CN110414829B - 一种基于冲突集的充电桩高效分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，属于智能电网中电动汽车充电调度技术领域。本发明针对陆续发送过来的电动汽车预约请求，通过对冲突集的判断，调整充电时间，满足原本可能不能接受的预约请求，并使充电桩的工作时间更加紧凑，从而提高电动汽车预约成功率和充电桩的利用率。且采用分时段统一分配的方式，在充电桩之间对车辆进行协同调度，调整车辆在充电桩之间的分布，可满足尽量多的充电请求并平衡各充电桩之间的工作功率。而每过一段时间，对于已经接受的多个预约请求，以功率均衡为目标的充电桩分配方案，在能满足所有已预约车辆的充电需求的前提下，分配具体充电的充电桩，得到最佳分配方案，提高充电桩工作功率。

Description

一种基于冲突集的充电桩高效分配方法

技术领域

本发明属于智能电网中电动汽车充电调度技术领域，特别涉及一种基于冲突集的充电桩高效分配方法。

背景技术

新能源汽车发展快近二十年，世界主要的汽车强国纷纷表示将其提升至国家战略，中国也将新能源汽车作为重要战略性产业之一。最近几年，电动汽车的销售量不断增加，其充电需求也将呈螺旋式上升。然而与此同时，充电站(桩)却并未完全普及，很多时候难以满足所有用户的用电需求。为了利用有限的资源，为更多的电动汽车提供充电服务，国内外提出了不少针对电动汽车充电的调度方案。

然而在现有的电动汽车调度研究中，大多都是在多个充电站之间的协同调度。针对每个电动汽车的充电需求，综合考虑多方面因素后，在其可选范围内为其分配一个最佳的充电站。这样的调度方案，均没有考虑到充电站内部的调度优化，只是简单地将车辆安排到相应的充电站的某个充电桩充电。但是如果能够在充电站内部进行充电桩的调度，为每个车辆合理安排充电桩，使得每个充电桩的工作时间更加紧凑，就能有效地提高充电资源利用率，从而满足更多车辆的充电需求。

除此之外，现有的研究中，都是严格按照电动汽车(electric vehicle，EV)的预约信息进行匹配充电站，如果没有可用的充电桩就拒绝请求，如果有可用的充电桩就安排在该充电桩充电。但是其实很多预约失败的车辆，只要稍微调整预约时间就可以成功预约充电。如果充电站在判断是否接受车辆预约的时候，能在车辆可接受的范围内对充电时间稍作调整，那么就能提高车辆预约的成功率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中，缺乏在充电站内部对充电桩进行调度的方法，且高峰时段充电预约成功率低的问题，提出了一种基于冲突集的充电桩高效分配方法。

本发明首先针对陆续发送过来的电动汽车预约请求，提出以最大化充电桩利用率为目标的基于冲突集判断的处理方法。其中，某个时隙的冲突集是指在这个时隙需要充电的车辆形成的一个集合。然后，每过一段时间，对于已经接受的多个预约请求，提出以功率均衡为目标的充电桩分配方案，在能满足所有已预约车辆的充电需求的前提下，为它们分配具体充电的充电桩。

本发明的创新点有二。其一，通过在用户可接受范围内调整充电时间，可以增加电动汽车用户预约的成功率，减少充电桩的不可用时间碎片(若充电桩的某个时间段较短，不足以为另一辆EV充电，那么这个时间段就称为不可用时间碎片)的产生，提高充电桩利用率。其二，不再是每到一个预约请求就立即分配充电桩，而是采用充电设施二次分配策略。在预约请求到来时仅仅判断是否接受预约，为车辆确定即将充电的充电站；然后再每到一个时间节点，统一为已经预约成功的车辆精确分配充电桩。

