CN105095611A - 一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法，对高速公路车流量历史数据进行统计和拟合得到典型日高速公路电动汽车入口时刻记录；结合高速公路上相邻充电站站间距离、充电意愿和车辆的剩余电量，得到电动汽车用户的充电阈值；在分析充电站运行特点和经典排队模型的基础上，建立了快速充电站排队模型指标体系，提出了一种电动汽车快速充电站队长、排队长度、车辆等待时间和充电站负荷的计算方法；结合各个车辆的进站时刻记录、充电时长和等待时间可以确定车辆的有效充电时间区间，从而得到不同时间窗口内，充电站的充电负荷；本算法能够对高速公路电动汽车快速充电站的运行进行动态仿真。

Description

一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法

技术领域

本发明涉及一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法。

背景技术

随着电动汽车在高速公路上的长距离行驶和相应充电设施的建设，电动汽车在高速公路上充电的诸多问题越来越受到人们的关注，高速公路快速充电站运行仿真成为一个重要的研究课题。如果能够提出高速公路快速充电站排队算法计算不同时刻下快速充电站的车辆队长、排队长度、等待时间和充电负荷，则基于这些决策变量，一方面能够为电动汽车制定满意的充电策略，另一方面结合电网供电能力能够为快速充电站制定合理的运行计划。

目前，经典排队论只能估计出排队指标中队长、排队长度和等待时间的平均值，尚没有文献提出明确的适合于高速公路电动汽车快速充电站的排队算法对快速充电站的决策变量进行计算，包括电动汽车的队长、排队长度、等待时间和充电负荷。

发明内容

发明目的：为了克服经典排队论算法存在的不足，提出一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法，可以准确计算不同时刻下快速充电站电动汽车的队长、排队长度、等待时间和充电负荷，从而达到仿真快速充电站运行的目的。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法，高速公路快速充电站满足如下规则：①一个高速公路快速充电站中配置若干台相同类型的快速充电桩；②一个高速公路快速充电站为电动汽车用户提供充电服务的规则为先到先服务；③一个高速公路充电站为用户提供多台充电桩的并行服务；④一个高速公路快速充电站内设置两种车位，一种配置了充电桩可同时提供充电服务和停车服务，另一种只提供停车服务；若用户进站需要等待时，则用户先停到只提供停车服务的车位上等待，待有空闲充电桩时，按照优先级顺序到有空闲充电桩的车位接受充电服务；若用户进站不需要等待，则直接到有空闲的充电桩的车位上接受充电服务；

所述高速公路电动汽车快速充电站排队算法包括以下步骤：

步骤1)，初始化参数，包括：目标充电站的充电桩的数量、充电桩功率限值、电动汽车数量、快速充电站运行时段、时间步长；建立信息列表集合，包括目标充电站进站流量列表、目标充电站列表和充电桩列表集，设置信息列表集合中所有变量的值为0；

步骤2)，对高速公路入口车流量历史数据进行统计和拟合得到典型日高速公路电动汽车入口时刻记录；高速公路入口车辆的起始SOC和行驶速度均采用正态分布概率密度函数描述；结合高速公路上相邻充电站站间距离、充电意愿和车辆的剩余电量，得到车主的充电阈值；模拟生成电动汽车车辆在目标充电站的进站流量曲线，并将进站流量曲线信息和将进站的车辆基本信息依次存入充电站进站流量列表中；所述车辆基本信息包括车辆的电池类型、剩余电量以及车辆的充电时间；

步骤3)，从充电桩列表集中读取当前每个充电桩将要服务的最后一辆电动汽车的车辆排队等待时间，对每个充电桩的编号按照其对应最后一辆车辆的车辆排队等待时间进行升序排序；其中，车辆排队等待时间计算方法为：

$T_W(i,t)=T_R(i,t)+\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{T}_C\left(k\right)$

