P20123048518-06-20135 DESCRIPCiÓN MÉTODO Y SISTEMA INTELIGENTE DE DISTRIBUCiÓN DE ENERGíA EN UNA RED CON MÚLTIPLES PUNTOS DE CARGA PARA VEHíCULOS ELÉCTRICOS. CAMPO DE LA INVENCiÓN La presente invención se aplica al campo de las redes de distribución de energía eléctrica y, en particular, a la distribución de dicha energía en estaciones de carga con múltiples líneas y 10 puntos de carga. ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Recientemente se han desarrollado vehículos eléctricos en los que se sustituye total o 15 parcialmente el uso de combustibles fósiles para su propulsión, como, por ejemplo, el presentado en el documento WO-2009/156780-A2. Sin embargo, el desarrollo de estos vehículos lleva asociada la necesidad de desarrollar sistemas de distribución de energía eléctrica que permitan recargar múltiples vehículos de manera eficiente. Esta necesidad se ve acentuada al aumentar la dimensión de las estaciones de carga y el número de vehículos 20 que pueden conectarse simultáneamente a las mismas, ya que si no se implementan sistemas de control, se proporciona un servicio desigual a los usuarios en cuanto a tiempos de espera y energía suministrada. En el estado de la técnica son conocidos distintos sistemas que permiten implementar estaciones de recarga para este tipo de vehículos. Por ejemplo, el documento US-25 2008/007202-A 1 presenta un sistema de control de carga con dos niveles de control comunicados entre sí. El nivel central transmite al nivel local información sobre el estado de la red, de modo que el coste que se deriva de dicho estado se utiliza para optimizar la carga del vehículo. En WO-2008/073474-A2 se describe un sistema que establece, a través de internet, 30 conexiones individuales con cada elemento conectado a una red de distribución eléctrica con el fin de supervisar los flujos de energía y gestionar la recarga de cada uno de los elementos. WO-2011/097142-A2 divulga un método y sistema en el que se forman redes en anillo de área local mediante el acoplo de los cargadores de los vehículos eléctricos a través de líneas de comunicación o de redes de comunicación de energía. El inicio de la carga se 35 implementa mediante un sistema de fichas. 2
P20123048518-06-2013Todos los métodos y sistemas descritos presentan serias limitaciones a la hora de gestionar la distribución para múltiples vehículos, ya que sólo tienen en cuenta los parámetros instantáneos de la red en el momento en el que se solicita la recarga. Por último, en ES-2350225-A1 se soluciona parcialmente este problema al presentar un 5 sistema en el que un controlador local se conecta físicamente con un controlador de a bordo del vehículo. El controlador local identifica así el vehículo, obtiene sus parámetros de recarga y le proporciona un programa de carga optimizado a las características de dicho vehículo. El sistema utiliza para dicha optimización distintos parámetros, como son: el número de solicitudes de recarga previstas, el consumo instantáneo del sistema de 10 distribución, el histórico de consumos de otros vehículos y las limitaciones de consumo del centro de transformación. No obstante, aunque dicha optimización considera datos históricos de energía cargada por el vehículo solicitante y consumos históricos del conjunto de la estación de carga, el algoritmo de optimización es independiente de la situación particular en la que se produce la carga, por lo que se utilizan datos históricos que pueden 15 no adecuarse a las necesidades de una determinada situación. Asimismo, no considera otros factores que pueden limitar la eficiencia de la optimización, como restricciones temporales del usuario, energía suministrada por otras líneas, o vehículos en espera en el sistema. Existe, por lo tanto, en el estado de la técnica la necesidad de métodos y sistemas 20 inteligentes de distribución de energía que permitan optimizar el servicio proporcionado al conjunto de usuarios de una red de recarga, adaptándose de manera eficiente y automática a la situación particular de la red, a los hábitos de los usuarios y a los posibles cambios que se generen en los vehículos durante el proceso de carga. 25 DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La invención se refiere a un método y un sistema de distribución de energía en una red con múltiples puntos de carga. Realizaciones preferidas del método y del sistema se definen en las reivindicaciones dependientes. 30 La presente invención soluciona los problemas anteriormente descritos mediante un sistema y método de distribución de energía en una red de carga, por ejemplo, de vehículos eléctricos, que almacenan información histórica de las recargas de cada vehículo y recuperan dicha información para realizar una planificación inteligente de los tiempos de carga de los vehículos conectados a la red. Dicha planificación inteligente se realiza de 35 manera automática gracias al reconocimiento de patrones mediante medidas de similitud 3
