淺談電動汽車充電設施規劃及有序充電策略研究

摘要：傳統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狀，還會產生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環保”發展理念。同時，電動汽車作為一種新興產業，以電產能，具有“、低噪聲、節能環保”的特點，它的出現，有效地緩解了環境能源問題。主要對電動汽車無序充電對電網的影響展開了研究，從用戶出行方式、出發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，傳統汽車

0.引言

21世紀以來，我國經濟發展進入了快速道，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，使得機動車數量呈井噴式增長。與此同時，城市汽車保有量的指數級的增加，產生的城市交通與能源、環境之間的矛盾日益突出，影響阻礙了城市的可持續發展進程。作為一個石油等化石資源嚴重匱乏的發展中國家，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、環境污染嚴重的窘迫困境。基于資源高度匱乏和環境嚴重污染這一現狀，應采用“環保型、節約型”的可持續發展策略。而傳統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，使溫室效應和環境污染加重。因此，傳統汽車已不再適應當今的綠色發展模

式，環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，具有非常大的發展潛力。據研究報告，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，這不僅減少了對環境的污染，同時有利于建設節能環保型社會。

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

1. 電動汽車無序充電

隨著電動汽車數量的與日俱增，充電需求也會不斷增加，這無疑會給電網帶來巨大的沖擊。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負荷的影響。會給電網系統帶來了巨大的損害，造成電網負荷曲線峰上加峰，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，電網系統實際負荷超過電網系統負荷就會影響電網運行經濟性，長時間高負荷甚至可能會導致整個電網系統崩潰。

1. 電動汽車有序充電策略研究

為了達到減小電網損害，穩定電網運行，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。基于電網層，以電網負荷波動為優化為目標；基于用戶層，以用戶總費用為優化為目標。，提出了雙層優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，是商品與貨幣換比例的指數，也是商品經濟的重要經濟范疇”。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：在保證電網系統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，為了達到避開電網負荷高峰時段，減小峰谷差率，降低無序集中充電對電網的影響的目的，通過一定的手段合理調節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，此時應該優先考慮調節電動汽車用戶在平時段進行充電。當電動汽車保有量繼續增加時，將會導致電網負荷增加甚至持續處于高峰狀態以及用戶滿意度下降，這不利于電動汽車的未來長期發展。為了保證電網負荷穩定性和電動汽車的穩步發展，不僅需要保證充電設施的均衡利用以及電能的質量，還需要保證足夠數量的充電設備來滿足用戶的充電需求，同時提升電網的電動汽車充電接入數量。由此可見，電動汽車的有序充電策略研究，不僅對電網系統負荷有參考價值，在充電站內充電設備數量的規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。而優化目標是在滿足基本充電需求的前提下才能繼續進行，因此，本文考慮將該要求作為優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電網系統側優化

有序充電策略在考慮電網系統側時，就是為了減小電網負荷波動，優化電網系統。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高峰負荷時段，有利于減小電網峰谷差和提高電網系統運行的穩定性和經濟性。

2.5結合考慮雙目標非線性規劃

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；而只考慮電網系統側負荷波動的情況下，單純的減小電網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展。

雙目標非線性規劃綜合考慮了用戶側與電網側，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負荷波動，保證了電網系統的經濟安全性，實現了用戶側與電網側的雙贏局面。

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，達到優化電網系統和節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、充電車輛數量約束等條件。與此同時，為了保證電網側與用戶側需求，新增以下約束條件：

1. 電網系統負荷約束

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

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，從電網系統和電動汽車用戶兩個角度出發，以電網負荷波動和用戶充電費用為目標，以提高電網運營經濟安全性和節約用戶費用成本的非線性雙目標規劃策略。該策略，可推斷電網負荷波動和用戶費用成本的有序充電策略和電網負荷波動。

1. 有序充電的作用

為了減小無序充電對電網的不良影響，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負荷曲線波動，保障了用電質量，有利于電網長久穩定運行；同時，能夠限度節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展。后續工作可以繼續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劣性。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統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據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，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、4G或WIFI等方式接入互聯網，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、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

4.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

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

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統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。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，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、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、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場問題。

4.4.5統計分析

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

4.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，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系統硬件配置

5.總結

傳統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狀，還會產生各種污染尾氣，背離了我國“綠色環保”發展理念。而電動汽車作為一種新興產業，以電產能，具有“，低噪聲，節能環保”的特點，它的出現，有效地緩解了環境能源問題。因此，大力發展電動汽車產業成為了共識。

本文研究了電動汽車無序充電對電網系統的影響。首先從用戶出行方式、出發時刻以及出行距離等特征進行分析，其次，通過用戶荷電狀態期望值與電動汽車的初始荷電狀態，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帶來的影響。

在無序充電研究的基礎上，提出了雙目標規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，綜合考慮電網系統側及EV用戶側，以電網負荷曲線波動和EV用戶充電費用為優化目標，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劃策略。

參考文獻：

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2. 謝遠德,張鄰,鄧沙麗,何潔朦.電動汽車充電設施優化網絡布局研究

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版