式中，T_W(i,t)是时刻t提供充电服务编号为i的充电桩所对应的车辆排队等待时间，T_R(i,t)是时刻t正在提供充电服务编号为i的充电桩剩余服务时间；m是排在该充电桩后面的电动汽车数量；T_C(k)是排在该充电桩后面的电动汽车充电时间；若当前的充电站有空闲的充电桩，即排队等待时间为0；

步骤4)，从充电站进站列表中，将当前进站的电动汽车按照进站次序依次分配给步骤3)中排好序的充电桩，依次计算进站车辆的排队等待时间，依次设置车辆状态为等待状态，并将车辆基本信息依次存入每个对应的充电桩列表中；

步骤5)，从充电桩列表集合中读取当前每个充电桩的服务进度，并设置其值加1；判断当前每个充电桩的充电进度是否达到车辆的充电时间，若未达到则执行步骤6)，否则执行步骤7)；其中，若充电桩充电功率P_p(t)为：

$P_p\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{pm},& t\∈(0,t_1\]\\ P_{pm}\frac{t_2-t}{t_2-t_1},& t\∈(t_1,t_2\]\end{array}\right.$

式中，P_pm为充电桩最大输出功率；t₁和t₂是充电桩恒压限流阶段的边界时刻；

当t₂＝1.5t₁时，得到车辆的充电时间T_C为：

$T_C=\frac{1.2({\mathrm{SOC}}_e-{\mathrm{SOC}}_0)Q_m}{P_{pm}}$

式中，SOC₀为进站车辆的剩余电量；SOC_e为车辆设置的目标电量；Q_m为电动汽车电池容量；P_pm为用户选择快充充电方式对应的最大充电功率；

步骤6)，设处于服务中的车辆状态为正处于充电服务状态，计算当前充电站的技术参数，包括：当前充电站的队长、当前充电站的排队长度和当前充电站电动汽车充电负荷，并将这些信息存入目标充电站列表中，然后执行步骤8)；其中，充电站的队长即充电站中所停留的电动汽车总数量，包括正在接受充电服务的车辆和正在等待的车辆；排队长度即充电站中正在等待的车辆总数量；充电站电动汽车充电负荷为：

$P_L\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{L\left(t\right)-L_d\left(t\right)}{\Σ}}{P}_C(j,t)$

式中，P_L(t)为时刻t充电站汽车充电负荷，L(t)为充电站时刻t的队长；L_d(t)为充电站时刻t的排队长度；P_C(j,t)为用户j选择快充充电方式对应时刻t的充电功率；

步骤7)，在每个充电桩列表中，充电服务过程结束后删除离开充电站的电动汽车信息，并设置其状态为离站状态，然后执行步骤8)；

步骤8)，设置当前充电站的运行进度值加1，并判断当前充电站的进度是否达到充电站最大运行进度：若达到则结束，并输出计算结果，否则执行步骤3)。

有益效果：本排队算法考虑了快速充电站运行仿真的精度要求，可以选取不同长度的时间窗口，动态记录快速充电站的运行状态；通过特定的时间窗口可以将充电站的运行状态进行离散化处理，时间窗口越小，描述结果越精确；通过获取关键时间窗口记录的快速充电站运行状态信息，求得充电站不同时刻下的车辆队长、排队长度、等待时间和充电负荷。上诉所提出的排队算法的优点是算法简洁，数据接口明确，运行速度很快，能够对高速公路电动汽车快速充电站的运行进行动态仿真。

