CN103236179B - 一种计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，属于电力系统运行和控制技术领域。首先，将道路交通网抽象为交通图，对各条道路的交通流数据进行采集。根据对未来配电网的负荷预测，计算下一时刻的最大充电功率，并对各充电站未来一段时间快速充电机可以开启的最大数目进行规定。实时监测电动汽车的各项信息和充电需求，在车辆上传充电需求后，计算该车前往各充电站最短完成充电时间，并选择最小值对应的充电站对车辆进行导航。本发明在保证电力系统安全稳定运行的基础上，将电力系统可提供的充电负荷最大化，并站在车主的角度选择时间消耗最少的充电方式来确定导航路线，提高了车主的出行效率，同时也可让车主主动遵循充电导引。

Description

一种计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法

技术领域

本发明涉及一种计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，属于电力系统运行和控制技术领域。

背景技术

国际通用的SAEJ1772-2010标准规定了三种充电方式：用于慢充的AC Level1以及用于快充的AC Level2和DC charging。其中，慢充主要靠充电桩完成，充电时长在6小时以上，适用于处于长时间停车的电动汽车。而快充则主要在充电站中完成，充电时间在15分钟到2个小时，适用于电动汽车的应急充电以及公共汽车和出租车的日常充电，且此时的充电功率可视为电动汽车充电的最大功率。但是，电动汽车充电可能对电力系统造成不利影响，如过载和电能损耗。同时，如果大量的电动汽车都集中前往某个充电站进行充电的话，可能会造成在一些站内车辆等待过久而在另外一些站没有车辆充电的情况。本发明的目的就是为了解决这个问题。

导航需要考虑的信息包括交通管理信息和电网信息。考虑的交通管理信息包括实时采集的信息和历史数据。实时信息通过交通调度中心获得，并存入数据库；历史数据从交通调度中心的数据库中取得。考虑的电网信息是配网信息，主要从电网调度中心获得。

发明内容

本发明的目的是提出一种计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，即一种同时考虑交通信息与电网信息的充电导航策略。该策略通过对实时数据和历史数据的分析，可以在保证电网安全稳定运行的基础上将充电功率最大化，并有效缩短车主用于充电的总时间。

本发明提出的基于交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，包括以下步骤：

（1）交通控制中心选定需要导航的区域，并对区域中的路口进行编号，将路口定义为道路的起点和终点，将道路的起点和终点转化为交通图中的节点，从节点e到节点f的道路长度用S_ef表示，从节点e到节点f道路上的双向车流平均速度用和表示；

（2）设定交通图中的总节点数为n，建立道路连接矩阵N，该矩阵的行数和列数为n：

$N=\left(\begin{array}{ccc}{N}_{11}& ...& N_{1n}\\ ...& & ...\\ N_{n1}& ...& N_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

矩阵中各个元素的值为：

（3）电网调度中心从电网数据库中读取下一时刻配电网各节点的负荷预测，在保证配电网传输线路的传输功率小于传输功率额定值，且配电网各节点电压处于节点电压的取值范围内，计算下一时刻的电网潮流，得到下一时刻配电网中所有充电站的允许充电功率之和的最大值，根据该最大值得到各充电站下一时刻充电机开启的最大数目；

（4）交通控制中心实时监控导航区域内电动汽车的信息，实时监控信息包括：电动汽车在上述交通图中当前经过的节点c1和即将到达的下一节点c2、电动汽车与节点c2之间的距离L、电动汽车当前电能状态E_SOC、电动汽车电池总容量E_full以及电动汽车行驶单位距离的耗电量E_ave，交通控制中心实时接收导航区域内电动汽车的充电需求，若无充电需求，则继续进行实时监控；若有充电需求，则进行步骤（5）；

（5）交通控制中心读取该电动汽车当前经过的节点c1及即将到达的下一个节点c2，电动汽车与节点c2之间的距离L，以及发出充电需求的当前时刻T₁，分别计算该电动汽车前往各个充电站的最短时间，计算过程包括以下步骤：

