民航電動特種車有序充電策略

高建樹，羅云朝，馬臨凱，邢書劍

(1.中國民航大學機場學院，天津 300300；2.中國民航大學航空工程學院，天津 300300；3.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300)

中國航空運輸產業正在快速發展[1]，而民航運輸產業迅速發展的同時亦兼顧了綠色發展。民航機場的地面特種車電動化速度加快，電動特種車的數量和種類都在快速增長[2-3]。地面特種車電動化的發展需要更為完善的充電策略為地面電動特種車的充電運行提供保障。優質的充電策略不僅需要滿足特種車的充電需求，還要能削減特種車的充電行為對供電電網線路負載造成的沖擊，同時使電動特種車的充電成本下降。

目前，針對常規民用電動車充電的研究較多，而針對機場特種車充電的研究較為有限，同時，在關于常規電動汽車的充電研究中，多采用主動價格激勵策略[3-5]。

文獻[6-9]研究了機場電動特種車充電與調度策略。文獻[6]采用ID3決策樹算法和全反饋神經網絡，將機場電動特種車的工作和調度問題歸結為旅行商(traveling salesman problem，TSP)規劃問題；文獻[7]采用決策樹算法對機場燃油和電動特種車進行任務分配；文獻[8]以最小的充電等候時間、最小運行周期為目標，優化整個機場的電動特征車運行策略；文獻[9]考慮車輛行走路線和電池的生命周期成本，提出一種機場特種電動車的運行策略。但文獻[6-8]主要研究機場電動特種車的任務分配，并未考慮車輛剩余電量變化對機場電動特種車運行的影響；文獻[9]沒有考慮車輛需求量變化對電動車使用策略的影響。因此，上述文獻缺乏對航班數量與電動特種車需求的適應性。

文獻[10]搭建了模擬電動汽車的隨機性充電模型，提出民用電動車充電雙層控制策略；文獻[11]考慮由分時電價引起的居民電網負荷的隨機波動，提出了降低電網負荷波動不確定度的分時定價充電策略；文獻[12]以充電成本和車輛電量缺少量最小為優化目標，提出了一種有序的充電策略。但文獻[10-12]都只考慮一天內充電站只為同一輛車提供一次充電服務，未考慮同一輛車一天可能多次充電的情況。

機場電動特種車作為在民航機場運行的特種設備，其運行特點與一般電動車有較大的不同。民航電動特種車需要完成保障航班正常運行任務，所以其充電行為受航班數量、飛機等待時間、停機時間等影響[13]。民航電動特種車一天之內可能會多次充電，以滿足航班保障需求，此外，因機場管制要求，機場車輛的運行路線較為固定。所以，在處理機場電動特種車的充電問題上，文獻[6-12]對此方面的研究存在一定的困難。

針對電動特種車的充電過程會受航班對電動特種車需求量的影響，本文通過調整機場特種車充電電量臨界值閾值來調整可執行航班保障任特種車的數量，以滿足航班保障需求。以電動特種車的充電成本為最小目標函數，建立其有序充電數學模型，提出一種新型有序充電控制策略；以某機場實際充電數據作為仿真算例，分析有序充電策略對負荷沖擊及充電成本的影響。

1 機場電動特種車有序充電策略

在滿足航班數量對機場電動特種車需求的基礎上，考慮電動特種車的電量變化和一天可能多次充電的需求，本文設計一種新型的電動特種車有序充電控制策略，如圖1所示。

圖1 有序充電策略Figure 1 Ordered charging strategy

該策略需要輸入充電槍和電動特種車的基本信息，然后輸入航班數量信息和車輛電量(state of charge，SOC)值等波動信息。本文根據機場特種車的運行規律建立民航電動特種車的有序充電數學模型，結合YALMIP工具和LPSOLVE求解器對模型優化求解[14-15]，獲得民航電動特種車的有序充電控制策略。

由于航班需要電動特種車來保障，故第j(j=1,2,…,J)時間段的航班數量決定了j時間段內得電動特種車需求數量。引入車輛SOC的臨界閾值S來確定車輛是否執行充電行為。當第m輛車執行充電行為時，記錄車輛到達充電到充電槍的時間和電池SOC值，即tm,in、Sm,in；而tm,out、Sm,out分別表示車輛的充電結束時間和此時的電池SOC值。在當前時間段，若未充電且車輛SOC值大于臨界閾值S的機場電動特種車數量無法滿足航班對特種車輛的需求時，則由第m輛車的SOC值來決定是否提前結束充電；若當前未充電且車輛SOC值大于臨界閾值S的車輛數量已滿足航班保障對特種車輛的數量需求時，則第m輛車繼續充電，使車輛SOC值盡可能達到80%以上。

2 輸入信息

民航機場電動特種車有序充電模型的優化求解需要先輸入機場充電槍數量N、充電機功率Q、機場電動特種車輛數量M、電池容量B以及航班數量矩陣Lplane、車輛SOC值等信息。

