淺談基于峰谷電價的新能源電動汽車有序充電策略

安科瑞 陳聰

摘要：面對愈發(fā)嚴峻的碳排放現(xiàn)狀，發(fā)展、清潔的電動汽車是當前社會減少對化石能源依賴、減少空氣污染的關(guān)鍵方法。但電動汽車作為一種靈活的隨機負荷，大規(guī)模地接入運行電網(wǎng)充電，會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生負面的影響。本文為解決此問題，提出了一種基于峰谷電價的有序充電策略，以此合理引導電動汽車用戶進行充電，助力電動汽車行業(yè)和智能電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展。

關(guān)鍵詞：峰谷電價；電動汽車；有序充電；電力需求側(cè)管理

1研究背景

隨著社會科技的不斷發(fā)展，人類對各領(lǐng)域的探索不斷加深，能源的消耗與需求也隨之不斷攀升，二氧化碳排放量的高速增長使得全球環(huán)境發(fā)生著令人心驚的變化，工業(yè)文明和生態(tài)文明在工業(yè)化發(fā)展的過程中激烈碰撞。中國作為全球二氧化碳排放量的國家，在溫室氣體減排方面面臨著的國際壓力。2021年10月，中國國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，這將深刻重塑我國的能源結(jié)構(gòu)與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變社會生產(chǎn)方式與人民生活方式。

電動汽車以車載電池提供的電源為動力，是集汽車的新技術(shù)改革、電子科技發(fā)展、新材料技術(shù)和電池儲能技術(shù)一體的高新技術(shù)結(jié)合體，具有高能效、低污染、低噪音的優(yōu)點，是能源需求端清潔化的重要綠色消耗設(shè)備，是全球應對溫室氣體減排的新一代清潔交通工具。電動汽車的突出優(yōu)點是：運行過程中不排放污染環(huán)境的有害氣體，且從電力能源供應端而言，也具有電力獲得來源多樣性、可控性的特點，能從如風力、太陽能、水勢能、核能等多渠道獲取電力，由此大力轉(zhuǎn)變?nèi)祟悓κ偷饶茉吹囊蕾?。同時，電動汽車作為一種靈活負載，可以充分發(fā)揮其靈活性的特點，引導電動汽車用戶利用晚間等用電低谷時進行充電行為，以此實現(xiàn)電網(wǎng)負荷曲線的“削峰填谷”，提高電力設(shè)備的利用率，提升電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟效益。所以，電動汽車的推廣覆蓋，普及大眾用戶是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型的重要方式，也是未來汽車發(fā)展的重要方向，這也受到全球各國政府及*世界汽車企業(yè)的高度重視。為加快電動汽車行業(yè)的發(fā)展，各國政府均出臺了電動汽車相關(guān)研究激勵以及電價補貼的政策，如美國2019年宣布將拿出5900萬美元撥款，用于電動汽車車載電池、電動發(fā)電機等技術(shù)研究；歐洲多國政府不僅在本國建立了科技研發(fā)基金，還聯(lián)合多國加強對電池技術(shù)的研究，有望在2050年實現(xiàn)電動汽車100%覆蓋的目標。盡管近幾年遭遇了疫情的“黑天鵝”事件，但全球的電動汽車市場仍然保持強勁增長勢頭，2022年電動汽車市*份*有望攀升至兩位數(shù)。這無不意味著電動汽車高速發(fā)展的時代已經(jīng)來到，電動汽車大范圍覆蓋的時代即將來臨。

2.研究意義

電動汽車是解決溫室氣體排放量問題的重要方法，但同時電動汽車也是不容忽視的主動負荷。近10年來，隨著電動汽車概念深入人心，充電配套設(shè)施日益完善，電動汽車覆蓋率不斷提高，所增加的充電負荷也在不斷上升。在不遠的未來，電動汽車大規(guī)模覆蓋的場景下，因為其充電過程的隨機性和不確定性，若不經(jīng)引導隨意加入電網(wǎng)進行充電行為，必然會帶來電力負荷的大幅波動，增加電網(wǎng)統(tǒng)籌調(diào)度難度，對電力系統(tǒng)建設(shè)及電網(wǎng)運行產(chǎn)生嚴重影響，所以引導電動汽車有序充電具有重要的研究意義。