（5-1）选定位于节点λ的充电站Ω，从上述道路连接矩阵N中搜索所有从节点c2到节点λ且经过每个节点至多一次的路径，全部路径的集合为R_c2，λ，R_c2，λ中的路径条数为m_c2，λ，用表示m_c2，λ条路径中的第j条路径经过的所有节点的集合，用表示第j条路径总共经过的节点个数，表示第j条路径所经过的第i个节点；

（5-2）计算该电动汽车到达位于节点λ的充电站的时间T₁+t_d ^λ，其中，t_d ^λ是电动汽车前往充电站Ω的最短时间，其计算公式为：

$t_d^{\mathrm{\λ}}=\underset{1\≤j\≤m_{c2,\mathrm{\λ}}}{\min }\left(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}{{\stackrel{\‾}{V}}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}\right)+\frac{L}{{\stackrel{\‾}{V}}_{c1c2}},$

其中，为第j条从节点c2到节点λ的路径上的节点到节点的道路长度，为第j条从节点c2到节点λ的路径上的节点到节点的车流平均速度，L为该车上传充电需求时距离节点c2的距离，为该车上传充电需求时节点c1到节点c2之间的车流平均速度；

同时，记录与最短时间t_d ^λ相对应的路径序号j₀

（6）交通控制中心统计前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对充电站内部的车辆与可用充电桩的数量进行比较，若T₁+t_d ^λ时刻，充电站内的电动汽车数量小于剩余可用充电桩的数量，则电动汽车在充电站Ω的等待充电时间t_wait ^λ为0，进行步骤（8）；若充电站内的电动汽车数量大于或等于剩余可用充电桩的数量，则进行步骤（7）；

（7）交通控制中心读取前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对T₁+t_d ^λ时刻所有在充电站Ω的电动汽车（包括正在充电的车辆和等待充电的车辆）的充电完成时间从早到晚进行排序，设T₁+t_d ^λ时刻有辆电动汽车处于充电站Ω，完成时间从早到晚依次为充电站在时刻T₁+t_d ^λ有台充电桩提供充电，对于充电站Ω，该车的等待时间t_wait ^λ为：

${t_{\mathrm{wait}}}^{\mathrm{\λ}}=\max (0,T_{k_{{T1+\mathrm{td}}^{\mathrm{\λ}}}^{\mathrm{\λ}}-m_c^{{T1+\mathrm{td}}^{\mathrm{\λ}}}}^{{T_{1+\mathrm{td}}}^{\mathrm{\λ}}}-(T_1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}));$

（8）交通控制中心读取当前电动汽车的电能状态E_SOC和行驶单位距离的耗电量E_ave，计算电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量E'_SOC：

${E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}=E_{\mathrm{SOC}}-E_{\mathrm{ave}}\·(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}+L),$

（9）交通控制中心计算该电动汽车在充电站Ω充电的时间t_c ^λ为：

${t_c}^{\mathrm{\λ}}=\frac{E_{\mathrm{full}}-{E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}}{{P_c}^{\mathrm{\λ}}},$

其中，E_full为电动汽车电池总容量，P_c ^λ为充电站Ω内每台充电机的充电功率，E′_SOC为电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量，其值已在步骤（8）中算出；

（10）根据上述计算得到的电动汽车前往充电站Ω的最短时间t_d ^λ、充电等待时间t_wait ^λ以及充电时间t_c ^λ，得到电动汽车从上传充电需求到在充电站Ω完成充电的最短完成充电时间T^λ为：

T^λ＝t_d ^λ+t_wait ^λ+t_c ^λ

（11）重复进行步骤（5）-（10），计算出该电动汽车前往位于每个各个节点的充电站的最短完成充电时间，从中选取时间最短的充电站作为目标，实现对电动汽车进行充电导航，同时，交通控制中心记录该电动汽车到目标充电站的路径、到达目标充电站的时间和离开充电站时间，返回步骤（4）继续进行实时监控。

本发明提出的计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，在保证系统安全稳定性的基础上最大化充电能力，考虑车主的对前往各充电站完成充电所需的总时间，选择时间消耗最少导航路线，提高了车主的出行效率，同时也可让车主主动遵循充电导引。本发明使电力系统能够在保证自身安全稳定运行的基础上提供尽量大的充电负荷；又能保证车主在上传充电需求后尽快完成充电。