本发明采用的技术方案为：一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，包括以下步骤：

S1、判断充电站距离上一次分配充电桩或距离初始时隙的时间是否达到预设时隙间隔，若未达到所述预设时隙间隔，进入步骤S2；若达到所述预设时隙间隔，进入步骤S5；

S2、接收用户的车辆充电预约请求，其中，所述充电预约请求包括充电时间段，判断所述充电站是否可以满足该充电预约请求的充电时间段，若所述充电站可以满足，进入步骤S3；否则进入步骤S4；

S3、判断是否调整所述充电时间段，若是则进行调整后接收该充电预约请求；否则接收该充电预约请求；获取接收的所述充电预约请求，返回所述步骤S1；

S4、判断是否在调整所述充电时间段后接收预约，若是则调整后接收该充电预约请求；否则拒绝该充电预约请求；获取接收的所述充电预约请求，返回所述步骤S1；

S5、获取所述预设时隙间隔内接收到的所述充电预约请求，根据待分配车辆的数量，将所述充电站内的充电桩平均分为若干个集合；

S6、将待分配车辆分配至各个充电桩集合中；

S7、在各个集合内为各待分配车辆得到车辆排序结果；

S8、根据每个集合内的车辆排序结果，依次为待分配车辆分配充电桩。

进一步地，所述步骤S2包括：

S21、接收用户的电动汽车的充电预约请求，其中，所述充电预约请求包括充电开始时间t_s、充电结束时间t_e及车辆可接收的时间调整幅度μ；

S22、计算该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的冲突集大小，表示为V(t)＝{v_i|车辆v_i在时隙t时处于充电状态}，t∈[t_s，t_e]，其中，|V(t)|表示时隙t的冲突集大小，即在时隙t中处于充电状态的车辆数量；

S23、获取该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的可用充电桩数量n_ps(t)；

S24、判断加入该充电预约请求的车辆后每个时隙t是否都满足冲突集不等式|V(t)|≤n_ps(t)成立，若是则进入步骤S3；否则进入步骤S4。

进一步地，所述步骤S5包括：

S51、根据充电站内充电桩总数m，计算得到充电桩集合数

满足每个集合内的充电桩不超过k个；

S52、初始化num_pile为充电站内充电桩总数m，j＝1,i＝1；

S53、将第

个充电桩分配至第j个集合，

S54、num_pile＝num_pile-num_j，num_set＝num_set，j＝j+1；

S55、判断j＞a是否成立，若成立，则进入所述步骤S6；否则回到所述步骤S53。

进一步地，所述步骤S6包括：

S61、将预约车辆按照充电结束时间排序；

S62、初始化n＝1；

S63、获取所有充电桩集合内，冲突集大小等于充电桩个数的时隙中的最后一个时隙t₀，将所有集合按照其t₀值大小从小到大排列；

S64、按照集合的排序，为第n个车辆依次计算在每个集合中的冲突集大小，得到可用充电桩集合，将车辆加入至该充电桩集合中，n＝n+1；

S65、判断n是否达到预约车辆总数，若大于，则分配完成，进入所述步骤S7；否则回到所述步骤S63。

进一步地，所述步骤S8包括：

S81、初始化n＝1；

S82、分配第n辆预约车辆；

S83、将所有充电桩按照总空闲时隙从大到小排列，i＝1；

S84、判断第n辆车辆是否可以在第i个充电桩充电，若可以，则n++，进入步骤S86；否则，i++，进入步骤S85；

S85、判断i是否大于n_ps(t)，若大于，则分配失败；否则，返回所述步骤S84；

S86、判断n是否大于预约车辆总数，若是，则分配结束，回到所述步骤S1；否则回到所述步骤S82。

本发明的有益效果：本发明提供了一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，本发明不再是简单地对每个预约请求寻找可用充电桩，若找到则接受并安排到该充电桩，否则拒绝请求。而是先通过对冲突集的判断，通过调整充电时间，满足原本可能不能接受的预约请求，并使充电桩的工作时间更加紧凑，从而提高电动汽车预约成功率和充电桩的利用率。另外，如果按照不同的顺序为车辆寻找可用充电桩，最后得到的分配结果会有所不同，甚至有的可能得不到足以满足所有预约车辆需求的分配方案。现有技术中都是按照车辆预约的时间顺序，在预约时便分配好充电桩。而本发明提出的分配方法，会每过一段时间为已经预约的所有车辆找到一个最佳的排序，并根据这个排序得到一个最佳的分配方案。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为排序方案对分配结果的影响示意图。