電動汽車作為一種新型負載，有其隨機性和靈活性。而由于電動汽車充電時間與人們工作生活作息時間的重合，其充電負荷概率會與現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)運行負荷疊加形成“峰上加峰”的過載情況，進一步加重電網(wǎng)負荷，使得電網(wǎng)中的各節(jié)點電流上升速率突增，增加重載線路和重載變電站運行難度，導致電網(wǎng)損耗增加，進而將加速電網(wǎng)運、配、輸電設(shè)備的老化，對電力系統(tǒng)的安全運行和電力消費者的用電體驗都將造成了的負面影響。同時，若是為了滿足用電尖峰時刻的負荷，又會對電網(wǎng)增容提出更高要求，不利于電網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟性和發(fā)展性。

根據(jù)以上論述，對于電動汽車接入電網(wǎng)所引起的負荷曲線峰谷差問題，有序引導用戶充電是研究的，而在這其中利用峰谷電價的經(jīng)濟引導是重要的可利用方式。智能電網(wǎng)作為現(xiàn)在電力系統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展方向，通過對電網(wǎng)、充電設(shè)備以及充電汽車用戶三方數(shù)據(jù)信息的分析研判，應用基于峰谷電價對充電用戶的有序引導策略，從而達到對電網(wǎng)“削峰填谷”的目的，進而減小電網(wǎng)的運行損耗，增加電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，使得三方效益化，促進電動汽車更大規(guī)模推廣應用，推動能源需求側(cè)清潔化的轉(zhuǎn)變。

3智能電網(wǎng)下的電動汽車充電需求側(cè)管理

本章中，將介紹電動汽車在智能電網(wǎng)中的充電構(gòu)架（感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應用服務(wù)層），在此基礎(chǔ)上應用電力需求側(cè)管理方式，以電動汽車充電需求為核心，峰谷電價為手段，以此得到智能電網(wǎng)下的電動汽車充電需求側(cè)管理。

和傳統(tǒng)的電網(wǎng)不同，智能電網(wǎng)著力于信息交互與數(shù)據(jù)聯(lián)通，電動汽車在智能電網(wǎng)中可以獲取更多的電網(wǎng)運行信息及電價信息，而電動汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)也將上傳到電網(wǎng)運行的大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。依托于這些數(shù)據(jù)和信息，一方面有利于電動汽車用戶獲得更好的電力服務(wù)，而另一方面也將有助于供電網(wǎng)絡(luò)的負荷預測和控制。本節(jié)將介紹電動汽車在智能電網(wǎng)中的充電構(gòu)架，這也是電力需求側(cè)管理應用于電動汽車充電需求的基礎(chǔ)。在智能電網(wǎng)中，電動汽車充電構(gòu)架可以分為3個層次，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應用服務(wù)層。

3.1感知層

電動汽車充電構(gòu)架中的第一層即感知層，在這個層級中包括電動汽車（EV）感知系統(tǒng)和充電網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)[34]。在發(fā)生充電行為的范圍里裝設(shè)傳感器、充電汽車終端、掃描儀器和無線射頻識別標簽等數(shù)據(jù)收集設(shè)備。電動汽車感知系統(tǒng)的建立包括各種通信元件和設(shè)備，并借助傳感器設(shè)備記錄和描述電動汽車充電行為中的各項數(shù)據(jù)和信息，如電池信息，目標識別，GPS定位和汽車狀態(tài)，所描述和記錄的數(shù)據(jù)不僅將記錄和保存在電動汽車數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中，也將通過信息傳輸系統(tǒng)到達網(wǎng)絡(luò)層。

3.2網(wǎng)絡(luò)層

完成感知層的信息采集和獲取后，智能電網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)層會通過有線或者無線通信的方式得到信息。有線通訊通常用于固定充電器的設(shè)備，通過光纖網(wǎng)絡(luò)，電動汽車的充電服務(wù)提供平臺可以獲得正在進行充電汽車的相關(guān)狀態(tài)信息，并由此展開信息的分析和判斷。而無線通信則將用于非固定的電動汽車上，即可能需要獲取充電服務(wù)的移動電動汽車上。有線和無線的兩種通訊方式可以雙渠道收集電動汽車的各項數(shù)據(jù)，尤其是充電負荷需求的相關(guān)數(shù)據(jù)，這也使得供電網(wǎng)絡(luò)可以為電動汽車提供更好的充電服務(wù)信息，并能在此基礎(chǔ)上提供更好的充電服務(wù)策略，達到電動汽車用戶、供電網(wǎng)絡(luò)運行商的共贏。