P20123048518-06-2013entre la situación en la que se produce la carga y la información histórica. En un primer aspecto de la invención se presenta un método de distribución de energía eléctrica en una red con múltiples puntos de carga distribuidos en una o más líneas de carga, en el que se considera un escenario con unos determinados dispositivos en espera y 5 otros en carga. De acuerdo con la presente invención, se utilizan como datos de partida los siguientes: información temporal de unos dispositivos en carga a los cuales se les está suministrando energía en el instante t de aplicación del método, incluyendo esta información temporal un tiempo real de carga de cada dispositivo en carga; información temporal de unos 10 dispositivos en espera que se desea cargar en la red; e información temporal que define el instante t de aplicación del método, como, por ejemplo, hora y día de la semana. A partir de estos datos de partida, el método de la invención comprende los siguientes pasos para cada dispositivo en espera: i) Se recuperan datos de información temporal de una o más cargas anteriores a partir 15 de un historial. ii) Se comparan las cargas anteriores con el escenario de carga en el momento de aplicación del método, calculando un ratio de similitud entre cada carga anterior y el escenario actual. Se consigue así reconocer patrones y localizar de manera automática los datos históricos más representativos para realizar estimaciones sobre las necesidades de 20 carga de cada dispositivo. iii) Se estima al menos un parámetro de carga de los dispositivos en espera, utilizando para ello los datos de cargas anteriores y ponderándolos en función del ratio de similitud calculado para cada uno de ellos. Preferentemente, sólo se utilizan en este paso los casos anteriores con un mayor ratio de similitud, en particular, un número fijo de dichos casos 25 anteriores. También preferentemente, los parámetros de carga a estimar son la energía requerida, el tiempo de disponibilidad (es decir, el tiempo que se espera que transcurra antes de que un usuario desconecte el dispositivo de la red de carga) o ambos. iv) Se determina el instante de inicio de carga de cada dispositivo en espera a partir de 30 los parámetros calculados y se reajusta el tiempo real de carga de los dispositivos en carga. La planificación de instantes de inicio de carga se realiza considerando los parámetros de carga estimados en el paso anterior, de manera que se consigue, automáticamente y sin requerir la intervención del usuario, optimizar el servicio proporcionado a todos los usuarios de la red, ya que se consideran durante la planificación los patrones de comportamiento de 4
P20123048518-06-2013los dispositivos conectados a la red. Preferentemente, dicha planificación se realiza mediante algoritmos de optimización, pero también se consideran otras opciones preferentes como un sistema de colas en el que, si no se dispone de suficiente energía en el instante de aplicación del método para cargar un 5 dispositivo, el inicio de carga del dispositivo se condiciona a la finalización de carga de un dispositivo que se encuentra en estado de carga. 10 También preferentemente, el paso de determinar el instante de inicio de carga de cada dispositivo en espera toma en consideración un desequilibrio máximo entre las distintas líneas de carga. v) Preferentemente, a partir de la planificación realizada, se calcula un parámetro de calidad de servicio que determina si los dispositivos van a recibir la carga adecuada durante el tiempo en el que están disponibles. Si el parámetro de calidad se encuentra por debajo de un umbral y, por lo tanto, no todos los usuarios van a recibir un servicio adecuado, se procede a desconectar uno o más dispositivos de la red en estado de carga, atendiendo a 15 su porcentaje de carga, y se realiza una nueva planificación de acuerdo con el paso iv). vi) Preferentemente, tras finalizar la carga de un dispositivo, se actualizan unos pesos de aquellas cargas anteriores almacenadas en el historial que han participado en la estimación de parámetros, que preferiblemente son las que tienen un mayor ratio de similitud; estos pesos se actualizan en función del grado de acierto entre la estimación a 20 partir de cada carga y las características reales de la carga finalizada. Se consigue así un aprendizaje adaptativo automático sobre los patrones de los usuarios que utilizan el sistema. Preferentemente, la planificación de los tiempos de inicio y fin de carga de los dispositivos en espera y el reajuste del tiempo real de carga de los vehículos en carga (paso iv) se realiza cada vez que ocurre uno de los siguientes eventos, consiguiendo así adaptarse a 25 modificaciones en la situación de la red de carga: se conecta un nuevo dispositivo a la red; un dispositivo en carga conectado a la red termina su carga antes de lo esperado; un dispositivo en carga conectado a la red no termina su carga en el tiempo esperado. La invención también se refiere a un sistema de distribución de energía en una red de carga 30 con múltiples puntos de carga para conexión de respectivos dispositivos, comprendiendo el sistema: un servidor central con un historial que incluye datos de información temporal de una o más cargas anteriores de los dispositivos. 5
P20123048518-06-2013De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, este sistema además comprende unos medios de control conectados a los puntos de carga y configurados para, dado un escenario de carga en un determinado instante t con unos datos de información temporal sobre uno o 5 más dispositivos en carga y sobre uno o más dispositivos en espera: utilizar dichos datos históricos para reconocer patrones y estimar uno o más parámetros de carga de cada dispositivo en ese instante t dado, utilizando dichos parámetros para realizar una planificación automatizada de los tiempos de inicio de carga de cada dispositivo en espera. 10 Dichas estimación y planificación son realizadas por estos medios de control que implementan el método de la invención descrito. Estos medios de control pueden estar implementados directamente en el servidor central y formar parte integral del mismo. O también puede ocurrir que los medios de control comprendan un controlador por cada línea de carga, estando todos los controladores 15 conectados a un servidor central. No obstante, se contemplan otras opciones, como por ejemplo un único controlador que controla la distribución de energía en todas las líneas de carga del sistema. O también puede haber más de un controlador por cada línea de carga. Preferiblemente cada controlador está configurado como maestro para una pluralidad de esclavos, estando cada esclavo conectado a uno o más puntos de carga. 20 Se consigue con este método y sistema un sistema de distribución inteligente capaz de estimar de manera automática las necesidades de cada dispositivo, y de adaptarse a variaciones en la situación de la red y en los hábitos del usuario del dispositivo. Ésta y otras ventajas de la invención serán aparentes a la luz de la descripción detallada de la misma. 25 BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo y para complementar esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo 30 carácter es ilustrativo y no limitativo: Las figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente el sistema de la invención de acuerdo con una realización preferente del mismo, así como de la red de distribución que gestiona (en el caso de la figura 1). 6
