淺談電動(dòng)汽車(chē)有序充電管理優(yōu)化策略研究

安科瑞 陳聰

摘要：節(jié)能減排、智能化、駕駛品質(zhì)等的優(yōu)點(diǎn)使得電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展前景廣闊，國(guó)家對(duì)其的關(guān)注度及相關(guān)投入占比也加重，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展迅速。其使用便捷，成本較低的特點(diǎn)也成為了越來(lái)越多的人在出行時(shí)的選擇。但接踵而至的便是電動(dòng)汽車(chē)充電問(wèn)題，更多的電動(dòng)汽車(chē)充電會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，但是擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)并不能馬上見(jiàn)效且成本較高，所以對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電管理便成了見(jiàn)效快且低成本的方式。基于此，研究電動(dòng)汽車(chē)有序充電管理優(yōu)化策略具有重要意義。首先引入了用戶需求響應(yīng)和電價(jià)在充電市場(chǎng)中的作用和參與方式，分析用戶充電特性。闡述了不同的有序充電管理方式，并基于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)序充電模型，分析發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)用戶執(zhí)行充電管理策略的積極性受用戶需求、時(shí)間和成本等因素作用。研究分析分時(shí)電價(jià)與實(shí)時(shí)電價(jià)影響下，區(qū)域內(nèi)博弈充電模式的負(fù)荷聚合商實(shí)時(shí)定價(jià)策略和收益，以及不同類(lèi)型數(shù)量電動(dòng)汽車(chē)用戶在此機(jī)制下的充電選擇對(duì)負(fù)荷聚合商定價(jià)、用戶充電成本的影響，并討論了儲(chǔ)能設(shè)備容量大小對(duì)負(fù)荷聚合商收益的作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)，有序充電管理，充電選擇

1. 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)化高速發(fā)展，人們的出行方式發(fā)生巨大變化，以石油等能源為動(dòng)力源的汽車(chē)成為了主要的通行工具之一，便利的同時(shí)不僅引起地球資源的巨大消耗，也導(dǎo)致環(huán)境污染更加嚴(yán)重。全球各國(guó)當(dāng)局選擇發(fā)展使用清潔能源、節(jié)能減排且體量大的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)應(yīng)對(duì)這一系列問(wèn)題。我國(guó)在推行新能源發(fā)展方面，實(shí)行購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼、免征購(gòu)車(chē)稅、增加基礎(chǔ)建設(shè)等相關(guān)措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年-2022年我國(guó)新能源汽車(chē)保有量及純電動(dòng)汽車(chē)保有量增長(zhǎng)速度快，如圖1所示，可以看出其中占比重的是純電動(dòng)型，研究表明，到2030年全國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量將突破2000萬(wàn)大關(guān)，可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)將有大規(guī)?？梢苿?dòng)的新能源汽車(chē)充電負(fù)荷參與電網(wǎng)。

圖1電動(dòng)汽車(chē)保有量

2.電動(dòng)汽車(chē)快速增多帶來(lái)的影響

電動(dòng)汽車(chē)消耗的是二次可再生能源——電能，根據(jù)用戶實(shí)際出行習(xí)慣進(jìn)行使用，電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷具有隨機(jī)性和可移動(dòng)性，廣泛接入會(huì)給電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)作帶來(lái)很大程度的不良影響。首先，電網(wǎng)局部過(guò)負(fù)荷，用戶對(duì)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)施充電行為受主觀意識(shí)影響，具有不可控因素，可能會(huì)在居民用電高峰時(shí)段接入進(jìn)行充電，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷局部集中化，在基礎(chǔ)用電上加重高負(fù)荷峰時(shí)段，加深負(fù)荷峰谷差，增加了電力系統(tǒng)的負(fù)載，甚至可能超越區(qū)域變壓器的自身承受能力，造成電力系統(tǒng)的損傷。且額外的充電負(fù)荷需電網(wǎng)進(jìn)行電量供應(yīng)以滿足，增加了電網(wǎng)供電成本和電力系統(tǒng)維護(hù)成本。其次，電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)控難度增加，電動(dòng)汽車(chē)的出行規(guī)律不盡相同，如出行方式、用車(chē)習(xí)慣和性格個(gè)性等，所以用戶充電需求在時(shí)間和空間分布上具備一定隨機(jī)性，加大了電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)實(shí)施充電調(diào)度和控制的不確定性，影響了區(qū)域內(nèi)充電負(fù)荷預(yù)測(cè)與電網(wǎng)監(jiān)測(cè)調(diào)。降低了電能質(zhì)量，且對(duì)電網(wǎng)電能傳輸?shù)目刂圃斐蓻_擊，導(dǎo)致電壓下降、諧波污染、三相不平衡等不利后果，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。還有充電站利用不均衡、用戶時(shí)間成本高等問(wèn)題。