附图说明

图1为快速充电站运行状态图；

图2为某高速路段充电站地理位置图；

图3为某高速公路入口处车辆的日流量图；

图4为高速公路电动汽车行驶速度；

图5为高速公路入口处电动汽车出发时刻；

图6为不同时刻下快速充电站的电动汽车队长计算值；

图7为不同时刻下快速充电站的电动汽车排队长度计算值；

图8为电动汽车的充电时间和等待时间计算值；

图9为不同时刻下快速充电站的充电负荷。

具体实施方式

一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法所应用的高速公路快速充电站满足如下规则：①一个高速公路快速充电站中配置若干台相同类型的快速充电桩，对于电动汽车用户来说都是相同的；②快速充电站为电动汽车用户提供充电服务的规则为“先到先服务”；③充电站为用户提供多台充电桩的并行服务；④高速公路快速充电站内设置两种车位，一种配置了充电桩可同时提供充电服务和停车服务，另一种只提供停车服务。若用户进站需要等待时，则用户先停到只提供停车服务的车位上等待，待有空闲充电桩时，按照优先级顺序到有空闲充电桩的车位接受充电服务；若用户不需要等待，则可直接到有空闲是充电桩的车位上接受充电服务。

基于经典排队论的指标体系，所建立的充电站电动汽车排队指标体系包括：队长、排队长度、等待时间、充电时间和充电站充电负荷。

1)队长：充电站中所停留的电动汽车总数量，包括正在接受充电服务的车辆和正在等待的车辆；

2)排队长度：充电站中正在等待的车辆总数量；

3)等待时间：车辆从进入充电站开始到接受充电服务时需要花费的等待时间；

4)充电时间：用户根据自己的需要，补充一定电能所花费的时间；用户通过车载智能终端输入充电意愿，即设置目标SOC和选择充电方式，就可以得到充电时间；

5)充电站充电负荷：某时刻充电站中所有正在提供服务的充电桩的充电功率之和；

当电动汽车需要充电并到达相应的快速充电站时，电动汽车通过车载智能终端与充电站服务器进行交互并建立关系，将电动汽车基本信息：电池类型、剩余电量和充电时间发送给充电站管理服务器就可以快速获取下达的信息：分配的车位编号和等待时间。根据下达的信息用户可以到相应的车位接受充电服务。

车辆排队等待时间求解如下：若当前的充电站有空闲的充电桩，则电动汽车不需要等待，进站就可以立刻充电，即电动汽车的等待时间为0；若当前的充电站没有空闲的充电桩如图1所示，则电动汽车进站后需要花费一定的等待时间才可以充电；此时，车辆排队等待时间用以下公式描述：

$T_W(i,t)=T_R(i,t)+\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{T}_C\left(k\right)---\left(1\right)$

式中，T_W(i,t)是时刻t提供充电服务编号为i的充电桩所对应的车辆排队等待时间，T_R(i,t)是时刻t正在提供充电服务编号为i的充电桩剩余服务时间；m是排在该充电桩后面的电动汽车数量；T_C(k)是排在该充电桩后面的电动汽车充电时间。

由公式可知，车辆的排队等待时间不仅与充电站的运行状态、充电桩数量、进站车次有关，而且还与其他车辆的充电时间有关；目前，随着快速充电技术的迅速发展，能够实现百级千瓦的快速充电，可以大大减小每个用户的充电时间，进而有效缩短用户的等待时间。

充电桩的工作工程包括恒流限压和恒压限流两个阶段，其充电桩充电功率P_p(t)描述为：

$P_p\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{pm},& t\∈(0,t_1\]\\ P_{pm}\frac{t_2-t}{t_2-t_1},& t\∈(t_1,t_2\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，P_pm为充电桩最大输出功率，这里取100kW；t₁和t₂是充电桩恒压限流阶段的边界时刻。

充电时间取决于用户的电池容量，充电桩的功率和初始剩余电量；若取t₂＝1.5t₁，则电动汽车的充电时间可以用以下公式描述：

$T_C=\frac{1.2({\mathrm{SOC}}_e-{\mathrm{SOC}}_0)Q_m}{P_{pm}}---\left(3\right)$

式中，SOC₀为进站车辆的剩余电量；SOC_e为车辆设置的目标电量；Q_m为电动汽车电池容量，单位为kWh；P_pm为用户选择快充充电方式对应的最大充电功率，单位为kW；