附图说明

图1是交通网与抽象后的交通图的示意图。

图2是本发明方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的计及交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

（1）交通控制中心选定需要导航的区域，并对区域中的路口进行编号，将路口定义为道路的起点和终点，将道路的起点和终点转化为交通图中的节点。编号过程中将充电站和交通网与外界的交界处也设为一个路口。这些路口即为路网中所有若两个路口间有不再经过其它路口的道路直接连接，则用一条线连接这两个路口对应的节点。所有的道路和节点形成一个交通图。从点e到点f的道路长度用S_ef表示，而道路的双向车流平均速度用和表示。示意图如图1所示，图中，左侧为选定的交通网，需要监控的道路已用粗黄线标出，右侧为该交通网对应的交通图，其中普通路口用红点标出，充电站用黄点标出，道路即为点间的连线；

（2）设定交通图中的总节点数为n，建立道路连接矩阵N，该矩阵的行数和列数为n：

$N=\left(\begin{array}{ccc}{N}_{11}& ...& N_{1n}\\ ...& & ...\\ N_{n1}& ...& N_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

矩阵中各个元素的值为：

（3）电网调度中心从电网数据库中读取下一时刻配电网各节点的负荷预测，在保证配电网传输线路的传输功率小于传输功率额定值，且配电网各节点电压处于节点电压的取值范围内，计算下一时刻的电网潮流，得到下一时刻配电网中所有充电站的允许充电功率之和的最大值，该值即为系统的可用充电容量（ACC）。根据该最大值得到各充电站下一时刻充电机开启的最大数目；

（4）交通控制中心实时监控导航区域内电动汽车的信息，实时监控信息包括：电动汽车在上述交通图中当前经过的节点c1及即将到达的下一节点c2，电动汽车与节点c2之间的距离L，电动汽车当前电能状态E_SOC，电动汽车电池总容量E_full以及电动汽车行驶单位距离的耗电量E_ave，交通控制中心实时接收导航区域内电动汽车的充电需求，若无充电需求，则继续进行实时监控；若有充电需求，则进行步骤（5）；

（5）交通控制中心读取该电动汽车当前经过的节点c1及即将到达的下一个节点c2，电动汽车与节点c2之间的距离L，以及发出充电需求的当前时刻T₁，分别计算该电动汽车前往各个充电站的最短时间，计算过程包括以下步骤：

（5-1）选定位于节点λ的充电站Ω，从上述道路连接矩阵N中搜索所有从节点c2到节点λ且经过每个节点至多一次的路径。全部路径的集合为R_c2，λ，R_c2，λ中的路径条数为m_c2，λ，用表示m_c2，λ条路径中的第j条路径经过的所有节点的集合，用表示第j条路径总共经过的节点个数，表示第j条路径所经过的第i个节点；

（5-2）计算该电动汽车到达充电站Ω的时间T₁+t_d ^λ，其中，t_d ^λ是电动汽车前往充电站λ的最短时间，其计算公式为：

$t_d^{\mathrm{\λ}}=\underset{1\≤j\≤m_{c2,\mathrm{\λ}}}{\min }\left(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}{{\stackrel{\‾}{V}}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}\right)+\frac{L}{{\stackrel{\‾}{V}}_{c1c2}}$

其中，分别代表第j条从节点c2到节点λ的路径上的节点到节点的道路长度和车流平均速度。L和分别代表该车上传充电需求时距离节点c2的距离和节点c1到节点c2之间的车流平均速度。

同时，记录与最短时间t_d ^λ相对应的路径序号j₀；

（6）交通控制中心统计前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对充电站内部的车辆与可用充电桩的数量进行比较，若T₁+t_d ^λ时刻，充电站内的电动汽车数量小于剩余可用充电桩的数量，则电动汽车在位于节点λ的充电站的等待充电时间t_wait ^λ为0，进行步骤（8）；若充电站内的电动汽车数量大于或等于剩余可用充电桩的数量，则进行步骤（7）；

