基于電動公交的電能輸送網(wǎng)絡(luò)研究

徐建文+易平

摘 要：為了應(yīng)對隨時可能出現(xiàn)的能源問題，受能源互聯(lián)網(wǎng)概念的啟發(fā)，文中提出傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)供電之外的電能分配新思路。采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，由傳遞信息變成傳遞電能，選擇電動公交及城市公交線路作為載體實現(xiàn)電能交換傳遞。針對電能配送網(wǎng)絡(luò)最基本的充（放）電站部署和路由連通性問題，使用真實城市交通數(shù)據(jù)和圖論相關(guān)算法思路做對比實驗，得到實際部署電能輸送網(wǎng)絡(luò)的可行性結(jié)論。

關(guān)鍵詞：電動公交；能源互聯(lián)網(wǎng)；電能存儲；電能輸送；城市交通

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-00-04

0 引 言

電能作為現(xiàn)代社會最基本的能源之一，其重要性不言而喻。然而，從很大程度上依賴化石能源的發(fā)電，到以高壓電網(wǎng)為主的供電，現(xiàn)今仍存在諸多隱患亟待解決。近年來，能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet）的概念出現(xiàn)后深入人心，其結(jié)合了傳統(tǒng)能源工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的新技術(shù)，為能源問題的應(yīng)對和解決指明了新方向。

結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)的基本理論，文中提出的電能輸送網(wǎng)絡(luò)旨在實現(xiàn)傳統(tǒng)電網(wǎng)供電以外的小規(guī)模電能輸送。選擇電動汽車（Electric Vehicle）作為載體，實驗場景為城市道路。借助城市公交線路組成的分布網(wǎng)，借助配備大容量車載蓄電池的電動公交和充（放）電站進行電能的交換傳遞。

1 電能輸送網(wǎng)絡(luò)的組成及原理

電能輸送網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。電能輸送網(wǎng)絡(luò)的基本概念是指由位于城郊的新能源電站將電能提供給電動公交，其沿線行駛的同時也能夠搬運電能給經(jīng)停的各站點[1]。此時的公交線路類似計算機網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)報文的鏈路，可以相應(yīng)稱之為“電能鏈路”；而專門設(shè)置在公交站點上的充（放）電站則扮演了“能源路由器”的角色，負責電能的轉(zhuǎn)發(fā)。

電動公交自身需要消耗電能，即電能輸送網(wǎng)絡(luò)中傳遞的是蓄電池中的剩余部分。而事實上也無法將這部分剩余電能完整地加以利用。作為電能輸送網(wǎng)絡(luò)運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充放電過程本身不可避免地消耗著一定的電能。一般情況下，單次直流充/放電效率約為95%，即每一次都要損耗5%[2]，由此完整的“汽車放電-設(shè)備充電”或“設(shè)備放電-汽車充電”過程就要浪費部分電能?？紤]到建設(shè)充（放）電站的成本，因此不必在電能輸送網(wǎng)絡(luò)涉及的每個公交站點都布置充（放）電站。電能輸送網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示，該圖進一步說明了電能輸送網(wǎng)絡(luò)的工作原理。

如圖2所示為4條不同的公交線路，17個站點，其中有兩個分別設(shè)置了能源站A、B。實線、虛線、點線表示的線路線路都直接經(jīng)停能源站A或B，只進行一次完整的電能交換，即從能源站的儲電設(shè)備里放電，車載蓄電池充電，電能利用率約為90%（0.95^2≈0.9）。而剩下花線表示的路由于沿線沒有能源站，需要經(jīng)過與虛線或點線路共同的站點，通過設(shè)置的充（放）電站才能獲得電能供給，兩次電能交換使得利用率降至81%。