充电站充电负荷可以用以下公式描述：

$P_L\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{L\left(t\right)-L_d\left(t\right)}{\Σ}}{P}_C(j,t)---\left(4\right)$

式中，P_L(t)为时刻t充电站汽车充电负荷，L(t)为充电站时刻t的队长；L_d(t)为充电站时刻t的排队长度；P_C(j,t)为用户j选择快充充电方式对应时刻t的充电功率。

高速公路快速充电站排队算法，假设车辆状态分为等待状态、正在服务状态和离站状态3个状态，则算法包括以下子步骤：

步骤1)，初始化参数，包括：目标快速充电站的充电桩的最大数量和功率限值、电动汽车数量、快速充电站运行时段(最小运行时刻和最大运行时刻)、时间步长；建立信息列表集合，包括目标充电站进站流量列表、目标充电站列表和充电桩列表集，设置信息列表集合中所有变量的值为0；

步骤2)，对高速公路入口车流量历史数据进行统计和拟合得到典型日高速公路电动汽车入口时刻记录；入口车辆的起始SOC和行驶速度均采用正态分布概率密度函数描述；结合高速公路上相邻充电站站间距离、充电意愿和车辆的剩余电量，得到车主的充电阈值；模拟生成电动汽车车辆在目标充电站的进站流量曲线，并将将进站流量曲线信息和将进站的车辆基本信息依次存入充电站进站流量列表中；

步骤3)，从充电桩列表集合中，读取当前每个充电桩将要服务的最后一辆电动汽车的等待时间，对每个充电桩的编号按照其对应最后一辆车辆的等待时间进行升序排序；

步骤4)，从充电站进站列表中，将当前进站的电动汽车按照进站次序依次分配给步骤三中排好序的充电桩，根据公式(1)依次计算进站车辆的排队等待时间，依次设置车辆状态为等待状态，并将车辆信息依次存入每个对应的充电桩列表中；

步骤5)，从充电桩列表集合中读取当前每个充电桩的服务进度，并设置其值加1；判断当前每个充电桩的充电进度是否达到车辆的充电时间，若未达到，则执行步骤6)，否则执行步骤7)；

步骤6)，设置处于服务中的车辆状态为正处于充电服务状态，计算当前充电站的技术参数，包括：当前充电站的队长、当前充电站的排队长度和当前充电站电动汽车充电负荷，并将这些信息存入目标充电站列表中，然后执行步骤8)；

步骤7)，在每个充电桩列表中，充电服务过程结束后删除离开充电站的电动汽车信息，并设置其状态为离站状态，然后执行步骤8)；

步骤8)，设置当前充电站的运行进度值加1，并判断当前充电站的进度是否达到充电站最大运行进度，若达到，则退出主程序，并输出计算结果，否则执行步骤3)。

以某段高速公路上的目标快速充电站为例，充电站配置10台快速充电桩，充电桩最大输出功率为100kW；快速充电站采用先来先服务的原则，为电动汽车提供单枪的并行充电服务，运行时间步长为1min，运行时段为[0,1510]，快速充电站的地理位置距离某段高速公路入口为104.5km，如图2所示；电动汽车技术参数选取特斯拉电动汽车的数据，电池容量为40kWh，最大续航里程为250km，并设置高速入口处电动汽车起始SOC服从U(0.3,0.8)的均匀分布，电动汽车行驶速度如图3所示；某段高速公路入口处进入的电动汽车总数量为1200，入口车辆日流量如图4所示，采用分段拟合方法对车流量进行拟合，则电动汽车入口时刻计算公式描述如下：

$T_D=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\η}=UNIF(0,1)\\ \begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_k=\underset{j=1}{\overset{k}{\Σ}}{p}_j,& k=1,\mathrm{...},z\end{array}\\ \begin{array}{cc}\mathrm{\ϵ}\·UNIF(k-1,k),& \mathrm{\η}\∈({\mathrm{\ρ}}_{k-1},{\mathrm{\ρ}}_k\]\end{array}\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中，η为第k段概率区间的一个随机数；ρ_k为第k段概率区间的上限值；UNFI为一个均匀分布函数；p_j为第j段车流量概率密度曲线的概率值；z为车流量概率密度曲线分段数；ε为一个常数，这里为60；