P20123048518-06-2013La figura 3 presenta una gráfica de una modificación de pesos de las cargas anteriores en función del grado de acierto, de acuerdo con una realización preferente de la invención. Las figuras 4 a 7 presentan esquemáticamente posibles escenarios de llegada de vehículos a una estación de carga y esquemas de distribución de energía durante distintos instantes 5 del proceso de carga. La Figura 8 muestra el resultado final del algoritmo de planificación para este ejemplo. DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN 10 La figura 1 muestra un esquema de una red de distribución de energía eléctrica a la que está conectado el sistema de la invención de acuerdo con una realización preferente del mismo. La red de distribución comprende una fuente 1 que suministra la energía utilizada para las cargas, y que puede ser tanto un generador independiente como una conexión a otra red de 15 distribución de energía. La red de distribución de energía eléctrica se divide en una pluralidad de líneas de carga 2, cada una de las cuales tiene a su vez múltiples puntos de carga 3. El sistema de la invención incluye unos medios de control formados por un único servidor 5 central y por un controlador 4 por cada línea de carga 2. El controlador 4 actúa como maestro para una pluralidad de esclavos 8, cada uno de los cuales a su vez controla 20 uno o varios puntos de carga 3 (en el ejemplo mostrado en la Figura 2, son dos puntos de carga 3 por cada esclavo 8). Cada controlador 4 se conecta mediante unos primeros medios de comunicación 6 a los esclavos 8, y al servidor 5 central mediante unos segundos medios de comunicación 7. Nótese, no obstante, que otras arquitecturas de los medios de control son posibles, como, 25 por ejemplo, un controlador único que gestiona todas las líneas de carga o varios controladores gestionando las mismas líneas. El método de la invención puede, por lo tanto, implementarse de manera global en el servidor 5, o de manera independiente en cada uno de los controladores 4. En una realización preferente los primeros medios de comunicación 6 con los esclavos 8 30 son una red RS-485, y los segundos medios de comunicación 7 con el servidor 5 son una red Ethernet. No obstante, otro tipo de sistemas de conexión y de protocolos pueden ser utilizados dentro del objeto de la invención, como, por ejemplo, una red inalámbrica tipo WiFi para los segundos medios de comunicación y tipo Zigbee para los primeros medios de comunicación. 7
P20123048518-06-2013El controlador 4 gestiona la interacción con los usuarios y actúa sobre los esclavos 8. El controlador 4 puede ser un sistema microcontrolado o estar implementado mediante medios de programación en un ordenador u otro dispositivo. Presenta los medios necesarios para la comunicación con el usuario, como pueden ser lectores de tarjeta, interfaces de botones, 5 teclados y pantallas táctiles. 10 15 En un ejemplo de implementación para una red de suministro de vehículos eléctricos, el controlador 4 es un sistema microcontrolado que además comprende los siguientes elementos: • Puertos de comunicación TCP/I P y RS-485. • Módulo de comunicación inalámbrico. • Medios de lectura para tarjetas de identificación por radiofrecuencia (RFIO). • Medios para la realización de prepago mediante tarjetas RFIO. • Pantalla de cristal líquido (LCO) o pantalla táctil para interactuar con el sistema. • Caja estanca con protección para evitar la entrada de suciedad, agua y polvo. • Teclado numérico antivandálico. Como alternativa a este sistema microcontrolado, el maestro (controlador 4) puede estar desarrollado con medios de programación implementados en ordenador personal (PC) u 20 otro dispositivo. Por su parte, el esclavo 8 -que está implementado mediante electrónica microcontrolada-abre o cierra el flujo de energía en las tomas de corriente en función de las órdenes recibidas del controlador 4. A su vez, el esclavo adquiere en tiempo real las medidas de flujo eléctrico necesarias para la aplicación del algoritmo de planificación en el servidor 5. 25 Para un ejemplo en el que cada esclavo proporciona hasta 32 amperios, el esclavo tiene las siguientes características: 30 • Tensión de entrada: 230 Vaco • • • • • Protecciones eléctricas: -2 Interruptores magneto-térmicos de 16A curva C. -2 diferenciales de 20A, 30 mA. Frecuencia de entrada: 50Hz. Tensión de salida: 230Vac. Modulo de comunicación inalámbrico. Contadores integrados para la medida de corriente. 8