電能輸送網(wǎng)絡(luò)在部署階段的兩個評價指標為充（放）電站數(shù)量和電能損耗。能源站本身也具備充（放）電站的功能，但其數(shù)量需要因地制宜。在實驗階段要考慮有不同數(shù)量的能源站時站點的選擇情況，并對比其實驗結(jié)果。在提出問題解決方案之前，首先對電能輸送網(wǎng)絡(luò)的實際可行性進行分析。

2 電能輸送網(wǎng)絡(luò)可行性分析

計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中服務(wù)器的來源和路由器的性能在其運行中的作用最為重要，電能輸送網(wǎng)絡(luò)亦如此。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)的長距離供電能力，以電動公交為載體的電能輸送網(wǎng)絡(luò)還無法滿足跨地區(qū)的需求。此外，作為“能源路由”的電動公交，其電池容量以及充放電性能極大地影響著網(wǎng)絡(luò)整體的運行效率。

2.1 電能來源分析

新能源發(fā)電一直是國家大力支持的朝陽產(chǎn)業(yè)，如今隨著技術(shù)層面的突破，科技民用化的發(fā)展趨勢亦開始突顯。根據(jù)上海市近年來的情況，以光伏為代表的民用新能源發(fā)電已經(jīng)進入了實際部署階段[3，4]。上海市松江區(qū)5 kW民用光伏發(fā)電項目如圖3所示。

多家設(shè)備企業(yè)面向全市居民住戶提供完整的裝配方案和技術(shù)支持，將光伏太陽能板安裝在建筑物房頂?shù)乳e置區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分布式光伏發(fā)電。除去居民自用之外富余的電能還可以輸出并獲得經(jīng)濟補貼。其他如風能、地熱也根據(jù)地區(qū)特點相繼開展，前景光明。電能輸送網(wǎng)絡(luò)完全可以利用其作為能源站。

2.2 電池及充放電技術(shù)分析

作為電能輸送的載體，裝配在電動汽車上的車載蓄電池容量很大程度決定著電能輸送網(wǎng)絡(luò)的效率和規(guī)模。以國內(nèi)電動公交的代表車型，圖4所示的比亞迪（BYD）K9為例，根據(jù)2016年最新發(fā)布的網(wǎng)站數(shù)據(jù)[5]，其電池容量為324 kW·h，最大功率為100 kW×2。假設(shè)一條完整的公交線路為10 km，以30 km/h的速度行駛，K9自身僅消耗掉20% （10 km÷（30 km/h）×200 kW=66.67 kW·h），即剩下的80%（324 kW·h-66.67kW·h=237.33kW·h）可作為電能進行輸送。這里的計算沒有考慮充放電的百分比損耗，是為最理想的狀況。

當前車載電池以鋰電為主，充電方式主要有恒壓、恒流、脈沖等，充電時間和成本各有優(yōu)劣，然而在充電速度上始終存在瓶頸，若一味追求快充與過高的功率極易發(fā)生危險[6，7]。最早由美國Nanotek公司研究并開發(fā)的石墨烯新材料電池有著傳統(tǒng)電池所不具備的高速充放電屬性，在小容量的電子設(shè)備上幾乎可以實現(xiàn)即充即用[8]。雖然由于制造成本無法有效降低，導致石墨烯材料的電池離大規(guī)模商品化仍有一定距離，但作為化學材料領(lǐng)域的熱點，技術(shù)突破指日可待。充電技術(shù)方面，幾年前已經(jīng)出現(xiàn)了“充電馬路”的概念，有望在不遠的未來真正得到實用[9]。石墨烯分子結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 主要問題研究

部署電能輸送網(wǎng)絡(luò)有兩個主要目標，即滿足線路需求和電能損耗最小化的充（放）電站選站，及以保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性為目的的路由連通情況。

3.1 充（放）電站選站

要減少“能源路由”的數(shù)量，最容易想到的是先考慮多條線路經(jīng)停的站點。比起位置偏僻相對只有單條線路的公交站（這樣的情況占最大的比例），充（放）電站的利用率明顯更高。

