淺談電動汽車充電設施規(guī)劃及有序充電策略研究

安科瑞 陳聰

摘要：傳統(tǒng)汽車的動力能源主要來源于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環(huán)保”發(fā)展理念。同時，電動汽車作為一種新興產業(yè)，以電產能，具有“、低噪聲、節(jié)能環(huán)保”的特點，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境能源問題。主要對電動汽車無序充電對電網(wǎng)的影響展開了研究，從用戶出行方式、出發(fā)時刻以及出行距離等特征進行分析。引入了電動汽車用戶響應有序充電策略的電價啟動閾值和關閉閾值，提出了分時電價的制定方法。

關鍵詞：電動汽車，無序充電，有序充電，傳統(tǒng)汽車

0.引言

21世紀以來，我國經濟發(fā)展進入了快速道，帶來的結果是擴大了城市化范圍，顯著提高了人們的生活水平質量，人們的通勤距離也由此增加，不斷刺激人們對小汽車的需求，使得機動車數(shù)量呈井噴式增長。與此同時，城市汽車保有量的指數(shù)級的增加，產生的城市交通與能源、環(huán)境之間的矛盾日益突出，影響阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展進程。作為一個石油等化石資源嚴重匱乏的發(fā)展中國家，有著自己特殊的國情，經濟已經進入到高速增長時期，卻陷入資源消耗高、環(huán)境污染嚴重的窘迫困境?；谫Y源高度匱乏和環(huán)境嚴重污染這一現(xiàn)狀，應采用“環(huán)保型、節(jié)約型”的可持續(xù)發(fā)展策略。而傳統(tǒng)汽車的動力能源主要來自于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產生各種污染尾氣：一氧化碳、二氧化硫、碳氫化合物等，使溫室效應和環(huán)境污染加重。因此，傳統(tǒng)汽車已不再適應當今的綠色發(fā)展模

式，環(huán)保型能源取代化石能源已是一種趨勢。

電能作為清潔型能源的代表之一，具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)研究報告，在未來的幾十年，電能的使用比例將會劇增，成為主要的終端能源。因此，越來越多的產品以使用電能作為動力能源，這不僅減少了對環(huán)境的污染，同時有利于建設節(jié)能環(huán)保型社會。

電動汽車作為一種新興產業(yè)，是由電能取代化石能源的典型產品，代表著未來汽車的發(fā)展方向，具有“，低噪聲，節(jié)能環(huán)保”的特點，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境污染、溫室效應、能源短缺等嚴重問題。從長遠看，將汽車工業(yè)作為我國支柱性產業(yè)，既要頒布實施各種政策進行發(fā)展扶持，又要解決能源和環(huán)境污染問題。

1. 電動汽車無序充電

隨著電動汽車數(shù)量的與日俱增，充電需求也會不斷增加，這無疑會給電網(wǎng)帶來巨大的沖擊。不同電動汽車用戶選擇充電的時間不同，到達充電站進行充電的行為也是相互獨立的，具有較大的隨機性、靈活性和不確定性的特點，從電動汽車用戶行為的角度，只考慮電動汽車用戶的充電滿意度，也就是說，用戶即到即充，不考慮電網(wǎng)負荷曲線峰谷以及負荷波動的情況下，對電動汽車無序充電對電網(wǎng)負荷的影響。會給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了巨大的損害，造成電網(wǎng)負荷曲線峰上加峰，峰谷差值和負荷波動，電力損耗增加以及變壓器過載等不良影響。同時，電網(wǎng)系統(tǒng)實際負荷超過電網(wǎng)系統(tǒng)負荷就會影響電網(wǎng)運行經濟性，長時間高負荷甚至可能會導致整個電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。

1. 電動汽車有序充電策略研究

為了達到減小電網(wǎng)損害，穩(wěn)定電網(wǎng)運行，削峰填谷等目的，考慮以分時電價策略為基礎，在電價上充分引導電動汽車用戶在不同時間段進行有序充電。基于電網(wǎng)層，以電網(wǎng)負荷波動為優(yōu)化為目標；基于用戶層，以用戶總費用為優(yōu)化為目標。，提出了雙層優(yōu)化目標下的有序充電策略，該策略能夠有效的引導用戶充電。

