一种电动公交车动态无线充电系统配置方法、系统及设备与流程

本发明属于电力-交通耦合网规划与运行，具体涉及一种电动公交车动态无线充电系统配置方法、系统及设备。

背景技术：

1、目前电动公交车主要采用传统的有线充电方式进行补能，这种方式要求电动公交车较长时间的停靠，这降低了其使用效率。同时，也有研究提出采用静态无线充电作为有线充电的补充，即通过在电动公交车站点处不止静态无线充电系统，在电动公交车停靠期间进行补电，达到增程的效果，降低电动公交车对于有线充电的依赖。可是静态无线充电仅能在电动公交车静止停靠时充电，其充电窗口较短，增程效果有限，而动态无线充电系统可以很大程度上改善上述问题，它允许电动公交车在相对较低的行驶速度下进行途中补电，这大大增加了无线充电的时间窗口，提高了增程的效果。然而动态无线充电系统的配置成本较高，因此选择在何处铺设、铺设多长的动态无线充电系统，才能最大限度的提高动态无线充电系统的经济效益，成为目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种考虑到电动公交车在车道中的交通分布，能够最大化动态无线充电系统使用率以及经济效益的电动公交车动态无线充电系统配置方法、系统及设备。

2、为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

3、一种电动公交车动态无线充电系统配置方法，所述配置方法包括：

4、步骤a、计算得到电动公交车在各条道路上各个路段的平均停留时间；

5、步骤b、将步骤a得到的计算结果输入至预先构建的动态无线充电系统优化配置模型求解得到动态无线充电系统配置方案，其中，所述动态无线充电系统优化配置模型包括以最大化动态无线充电服务的经济效益为目标的目标函数以及动态无线充电系统约束，所述动态无线充电系统配置方案包括动态无线充电系统的选址和铺设长度。

6、所述步骤b中，动态无线充电系统优化配置模型的目标函数为：

7、；

8、；

9、；

10、；

11、上式中，为动态无线充电服务的收入；为动态无线充电系统的运营成本；为动态无线充电系统的配置成本；为贴现率；为动态无线充电系统的运行寿命，单位为年；为一年中典型日的数量；为道路上的电动公交车在时刻通过动态无线充电系统补充的电能；为动态无线充电服务的单位价格；、分别为道路上配置的动态无线充电系统的起点、终点；为一个典型日内动态无线充电系统的运营时长；为动态无线充电系统的单位运营成本；为动态无线充电系统的单位配置成本。

12、所述步骤b中，动态无线充电系统约束包括电动公交车在道路路段的平均停留时间约束、电动公交车在单位时间内从动态无线充电补充的总能量约束、电动公交车在道路上的动态无线充电行为约束、动态无线充电系统长度约束、动态无线充电系统的配置道路数量及总长度约束、动态无线充电服务的覆盖率约束；

13、其中，所述电动公交车在道路路段的平均停留时间约束：

14、；

15、上式中，为电动公交车在处的平均停留时间；、分别为电动公交车在处的累计速度、累计数量；为动态无线充电系统的单位铺设长度；

16、所述电动公交车在单位时间内从动态无线充电补充的总能量约束：

17、；

18、上式中，为道路上时刻可进行动态无线充电的电动公交车的数量；为动态无线充电的额定输出功率；

19、所述电动公交车在道路上的动态无线充电行为约束：

20、；

21、上式中，表示道路上是否配置动态无线充电系统的决策变量，若为1，则在道路上配置动态无线充电系统，否则不配置；为大变量；

22、所述动态无线充电系统长度约束：

23、；

24、所述动态无线充电系统的配置道路数量及总长度约束：

25、；

26、；

27、上式中，、分别为动态无线充电系统的配置道路数量、总长度上限；

28、所述动态无线充电服务的覆盖率约束：

29、；

30、上式中，为动态无线充电系统对于电动公交车交通流的覆盖率下限；为一个典型日内整个交通网中电动公交车的总流量。

31、所述步骤b中，所述动态无线充电系统优化配置模型还包括配电网约束，所述配电网约束包括配电变压器的负载率约束、配电网线路潮流约束、配电网节点电压约束；

32、其中，所述配电变压器的负载率约束：

33、；

34、；

35、上式中，为时刻在配电网节点处动态无线充电负荷接入的配电变压器负载率； 为配电网节点与道路的耦合关系矩阵；为动态无线充电的能量传输效率；为动态无线充电的功率因数角；为时刻在配电网节点处接入配电变压器的基础负荷；为配电网节点处的配电变压器的额定视在功率；、分别为配电变压器的负载率下限、上限；为单位时间；