設(shè)計算法的基本思路是：從能源站（如圖1左端）起始，選擇當前線路上和其他線路共用次數(shù)多的站點，由此完成類似路由轉(zhuǎn)發(fā)中的“一跳（HOP）”。然后轉(zhuǎn)到由該站點連接的其他線路上，重復(fù)之前的操作，直到所有線路都被覆蓋。此時得到一張偽最小連通圖（Minimal Connected Graph），圖中出（入）度大于1的頂點即選出放置充（放）電站的公交站點。而各線路從能源站獲得供給經(jīng)歷的“跳數(shù)”即需要的最少充放電次數(shù)，全部帶入公式（1）計算平均電能損耗率。

3.2 路由連通性

城市交通最多發(fā)的異常狀況即道路阻塞，類似計算機網(wǎng)絡(luò)中的信道擁塞。城市公交因為要沿著固定線路行駛，更容易受到影響。由此，研究電能輸送載體的路由連通性具備實際意義[10]。

在計算機網(wǎng)絡(luò)中，路由轉(zhuǎn)發(fā)前會以廣播的方式對所有監(jiān)聽范圍內(nèi)的節(jié)點進行輪詢，分析電能輸送網(wǎng)絡(luò)的路由連通性也采用類似辦法，對能源站到其他站點的可達情況進行統(tǒng)計分析。將所有站點劃分為能源站節(jié)點組和其他節(jié)點組，分別采用以下三種思路完成彼此的連接路徑尋址：

（1）給每個其他節(jié)點找一條連接至任一能源站節(jié)點的路徑，即將其他節(jié)點看作原像，將能源站節(jié)點看作像得到的映射；

（2）在（1）的基礎(chǔ)上再試圖找出一條不存在公共連接邊的路徑；

（3）無向圖最大流法（Max-flow）找出所有存在的其他節(jié)點到任一能源站節(jié)點的路徑。

一條由能源站節(jié)點連接到其他節(jié)點的線路可能包括多段連接邊，即轉(zhuǎn)乘了多少公交線路，也就是經(jīng)歷了多少次充放電。故對比連接邊和連接距離的總數(shù)量即可得到線路整體的連通性指標，多種思路可以相互補充驗證。

4 算法仿真

4.1 充（放）電站選點布站算法

將采集篩選得到的上海市閔行區(qū)36條長短（包含站點個數(shù)）不一的公交線路帶入仿真，分別使用廣度優(yōu)先搜索（Breadth-First Search，BFS）和最短路徑（Shortest Path）算法進行仿真，實驗重復(fù)50次取平均，在Matlab 2016a的環(huán)境下得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

如圖6所示，橫軸為能源站數(shù)量（例如圖1中有3個）。最短路徑算法略優(yōu)于廣度優(yōu)先搜索，即需要更少的充（放）電站就可保證電能輸送網(wǎng)絡(luò)的基本運行。而隨著能源站數(shù)量增加，充（放）電站的利用率并未增加。例如選取最短路徑算法（虛線）在能源站數(shù)量取2和9時對應(yīng)所需充（放）電站數(shù)取整約為21與16，在將能源站看成充（放）電站的前提下彼此加和得到23、25，總數(shù)增加了。僅由此得到的結(jié)論是能源站數(shù)量的增加并不意味整體輸電效率的提升，更何況能源站的建設(shè)成本高于充（放）電站。

如圖7所示，兩種算法得到的平均電能損耗基本持平，均隨著能源數(shù)量的遞增迅速下降。結(jié)合圖3得到的另一結(jié)論是，增加能源站數(shù)量在減少電能損耗方面具備優(yōu)勢，為了同時顧及效率和損耗需要權(quán)衡。