2.1分時電價策略

由政治經濟學一般理論可知“價格是商品價值的貨幣表現(xiàn)，是商品與貨幣換比例的指數(shù)，也是商品經濟*有的重要經濟范疇”。作為電動汽車的擁有者，除了前期購買電動汽車的成本外，后期電動汽車的充電費用也是一筆不菲的開銷。而分時電價策略的制定實施，為所有電動汽車用戶大開方便之門，讓用戶在一天之中可以自由選擇充電時間段的同時，也可以更大限度地為車主節(jié)省充電費用。

2.2有序充電策略分析

有序充電策略是基于分時電價提出的，在一定程度上能夠改變用戶的充電行為習慣。有序充電調度的核心思想是：在保證電網(wǎng)系統(tǒng)負荷波動和電動汽車用戶充電費用的同時，盡可能的將谷時段的可利用的充電設備全部利用起來，減少充電設施的空閑率。

有序充電策略旨在有效調節(jié)電動汽車用戶充電過程，即在滿足電動汽車用戶充電期望需求的條件下，為了達到避開電網(wǎng)負荷高峰時段，減小峰谷差率，降低無序集中充電對電網(wǎng)的影響的目的，通過一定的手段合理調節(jié)電動汽車在一天時間內的充電時間段和充電功率。當電動汽車保有量持續(xù)增加時，充電需求也會不斷增加，如果谷時段可利用的充電設備已經全部利用完，就不得不選擇在平時段和峰時段進行充電，此時應該優(yōu)先考慮調節(jié)電動汽車用戶在平時段進行充電。當電動汽車保有量繼續(xù)增加時，將會導致電網(wǎng)負荷增加甚至持續(xù)處于高峰狀態(tài)以及用戶滿意度下降，這不利于電動汽車的未來長期發(fā)展。為了保證電網(wǎng)負荷穩(wěn)定性和電動汽車的穩(wěn)步發(fā)展，不僅需要保證充電設施的均衡利用以及電能的質量，還需要保證足夠數(shù)量的充電設備來滿足用戶的充電需求，同時提升電網(wǎng)的電動汽車充電接入數(shù)量。由此可見，電動汽車的有序充電策略研究，不僅對電網(wǎng)系統(tǒng)負荷有參考價值，在充電站內充電設備數(shù)量的規(guī)劃建設以及投入使用也具有一定的指導意義。

2.3電動汽車用戶側優(yōu)化

一般情況下，電動汽車用戶充電有兩種不同的目的要求，一是實用性，即電池荷電量滿足正常的行駛需求；二是經濟性，即充電費用極可能的低，至少在自己的接受范圍內。在實用性上，電動汽車用戶充電后的電量能夠達到自己的期望值，滿足日常的行駛作為基本的充電要求。而優(yōu)化目標是在滿足基本充電需求的前提下才能繼續(xù)進行，因此，本文考慮將該要求作為優(yōu)化模型中的約束條件。與此同時，在滿足實用性后，用戶也希望滿足自己的經濟需求，也就是說，盡可能的降低充電所花的費用，此費用越低越好，用戶的滿意度也會越高。

2.4電網(wǎng)系統(tǒng)側優(yōu)化

有序充電策略在考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側時，就是為了減小電網(wǎng)負荷波動，優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)。在滿足電動汽車用戶充電期望需求的條件下，通過一定的手段合理調節(jié)電動汽車在一天時間內的充電時間段和時間段的充電功率，這樣就能夠避開電網(wǎng)高峰負荷時段，有利于減小電網(wǎng)峰谷差和提高電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和經濟性。

2.5結合考慮雙目標非線性規(guī)劃

在研究有序充電策略時，單獨考慮用戶側充電費用成本或者電網(wǎng)側負荷波動，都是欠缺考慮的。在只考慮用戶側充電成本的情況下，為了達到降低充電費用成本的目的，越多的用戶選擇在低谷時段充電越佳。但這可能會導致電網(wǎng)負荷的另一高峰，造成本末倒置，達不到預想的削峰填谷的效果；而只考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側負荷波動的情況下，單純的減小電網(wǎng)負荷波動而不考慮用戶的充電費用，導致電動汽車用戶因為充電費用高昂而滿意度下降，這將會不利于甚至阻礙電動汽車的中長期發(fā)展。

雙目標非線性規(guī)劃綜合考慮了用戶側與電網(wǎng)側，既能夠盡可能的降低用戶充電費用，提高了用戶滿意度，又可以限度減小電網(wǎng)負荷波動，保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的經濟安全性，實現(xiàn)了用戶側與電網(wǎng)側的雙贏局面。