图3为另一排序方案对分配结果的影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。

定义以下技术术语：

EV(electric vehicle)：电动汽车，以车载电源作为动力，电量不足时需要充电。

时隙：将一天24小时平均分为T个时隙，每个时隙有

小时。

冲突集：对于每一个时隙，将当前已经预约成功的车辆中在这个时隙需要充电的车辆形成一个集合，称为这个时隙的冲突集。冲突集表示为V(t)＝{v_i|车辆v_i在时隙t时处于充电状态}，其中t∈[t_s，t_e]。

冲突集不等式：如果冲突集的大小超过了充电站内充电桩的个数，那么该充电站便无法满足所有车辆的充电需求。对于每个时隙t，冲突集不等式为|V(t)|≤n_ps(t)满足。只有满足这个不等式，充电站才能满足所有车辆的充电需求。

时间碎片：对于每个充电桩，将其未处于充电状态的空闲时间段成为时间碎片。

不可用时间碎片：若某个时间碎片较短，不足以为另一辆EV充电，那么这个时间碎片就成为不可用时间碎片。

预约成功率R_suc：指预约成功的车辆数与所有发起预约的车辆总数的比值。

其中，Num_suc是预约成功的车辆数；Num_all是所有发起预约的车辆总数。

充电桩利用率R_use：是指整个充电站内部所有车辆的工作时隙数与一天内总时隙数的比值。

其中，m是充电站内充电桩的个数；t_i，busy是第i个充电桩一天内处于工作状态的时隙数。

机器调度问题：在有限台机器上处理多个作业的相关问题，其中每个作业有相应的时间要求。

装载问题：箱子数量不限，每个箱子的容量有限，每个待装箱的物品需要占用箱子的一定容量。可行装载是指所有物品都装入箱子而不溢出，最优装载是指使用箱子最少的可行装载。

而在充电桩的调度中，结合了机器调度和装载问题，而这两个问题都是NP-复杂问题，因此采用近似求解，涉及四种近似方法：

最先适配法(FF)：车辆按照1,2，…，N的顺序分配到充电桩。假设充电桩从左到右排列，每个车辆n分配到可以接受它的最左面的充电桩。

最优适配法(BF)：令t₀为充电桩目前的最后一个工作时隙。假设充电桩初始时的t₀都为0。车辆n分配到t₀最小且可用的充电桩。

最先适配递减法(FFD)：此方法和FF类似，区别在于，每一轮分配中，所有充电桩都按剩余空闲时隙数递减排列。

最优适配递增法(BFI)：此方法和BF类似，区别在于，所有车辆按照结束时间递增排序。

请参阅图1，本发明提出了一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，通过以下步骤实现：

S1、判断充电站距离上一次分配充电桩或距离初始时隙的时间是否达到预设时隙间隔，若未达到预设时隙间隔，进入步骤S2；若达到预设时隙间隔，进入步骤S5。

本实施例中，为预约车辆分配充电桩并不是实时的，而是每间隔t₀个时隙进行一次。优选地，每5分钟对之前5分钟的预约车辆进行充电桩分配，而在分配间隔的5分钟，接收用户的预约请求。

S2、接收用户的车辆充电预约请求，其中，充电预约请求包括充电时间段，判断充电站是否可以满足该充电预约请求的充电时间段，若充电站可以满足，进入步骤S3；否则进入步骤S4。