36、所述配电网线路潮流约束：

37、；

38、；

39、上式中，为与配电网节点相连的配电网线路上的视在功率；为配电网线路的视在功率上限；

40、所述配电网节点电压约束：

41、；

42、；

43、；

44、上式中，、分别为配电网线路的电阻、电抗；为配电网线路在时刻的电压降，、、分别为配电网节点、节点、节点在时刻的母线电压；为配电网母线额定电压；、分别为配电网母线电压的上限、下限。

45、所述步骤a中，电动公交车在各条道路上各个路段的平均停留时间的计算方法包括：

46、步骤1、初始化道路车辆动态分布模型的参数，按照电动公交车和非电动公交车的比例随机生成道路中初始的队列；其中，所述参数包括道路长度、道路限速 、车站距离道路起点的距离、进入道路的所有车辆中电动公交车的占比、非电动公交车变道的可能性；所述队列表示时刻在道路中行驶的所有车辆形成的队列，队列中车辆的信息用结构体表示，所述结构体包括时刻的车辆行驶速度、车辆位置、道路选择变量、电动公交车的行驶状态变量，所述车辆位置是指电动公交车距离道路起点的距离，所述道路选择变量是指车辆是否在时刻变道离开道路，所述电动公交车的行驶状态变量是指电动公交车未到达车站、在车站停靠或驶离车站；

47、步骤2、根据车辆行驶速度不超过道路限速约束、车辆位置不超过道路长度约束，更新队列及所有结构体；

48、步骤3、提取更新后的队列中的结构体，并判断所提取结构体对应的车辆类型，若车辆类型为非电动公交车，则进入步骤4a，若车辆类型为电动公交车，则进入步骤4b；

49、步骤4a、根据非电动公交车变道的可能性生成道路选择变量，并判断生成的道路选择变量是否为选择变道，若选择变道，则进入步骤5a，否则进入步骤5b；

50、步骤4b、判定电动公交车行驶状态变量是电动公交车未到达车站、在车站停靠还是驶离车站，若是未到达车站，则进入步骤5c，若是在车站停靠，则进入步骤5d，若是驶离车站，则进入步骤5e；

51、步骤5a、从队列中剔除结构体，进入步骤6；

52、步骤5b、计算车辆位置，并判断是否时刻的车辆位置大于或等于道路终点位置，若是，则从队列中剔除结构体后进入步骤6，若不是，则立即进入步骤6；

53、步骤5c、计算未到达车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度，进入步骤6；

54、步骤5d、计算在车站停靠状态下的车辆位置和车辆行驶速度，进入步骤6；

55、步骤5e、计算驶离车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度，并判断是否时刻的车辆位置大于或等于道路终点位置，若是，则从队列中剔除结构体后进入步骤6，若不是，则立即进入步骤6；

56、步骤6、判断是否更新后的队列中所有结构体都提取完成，若是，则进入步骤7，否则返回步骤3；

57、步骤7、根据进入道路的所有车辆中电动公交车的占比生成时刻进入道路车辆的决策变量，并判断生成的时刻进入道路车辆的决策变量是1、2还是3，若是1，则表示时刻出现在道路入口处的车辆为非电动公交车，进入步骤8a，若是2，则表示时刻出现在道路入口处的车辆为电动公交车进入步骤8b，若是3，则表示无车辆进入道路，则进入步骤8c；

58、步骤8a、生成时刻出现在道路入口处的非电动公交车所对应的结构体，进入步骤9；

59、步骤8b、生成时刻出现在道路入口处的电动公交车所对应的结构体，进入步骤9；

60、步骤8c、无车辆进入道路，进入步骤9；

61、步骤9、判断是否达到预设时刻，若是则结束计算，并输出电动公交车在各路段的累计速度、累计数量，根据各路段的累计速度、累计数量计算得到平均停留时间，若不是则完成自加操作后返回步骤2。

62、所述步骤5b中，根据以下公式计算车辆位置：

63、；

64、；

65、；

66、上式中，为在时刻车辆与车辆的距离；、分别为时刻、时刻的车辆位置；为时刻的车辆位置；为时刻车辆移动的距离；分别为时刻车辆的速度。

67、所述步骤5c中，根据以下公式计算未到达车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度：

68、；

69、；

70、；

71、；

72、；

73、；

74、；

75、上式中，为配电网线路的视在功率上限；、分别为电动公交车在路段之间的累计速度、累计数量；表示复合赋值运算符；表示时刻车辆距离车站的距离；为电动公交车在之间的平均行驶速度；