4.2 路由連通性實驗分析

將三種實驗思路帶入紐約市曼哈頓區(qū)34條線路、116個站點數(shù)據(jù)進行仿真，實驗重復(fù)10次取平均，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8的橫軸依然是能源站數(shù)量，三種思路下找到的連接邊數(shù)與路徑數(shù)比值的變化差異反映了按照“1-2-n”的順序?qū)ふ覐哪茉凑竟?jié)點到其他節(jié)點路徑時連接邊的共用程度越來越高。共用的連接邊意味著有更多的路段被包含在多條路徑中，為判斷這些共用路段發(fā)生中斷是否會對電能輸送網(wǎng)絡(luò)整體產(chǎn)生影響，就需要進行道路阻塞模擬。模擬結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

分別在路由連通性仿真的基礎(chǔ)上對10%、50%的連接邊（路段）進行中斷標記，即這些路段無法被選取，分別對比前后所能找到的總路徑數(shù)。

在10%的路段發(fā)生阻塞中斷時，思路1實際受影響程度幾乎翻倍；思路2則能在所到兩條路徑中一條阻塞的情況下利用另一條保證連接；最大流的情況與其類似，在當前的中斷占比情況下并未體現(xiàn)出優(yōu)勢。

當上升至50%，即一般路段無法正常通行時，思路2的兩條無共用邊路徑通過率未明顯降低，而最大流還能將實際擁塞率降到較低水平。

綜上所述，即使建設(shè)充（放）電站要考慮成本因素盡量減少其數(shù)量，遇到道路阻塞尤其是早晚高峰時的極端狀況，額外的充（放）電站能夠起到緩解交通壓力從而增加電能輸送網(wǎng)絡(luò)魯棒性的關(guān)鍵作用。在選點布站時也應(yīng)該綜合考慮路由連通性的因素，更好地應(yīng)對能源問題帶來的挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 語

本文基于電動公交提出了傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)輸電之外的一種電能輸送新思路。對電能輸送網(wǎng)絡(luò)兩方面的可行性進行了分析，當前技術(shù)條件下仍存在瓶頸，但能夠在可預(yù)見的時間內(nèi)得到解決。結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)概念，完整闡述了兩個主要問題及相應(yīng)的解決方案、算法仿真，由此證明設(shè)計的電能輸送網(wǎng)絡(luò)具備實際部署的可能性。

參考文獻

[1] Yi Ping， Zhu Ting， Jiang Bo， et al. An energy transmission and distribution network using electric vehicles[J]. 2012 IEEE International Conference on Communications （ICC）， 2012，11（18）：3335-3339.

[2] Du Yu， Zhou Xiaohu， Bai Sanzhong， et al. Review of non-isolated bi-directional DC-DC converters for plug-in hybrid electric vehicle charge station application at municipal parking decks[C]. Applied Power Electronics Conference and Exposition （APEC）， 2010 Twenty-Fifth Annual IEEE. 2010：1145-1151.

[3] 王斌，譚洪衛(wèi).上海地區(qū)獨立住宅分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的后評估研究[J].建筑節(jié)能，2016（12）： 21-24，29.

[4] 吳旭鵬，解大，戴敏，等.上海居民光伏發(fā)電并入電網(wǎng)的相關(guān)問題分析[J].電力與能源， 2014，35（4）： 517-520.

[5] K9 Electric Transit Bus[EB/OL].http：//www.byd.com/usa/bus/k9-electric-transit-bus/.

[6] 王佳.車載充電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].汽車工業(yè)研究，2016（12）：23-27.

[7] Joachim Skov Johansen.Fast-charging electric vehicles using AC[D].Technical University of Denmark， 2013.

[8] Kim Haegyeom， Park Kyu-Young， Hong Jihyun， et al. All-graphene-battery： bridging the gap between supercapacitors and lithium ion batteries[J]. Scientific Reports， 2014，4： 52-78.

[9] 易雨.韓國出現(xiàn)充電馬路[J].環(huán)境與生活， 2013（9）： 62.

[10] Ling Guangyu， Yi Ping， Si Liangqi， et al. Robustness analysis on electric vehicle energy distribution networks[C].2013 IEEE Power & Energy Society General Meeting， 2013.