本实施例中，提取预约车辆的预约信息，包括充电开始时间t_s、充电结束时间t_e及可接收的时间调整幅度μ，所有预约信息都是以时隙为单位，步骤S2通过以下子步骤实现：

S21、接收用户的电动汽车的充电预约请求，其中，充电预约请求包括充电开始时间t_s、充电结束时间t_e及车辆可接收的时间调整幅度μ。

S22、计算该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的冲突集大小，表示为V(t)＝{v_i|车辆v_i在时隙t时处于充电状态}，t∈[t_s，t_e]，其中，|V(t)|表示时隙t的冲突集大小，即在时隙t中处于充电状态的车辆数量。

S23、获取该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的可用充电桩数量n_ps(t)。

S24、判断加入该预约车辆后，是否仍能保证每个时隙t都满足冲突集不等式|V(t)|≤n_ps(t)成立，若是则进入步骤S3；否则进入步骤S4。

S3、判断是否调整充电时间段，若是则进行调整后接收该充电预约请求；否则接收该充电预约请求；获取接收的充电预约请求，返回步骤S1。

本实施例中，对于这些符合要求的预约车辆，判断是否可以在其可接受的时间调整幅度对充电时间段进行调整，以使充电桩的工作时间更加紧凑，从而提高电动汽车预约成功率和充电桩的利用率。若|V(t_s)|＞|V(t_s-1)|(或|V(t_e)|＞|V(t_e+1)|)，说明该车辆预约的充电时间前(或后)有部分时隙的冲突集大小小于被充电时间包含的时隙的冲突集大小。当有一小段时隙的冲突集大小始终较小时，直到它前后的冲突集大小达到n_ps(t)，这段时隙会变成不可用时间碎片。因此，如果预约充电时间前(或后)有一段时隙的冲突集更小，且这段时隙的长度不大于μ，则建议车辆调整预约时间以填充这段可能成为不可用时间碎片的时隙，对于愿意调整充电时间的用户可以给予一定的价格优惠。若是不接受调整，则按照原预约充电时间进行分配。

S4、判断是否在调整充电时间段后接收预约，若是则调整后接收该充电预约请求；否则拒绝该充电预约请求；获取接收的充电预约请求，返回步骤S1。

本实施例中，如果该预约请求使得冲突集不等式不满足的时隙全位于预约时间的前μ部分或者后μ部分，则建议预约车辆对充电时间进行调整，调整后可接受该预约请求；否则直接拒绝该请求。

本实施例中，根据最终的调整或不调整结果，接收预约或拒绝结果，获取接收到的预约请求，并最终与该时隙间隔内所有的预约请求一起进行充电桩分配。

S5、获取预设时隙间隔内接收到的充电预约请求，根据待分配车辆的数量，将充电站内的充电桩平均分为若干个集合。

本实施例中，对预设时隙间隔内所有的预约请求进行充电柱分配。此时，充电的车辆以及每辆车充电的时间已经确定，如何分配充电桩对前面提到的预约成功率和充电桩利用率并不会有任何影响，因此优化目标为尽量平衡各个充电桩的工作功率，最小化所有充电桩的工作时间的方差