可以通過(guò)加大基礎(chǔ)建設(shè)來(lái)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，如增加發(fā)電、擴(kuò)大容量、加強(qiáng)電網(wǎng)承受能力等，但這不僅會(huì)造成嚴(yán)重的人力、財(cái)力及資源的浪費(fèi)，不能快速見(jiàn)效，且效果也不一定很好。所以，為了保證新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)能夠蓬勃發(fā)展，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)無(wú)序充電對(duì)電網(wǎng)造成的一系列影響，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電實(shí)施有序充電優(yōu)化管理是有必要的。在滿足用戶基礎(chǔ)需求下對(duì)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)施有序充電管理，通過(guò)對(duì)用戶進(jìn)行充電時(shí)間、充電地點(diǎn)和充電成本分析，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷分布或充電站總負(fù)荷利用等進(jìn)行調(diào)配管理，合理有效的降低電動(dòng)汽車(chē)用戶、電網(wǎng)、充電站三方的成本，提升效益，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)互助，現(xiàn)代社會(huì)迅速發(fā)展。

3.有序充電管理分析

3.1用戶需求響應(yīng)

面對(duì)多種需求，的處理方法是進(jìn)行需求響應(yīng)管理，了解電網(wǎng)的電能需求并進(jìn)行響應(yīng)附和，通過(guò)電力供應(yīng)方實(shí)施調(diào)節(jié)措施去促進(jìn)用戶改變用電模式進(jìn)行有序充電管理，從而減小某時(shí)段的用電負(fù)荷，維護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

需求側(cè)響應(yīng)主要分成兩類(lèi)：基于激勵(lì)類(lèi)和基于價(jià)格類(lèi)。激勵(lì)類(lèi)產(chǎn)生的需求分為直接負(fù)荷控制、可中斷負(fù)荷、緊急響應(yīng)、需求側(cè)競(jìng)價(jià)、容量市場(chǎng)和輔助服務(wù)等部分，由負(fù)荷聚合商等電力售放組織控制，根據(jù)用戶需求和電網(wǎng)系統(tǒng)充電情況制定充電策略，對(duì)參加響應(yīng)的電動(dòng)汽車(chē)用戶給予一定補(bǔ)貼，該措施可以促進(jìn)激勵(lì)用戶在電力市場(chǎng)中實(shí)時(shí)響應(yīng)，激勵(lì)側(cè)需求響應(yīng)不僅可以參與主能量市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，還可以提供輔助服務(wù)。

直接負(fù)荷控制是指供電機(jī)構(gòu)與用戶簽訂合約，在電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，供電機(jī)構(gòu)可直接對(duì)簽約用戶進(jìn)行停止供電處理，對(duì)是否進(jìn)行電能供應(yīng)有控制權(quán)?？芍袛嘭?fù)荷指供電機(jī)構(gòu)與用戶簽訂有關(guān)響應(yīng)時(shí)間的協(xié)議，當(dāng)機(jī)構(gòu)需要電力進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，向用戶發(fā)出需要響應(yīng)的信號(hào)，用戶按照合約內(nèi)容實(shí)施相應(yīng)措施配合調(diào)度，如未實(shí)時(shí)行動(dòng)，則需按合同賠償供電機(jī)構(gòu)一定損失。緊急需求響應(yīng)也是與供電機(jī)構(gòu)簽訂合約，與可中斷負(fù)荷不同的是不響應(yīng)供電機(jī)構(gòu)號(hào)召的用戶不會(huì)有損失，而積極響應(yīng)號(hào)召的用戶會(huì)得到供電機(jī)構(gòu)提供的一定獎(jiǎng)勵(lì)，此時(shí)的用戶自身的需求和條件決定了是否會(huì)響應(yīng)號(hào)召，有一定用戶心理因素，所以在解決電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高情況沒(méi)有前兩項(xiàng)效果**。需求側(cè)競(jìng)價(jià)基于容量市場(chǎng)和附加輔助服務(wù)，三者相輔相成，首先供電機(jī)構(gòu)設(shè)置市場(chǎng)電能容量，并擬定輔助服務(wù)計(jì)劃，然后用戶通過(guò)競(jìng)拍價(jià)格或訂購(gòu)合同方式參與批發(fā)市場(chǎng)項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)，供電機(jī)構(gòu)根據(jù)投標(biāo)者所提供的價(jià)格價(jià)格和訂購(gòu)電量決定中標(biāo)者，用戶競(jìng)標(biāo)成功后按照提交的項(xiàng)目書(shū)執(zhí)行，否則會(huì)受到懲罰，此響應(yīng)有助于電價(jià)的制定。