P20123048518-06-2013• Caja estanca con protección para evitar la entrada de suciedad, agua y polvo. • Dos tomas de enchufe con protección para evitar la entrada de suciedad, agua y polvo. 5 Los datos referentes a consumos eléctricos y potencias instantáneas son obtenidos gracias a estos contadores integrados en el esclavo, que envía estos datos al maestro periódicamente para que éste los registre en la base de datos del servidor, lo que permite la actualización continua de la información referente a consumos y potencias. En el servidor 5 se implementa un algoritmo de distribución de energía de acuerdo con un algoritmo de 10 planificación de trabajos que se explica en detalle más adelante. En este ejemplo, la comunicación del maestro con el servidor consiste en una comunicación filtrada por I P, evitando conexiones no autorizadas en el servidor. Esta comunicación se utiliza para transmitir información en tiempo real del estado de los puntos de carga del sistema (libres, en uso, con incidencias, etc.), de la situación de las recargas en curso y de 15 las finalizadas (hora de inicio, energía suministrada, hora de finalización, tipo de carga, etc.) y para validar a los usuarios del sistema. La comunicación del maestro con los esclavos se realiza bien por conexión física, bien por conexión inalámbrica. La conexión física se realiza, por ejemplo, a través del estándar RS-485, y la inalámbrica mediante comunicación Zigbee. Los esclavos sólo envían información 20 al maestro cuando éste lo solicita. En los mensajes enviados por el maestro se especifica el número de esclavo al que va dirigido el mensaje y son transmitidos a todos. Cada esclavo recibe todos los mensajes, y filtra y procesa sólo los que están destinados a él. El protocolo de comunicaciones utilizado es robusto y eficiente y utiliza varias estrategias que lo hacen muy seguro antes posibles fallos de comunicación; el protocolo utiliza acuses 25 de recibo para determinar que los mensajes llegan a su destino, está basado en reenvíos si hay fallos de comunicación y los mensajes incluyen suma de comprobación (checksum) para evitar errores de transmisión; también está incluido un cifrado en la comunicación inalámbrica. En un ejemplo de interacción de un usuario con el sistema, el proceso se inicia cuando se 30 conecta un vehículo eléctrico (el dispositivo a cargar) a uno de los puntos de carga libres del sistema. A continuación el usuario se identifica en el controlador 4 mediante una tarjeta RFID e identifica también el vehículo eléctrico. El controlador 4 envía los datos de la tarjeta al servidor 5, que comprueba que el usuario está registrado en el sistema. Si la autentificación es correcta, el controlador 4 pide al usuario información relativa a la recarga a 9
P20123048518-06-2013realizar, seleccionando entre fijar la energía total a cargar, o bien, uso de perfiles de carga. En el caso de fijar la energía a cargar, se estima el tiempo de carga necesario y entra al proceso de asignación de carga posterior. Se asume que esta cantidad de energía a cargar puede ser definida por el usuario en términos de energía, de porcentaje de carga de la 5 batería, de tiempo de carga o en términos económicos; en todo caso, cualquiera de estos valores será transformado a energía. En caso de usar perfiles de carga se estima la carga de energía requerida basada en la experiencia, así como el tiempo de carga necesario, entrando en el proceso de asignación de carga posterior. Un usuario que desee retirar su vehículo debe pasar la tarjeta de 10 identificación y desconectar posteriormente el mismo. El usuario preferiblemente establece la hora final o tiempo de recogida como límite para realizar la carga. En cualquier caso, se calcula el costo económico de la carga y se comprueba que es inferior al saldo del usuario. Cuando la operación es aceptada, se transmite la información al servidor 5, que realiza la planificación de cargas. 15 El proceso de asignación de carga se encarga de, dado el conjunto de vehículos en carga, la potencia consumida instantánea, el número de vehículos cuya batería ha alcanzado un determinado nivel de carga, el número de vehículos en espera, etc., determinar el reparto de potencia disponible entre las estaciones de carga conectadas a un vehículo. Cuando el servidor 5 indica el comienzo de una carga, envía una orden al esclavo 20 correspondiente a través del controlador 4 y da comienzo la carga. Un punto de carga deja de suministrar energía en los siguientes casos: Ya se ha suministrado la energía solicitada por el usuario. El usuario cancela la recarga cuando ésta no ha terminado. La potencia suministrada en el punto de carga es inferior a un mínimo y, por lo tanto, 25 se considera que el vehículo está cargado. Modificaciones en la planificación determinan que debe concluir la carga. Para realizar la planificación, en primer lugar se recuperan los datos históricos de las cargas realizadas anteriormente para ese vehículo eléctrico. A continuación, se utilizan técnicas de 30 reconocimiento de patrones para estimar la energía que se requiere en la carga presente, y el tiempo de disponibilidad durante el cual el dispositivo puede estar conectado. Nótese que para la determinación de estos parámetros se pueden combinar las estimaciones descritas con información introducida directamente por el usuario, por ejemplo, energía solicitada u hora de recogida del dispositivo. A partir de los datos históricos, el método y sistema de la 10