电动汽车充电阈值与相邻充电站的距离和本身的最大续航里程有关，其计算公式描述如下：

${\mathrm{SOC}}_A=\frac{\mathrm{\&Delta;}L}{k}+\mathrm{\&Delta;}<1---\left(6\right)$

式中，Δ为电池剩余电量余量，一般取0.05，这里电动汽车充电阈值经计算为SOC_A＝0.25。

根据典型高速公路日车流量如图4所示，通过分段拟合方法可以仿真在目标充电站运行时段内，1200辆电动汽车高速路段入口处的出发时刻，其中有394辆电动汽车进入目标充电站进行充电，对应的车辆出发时刻如图5所示。

按照所提出的排队算法可求得目标快速充电站不同时刻下的车辆队长、排队长度、充电时间、等待时间和充电负荷，如图6-9所示。

计算误差主要与以下因素有关：

1)充电桩的功率特性描述准确性。严格而言，充电桩的恒压限流阶段的有功功率不恒定，略有差异；同时，充电桩的启动过程存在短时间的功率递增过程，在仿真中已经忽略，同时测量充电桩SOC的装置也存在一定的测量误差。

2)车辆到达目标充电站的时间精确程度。车辆出发时刻虽然遵循了典型日车流量分布的规律，但与实际车辆出发的时间存在一定误差；车辆的行驶速度与实际车辆的行驶速度存在一定误差；同时在仿真过程中，将充电站的连续运行状态进行了离散化处理，选取的时间窗口越小，则计算结果越精确。

3)采用简化公式求解的电动汽车充电时间与实际车辆的充电时间存在一定误差。

本方案基于典型日高速公路车辆日车流量分布和车辆行驶速度，仿真了高速公路上电动汽车的行驶特性；根据电动汽车的充电阈值，可求得电动汽车进入目标快速充电站的进站时刻表；通过所提出的排队算法，可以求得车辆的等待时间以及充电时间，以确定每辆电动汽车的充电时段，从而求得充电站的负荷；通过所提出的排队算法，可以求得不同时刻下充电站的队长和排队长度，用来量化评估充电站的运行状态，可用于为电动汽车用户制定合理的充电策略，也能为电动汽车有序充电控制策略以及经济优化运行提供技术支持，具有良好的应用前景；此外，所提出的排队算法的优点是算法简洁，数据接口明确，运行速度很快，能够对高速公路电动汽车快速充电站的运行进行动态仿真。

Claims (1)

1.一种高速公路电动汽车快速充电站排队算法，其特征在于：高速公路快速充电站满足如下规则：①一个高速公路快速充电站中配置若干台相同类型的快速充电桩；②一个高速公路快速充电站为电动汽车用户提供充电服务的规则为先到先服务；③一个高速公路充电站为用户提供多台充电桩的并行服务；④一个高速公路快速充电站内设置两种车位，一种配置了充电桩可同时提供充电服务和停车服务，另一种只提供停车服务；若用户进站需要等待时，则用户先停到只提供停车服务的车位上等待，待有空闲充电桩时，按照优先级顺序到有空闲充电桩的车位接受充电服务；若用户进站不需要等待，则直接到有空闲的充电桩的车位上接受充电服务；

所述高速公路电动汽车快速充电站排队算法包括以下步骤：

步骤1)，初始化参数，包括：目标充电站的充电桩的数量、充电桩功率限值、电动汽车数量、快速充电站运行时段、时间步长；建立信息列表集合，包括目标充电站进站流量列表、目标充电站列表和充电桩列表集，设置信息列表集合中所有变量的值为0；