（7）交通控制中心读取前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对T₁+t_d ^λ时刻所有在充电站Ω的电动汽车（包括正在充电的车辆和等待充电的车辆）的充电完成时间从早到晚进行排序，设T₁+t_d ^λ时刻有辆电动汽车处于充电站Ω，完成时间从早到晚依次为充电站在时刻T₁+t_d ^λ有台充电桩可以提供充电，则该电动汽车在第辆电动汽车充满电后结束等待，因而，对于充电站Ω，该车的等待时间t_wait ^λ为：

${t_{\mathrm{wait}}}^{\mathrm{\λ}}=\max (0,T_{k_{{T1+\mathrm{td}}^{\mathrm{\λ}}}^{\mathrm{\λ}}-m_c^{{T1+\mathrm{td}}^{\mathrm{\λ}}}}^{{T_{1+\mathrm{td}}}^{\mathrm{\λ}}}-(T_1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}));$

（8）交通控制中心读取当前电动汽车的电能状态E_SOC和行驶单位距离的耗电量E_ave，计算电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量E'_SOC：

${E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}=E_{\mathrm{SOC}}-E_{\mathrm{ave}}\·(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}+L),$

（9）交通控制中心计算该电动汽车在充电站Ω充电的时间t_c ^λ为：

${t_c}^{\mathrm{\λ}}=\frac{E_{\mathrm{full}}-{E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}}{{P_c}^{\mathrm{\λ}}},$

其中，E_full为电动汽车电池总容量，P_c ^λ为充电站Ω内每台充电机的充电功率，E′_SOC为电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量，其值已在（8）中算出；

（10）根据上述计算得到的电动汽车前往充电站Ω的最短时间t_d ^λ、充电等待时间t_wait ^λ以及充电时间t_c ^λ，得到电动汽车从上传充电需求到在充电站Ω完成充电的最短完成充电时间T^λ为：

T^λ＝t_d ^λ+t_wait ^λ+t_c ^λ

（11）重复进行步骤（5）-（10），计算出该电动汽车前往位于每个各个节点的充电站的最短完成充电时间，从中选取时间最短的充电站作为目标，实现对电动汽车进行充电导航，同时，交通控制中心记录该电动汽车到目标充电站的路径、到达目标充电站的时间和离开充电站时间，返回步骤（4）继续进行实时监控。

Claims (1)

1.一种基于交通信息与电网信息的电动汽车充电导航方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)交通控制中心选定需要导航的区域，并对区域中的路口进行编号，将路口定义为道路的起点和终点，将道路的起点和终点转化为交通图中的节点，从节点e到节点f的道路长度用S_ef表示，从节点e到节点f道路上的双向车流平均速度用和表示；

(2)设定交通图中的总节点数为n，建立道路连接矩阵N，该矩阵的行数和列数为n：

$N=\left(\begin{array}{ccc}{N}_{11}& ...& N_{1n}\\ ...& & ...\\ N_{n1}& ...& N_{\mathrm{nn}}\end{array}\right)$

矩阵中各个元素的值为：

(3)电网调度中心从电网数据库中读取下一时刻配电网各节点的负荷预测，在保证配电网传输线路的传输功率小于传输功率额定值，且配电网各节点电压处于节点电压的取值范围内，计算下一时刻的电网潮流，得到下一时刻配电网中所有充电站的允许充电功率之和的最大值，根据该最大值得到各充电站下一时刻充电机开启的最大数目；

(4)交通控制中心实时监控导航区域内电动汽车的信息，实时监控信息包括：电动汽车在上述交通图中当前经过的节点c1和即将到达的下一节点c2、电动汽车与节点c2之间的距离L、电动汽车当前电能状态E_SOC、电动汽车电池总容量E_full以及电动汽车行驶单位距离的耗电量E_ave，交通控制中心实时接收导航区域内电动汽车的充电需求，若无充电需求，则继续进行实时监控；若有充电需求，则进行步骤(5)；

(5)交通控制中心读取该电动汽车当前经过的节点c1及即将到达的下一个节点c2，电动汽车与节点c2之间的距离L，以及发出充电需求的当前时刻T1，分别计算该电动汽车前往各个充电站的最短时间，计算过程包括以下步骤：