其中，

为所有充电桩的平均工作时隙数。

本实施例中，需要根据当前预约车辆的数量，将充电站的充电桩划分为若干个集合，具体通过以下子步骤实现：

S51、根据充电站内充电桩总数m，计算得到充电桩集合数

满足每个集合内的充电桩不超过k个；

本实施例中，k根据待分配的车辆的数量决定，使每个集合中的车辆数量较为平均适中。

S52、初始化num_pile为充电站内充电桩总数m，j＝1,i＝1。

S53、将第

个充电桩分配至第j个集合，

S54、num_pile＝num_pile-num_j，num_set＝num_set，j＝j+1。

S55、判断j＞a是否成立，若成立，则进入步骤S6；否则回到步骤S53。

本实施例中，即判断所有集合是否已分配完毕，若没有则返回继续进行分配，若已分配完毕则进入下一流程。

S6、将待分配车辆分配至各个充电桩集合中。

本实施例中，需要将所有待分配的车辆分配到各个小集合中。将车辆分配到各个小集合中时，首先需要考虑的是分配结束后该小集合中每个时隙的冲突集是否满足冲突集不等式。另外，最后可能会有个别车辆无法找到可用的小集合，因此在这里，本发明采用最优适配递减法将车辆分配到不同的小集合。步骤S6通过以下子步骤实现：

S61、将预约车辆按照充电结束时间排序。

S62、初始化n＝1。

S63、获取所有充电桩集合内，冲突集大小等于充电桩个数的时隙中的最后一个时隙t₀，将所有集合按照其t₀值大小从小到大排列。

S64、按照集合的排序，为第n个车辆依次计算在每个充电桩集合中的冲突集大小，得到可用充电桩集合，将车辆加入至该充电桩集合中，n＝n+1。

S65、判断n是否达到预约车辆总数，若大于，则分配完成，进入步骤S7；否则回到步骤S63。

S7、在各个集合内为各待分配车辆得到车辆排序结果。

本实施例中，为了得到分配方案，需要首先将车辆按照某个顺序排序，然后再依照这个顺序将车辆逐个按照最先适配递减法分配到当前空闲时间最多的充电桩。根据车辆的不同排序，最后得到的分配方案会有所不同。有的排序得到的分配方案使得V较大，有的排序得到的分配方案使得V较小，而有的排序甚至得不到一个可以满足所有充电车辆的充电需求。

如图2和图3所示：假定一个充电站内有五个充电桩，现在已经接受了编号为1-8的8辆电动汽车的预约请求，并且要为它们分配充电桩。如果分配时的车辆排序为(1,3,4,6,7,2,5,8)，就会得到图2的分配方案，其中编号为8的车辆无法得到可用的充电桩。然而如果分配时的车辆排序为(1,6,4,8,3,7,2,5)，就可以得到一个满足所有车辆充电需求的分配方案，如图3所示。

因此在步骤S7中，在每个小集合内部，罗列出所有可能的车辆排序方案。针对每个排序方案，按照步骤S8中将提到的分配方法，得到一个分配结果，并计算该分配结果导致的充电桩工作时间方差V。最后找到一个最佳的车辆排序方案，根据这个排序方案，可以得到一个能满足所有车辆充电需求的充电桩分配方案，并且得到的充电桩工作时间的方差V最小。

S8、根据每个集合内的车辆排序结果，依次为待分配车辆分配充电桩。

本实施例中，根据给定的车辆排序方案，采用最先适配递减法为车辆分配可用的充电桩。和最优适配递减法相比，最先适配递减法不一定会得到可行的分配方案，但是得到的工作功率均衡程度却是最好的。步骤S8通过以下子步骤实现：

S81、初始化n＝1。

S82、分配第n辆预约车辆。

S83、将所有充电桩按照总空闲时隙从大到小排列，i＝1。

S84、判断第n辆车辆是否可以在第i个充电桩充电，若可以，则n++，进入步骤S86；否则，i++，进入步骤S85。

S85、判断i是否大于n_ps(t)，若大于，则分配失败；否则，返回步骤S84。

S86、判断n是否大于预约车辆总数，若是，则分配结束，回到步骤S1；否则回到步骤S82。

本实施例中，通过上述步骤得到分配结果后，可根据分配后每个充电桩的工作时隙数，求得在这个排序下整个充电站的工作方差

若不能得到可行的分配方案，则该排序得到的V置为无穷大。

综上，本发明提出的一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，通过在用户可接受范围内适当调整其充电时间，可提高车辆预约的成功率；通过在充电站内部对充电桩进行分配，可以尽量减少不可用碎片的产生，从而提高充电资源的利用率，并均衡各个充电桩的工作情况。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于冲突集的充电桩高效分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、判断充电站距离上一次分配充电桩或距离初始时隙的时间是否达到预设时隙间隔，若未达到所述预设时隙间隔，进入步骤S2；若达到所述预设时隙间隔，进入步骤S5；时隙是指将一天24小时平均分为T个时隙，每个时隙有