步骤2)，对高速公路入口车流量历史数据进行统计和拟合得到典型日高速公路电动汽车入口时刻记录；高速公路入口车辆的起始SOC和行驶速度均采用正态分布概率密度函数描述；结合高速公路上相邻充电站站间距离、充电意愿和车辆的剩余电量，得到车主的充电阈值；模拟生成电动汽车车辆在目标充电站的进站流量曲线，并将进站流量曲线信息和将进站的车辆基本信息依次存入充电站进站流量列表中；所述车辆基本信息包括车辆的电池类型、剩余电量以及车辆的充电时间；

步骤3)，从充电桩列表集中读取当前每个充电桩将要服务的最后一辆电动汽车的车辆排队等待时间，对每个充电桩的编号按照其对应最后一辆车辆的车辆排队等待时间进行升序排序；其中，车辆排队等待时间计算方法为：

$T_W(i,t)=T_R(i,t)+\underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{T}_C\left(k\right)$

式中，T_W(i,t)是时刻t提供充电服务编号为i的充电桩所对应的车辆排队等待时间，T_R(i,t)是时刻t正在提供充电服务编号为i的充电桩剩余服务时间；m是排在该充电桩后面的电动汽车数量；T_C(k)是排在该充电桩后面的电动汽车充电时间；若当前的充电站有空闲的充电桩，即排队等待时间为0；

步骤4)，从充电站进站列表中，将当前进站的电动汽车按照进站次序依次分配给步骤3)中排好序的充电桩，依次计算进站车辆的排队等待时间，依次设置车辆状态为等待状态，并将车辆基本信息依次存入每个对应的充电桩列表中；

步骤5)，从充电桩列表集合中读取当前每个充电桩的服务进度，并设置其值加1；判断当前每个充电桩的充电进度是否达到车辆的充电时间，若未达到则执行步骤6)，否则执行步骤7)；其中，若充电桩充电功率P_p(t)为：

$P_p\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{pm},& t\&Element;(0,t_1\&rsqb;\\ P_{pm}\frac{t_2-t}{t_2-t_1},& t\&Element;(t_1,t_2\&rsqb;\end{array}\right.$

式中，P_pm为充电桩最大输出功率；t₁和t₂是充电桩恒压限流阶段的边界时刻；

当t₂＝1.5t₁时，得到车辆的充电时间T_C为：

$T_C=\frac{1.2({\mathrm{SOC}}_e-{\mathrm{SOC}}_0)Q_m}{P_{pm}}$

式中，SOC₀为进站车辆的剩余电量；SOC_e为车辆设置的目标电量；Q_m为电动汽车电池容量；P_pm为用户选择快充充电方式对应的最大充电功率；

步骤6)，设处于服务中的车辆状态为正处于充电服务状态，计算当前充电站的技术参数，包括：当前充电站的队长、当前充电站的排队长度和当前充电站电动汽车充电负荷，并将这些信息存入目标充电站列表中，然后执行步骤8)；其中，充电站的队长即充电站中所停留的电动汽车总数量，包括正在接受充电服务的车辆和正在等待的车辆；排队长度即充电站中正在等待的车辆总数量；充电站电动汽车充电负荷为：

$P_L\left(t\right)=\underset{j=1}{\overset{L\left(t\right)-L_d\left(t\right)}{\&Sigma;}}{P}_C(j,t)$

式中，P_L(t)为时刻t充电站汽车充电负荷，L(t)为充电站时刻t的队长；L_d(t)为充电站时刻t的排队长度；P_C(j,t)为用户j选择快充充电方式对应时刻t的充电功率；

步骤7)，在每个充电桩列表中，充电服务过程结束后删除离开充电站的电动汽车信息，并设置其状态为离站状态，然后执行步骤8)；

步骤8)，设置当前充电站的运行进度值加1，并判断当前充电站的进度是否达到充电站最大运行进度：若达到则结束，并输出计算结果，否则执行步骤3)。