(5-1)选定位于节点λ的充电站Ω，从上述道路连接矩阵N中搜索所有从节点c2到节点λ且经过每个节点至多一次的路径，全部路径的集合为R_c2,λ，R_c2,λ中的路径条数为m_c2,λ，用表示m_c2,λ条路径中的第j条路径经过的所有节点的集合，用表示第j条路径总共经过的节点个数，表示第j条路径所经过的第i个节点；

(5-2)计算该电动汽车到达位于节点λ的充电站的时间T₁+t_d ^λ，其中，t_d ^λ是电动汽车前往充电站Ω的最短时间，其计算公式为：

$t_d^{\mathrm{\λ}}=\underset{1\≤j\≤m_{c2,\mathrm{\λ}}}{\min }\left(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}{{\stackrel{\‾}{V}}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}}\right)+\frac{L}{{\stackrel{\‾}{V}}_{c1c2}},$

其中，为第j条从节点c2到节点λ的路径上的节点到节点的道路长度，为第j条从节点c2到节点λ的路径上的节点到节点的车流平均速度，L为该车上传充电需求时距离节点c2的距离，为该车上传充电需求时节点c1到节点c2之间的车流平均速度；

同时，记录与最短时间t_d ^λ相对应的路径序号j₀；

(6)交通控制中心统计前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对充电站内部的车辆与可用充电桩的数量进行比较，若T₁+t_d ^λ时刻，充电站内的电动汽车数量小于剩余可用充电桩的数量，则电动汽车在充电站Ω的等待充电时间t_wait ^λ为0，进行步骤(8)；若充电站内的电动汽车数量大于或等于剩余可用充电桩的数量，则进行步骤(7)；

(7)交通控制中心读取前往充电站Ω进行充电的所有电动汽车的历史数据，对T₁+t_d ^λ时刻所有在充电站Ω的电动汽车的充电完成时间从早到晚进行排序，设T₁+t_d ^λ时刻有辆电动汽车处于充电站Ω，完成时间从早到晚依次为充电站在时刻T₁+t_d ^λ有台充电桩提供充电，对于充电站Ω，该车的等待时间t_wait ^λ为：

${t_{\mathrm{wait}}}^{\mathrm{\λ}}=\max (0,T_{k_{T1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}}^{\mathrm{\λ}}-m_c^{T1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}}+1}^{T1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}}-(T_1+{t_d}^{\mathrm{\λ}}));$

(8)交通控制中心读取当前电动汽车的电能状态E_SOC和行驶单位距离的耗电量E_ave，计算电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量E'_SOC：

${E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}=E_{\mathrm{SOC}}-E_{\mathrm{ave}}\·(\underset{\mathrm{\η}=1}{\overset{n_{c2,\mathrm{\λ}}^j-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{w_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}}{w}_{c2,\mathrm{\λ}}^{j,\mathrm{\η}+1}}+L),$

(9)交通控制中心计算该电动汽车在充电站Ω充电的时间t_c ^λ为：

${t_c}^{\mathrm{\λ}}=\frac{E_{\mathrm{full}}-{E^{\′}}_{\mathrm{SOC}}}{{P_c}^{\mathrm{\λ}}},$

其中，E_full为电动汽车电池总容量，P_c ^λ为充电站Ω内每台充电机的充电功率，E'_SOC为电动汽车到达充电站Ω时的剩余电量；

(10)根据上述计算得到的电动汽车前往充电站Ω的最短时间t_d ^λ、充电等待时间t_wait ^λ以及充电时间t_c ^λ，得到电动汽车从上传充电需求到在充电站Ω完成充电的最短完成充电时间T^λ为：

T^λ＝t_d ^λ+t_wait ^λ+t_c ^λ

(11)重复进行步骤(5)-(10)，计算出该电动汽车前往位于各个节点的充电站的最短完成充电时间，从中选取时间最短的充电站作为目标，实现对电动汽车进行充电导航，同时，交通控制中心记录该电动汽车到目标充电站的路径、到达目标充电站的时间和离开充电站时间，返回步骤(4)继续进行实时监控。