3.3應用服務(wù)層

網(wǎng)絡(luò)層收集和獲取數(shù)據(jù)信息后，上傳到應用服務(wù)層，在本層展開對各類數(shù)據(jù)的綜合判斷和分析，由應用服務(wù)層作出的優(yōu)化充電服務(wù)方案和策略，是智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)分析的支撐平臺，也是智能電網(wǎng)的核心部分。應用服務(wù)層對智能電網(wǎng)下的電動汽車充電行為進行全鏈條狀態(tài)分析，如充電狀態(tài)分析、充電費用計算、車載電池性能信息判斷以及與相關(guān)充電設(shè)備的連接信息，并對整個電動汽車充電需求服務(wù)體系進行優(yōu)化升級和運營。

3.4電力需求側(cè)管理

隨著電動汽車普及率不斷上升，越來越多的電動汽車充電負荷將接入電網(wǎng)，這必將對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，而智能電網(wǎng)中的電動汽車充電構(gòu)架為加強充電負荷的管理提供了基礎(chǔ)和工具，由此引入電力需求側(cè)管理，對電動汽車充電負荷進行管理，以增加對這種靈活負荷管理的可控性和計劃性。

電力需求側(cè)管理，是指采用有效的激勵措施[42]，從電力的需求側(cè)引導電力消費者改變用電習慣和方式，由此提高電力需求側(cè)的用電效率。這種管理技術(shù)是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，也是電網(wǎng)智慧化的重要部分。需求側(cè)管理的實現(xiàn)對于智能電網(wǎng)更好地提供電力服務(wù)有著舉足輕重的作用[43]，也是未來電網(wǎng)不斷進化完善的關(guān)鍵方向。

3.5電力需求側(cè)管理中的經(jīng)濟手段

3.5.1經(jīng)濟手段分類

電力需求側(cè)管理中的經(jīng)濟手段主要基于電價變化的需求響應，實施差異電價以用電電費的經(jīng)濟性引導電力消費者調(diào)整用電習慣?，F(xiàn)階段共有三種不同的電價類別，分別是：峰谷電價、實時電價和尖峰電價。

（1）峰谷電價

峰谷電價也稱為峰谷分時電價，是電力需求側(cè)管理經(jīng)濟手段中重要措施之一，它能有效地反映電網(wǎng)電力提供成本在不同時段的差別。峰谷電價中對應的高峰時段電價、平時段電價、低谷時段電價，三者價格依次降低，以此引導用戶在高峰時段減少用電，在低谷時段鼓勵用電。電網(wǎng)運營商一般偏好于峰谷電價策略，因為峰谷電價發(fā)布之后是靜態(tài)恒定的，和實時變化策略相比運營難度小，但相比實時電價反映供電運行成本具有一定的滯后性。

（2）實時電價

實時電價是與電網(wǎng)運行實時聯(lián)動的一種經(jīng)濟激勵手段，即是說電網(wǎng)運營者按照每小時浮動變化的電價向電力消費者收取費用，以此與電力市場的實時電力生產(chǎn)成本相符。而一般情況下，實時電價由電網(wǎng)運營者事先提供給消費者，消費者可以靈活選擇是否響應。

（3）尖峰電價

尖峰電價是指在峰谷電價和實時電價的基礎(chǔ)上衍生的一種電價機制[45]，尖峰電價在峰谷電價的基礎(chǔ)上加入尖峰費率進行調(diào)節(jié)，相比實時電價，尖峰電價的價格風險小，而和峰谷電價相比又有更多的靈活性。

峰谷電價（TOU）首先根據(jù)電網(wǎng)的負荷曲線情況，將負荷日運行周期按照每天24小時劃分為三個時段，分別為峰、平、谷。然后對不同的時段電力收費制定不同的電價，以此引導用電用戶合理安排用電時間，改變用電消費規(guī)律，在不改變或者少改變電網(wǎng)原始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從整體上鼓勵用戶共同參與到電網(wǎng)負荷的削峰填谷中，提高電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

在本文中，不涉及峰谷分時電價的定價分析，故進行簡化處理，認為峰谷電價在一個合理水平內(nèi)，既不影響電力生產(chǎn)端參與者的積極性，又能吸引電力消費用戶對此政策進行積極響應。

