否需要等待电动汽车满充，流程如图6所示，主要包括：电动汽车连接充电接头，开始充电；服务器读取电动汽车信息、充电接头信息和电网信息；服务器计算电动汽车充电时长和充电费用，并将信息发送至电动汽车用户终端和充电位显示屏；用户根据信息和工作任务判定是否进行满充；选择满充，则原地等待直到充满，也可选择就近办事，服务器实时将充电信息发送至客户终端，充满时提车；不选择满充，则选择充电时间和充电量以满足工作需要，达到要求时断电取车离开。

图6 电动汽车开始充电流程

2.5 电动汽车充电请求取消

当电动汽车在前往服务器建议的充电站的途中，发现有距离更近的充电站刚好有空余充电位，则用户向服务器发送取消充电请求，流程如图7所示，主要包括：电动汽车发送取消充电请求，同时发送登记/注册信息[5]；服务器读取用户取消充电请求、充电站信息和电网信息；服务器将该充电站信息发送至用户终端和充电位显示屏；电动汽车用户接收信息；电动汽车开始充电；当前充电站接收信息；充电站工作负荷加1。

图7 电动汽车取消充电请求流程

2.6 充电完成

电动汽车充电站智能化调度的最后一步是充电过程完成，通过电动汽车用户向服务器发送充电完成信息或者通过该充电位向服务器发送空置信息来完成，目的是更新服务器数据库中可用充电站信息，流程如图8所示，主要包括：电动汽车用户向服务器发送充电完成信息；充电站当前充电位发送空置信息；电网发送实时电价信息；充电站服务器接收电动汽车、充电站和电网信息；服务器判定电动汽车充电完成；服务器更新数据库，将可用充电站充电位数加1；将数据信息存储于数据库中。

图8 电动汽车充电完成流程

3 结果与分析

3.1 电动汽车充电站优化调度

通过电动汽车充电站智能化调度，不仅可以使电动汽车用户享受方便快捷的充电服务，运营商还可以节省运营成本，加大充电站利用率，提高电网效能。运营商也可通过查看每个充电站服务覆盖范围和该充电站利用率，做出是否扩建该充电站或在服务覆盖范围之外另新建充电站的决策。

在电动汽车用户、充电站运营商、交通管理部门和电网之间进行信息交互必须在互联网连接的基础上完成，通过充电站服务器在已有充电站覆盖区域进行电动汽车用户最短等待时间的计算，充电站服务器在此过程中充当重要的指挥中枢作用。首要的信息来自于电动汽车，其当前所在坐标位置、电池容量、剩余电量和剩余行驶里程等信息可以通过电动汽车用户或电动汽车内置设备发送，电动汽车用户可以使用智能手机或安装应用程序发送请求信息。开发基于安卓操作系统的应用程序和用户界面有助于电动汽车用户和充电站服务器进行通信。安装在电动汽车内置设备上的应用程序可以嵌入到电动汽车能量管理系统(EMS)中，对电动汽车状态进行不间断监测。对电动汽车用户来说，安装在电动汽车上或用户智能手机上的应用程序必须得到注册许可才能使用，且用户要熟知应用程序使用方法。对充电站运营商来说，必须要与交通管理部门和电网达成信息共享协议，在此基础上，可以在充电站控制设备上安装相应的终端应用程序，在充电站服务器上安装集信息接收、处理、发送于一体的智能化调度管理系统。

3.2 信息支持与智能电网通信

对长途行驶的电动汽车用户来说，增加充电站覆盖范围可以提高用户满意度，消除用户充电恐慌。在城市范围内，基于此系统可以实现电动汽车和充电站网络全覆盖，城市间也可实现信息共享，这可以通过现有的移动互联网很容易地就能建立此信息网络。同时需要与区域通信运营商达成通信协议，以加大充电站服务覆盖范围，有条件的偏远地区还可以使用卫星通信系统实现信息接收和发送。但是由于卫星通信准入条件所限，并不是所有电动汽车都能使用卫星通信系统，未来可以考虑通过智能电网通信系统来解决这一问题，智能电网可以在其所覆盖的每个节点很容易实现信息共享。无需在充电站安装应用程序，智能电网也能通过充电站各项指标判定该充电站是否过载，从而判定是否有空余充电位供电动汽车充电。虽然许多国家投入大量资金发展智能电网，但总体来说智能电网的发展仍处于初级阶段[6]。智能化调度信息支持网络如图9所示。

图9 智能化调度信息支持网络

3.3 在V2G系统中的作用

汽车到电网(V2G)系统在电动车不运行时，通过连接到电网的电动马达将能量输给电网，反过来，当电动车电池需要充满时，电流可以从电网中提取出来给到电池[7]。当夜间处于用电低谷时对电动汽车进行充电，白天处于用电高峰时电动汽车将电能反向输送给电网，对电网起到“削峰填谷”的作用。电动汽车售电给电网的过程需要电网、电力运营商通力合作，将分散的电动汽车电能进行回收和出售，电网、电力运营商可以和充电站运营商进行合作，将信息资源整合到电动汽车充电站服务器中，使电动汽车用户在就近充电的情况下实现就近售电给电网。这种智能化调度可以实时接收电网用电信息，通过服务器向电动汽车用户发布用电需求，由用户通过电动汽车终端设备判定是否要售电给电网，并实时接收就近售卖点信息，在最短时间内完成向电网售电。

4 结论

本文提出的电动汽车充电站智能化调度是在已有充电站的基础上实现的，整个过程是由安装在充电站运营商处的服务器来完成的，服务器将电动汽车、电网、电力运营商、充电站运营商的信息通过互联网集成在数据库中，通过计算将信息实时发送至各用户终端，这种智能化调度可以大大减少电动汽车用户充电等待时间，有效提高充电站使用效率，对降低区域内电网的峰值负荷也有一定效用。在智能电网条件下还可以实现电动汽车和电网之间的电能相互转化，对智能城市的建设具有非常重要的意义。

[1]郝建飞.电动汽车充电站选址问题研究[D].大连：大连海事大学，2015.

[2]李波.城市内和城市间电动汽车充电站的选址布局研究[D].天津：天津大学，2011.

[3]袁明虎.基于Multi-Agent的电动汽车充电管理研究及仿真软件开发[D].成都：电子科技大学，2014.

[4]冯艾，刘继春，吴磊，等.基于前景理论的电动汽车多模式充电行为分析[J].电力系统及其自动化学报，2013(2)：58-64.

[5]罗欢聚.基于Erlang的电动汽车充换电设施模拟[D].杭州：浙江理工大学，2015.

[6]常虹.智能电网背景下的电力供需分析与电价研究[D].成都：电子科技大学，2013.

[7]贾欢.绿色能源联合优化运行技术的研究[D].济南：山东大学，2013.

Study on electric vehicle charging station intelligent scheduling

ZHAO Gao-fei,SUN Yun-lian,ZHANG Xiao-di,DUAN Qing
(School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China)

By the help of intelligent scheduling and controlling system,the information was sent to the users who had requested to charge electric vehicle by charging station server. According to the provided information, the users selected the nearest charging station where had spare charging pole to charge electric vehicle. The intelligent scheduling helped the users quickly find the nearest electric vehicle charging stations, and the waiting time was reduced efficiently.

electric vehicle;charging station;intelligent scheduling

TM 91

A

1002-087 X(2017)10-1467-04

2017-03-13

赵高飞(1983—)，男，内蒙古自治区人，硕士研究生，主要研究方向为配电网规划和电动汽车。