P20123048518-06-2013invención trata de predecir la hora de recogida del vehiculo y el nivel óptimo de carga. En una de las realizaciones preferentes, tanto la energía requerida como el tiempo de disponibilidad son estimados sin información expresa del usuario, de modo que el sistema actúa de forma totalmente autónoma. 5 Para realizar las estimaciones, se recuperan los datos de cargas anteriores (también denominadas estancias en el presente texto), y se calcula un ratio de similitud entre la situación actual y la situación de las cargas anteriores, atendiendo a criterios como si se trata del mismo día de la semana, la diferencia de horas o si se trata del mismo usuario (en el caso de que varios usuarios utilicen el mismo dispositivo). 10 En una realización particular, el ratio de similitud es proporcional a la diferencia entre la hora actual y la hora de inicio de la carga histórica, considerando sólo los casos en los que coinciden el mismo usuario y el mismo día de la semana. No obstante, otros criterios equivalentes son también aplicables. A continuación se muestran dos ratios de similitud utilizados para ponderar las cargas 15 anteriores en el cálculo del tiempo de disponibilidad del vehículo. 20 Un primer ratio de similitud SMD considera las estancias ocurridas en el mismo día de la semana de acuerdo con la siguiente ecuación: donde: -e; es la estancia actual, -ei es una estancia anterior almacenada en la base de datos del servidor, -P;"DTh es el peso o veracidad que se otorga a esta estancia para la estimación del tiempo de disponibilidad To en los mismos días de la semana, y 25 -d(e',eJ) es la distancia entre individuos medida como la distancia absoluta entre las horas de inicio de cada una de las estancias, de acuerdo con: 30 donde H:m es la hora en la que se solicita la carga del dispositivo en la estancia actual e;, y H,~, es la hora de inicio de carga de la estancia anterior ej Un segundo ratio de similitud SR considera las estancias más próximas en el tiempo (por ejemplo, en las últimas tres semanas), de acuerdo con la siguiente expresión: 11
P20123048518-06-2013donde P~T" es el peso o veracidad que se otorga a esta estancia j para la estimación del tiempo de disponibilidad To en el período reciente de tiempo. Estos ratios de similitud son dos ejemplos preferentes, no obstante, es posible utilizar otros 5 ratios de similitud y otras medidas de distancia similares dentro del alcance de la presente invención. En una opción preferente se estima primero el tiempo de disponibilidad del vehículo, de modo que el valor estimado del tiempo de disponibilidad puede utilizarse para calcular una hora estimada de finalización, que se utiliza a continuación para calcular un ratio de similitud 10 corregido SMDES para la estimación de la energía solicitada Es, en el que se consideran las diferencias tanto entre las horas de inicio como de finalización, por ejemplo, de acuerdo con la siguiente ecuación: 15 20 25 J S (e' eJ)= PMDE, MDEs' d (' J) Es e, e donde: -PkDEs es el peso o veracidad que se otorga a esta estancia j para la estimación de la energía a solicitar Es en los mismos días de la semana, y -dEs(e',eJ) es la distancia entre la acción de carga ei y la acción de carga actual e;, que se mide de acuerdo con la siguiente expresión: ~H:m -H,~,I) + ~~ -~JI) 12 en la que T"J es el tiempo de disponibilidad de la estancia j. En caso de la estancia actual, se usa el tiempo estimado de disponibilidad. De forma análoga, se calcula la similitud SRES(e;,ei) entre estancias del vehículo en días recientes, utilizando el peso de la estancia j en situaciones recientes P~Es en vez del PkDE}. Estas situaciones recientes se refieren a los días inmediatos anteriores -que se acotan en extensión-e independientemente del día de la semana. J S (e' eJ)= PREs RE}' d (' J) Es e ,e . 12
P20123048518-06-2013Ambos ratio s de similitud corregidos se utilizan posteriormente para la estimación de la energía requerida. Una vez calculados todos los ratios de similitud, se determinan las estancias de carga anteriores más similares a la actual, utilizándose sólo las más similares para estimar el 5 tiempo de disponibilidad y la energía de carga requerida. Nótese que en el caso de energía de carga requerida, es conveniente diferenciar en los datos históricos las cargas en las que se logró obtener la carga deseada (cargas positivas), de los casos en los que el dispositivo fue desconectado antes de ese valor (cargas fallidas). En concreto, para el tiempo de disponibilidad estimado, y para un ejemplo de cálculo 10 considerando los K casos con mayor similitud, se realiza una primera estimación basada en las estancias ocurridas en el mismo día de la semana, 15 K LSMDTh 0',eJ} T"J TMD = -'.J-,~l,-;;-_____ _ " K LSMDT"0',eJ) }=l y una segunda estimación basada en las estancias ocurridas hace menos tiempo: K "s fe' eJ). TJ ~ RTn\: ' n Lo que genera la estimación de tiempo de disponibilidad total: K K LSMDT"O' ,eJ} T"MD + LSRT"0',eJ} T"R TS = }=l }=l "K K LSMDT"0',eJ)+ LSRT"~',eJ) }=l }=l K K LSMDT"0',eJ} T¡ + LSRT"0',eJ} T¡ }=l }=l K K LSMDTh~',eJ)+ LSRT"0',eJ) }=l }=l Para la estimación de la energía solicitada o carga requerida se opera de similar manera, 20 seleccionando las K estancias más similares a la actual y realizando sumas pesadas. Sin embargo, se distingue entre las estancias de carga para las cuales el sistema estimó correctamente la energía solicitada y aquellas para las cuales el sistema obtuvo una 13
P20123048518-06-20135 10 15 estimación incorrecta, seleccionando las K situaciones de carga con éxito más similares y las K situaciones de carga fallidas. Así, considerando las estancias de carga positivas en el mismo día tenemos una energía estimada E';"D, siendo E; la energía suministrada en la situación de carga ei: K LSMDE,0',eJ} E; EMD = .LJ~",I...,,-_____ _ • K LSMDE,0',eJ) }=l y atendiendo a las estancias de carga positivas recientes tenemos una energía estimada ER. +' K LSRE,0',eJ} E; ER = .d.J",~Ic.". ____ _ • K LSRE,0',eJ) }=1 Lo que genera la estimación de la energía solicitada promediada para los casos positivos de carga dada por E; de acuerdo con: K K LSMDE,0',eJ} E';"D + LSRE,0',eJ} E: E+ = }=l }=l • K K LSMDE,0',eJ)+ LSRE,0',eJ) }=l }=l K K LSMDE,0',eJ} E; + LSRE,0',eJ} E; }=l }=l K K LSMDE,0',eJ)+ LSRE,0',eJ) }=1 }=l De manera similar, atendiendo o considerando las K acciones o estancias de carga negativas o fallidas en el mismo día de la semana más similares se puede calcular igualmente EMD, Y atendiendo a las correspondientes K acciones de carga fallidas recientes más similares se puede calcular E:. Es conveniente aclarar que un caso está marcado 20 como fallido, pero el valor E; es el que realmente se suministró en dicha situación de carga. 14