4基于峰谷電價的電動汽車有序充電策略

本章將基于智能電網(wǎng)電動汽車充電需求側(cè)管理，在峰谷電價的經(jīng)濟手段激勵下，建立電動汽車有序充電管理模型，并且引入了充電用戶守約激勵系數(shù)的概念，以此加強電動汽車用戶對于峰谷電價的響應程度，引導電動汽車用戶有序開展充電行為，以此減小電網(wǎng)峰谷差，降低電網(wǎng)損耗，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

智能電網(wǎng)下的電力需求側(cè)管理，有序充電策略由以下四個層級組成：

1）電動汽車；

2）充電設(shè)備；

3）次級控制；

4）電網(wǎng)控制。

電動汽車用戶進行充電服務(wù)時，將充電涉及到的相關(guān)信息經(jīng)過有線連接傳遞到充電設(shè)備（充電樁或充電站通信設(shè)施），而充電設(shè)備同樣也和電動汽車發(fā)生雙向信息傳遞，發(fā)送控制信號到電動汽車。同時，充電設(shè)備將采集到的電動汽車充電信息及充電設(shè)備信息發(fā)送到次級控制，接受次級控制的管理，并將管理信息層層下發(fā)至電動汽車。次級控制收集本區(qū)域內(nèi)所有的充電信息，上傳到電網(wǎng)控制，電網(wǎng)控制對數(shù)據(jù)進行處理，進行電網(wǎng)穩(wěn)定運行和負荷控制的策略制定，對次級控制進行負荷管理指導并下達充電計劃安排，以此達到平滑負荷曲線，減低網(wǎng)損的目的。

4.2電動汽車有序充電控制模型

智能電網(wǎng)下，供電企業(yè)可以收集和分析電動汽車信息[57]，并接收電動汽車用戶的充電需求信息，在每個時段更新數(shù)據(jù)，檢測有多少電動汽車用戶提出用電需求，并由此規(guī)劃充電負荷，若充電負荷對電網(wǎng)負荷小于一定影響，則執(zhí)行上一時段充電調(diào)度安排。、由此，采用雞群優(yōu)化算法尋求電動汽車有序充電策略：

先隨機生成雞群N，雞群中的所有個體設(shè)定為在階段求解完成之后確定的時間區(qū)域內(nèi)的連續(xù)時間段，且該時間段能滿足電動汽車充電用戶的充電需求；以電網(wǎng)負荷峰谷差為適應值函數(shù)，以適應值函數(shù)結(jié)果將雞群N劃分為幾個組，雞群個體根據(jù)各自的位置更新策略不斷調(diào)整位置，以不斷靠近食物位置，得到個體的位置和適應值。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺助力有序充電開展

5.1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(shù)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(wù)、支付管理，交易結(jié)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。

5.2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(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

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

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

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)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(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)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。

5.4.3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(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設(shè)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(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)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。

5.4.6基礎(chǔ)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(shè)施，維護充電設(shè)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(jié)和解綁。

5.4.7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(shè)置，同時可接收故障推送

5.4.8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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6總結(jié)

面對越加嚴峻的碳排放現(xiàn)狀，我國大力倡導能源清潔化，電動汽車將是未來新能源汽車的主要發(fā)展方向和推廣產(chǎn)品，其普及和發(fā)展已成為未來的必然趨勢。但電動汽車作為一種靈活的隨機負荷，大規(guī)模地接入運行電網(wǎng)充電，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電力需求側(cè)管理提出了新的挑戰(zhàn)。首先介紹了電動汽車的發(fā)展背景，在電網(wǎng)充電設(shè)備和電動汽車越加緊密聯(lián)系下研究電動汽車有序充電控制管理的意義。接著分析了智能電網(wǎng)下電動汽車的充電構(gòu)架，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應用服務(wù)層。在此基礎(chǔ)上，對智能電網(wǎng)下的電力需求側(cè)管理進行了概念介紹和意義闡述，并對電力需求側(cè)管理的四個主要手段進行了分析，由此引入了峰谷電價的經(jīng)濟手段對電動汽車的充電行為進行引導。同時引入了面向電力消費者的守約激勵系數(shù)，加大經(jīng)濟手段的吸引力和價格杠桿作用，從而增加了電動汽車充電負荷的可預計性和可控性，以此得到了雙重約束條件下的電動汽車有序充電策略。

參考文獻：

1. 李琴.基于峰谷電價的電動汽車有序充電策略

[2] 張晨曦.電動汽車入網(wǎng)技術(shù)及社會綜合效益研究

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應用手冊.2022.05版