3.2電價(jià)

電動(dòng)汽車(chē)用戶對(duì)電價(jià)的響應(yīng)有兩種方式：充電響應(yīng)和充放電響應(yīng)。充電響應(yīng)表示用戶根據(jù)供電機(jī)構(gòu)提供的電價(jià)選擇在某一時(shí)段不進(jìn)行充電或多充電。充放電響應(yīng)表示用戶不僅選擇電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)段選擇進(jìn)行電能補(bǔ)充，而且高負(fù)荷時(shí)段向電網(wǎng)反向提供電，能夠得到一定收益。

當(dāng)前我國(guó)使用廣、應(yīng)用成熟的引導(dǎo)用戶進(jìn)行有序充電管理的電價(jià)模式是分時(shí)電價(jià)，根據(jù)電網(wǎng)日常用電負(fù)荷將一天分成幾個(gè)時(shí)間段，分別制訂有差異的電價(jià)，促使用戶調(diào)整用電時(shí)間，達(dá)成管理要求，并加大資源使用率。

3.3有序充電對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電管理影響

3.3.1分層分區(qū)有序充電管理

電動(dòng)汽車(chē)保有量的增加，給電網(wǎng)負(fù)荷量、充電設(shè)施帶來(lái)了巨大的壓力，且不同區(qū)域的居民基礎(chǔ)用電負(fù)荷、變壓器容量等存在差異。若由電力公司統(tǒng)一進(jìn)行供電會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷分配不均、效率低下等問(wèn)題，因此，需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電實(shí)施分層分區(qū)的有序充電管理。主要分為三個(gè)層，前兩層屬電網(wǎng)層，第一層為電力管理中心，電力系統(tǒng)根據(jù)下級(jí)上報(bào)的需求信息為區(qū)域管理中心制定合適的負(fù)荷分配標(biāo)準(zhǔn)并提供電量。第二層為區(qū)域管理中心，收集不同區(qū)域上傳的的基礎(chǔ)用電負(fù)荷和充電需求，并向上級(jí)匯報(bào)，根據(jù)電力系統(tǒng)下達(dá)的分配標(biāo)準(zhǔn)制定負(fù)荷計(jì)劃管理向區(qū)域內(nèi)的充電站發(fā)布充電安排，對(duì)區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行集中管控。第三層為充電站管理中心，屬于充電站層，依據(jù)電動(dòng)汽車(chē)用戶輸入的充電需求和歷史負(fù)荷水平向上級(jí)匯報(bào)所需電量信息，并依照區(qū)域管理中心下發(fā)的充電安排在保證用戶基本充電需求的前提下為電動(dòng)汽車(chē)供電。

3.3.2分時(shí)段有序充電管理

電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)進(jìn)行充電的時(shí)間取決于用戶心理，充電站無(wú)法預(yù)設(shè)下一輛電動(dòng)汽車(chē)的抵達(dá)時(shí)間和需求，需采用分時(shí)段充電管理進(jìn)行充電安排，當(dāng)前的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電方式有兩種：可間斷充電、不可間斷充電?？砷g斷充電方式是指把計(jì)算得到電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)間分為多個(gè)時(shí)段，由上級(jí)管理中心根據(jù)用戶終需求將各時(shí)段分布到一天內(nèi)充電時(shí)間，并利用充電樁將信息傳遞給電動(dòng)汽車(chē)完成充電工作。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)助力有序充電開(kāi)展

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預(yù)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(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)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(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)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(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷(xiāo)等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)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(shè)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硬件配置

1. 總結(jié)

面臨越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染，減小燃油汽車(chē)的使用頻率，推廣新能源汽車(chē)迫在眉睫。國(guó)家積極制定電動(dòng)汽車(chē)科技戰(zhàn)略，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，將來(lái)會(huì)有大量的電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入電網(wǎng)實(shí)施充電，由于人的自主意識(shí)，充電過(guò)程存在較大的隨機(jī)性，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的承受能力提出了重大的挑戰(zhàn)，需要制定相關(guān)的措施調(diào)節(jié)管理這些行為。對(duì)比無(wú)序充電模式，有序充電在管理用戶成本和電網(wǎng)負(fù)荷方面有積極影響，且用戶的出行和充電行為具有很強(qiáng)的時(shí)空分布性，表明了實(shí)施有序充電管理的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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2. 袁欣,胡文博.考慮電動(dòng)汽車(chē)有序充電的配電網(wǎng)重構(gòu)降損策略

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022.05版