2.6約束條件

提出有序充電策略的目的僅僅是為了把用電負荷“高峰”向用電負荷“低谷”轉移，達到優(yōu)化電網(wǎng)系統(tǒng)和節(jié)省用戶充電費用的目的。既然用戶響應有序充電，就不會存在過充的情況，故刪除電瓶安全約束，但同樣需要滿足電網(wǎng)基礎負荷不變、充電時間約束、充電時間段約束、單臺充電設備的充電功率約束、充電容量約束、充電需求約束、充電車輛數(shù)量約束等條件。與此同時，為了保證電網(wǎng)側與用戶側需求，新增以下約束條件：

1. 電網(wǎng)系統(tǒng)負荷約束

若電網(wǎng)總負荷超過了電網(wǎng)所能承載的負荷，則易導致電網(wǎng)受損，而提出有序充電策略的目的正是為了保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與經濟性，因此，電網(wǎng)任意時段的實際總負荷都不應該大于電網(wǎng)系統(tǒng)所能承載的負荷。

1. 充電費用約束

電動汽車用戶積極響應有序充電策略，是為了能夠節(jié)約充電成本，即有序充電策略下的用戶充電成本應該小于無序充電時的成本。

在保證滿足充電需求的前提下，以電動汽車響應有序充電策略需滿足的條件為約束，從電網(wǎng)系統(tǒng)和電動汽車用戶兩個角度出發(fā)，以電網(wǎng)負荷波動和用戶充電費用為目標，以提高電網(wǎng)運營經濟安全性和節(jié)約用戶費用成本的非線性雙目標規(guī)劃策略。該策略，可推斷電網(wǎng)負荷波動和用戶費用成本的有序充電策略和電網(wǎng)負荷波動。

1. 有序充電的作用

為了減小無序充電對電網(wǎng)的不良影響，提出了電動汽車有序充電策略。首先引入了EV用戶積極響應有序充電策略的電價啟動閾值和關閉閾值，提出了分時電價的制定方法；其次，綜合考慮電網(wǎng)側負荷波動及電動汽車用戶側充電費用，以充電容量、充電需求、充電時長等為約束條件，提出了基于分時電價下的雙目標非線性規(guī)劃策略，結果表明，該策略下的有序充電，能夠有效地減小電網(wǎng)負荷曲線波動，保障了用電質量，有利于電網(wǎng)長久穩(wěn)定運行；同時，能夠限度節(jié)省電動汽車用戶充電費用，提高了用戶滿意度，有利于電動汽車長期發(fā)展。后續(xù)工作可以繼續(xù)研究實時電價下的有序充電策略，比較分時電價與實時電價的優(yōu)劣性。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

4.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5.總結

傳統(tǒng)汽車的動力能源主要來源于汽油燃燒，這不僅會加劇我國化石能源短缺的窘迫現(xiàn)狀，還會產生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環(huán)保”發(fā)展理念。而電動汽車作為一種新興產業(yè)，以電產能，具有“，低噪聲，節(jié)能環(huán)保”的特點，它的出現(xiàn)，有效地緩解了環(huán)境能源問題。因此，大力發(fā)展電動汽車產業(yè)成為了*世界的共識。

本文研究了電動汽車無序充電對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。首先從用戶出行方式、出發(fā)時刻以及出行距離等特征進行分析，其次，通過用戶荷電狀態(tài)期望值與電動汽車的初始荷電狀態(tài)，以電動汽車用戶的人均滿意度為目標，充電時長、充電功率、用戶需求等為約束條件，反應了無序充電對電網(wǎng)帶來的影響。

在無序充電研究的基礎上，提出了雙目標規(guī)劃下的電動汽車有序充電策略。首先引入了EV用戶能夠積極響應有序充電策略的電價啟動閾值和關閉閾值，提出了分時電價的制定方法；其次，綜合考慮電網(wǎng)系統(tǒng)側及EV用戶側，以電網(wǎng)負荷曲線波動和EV用戶充電費用為優(yōu)化目標，以充電容量、充電需求、充電時長等為約束條件，建立了基于分時電價下的雙目標非線性規(guī)劃策略。

參考文獻：

1. 謝遠德.電動汽車充電設施規(guī)劃及有序充電策略研究

2. 謝遠德,張鄰,鄧沙麗,何潔朦.電動汽車充電設施優(yōu)化網(wǎng)絡布局研究

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版