常規機型與其正常運行所需特種車種類和數量對應關系如表1所示[16-17]。

表1 典型機型與特種車需求對照Table 1 Comparison between typical airplane and special vehicles

結合表1和機場航班的機型和數量信息即可確定此時間段內需要執行保障任務和可進行充電的特種車種類和數量。

3 數學模型的建立與求解

3.1 電動特種車充電數學模型的建立

各類機場特種車輛7～15 min完成一次保障任務，因此，時間段劃分長度取10 min較為合理，將1 d劃分為144個時間段，即T=10 min、J=144。

1)定義第m輛電動汽車開始充電時間段為

(1)

2)定義第m輛電動汽車停止充電時間段為

(2)

其中，[]表示整數化計算，即[a]是整數且滿足[a]≥a，trans(t)表示時間變換成分鐘數。如：第m輛車從14:15開始至17:21結束充電。充電開始時間14:15轉化分鐘數為855 min，855/10= 85.5，取整為86，即Tm,in=86；同樣地，充電結束時間最終轉化為時間段為Tm,out=104，即充電時間段為第86到第104時間段。

3)定義一個三維矩陣p，其中矩陣p的元素為0或1，矩陣大小為N×M×J。當第j個時間第m輛電動特種車在第n個充電槍上充電時，p(n,m,j)=1，否則p(n,m,j)=0。

4)Lplane為航班數量矩陣，Lplane(j)表示在第j時間段有Lplane(j)個航班需要特種車輛保障。

5)機場共有N個充電槍，且第n個(n=1,2,…,N)充電槍功率為Qn，若所有充電槍功率均為Q，則Qn=Q。

6)機場有M輛民航電動特種車，第m(m=1,2,…,M))輛車的電池容量為Bm、電池SOC值為Sm。

8)依據分時電價對充電行為進行調節[18-19]。定義一維矩陣為Cp，Cp(j)表示第j時間段的電網電價。

充電槍的約束條件如下：

(3)

(4)

式(3)、(4)表示在任意一個時間段內一臺電動特種車只能在一個充電槍上充電，不存在同輛車同時在不同的充電槍充電情況。

充電量約束如下：

(5)

(6)

其中，式(5)表示任意一臺特種車的充電量不超過為其所充電的充電槍的耗電量；式(6)表示任意一臺特種車的缺電量需大于零，且不超過其電池容量。

線路負載約束如下：

(7)

式中S(j)為j時間段充電線路能經受的最大安全負載功率。式(7)表示任意時間段的所有正在充電的充電槍的功率總和不超過充電電網能經受的最大安全負載。

j時間段的充電成本為

(8)

民航機場電動特種車的充電模型目標函數為

(9)

通過式(1)～(9)的處理，建立基于混合整數規劃的民航機場電動特種車的有序充電策略數學模型。

3.2 電動特種車充電數學模型的求解

本文利用LPSOLVE求解器對混合整數規劃模型的快速求解能力，采用YALMIP建模并調用LPSOLVE求解器進行求解。民航機場電動特種車有序充電數學模型求解流程如圖2所示。

圖2 計算流程Figure 2 Calculation flow chart

1)定義MT1(j)為j時間段航班Lplane(j)需要的特種車數量；MT2(j)為j時間段正常保障所缺少的車輛數量；MT(j)為j時間段特種車總需求數量；MTR(j)為j時間段非充電狀態且電池SOC值大于臨界閾值S的電動特種車數量，即可提電量充足可以正常作業的特種車數量。

2)定義MS1(j)為j時段特種車的電池SOC值低于臨界閾值S的車輛數量；N(j)為j時段為特種車充電的充電槍數量；MS2(j)為j時間段需充電而無可充電的充電槍特種車數量；MS(j)為j時段需要充電的特種車數量。

(10)

民航機場電動特種車有序充電模型的目標函數最終修正為

(11)

圖2中基礎參數包含機場可用充電槍數量N、充電槍功率Q、機場電動特種車輛數M、車輛電池容量Bm以及航班數量矩陣Lplane、車輛SOC值Sm等信息。當S=35%時，表示車輛SOC值小于35%的車不再提供保障服務，車輛需要進行充電。此外，由于民航機場特種車輛的電池過度放電會導致其安全性降低、性能和壽命受損，故當臨界閾值S<20%時，S即不能再降低，以保證電池電量過低的特種車輛不會被派出執行任務。

在j時間段內，車輛按照SOC值的大小進行優先等級排序，SOC值越低的優先等級越高，優先等級最高為1、最低為M。優先等級高則優先進行充電，車輛遍歷所有充電樁的N個充電槍，選擇距離車輛位置最近的充電樁上的充電槍進行充電，若充電槍已經在為車輛充電，則選擇次近位置充電樁上的充電槍充電。

3.3 電動特種車充電數學模型說明

1)異常情況處理。

①j時間段可能會出現MTR(j)

②j時間段已有N(j)個充電槍被充電占用，可能出現MS1(j)>N-N(j)的情況，即充電槍數量小于需充電車輛數量。當MS1(j)>N-N(j)時，將j時間有充電需要但實際并未充電的車輛數量MS2(j)累計到j+1時間段的MS2(j+1)中。

(12)