小时；

S2、接收用户的车辆充电预约请求，其中，所述充电预约请求包括充电时间段，判断所述充电站是否可以满足该充电预约请求的充电时间段，若所述充电站可以满足，进入步骤S3；否则进入步骤S4；

S3、判断是否调整所述充电时间段，若是则进行调整后接收该充电预约请求；否则接收该充电预约请求；获取接收的所述充电预约请求，返回所述步骤S1；

S4、判断是否在调整所述充电时间段后接收预约，若是则调整后接收该充电预约请求；否则拒绝该充电预约请求；获取接收的所述充电预约请求，返回所述步骤S1；

S5、获取所述预设时隙间隔内接收到的所述充电预约请求，根据待分配车辆的数量，将所述充电站内的充电桩平均分为若干个集合；

S6、将待分配车辆分配至各个充电桩集合中；包括：

S61、将预约车辆按照充电结束时间排序；

S62、初始化n＝1；

S63、获取所有充电桩集合内，冲突集大小等于充电桩个数的时隙中的最后一个时隙t₀，将所有集合按照其t₀值大小从小到大排列；

S64、按照集合的排序，为第n个车辆依次计算在每个集合中的冲突集大小，得到可用充电桩集合，将车辆加入至该充电桩集合中，n＝n+1；

S65、判断n是否达到预约车辆总数，若大于，则分配完成，进入所述步骤S7；否则回到所述步骤S63；

S7、在各个集合内为各待分配车辆得到车辆排序结果；

S8、根据每个集合内的车辆排序结果，依次为待分配车辆分配充电桩；包括：

S81、初始化n＝1；

S82、分配第n辆预约车辆；

S83、将所有充电桩按照总空闲时隙从大到小排列，i＝1；

S84、判断第n辆车辆是否可以在第i个充电桩充电，若可以，则n++，进入步骤S86；否则，i++，进入步骤S85；

S85、判断i是否大于n_ps(t)，若大于，则分配失败；否则，返回所述步骤S84，n_ps(t)为充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的可用充电桩数量；

S86、判断n是否大于预约车辆总数，若是，则分配结束，回到所述步骤S1；否则回到所述步骤S82。

2.如权利要求1所述的基于冲突集的充电桩高效分配方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、接收用户的电动汽车的充电预约请求，其中，所述充电预约请求包括充电开始时间t_s、充电结束时间t_e及车辆可接收的时间调整幅度μ；

S22、计算该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的冲突集大小，表示为V(t)＝{v_i|车辆v_i在时隙t时处于充电状态}，t∈[t_s，t_e]，其中，|V(t)|表示时隙t的冲突集大小，即在时隙t中处于充电状态的车辆数量；

S23、获取该充电预约请求的充电时间段所覆盖的所有时隙的可用充电桩数量n_ps(t)；

S24、判断加入该充电预约请求的车辆后每个时隙t是否都满足冲突集不等式|V(t)|≤n_ps(t)成立，若是则进入步骤S3；否则进入步骤S4。

3.如权利要求1所述的基于冲突集的充电桩高效分配方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、根据充电站内充电桩总数m，计算得到充电桩集合数

满足每个集合内的充电桩不超过k个；

S52、初始化num_pile为充电站内充电桩总数m，

S53、将第

个充电桩分配至第j个集合，

S54、num_pile＝num_pile-num_j，num_set＝num_set，j＝j+1；

S55、判断j＞a是否成立，若成立，则进入所述步骤S6；否则回到所述步骤S53。

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