P20123048518-06-2013Con estas dos medidas se puede calcular la estimación de la energia solicitada promediada para los casos negativos o fallidos de carga dada por E; de acuerdo con: K K LSMDE,0',eJ} EMD + LSRE,0',eJ} ER E-= }=l }=1 'K K LSMDE,0',eJ)+ LSRE,0',eJ) }=1 }=l K K LSMDE,0',eJ} E; + LSRE,0' ,eJ} E; }=l }=1 K K LSMDE,0',eJ)+ LSRE,0',eJ) }=l }=1 5 La diferencia entre los cálculos de las medidas E; y E; radica en que para cada una de ellas se selecciona un subconjunto de situaciones de carga diferentes: los casos positivos y los casos negativos más similares, respectivamente. Es posible aplicar distintos criterios para la estimación en función de los ratios de similitud. Por ejemplo, utilizar los ratios para realizar una media ponderada, promediar los casos cuyo 10 ratio de similitud supera un umbral, promediar un número fijo de casos, ordenados según su ratio de similitud, etc. Otro criterio preferente para la estimación es promediar una primera estimación obtenida a partir de las cargas realizadas en el mismo día de la semana, y una segunda estimación obtenida a partir de las cargas realizadas más recientemente. Para el caso de la carga requerida, una realización preferente comprende realizar una 15 primera estimación con las cargas positivas E;, una segunda estimación con las cargas fallidas E;, Y promediar ambas, o bien elegir la máxima, de modo que la energía solicitada E, para la acción de carga actual es: Una vez finalizada la carga, se almacena la información correspondiente de dicha carga, y 20 se realiza una revisión de los casos almacenados, premiándolos o penalizándolos en función de su grado de acierto. Para el caso de la estimación del tiempo de disponibilidad, se considera un acierto si el tiempo de disponibilidad es similar, penalizando si es mayor que el estimado y penalizando en un mayor grado si es menor al tiempo estimado. Para dicha revisión se utiliza, en un 25 ejemplo preferente, un peso para cada carga al que se le aplica una evolución exponencial en función de su grado de acierto, de acuerdo con: 15
P20123048518-06-2013donde p es el peso del registro de estancia a premiar o penalizar y y es el exponente con el que se afecta el peso, bien para expansión (caso de premiar), bien para contracción (caso de penalizar). El valor de y se determina en función de la distancia entre el valor real de Tn y 5 el estimado, y afecta a los K casos seleccionados (bien por corresponder con el mismo día o bien por pertenecer a la región temporal). Se contempla establecer una cota máxima de penalización, de modo que la penalización sea la misma para todos los casos por debajo de un umbral de grado de acierto dmax, tal y como se observa en la Figura 3. El eje de abscisas representa la diferencia entre el tiempo 10 real de disponibilidad y el que fue estimado. El valor de dmax se fija en 1 (1 hora) para ambos casos de recuperación por ser el mismo día o por región temporal. El valor de '" se fija en 0.05 para los K casos seleccionados según el mismo día y 0.15 para los K casos seleccionados según la región temporal. El rango del valor de los pesos se fija en el intervalo [1, 4], fijándose en 2.0 el valor por defecto de los mismos (cuando se inserta el 15 registro de estancia). Para el caso de la estimación de la energía solicitada, se considera un acierto si la energía cargada real es similar a la estimada o si está dentro del intervalo estimado. Se penaliza en cualquier otro caso. Se sigue la misma forma de cálculo y actualización de los pesos visto para el tiempo de disponibilidad pero con diferentes valores de parámetros. 20 En este caso, el eje de abscisas representa la diferencia entre la energía real consumida E, y la energía estimada E, dividida por E, de acuerdo con: El valor de dmax se fija en 0.1 para ambos casos de recuperación (caso positivo o caso negativo). El valor de '" se fija en 0.05 tanto para los K casos seleccionados por ser 25 casos positivos como para los K casos seleccionados por ser casos negativos. El rango del valor de los pesos se fija en el intervalo [1, 4], fijándose en 2.0 el valor por defecto de los mismos (cuando se inserta el registro de carga). Una acción de carga solo se puede o bien penalizar o bien premiar. Si es seleccionada tanto para premiar como para penalizar, entonces no se modifica. 30 De nuevo, nótese que es posible utilizar otras técnicas de actualización de pesos de acuerdo con otros criterios, fórmulas y pesos. Estas estimaciones de tiempo de disponibilidad y energía requerida se utilizan como entrada 16
P20123048518-06-2013para un algoritmo de asignación de tiempos de carga (planificación de cargas o scheduling) que determina un tiempo de inicio y un tiempo real de carga para cada uno de los vehículos eléctricos conectados a la red. Este algoritmo de scheduling vuelve a ser llamado cada vez que un nuevo vehículo eléctrico se conecta a la red, si un vehículo eléctrico en carga no 5 finaliza su recarga en el tiempo esperado, o si un vehículo eléctrico en carga finaliza su recarga antes del tiempo esperado. A partir de la salida de este algoritmo de scheduling, se calcula un parámetro de calidad de servicio QoS (del inglés "Quality of Service"), que determina si la planificación resultante permite alcanzar los niveles de carga requeridos por todos los vehículos. En caso contrario, 10 se desconectan los vehículos en estado de carga cuya carga supera un porcentaje (por ejemplo, el 90%) y se vuelve a aplicar el algoritmo de scheduling. Si la solución resultante sigue sin ser satisfactoria, se reduce progresivamente el porcentaje a partir del cual se desconectan los