式中λ(j)為j時段的航班數量懲罰系數，由航運、地勤服務、機場保障、特種車輛等專家共同確定。

4 算例模擬仿真與分析

在民航機場運行的特種車中，飛機牽引車、機場擺渡車以及行李裝載車、客梯車、行李牽引車等均是適合電動化的平臺[20-21]。本文整理了中國120余家機場和運行單位使用的機場地面特種車信息，其中，保有量排行前5位的車輛種類、數量與占比分布如表2所示。

表2 機場特種車分布Table 2 Airport special vehicle distribution %

其中，電動行李傳送帶車占比較高且電動化試點運行的較早。產品成熟、安全性高和經濟性好的鉛酸電池是機場地面電動車的主要蓄能設備[21-22]。因此，本文以使用鉛酸電池的電動化行李傳送帶車運行為優化算例。文獻[22]中鉛酸電池多段恒流和脈沖充電方式的特點是充電功率變化緩慢、變化幅度小，該文假設特種車的充電功率恒定。

4.1 參數設置

算例數據的來源為某機場運行的電動行李傳送帶車1 a內的充電數據。

1)基本參數設置。

仿真算例中設置：N=20(充電槍)，M=50(電動特種車)，Q=6 kW(充電功率)，Bm=32 kW·h(每臺電動特種車電池容量)，T=10 min、J=144、λ(j)=1.3。

2)充電槍設置。

文獻[23-25]定義了中國50 Hz電網的電動車交/直流充電樁(站)參數，如表3所示。該算例的充電樁(站)的充電槍配置：交流220 V，額定電流不超過32 A，以恒功率6 kW進行充電。

表3 各充電模式的電壓、電流、功率Table 3 Voltage, current, power of each charging mode

3)航班數量假設。

本算例由某機場的一年間的航班運行保障數據處理后得到，需要保障的航班數量為

Lplane=[9,7,9,7,5,5,4,4,6,4,4,4,5,0,0,0,0,

0,0,3,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,3,7,

11,19,17,17,15,17,23,21,22,19,22,23,17,

13,11,15,19,23,22,20,18,17,17,14,11,15,

14,20,15,16,13,12,14,14,17,13,13,12,13,

14,14,13,12,12,11,13,13,16,14,13,14,15,

14,14,13,16,13,13,13,10,10,12,8,9,10,9,

7,5,7,9,6,5,5,6,8,11,9,6,9,11,9,10,8,9,

13,12,11,8,12,11,11,11,8,12,11,16,16,

15,12,11,14,10,8,8,9,10,8]

4)車輛SOC值設置。

為驅動該模型滾動優化，該算例設開始進行充電的民航機場電動特種車輛SOC值服從概率為(0.3×N(0.4，0.12)+0.4×N(0.8，0.12))的隨機分布[6]。其中，N(μ,σ2)表示期望為μ、方差為σ2的正態分布。

5)分時電價。

民航機場電動特種車充電所消耗電能的購買價格[12]如表4所示。

表4 分時電價Table 4 Time-of-use price list

4.2 結果說明與分析

本算例模型的計算是使用Matlab 2016a軟件在3.30 GHz 的Inter(R) Xeon(R) CPU E3-1225 v5計算機上完成。

1)本算例的有序充電策略結果曲線如圖3所示，其中，常規負荷是機場充電線路的實際負載與其最大負載容量的比值[26]。無序充電曲線是無干預下的處于充電狀態民航機場電動特種車輛的占比曲線；有序充電曲線則是該文的有序充電策略控制下的處于充電狀態民航機場電動特種車輛的占比曲線。

圖3 有序、無序2種負荷曲線Figure 3 Orderly and disordered

由圖3可知，無序充電、有序策略充電曲線的峰值分別為0.562、0.400，谷值分別為0.063、0.205，峰、谷差值分別為0.499、0.195。相比之下，本文提出的有序充電策略在電網線路負載的高峰時間段減少了充電車輛。此外，峰、谷差值下降了60.91%，特種車充電比例波動減??；特種車的峰值充電占比下降0.162，可防止車輛集中充電行為對電網線路負載的沖擊。體現了本文提出的有序充電策略的優勢。

2)本算例中機場電動特種車的充電成本如表5所示，可知民航機場電動特種車在無干預的無序充電下充電成本較高，而本文提出的有序充電策略可以有效降低機場電動特種車的充電運行成本，充電成本減少了35.53元，即降低了12.31%。

表5 充電運行成本Table 5 Charging results

5 結語

本文考慮實時航班數量對電動特種車充電電量臨界值的影響，提出了有序的民航機場電動特種車充電策略。以在某民航機場運行了1 a的電動特種車的充電運行數據為基礎，對比有序和無序充電策略，得出以下結論：

1)提出了一種適用于民航機場運行的電動特種車充電的混合整數規劃決策的數學模型；

2)提出了一種新型的有序充電策略，此策略能滿足民航電動特種車一天之內可能多次充電需求以及航班保障需求；

3)有序充電策略可以減小民航機場電動特種車充電對電網線路負載的沖擊，并能節省特種車充電成本。