76、所述步骤5d中，所述车辆行驶速度保持不变，根据以下公式计算车站停靠状态下的车辆位置：

77、；

78、；

79、所述步骤5e中，根据以下公式计算驶离车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度：

80、；

81、；

82、；

83、；

84、。

85、所述步骤2中，所述道路限速约束：

86、；

87、所述车辆位置约束：

88、。

89、一种电动公交车动态无线充电系统配置系统，所述配置系统包括停留时间计算模块、优化配置模块；

90、所述停留时间计算模块用于计算得到电动公交车在道路上各个路段的平均停留时间并将计算结果输入至优化配置模块；

91、所述优化配置模块用于构建动态无线充电系统优化配置模型，将计算结果输入至动态无线充电系统优化配置模型中进行仿真计算得到动态无线充电系统配置方案，所述动态无线充电系统优化配置模型包括以最大化动态无线充电服务的经济效益为目标的目标函数以及动态无线充电系统约束，所述动态无线充电系统配置方案包括动态无线充电系统的选址和铺设长度。

92、所述优化配置模块用于构建如下动态无线充电系统优化配置模型：

93、目标函数：

94、；

95、；

96、；

97、；

98、上式中，为动态无线充电服务的收入；为动态无线充电系统的运营成本；为动态无线充电系统的配置成本；为贴现率；为动态无线充电系统的运行寿命，单位为年；为一年中典型日的数量；为道路上的电动公交车在时刻通过动态无线充电系统补充的电能；为动态无线充电服务的单位价格；、分别为道路上配置的动态无线充电系统的起点、终点；为一个典型日内动态无线充电系统的运营时长；为动态无线充电系统的单位运营成本；为动态无线充电系统的单位配置成本；

99、约束条件包括：电动公交车在道路路段的平均停留时间约束、电动公交车在单位时间内从动态无线充电补充的总能量约束、电动公交车在道路上的动态无线充电行为约束、动态无线充电系统长度约束、动态无线充电系统的配置道路数量及总长度约束、动态无线充电服务的覆盖率约束；

100、所述电动公交车在道路路段的平均停留时间约束：

101、；

102、上式中，为电动公交车在处的平均停留时间；、分别为电动公交车在处的累计速度、累计数量；为动态无线充电系统的单位铺设长度；

103、所述电动公交车在单位时间内从动态无线充电补充的总能量约束：

104、；

105、上式中，为道路上时刻可进行动态无线充电的电动公交车的数量；为动态无线充电的额定输出功率；

106、所述电动公交车在道路上的动态无线充电行为约束：

107、；

108、上式中，表示道路上是否配置动态无线充电系统的决策变量，若为1，则在道路上配置动态无线充电系统，否则不配置；为大变量；

109、所述动态无线充电系统长度约束：

110、；

111、所述动态无线充电系统的配置道路数量及总长度约束：

112、；

113、；

114、上式中，、分别为动态无线充电系统的配置道路数量、总长度上限；

115、所述动态无线充电服务的覆盖率约束：

116、；

117、上式中，为动态无线充电系统对于电动公交车交通流的覆盖率下限；为一个典型日内整个交通网中电动公交车的总流量。

118、所述停留时间计算模块用于根据以下方法计算电动公交车在道路上各个路段的平均停留时间：

119、步骤1、初始化道路车辆动态分布模型的参数，按照电动公交车和非电动公交车的比例随机生成道路中初始的队列；其中，所述参数包括道路长度、道路限速 、车站距离道路起点的距离、进入道路的所有车辆中电动公交车的占比、非电动公交车变道的可能性；所述队列表示时刻在道路中行驶的所有车辆形成的队列，队列中车辆的信息用结构体表示，所述结构体包括时刻的车辆行驶速度、车辆位置、道路选择变量、电动公交车的行驶状态变量，所述车辆位置是指电动公交车距离道路起点的距离，所述道路选择变量是指车辆是否在时刻变道离开道路，所述电动公交车的行驶状态变量是指电动公交车未到达车站、在车站停靠或驶离车站；

120、步骤2、根据车辆行驶速度不超过道路限速约束、车辆位置不超过道路长度约束，更新队列及所有结构体；

121、步骤3、提取更新后的队列中的结构体，并判断所提取结构体对应的车辆类型，若车辆类型为非电动公交车，则进入步骤4a，若车辆类型为电动公交车，则进入步骤4b；

122、步骤4a、根据非电动公交车变道的可能性生成道路选择变量，并判断生成的道路选择变量是否为选择变道，若选择变道，则进入步骤5a，否则进入步骤5b；

123、步骤4b、判定电动公交车行驶状态变量是电动公交车未到达车站、在车站停靠还是驶离车站，若是未到达车站，则进入步骤5c，若是在车站停靠，则进入步骤5d，若是驶离车站，则进入步骤5e；