vehículos. Otra alternativa, que puede combinarse con la desconexión de vehículos por encima de un cierto porcentaje, es la reducción progresiva de la energía 15 requerida por los vehículos en espera. Igualmente, si la salida de este algoritmo de scheduling incluye vehículos sin asignación de tiempo de carga (esto es, el instante de tiempo de inicio de carga es posterior al tiempo de disponibilidad del vehículo), entonces se proponen cortes en el suministro de energía a vehículos que están actualmente en estado de carga; así, por ejemplo, aquellos vehículos 20 que lleven cargando más de un 85% del tiempo de carga se proponen para su desconexión. Con esta nueva propuesta de carga y las solicitudes pendientes de asignar se vuelve a llamar al algoritmo de scheduling. Nuevamente, si éste genera una salida no aceptable se propone eliminar sucesivamente a los vehículos con un 80%, 75%, 70% de tiempo de carga. Al llegar a una solución factible, se sacan de carga los vehículos que corresponda y se 25 trabaja con la nueva solución. Si de ninguna manera se llega a una solución satisfactoria, se tomará la decisión de no cargar alguno de los vehículos. Para evitar desequilibrios entre líneas de una misma red, el algoritmo de scheduling considera como restricción, en el planteamiento del problema de optimización, que un parámetro de desequilibrio de la red no supere en ningún momento del intervalo planificado 30 un determinado umbral. Un parámetro de desequilibrio aplicable es el máximo de la diferencia entre el número de vehículos en estado de carga de dos líneas, dividido entre el número máximo de vehículos en estado de carga por línea. En definitiva, el algoritmo de scheduling o de planificación de cargas tiene que realizar una 17
P20123048518-06-2013asignación de tiempos de inicio de carga, de forma que se maximice la cantidad de carga de los vehículos y que a la vez se satisfagan las restricciones de calidad mínima (factor QoS) y tiempo del servicio para cada vehículo, y de equilibrio entre las líneas de carga. Formalmente, el problema de la planificación de los tiempos de carga de los vehículos se 5 puede definir como un problema de optimización y satisfacción de restricciones de la forma siguiente: Cada línea de carga L; tiene un conjunto de n; puntos de carga. N>O es el número máximo de puntos de carga que pueden estar simultáneamente en estado de carga en cada una de las líneas. 10 La línea de carga L; recibe a lo largo del tiempo M; vehículos {V;1, ... ,V;M;}. Cada uno de estos vehículos tiene un tiempo de llegada lij, un tiempo previsto de carga Pij y un "due date" o tiempo de retirada previsto dijo La llegada de un vehículo no se conoce antes del tiempo slij. En general, lij + Pij :5 dij, pero para algunos vehículos puede ocurrir que lij + Pij > dij, en cuyo caso para este vehículo se tiene lo que se llama tardiness estructural cuyo valor viene dado 15 por lij + Pr dijo Otros parámetros utilizados en la formulación del problema son: !'.E[O, 1] es un parámetro de desequilibrio máximo entre líneas, y QoSE[0,1] es un parámetro de calidad de servicio que mide la fracción mínima del tiempo de carga previsto que un vehículo tiene que recibir. Se trata de calcular una planificación factible, es decir, asignar a cada vehículo vij un tiempo 20 de inicio de carga slij y un intervalo de carga pij' de modo que se satisfagan las restricciones siguientes: 25 30 (1) Para cada vehículo vij, sl;p-lij. (2) El tiempo de carga real, pij', asignado a vij debe ser pij';:-QoS x Pij para los vehículos sin tardiness estructural y al menos dij-lij para los vehículos con tardiness estructural, siempre y cuando este valor no sea mayor que el anterior. Es decir: , {min (d'J -I'J' QoS X P'J) P > ¡J -QoS xp¡J d¡] -t¡] < p¡] d -I ;:-P ¡J ¡J ¡J (3) La carga de un vehículo no se puede interrumpir, es decir, Cij = slij+pij', donde Cij es el tiempo de desconexión real del vehículo vij. 18
P20123048518-06-20135 (4) El número máximo de puntos de carga que están en estado de carga simultáneamente en cada línea no puede exceder el valor N; es decir: maXt>O;i=1,2,3Ni(t) ~ N donde N;(I) es el número de puntos de carga en estado de carga de la línea L;en el intervalo [1,1+1), (5) El desequilibrio máximo entre las líneas de carga no puede exceder el valor L'.; es decir: (INi(t) -Nj(t)l) maXt;:;:o; 1~i,j~3 N ::::; 11 Esta condición se puede expresar de forma equivalente como: Ni(t)i=1,2,3 E [max (O, N¡ (t) -/1, min (N, N/t) + /1)] }=1,2,3 10 (6) El tardiness total tiene que ser inferior o igual al tardiness estructural real, es decir: L L max (O, Ci} -di}) ~ L L max (O, ti} + pi} -di}) i=1,2,3; j=l, ... ,Mi i=1,2,3; j=l, ... ,Mi Se trata de maximizar el tiempo total de carga de todos los vehículos, definido como: L pi} i=1,2,3:j=1, ",Mi Dado que la llegada de vehículos no se conoce de antemano, la forma de resolver el problema consiste en planificar los vehículos que hay en el sistema cada vez que se 15 produce uno de los eventos ya comentados anteriormente (llegada de un vehículo nuevo, salida de un vehículo antes de lo previsto, o bien que un vehículo no alcanzó su carga en el tiempo previsto), La planificación calculada se aplica hasta que se produzca el siguiente evento, A continuación se muestra, mediante un ejemplo simple, cómo es el funcionamiento del algoritmo de planificación de cargas propuesto, 20 La Figura 4 presenta un ejemplo de escenario en el que se aplica el algoritmo de planificación de cargas, con una estación de carga formada por tres líneas de carga L 1, L2 Y L3, cada una de ellas con tres puntos de carga, El eje horizontal muestra unidades de tiempo, de modo que la longitud del recuadro correspondiente a cada vehículo (u otro dispositivo) indica el tiempo requerido para cargarlo, En el instante de inicio (t=O) mostrado 25 en la Figura 4 hay seis vehículos esperando ser servidos (v2, v3, v4, v5, v7 Y v9), Posteriormente llegan tres vehículos más: v1 en el instante t=4, v8 en el instante t=20, y v6 en el instante t=21, El parámetro de desequilibrio en esta realización se fija como t.=0,5, 19