124、步骤5a、从队列中剔除结构体，进入步骤6；

125、步骤5b、计算车辆位置，并判断是否时刻的车辆位置大于或等于道路终点位置，若是，则从队列中剔除结构体后进入步骤6，若不是，则立即进入步骤6；

126、步骤5c、计算未到达车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度，进入步骤6；

127、步骤5d、计算在车站停靠状态下的车辆位置和车辆行驶速度，进入步骤6；

128、步骤5e、计算驶离车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度，并判断是否时刻的车辆位置大于或等于道路终点位置，若是，则从队列中剔除结构体后进入步骤6，若不是，则立即进入步骤6；

129、步骤6、判断是否更新后的队列中所有结构体都提取完成，若是，则进入步骤7，否则返回步骤3；

130、步骤7、根据进入道路的所有车辆中电动公交车的占比生成时刻进入道路车辆的决策变量，并判断生成的时刻进入道路车辆的决策变量是1、2还是3，若是1，则表示时刻出现在道路入口处的车辆为非电动公交车，进入步骤8a，若是2，则表示时刻出现在道路入口处的车辆为电动公交车进入步骤8b，若是3，则表示无车辆进入道路，则进入步骤8c；

131、步骤8a、生成时刻出现在道路入口处的非电动公交车所对应的结构体，进入步骤9；

132、步骤8b、生成时刻出现在道路入口处的电动公交车所对应的结构体，进入步骤9；

133、步骤8c、无车辆进入道路，进入步骤9；

134、步骤9、判断是否达到预设时刻，若是则结束计算，并输出电动公交车在各路段的累计速度、累计数量，根据各路段的累计速度、累计数量计算得到平均停留时间，若不是则完成自加操作后返回步骤2。

135、所述步骤5b中，根据以下公式计算车辆位置：

136、；

137、；

138、；

139、上式中，为在时刻车辆与车辆的距离；、分别为时刻、时刻的车辆位置；为时刻的车辆位置；为时刻车辆移动的距离；分别为时刻车辆的速度。

140、所述步骤5c中，根据以下公式计算未到达车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度：

141、；

142、；

143、；

144、；

145、；

146、；

147、；

148、上式中，为配电网线路的视在功率上限；、分别为电动公交车在路段之间的累计速度、累计数量；表示复合赋值运算符；表示时刻车辆距离车站的距离；为电动公交车在之间的平均行驶速度；

149、所述步骤5d中，所述车辆行驶速度保持不变，根据以下公式计算车站停靠状态下的车辆位置：

150、；

151、；

152、所述步骤5e中，根据以下公式计算驶离车站状态下的车辆位置和车辆行驶速度：

153、；

154、；

155、；

156、；

157、。

158、所述步骤2中，所述道路限速约束：

159、；

160、所述车辆位置约束：

161、。

162、一种电动公交车动态无线充电系统配置设备，所述控制设备包括处理器以及存储器；

163、所述存储器用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；

164、所述处理器用于根据所述计算机程序代码中的指令执行前述的电动公交车动态无线充电系统配置方法。

165、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

166、1、本发明一种电动公交车动态无线充电系统配置方法，先计算得到电动公交车在各条道路上各个路段的平均停留时间，然后将计算结果输入至动态无线充电系统优化配置模型求解得到动态无线充电系统配置方案，该配置方案包括动态无线充电系统的选址和铺设长度，该动态无线充电系统优化配置模型包括以最大化动态无线充电服务的经济效益为目标的目标函数以及动态无线充电系统约束；该设计先计算得到各路段的电动公交车平均停留时间，从尽量增大电动公交车在铺设有动态无线充电系统路段的平均停留时间出发，确定动态无线充电系统的选址以及铺设长度，进而最大化动态无线充电系统的使用率和经济效益。因此，本发明通过刻画电动公交车在车道中的交通分布，从而最大化动态无线充电系统的使用率以及经济效益。

167、2、本发明一种电动公交车动态无线充电系统配置方法中，交通分布建立道路车辆动态分布模型还包括配电网约束，该配电网约束包括配电变压器的负载率约束、配电网线路潮流约束、配电网节点电压约束；由于动态无线充电负荷接入电网的电压等级低，功率相对较大，因此需要考虑其接入对于低压直流配电网的影响，通过设置以上约束能保证动态无线充电负荷接入时电网运行安全。因此。本发明考虑了动态无线充电负荷接入对于低压直流配电网的影响，系统运行安全性高。