P20123048518-06-2013La primera distribución se realiza, por tanto, en t=O conociendo solamente los vehiculos que ya están en la estación. La Figura 5 muestra una solución factible para la distribución de carga de estos vehículos v2, v3, v4, v5, v7 Y v9. El siguiente instante de replanificación es cuando llega el vehículo v1, es decir, para el 5 instante t=4. En ese momento y de acuerdo con la distribución de carga planificada (véase Fig. 5), los vehículos v3 y v9 están en estado de carga y no se puede interrumpir su carga. En la Figura 6 se muestra una posible solución de la replanificación realizada por el algoritmo de planificación. No obstante, dicha solución puede optimizarse utilizando la planificación mostrada en la Figura 7, en la que se retrasa el inicio de carga del vehículo v1 10 y se adelanta el inicio de carga del vehículo v5. Se vuelve a realizar una replanificación en el instante t=20 debido a la llegada del vehículo v8. En ese momento solamente se están cargando los vehículos v9 y v1 con un tiempo remanente de 2 unidades cada uno, luego el inicio de carga del vehículo v8 se puede planificar en t=22. Finalmente, se produce una última replanificación en el instante t=21 por 15 la llegada del vehículo v6, y una posibilidad es que el inicio de la carga para los vehículos v6 y v8 sea ese instante t=21, tal y como se indica en la Figura 8, que muestra el resultado final de la planificación. 20 Alternativamente, puede utilizarse un algoritmo determinista, en el que cuando un vehículo se conecta a la red de distribución: Si la red puede proporcionarle la carga requerida en ese momento, pasa directamente a estado de carga. En caso contrario, se desconecta el vehículo en carga más próximo a terminar su carga (siempre que haya superado un umbral determinado), y se empieza la carga del nuevo vehículo. Alternativamente, si no se ha superado dicho umbral, puede supeditarse el 25 inicio de la carga del nuevo vehículo a la finalización de la carga en curso. En caso de aplicar dicho algoritmo determinista, se calculan las siguientes variables: dE, = Es, -E" es la energía deficitaria de carga ese día para un usuario y punto de carga. Este déficit de energía del punto de carga n se obtiene haciendo la diferencia entre la 30 energía solicitada o requerida Es, y la que se le ha aportado E,. dT, = T, -Tr, es tiempo deficitario de carga para ese día para un usuario y punto de carga. Se obtiene restando el tiempo estimado de carga T, para ese día y el tiempo real de carga Tr, de ese día en el punto de carga. Td, = T, -Tc, es el tiempo disponible de carga, es decir, la diferencia entre lo máximo 35 disponible estimado y el tiempo que lleva conectado, haya cargado o no. 20
P20123048518-06-2013Th = Td -T, es la holgura en la carga del nuevo usuario, que puede ser mayor, igualo menor que cero. Si este valor es mayor o igual que cero no hay problemas y se puede realizar la distribución, mientras que si es menor, es necesario tomar otras soluciones que obligan a reducir la 5 carga global. Si el usuario introduce el porcentaje de carga a cargar (pct) , entonces se tienen en cuenta los cálculos descritos a continuación: Es, = pct% E, representa la energía solicitada para cargar el vehículo, donde E es la 10 capacidad total del vehículo. 15 dE, = Es, -E" es el déficit de energía de carga. Si se introduce una cantidad de dinero fija para la carga, entonces las siguientes variables se calculan de la siguiente manera en función de la tarifa vigente. Es, = Dinero * tarifa, en kWh. El proceso de ejecución de la distribución es el siguiente: el usuario pasa la tarjeta por el maestro, introduce el punto de carga en el que ha conectado su vehículo y selecciona si desea utilizar perfiles de carga. Si elige uso de perfiles de carga, hay que estimar la cantidad de energía, el tiempo de carga y el tiempo de disponibilidad. En caso contrario, se le 20 pregunta si quiere cargar por porcentaje de energía o por dinero. Si es por porcentaje de energía, se le pregunta porcentaje de carga y hora de retirada. Si es por dinero, se le pregunta cantidad en euros a cargar y hora de retirada. Si es la primera vez que se entra en el sistema, se pone Th a cero y se activa un estado que identifica la recarga como una primera recarga sin datos en el historial. 25 Cuando se trate de puntos de carga en los que se puede regular la corriente de carga, en lugar de proceder a la desconexión, una alternativa es dividir la carga suministrada a un vehículo en estado de carga en un circuito formado por dicho vehículo en estado de carga y uno o más de los vehículos en espera, redistribuyendo la carga consecuentemente al finalizar los vehículos conectados a dicho circuito. El vehículo en estado de carga 30 seleccionado es el vehículo cuyo tiempo esperado de finalización está más próximo. Por ejemplo, si un vehículo está recibiendo una salida de 32 A Y se conectan a un mismo circuito dos nuevos vehículos, cada uno de los tres vehículos se alimenta con 10 amperios hasta que uno de ellos finaliza la carga, y entonces los dos vehículos restantes pasan a alimentarse con 16 A. 35 El algoritmo determinista da como resultado una planificación más lejana de la óptima y, por 21
P20123048518-06-2013lo tanto, un peor servicio, pero puede resultar conveniente su aplicación en casos en los que se disponga de poca información sobre los dispositivos conectados al sistema. A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que 5 múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada. 22